GIS盆式绝缘子制作工艺及残余应力

邹舟诣奥、戴湘通讯作者

深圳职业技术学院

简介：本文介绍了GIS盆式绝缘子制作工艺以及产生残余应力的原因及危害。文献调研分析发现GIS盆式绝缘子制作过程中会形成残余应力，残余应力的存在会导致应力集中，破坏材料机械性能，进而产生裂纹以及造成其他安全事故。

关键词：盆式绝缘子制作工艺、残余应力

0. 引言¹

气体绝缘金属封闭开关设备（gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS）具有占地面积小、安装检修方便、运行不受外界不利环境影响、可扩展性强等优点，广泛应用于电力系统中。盆式绝缘子作为GIS重要部件，起着电气绝缘、隔离气室、支撑导体的作用，其性能直接影响GIS安全稳定运行^[1]。本文简单介绍了盆式绝缘子的制作过程和残余应力产生原因及危害。

1 盆式绝缘子制作工艺

盆式绝缘子主要由环氧树脂复合材料和金属嵌件（铝材）组成。除了金属嵌件由铝制作外，环氧部分由双酚A环氧树脂、氧化铝粉填料和酸酐类固化剂固化制成^[2]。在环氧树脂体系内加入填料，可以解决纯树脂的固化收缩率大等问题，也可以减小固化后树脂的线膨胀系数和提高固化物的导热性。环氧树脂与氧化铝填料比例影响固化物的机械强度，若在一定范围内增大比例，可有效提高固化物的机械强度。通过对浇注试样的弯曲强度、冲击强度和拉伸强度进行测试，得到此环氧浇注体系树脂与氧化铝粉填料最佳比例为1∶4。氧化铝填料的粒径分布与体系固化产物内应力形成相关：易沉淀的大粒子使氧化铝在环氧树脂体系内分布不均，从而会造成体系固化产物的内应力分布不均，导致浇注试样强度的降低。经过对不同粒径分布的氧化铝填料进行浇注试样测试，得到中位粒径（D50）（当试样的累积粒径分布百分率达到50%所对应的粒径）在20μm并呈正态均匀分布的氧化铝粉效果最佳^[3]。

盆式绝缘子的制作工艺过程阐述见下文^[3]。

（1）浇注固化前嵌件和模具的处理。首先对中心嵌件采用喷砂工艺对其表面进行处理，随后将嵌件装入到模具中。喷砂工艺(使用石英砂、金刚砂等)可以使嵌件表面具有一定的清洁度和粗糙度，从而大大改善树脂和嵌件之间接触效果。模具清洁后均匀涂抹脱模剂即可装模，根据材料及模具情况，一般在80°C-130°C下预烘6小时后即可浇注。

（2）第一次混料及真空脱泡。第一次混料是双酚A环氧树脂和氧化铝粉填料在树脂罐，酸酐类固化剂在固化剂罐分别加热熔融实现的。将加双酚A环氧树脂和氧化铝粉按1:4比例加热熔融并混合搅拌，混合采用薄膜脱气方式对物料进行真空脱气处理。薄膜脱气的方式是真空浇注中常见的脱气方式，首先备料罐的搅拌桨将混合料螺旋提升到脱气伞页上，伞页上的混合料沿着页面向下流淌，此时混合料在页面上形成了一层物料薄层，进而利用真空泵将薄层上的气泡吸出。

（3）第二次混料及真空脱泡。将第一次混料和真空脱泡后的环氧树脂、氧化铝粉混合料，以及固化剂罐内加热熔融后的固化剂，按照一定配比进行第二次混料和薄膜脱气形成终混料。第二次混料时间长达70-80分钟，时间足够长以保证材料混合均匀。

（4）浇注工艺。将终混料按1.5–2 kg/min速率浇入模具内。浇注速率也需要控制，若速率过快容易产生气泡，速率过慢不仅制约了生产效率同时过长的混料时间会引起混合料粘度的增加。

（5）固化工艺。固化过程总体上有持续升温、保温和降温3个主要阶段。目前常用的环氧浇注固化工艺有单段固化和两段固化两种，最常用的是两段固化。单段固化一般选取2小时内持续升温至130℃、保温30小时的固化工艺；两段固化一般选取2小时内持续升温至105℃保温15小时、再升温至155 ℃保温15小时的固化工艺。单段固化时固化温度较低，通过延长固化时间来提高固化度，因此，材料固化度偏低，强度偏小。而两段固化时分两个阶段，第一阶段在低温进行，第二阶段在高温进行，固化度偏高，绝缘子强度大^[4]。

2 盆式绝缘子制作过程中的残余应力

盆式绝缘子工艺制造过程中产生可能产生残余应力。环氧树脂在混有固化剂后加热固化，经脱模，然后冷却至室温。在这个过程中会产生内应力，主要可以归结为以下四个方面：1） 固化树脂的体积收缩。环氧树脂固化时体积收缩率为1%-2%。一般树脂收缩可分为两种即由液态到固态相变过程中的化学收缩和降温过程中的物理收缩。化学收缩是由于固化过程中聚合反应，使分子间范德华力作用变为共价键作用，引起体积收缩^[5]。2）环氧树脂复合材料与金属嵌件界面之间不同的热膨胀系数。在固化冷却过程中由于环氧-金属嵌件界面处材料热膨胀系数不同，收缩不均匀而产生残余应力^[6]。3）树脂在急剧冷却时本身的粘弹性行为。绝缘件固化后，内部与表面的温度差而导致相对的压缩或拉伸形变，进而产生分布不均匀的温度应力^[6]。4）环氧树脂、氧化铝和固化剂混料过程中搅拌不均。5）物料大粒子沉淀。若材料中粒子粒径过大，则易沉淀，从而会造成体系固化产物的内应力分布不均

^[3]。

盆式绝缘子运行时残余应力在外在载荷，即电场、应力场和温度场的复合作用下，会逐渐累积，当超过其可承受的机械强度时，会形成裂纹，易造成绝缘子开裂，进而发生漏气、局部放电、绝缘烧蚀和闪络等故障。

参考文献

[1] Xie J, Chalmers I D. The Influence of Surface Charge upon Flashover of Particle-contaminated Insulators in under Impulse-voltage Conditions[J]. Journal of Physics D：Applied Physics, 1997, 30(7):1055-1063.

[2] Zhou W J, Zheng Y, Yang S,et al. Detection of intense partial discharge of epoxy insulation in SF6 insulated equipment using Carbonyl Sulfide[J]. IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation, 2016, 23:2942-2948.

[3] 常晓靓, 李思慧. 环氧树脂真空浇注工艺研究[J]. 山东工业技术: 10.

[4] 郭茹. 导热环氧树脂复合材料的制备[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[5] 崔博源, 王宁华, 王承玉, 等. 特高压气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子的质量控制[J]. 高电压技术,2014,(12):

[6] Exner W, Hein R, Mahrholz T,et al. Impact of nanoparticles on the process-induced distortions of carbon fiber reinforced plastics: An experimental and simulative approach[J]. JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, 2019,(136):47031.

1 通讯作者：戴湘，深圳职业技术学院