固封極柱制造技術概述

李杏龍 史小霞 龔浩 宋曉光 孫中航 王永亮

摘 要：以固封極柱制造技術為研究對象，建立產品三維模型，導入ANSYS軟件進行電場計算得到合理結構，然后確定澆注材料和產品工藝，進行模具安裝、零部件預熱以及混料等，生產出合格的固封極柱產品。

關鍵詞：固封極柱;制造技術;環(huán)氧樹脂

中圖分類號：TQ323.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0026-03

Abstract： Taking the manufacturing technology of fixed and sealed pole as the research object， the three-dimensional model of the product is established， and the reasonable structure is obtained by using ansys software to calculate the electric field， then the pouring material and the product technology are determined， and the mold is installed， the parts are preheated and the mixture is mixed， production of qualified fixed and sealed pole products.

Keywords： solid-sealed pole;manufacturing technology;epoxy

固封極柱是開關設備零部件之一，起到開斷電流的重要作用。為了保證固封極柱的產品質量，就要確保產品結構合理、生產制造工藝符合要求，最終使產品電性能、機械性能滿足使用條件。

1 產品結構確定

要生產固封極柱，首先要確定產品結構，包括產品外形和各零部件尺寸。通常先進行同行業(yè)調查，結合已知產品設計經(jīng)驗確定產品的初步結構，繪制出固封極柱產品初步三維模型，然后進一步評估產品各方面性能是否滿足使用要求，包括機械性能、電性能等，再根據(jù)需要修改產品的三維模型。目前，較為準確且簡單易行的方式是采用計算機輔助工程分析（Computer Aided Engineering，CAE）軟件進行仿真模擬分析，預測固封極柱產品存在的缺陷，減少人為錯誤對產品生產造成的影響，提高產品的設計效率。

1.1 電場分析

1.1.1 電場分析方法。要確定產品電性能是否合格，需要對產品進行電場分析，確保電場大小滿足要求。對固封極柱進行電場仿真模擬時，為了在不影響結果準確性的同時方便計算、提高仿真效率，將固封極柱的很多螺紋孔、彈墊以及平墊進行簡化，忽略介質氣孔、毛刺及其他因素。假定在20 ℃、101 kPa的干燥空氣環(huán)境中進行模擬。因為高電壓本身能使部分空氣電離，使空氣帶電甚至擊穿空氣而影響產品，所以固封極柱電場仿真還需要考慮外層空氣，形狀設置為長度方向同產品軸向的長方體，尺寸設置為500 mm×500 mm×1 200 mm，仿真網(wǎng)格全部為四面體結構。

1.1.2 電場分析結果。真空滅弧室制造工藝相對成熟，可選擇一線廠家的滅弧室，質量比較穩(wěn)定可靠。從產品實際運行情況看，因滅弧室出現(xiàn)問題導致固封極柱無法使用的事故雖然有，但是并不多。因此，固封極柱電場仿真主要模擬對地絕緣，其中高壓為42 kV，產品底部嵌件接地，對地絕緣設置及仿真結果見表1。

由表1可知，固封極柱環(huán)氧樹脂固化物部分電場強度最大值為11.20 kV/mm，小于其介電強度15 kV/mm;空氣部分電場強度最大值為2.14 kV/mm，小于其介電強度最大值3 kV/mm?？梢?，兩者電場強度均小于運行上限值，產品電場強度符合使用要求。

1.2 機械性能分析

固封極柱機械性能仿真模擬和電場仿真模擬類似，但是產品材料受機械載荷造成的應力與空氣無關。因此，機械性能仿真模擬主要考慮產品材料本身，不考慮外層空氣的影響，仿真過程相對簡單。固封極柱工作時主要受到絕緣拉桿給的合閘-分閘力和底部嵌件的固定力。根據(jù)機械強度判據(jù)，銅的抗拉屈服強度為280 MPa，環(huán)氧樹脂固化物的抗拉屈服強度為65～90 MPa，絕緣拉桿施加力值約為5 000 N。機械性能仿真結果為上出線座（銅）最大應力1.246 1 MPa，下出線座（銅）最大應力1.713 4 MPa，環(huán)氧樹脂固化物最大應力11.356 4 MPa，均小于對應抗拉屈服強度判據(jù)數(shù)據(jù)，因此產品機械性能符合要求。

2 模具的確定

確定產品結構合理以后，聯(lián)系模具廠家進行模具設計與加工。模具設計需要合理，以便脫模。首先由模具廠家設計出模具初步結構，其次將初步結構反饋給使用廠家，由使用廠家進一步確認結構的合理性，最后聯(lián)系模具廠家進行加工。本文固封極柱制造采用環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝技術，由于模具使用時要承受較大的注料壓力，因此需要選用質量較好的鋼板作為模具材料，同時不能存在砂眼及其他缺陷。

3 澆注材料的確定

選擇澆注材料時，要保證其滿足固化工藝要求，包括常溫下穩(wěn)定、高溫下快速固化、固化時間為十幾分鐘至幾十分鐘、具有極好的尺寸穩(wěn)定性和很高的機械強度等，可以廣泛應用于中低壓絕緣產品[1-2]。環(huán)氧樹脂不僅可以作為主絕緣介質，而且可提供機械支撐。因此，選擇合適的材料對固封極柱澆注合格率具有重要影響。

根據(jù)已有經(jīng)驗確定現(xiàn)有澆注材料能否滿足固封極柱產品生產要求，如果確定無法滿足生產要求，則可以聯(lián)系材料廠家確定新的澆注材料。固封極柱常用澆注材料參數(shù)見表2。確定材料性能符合產品使用要求后，即可進行生產。

4 工藝的確定

固封極柱環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝的生產流程為模具安裝—零部件準備—混合料準備—APG工藝澆注—后固化—后處理—檢查—包裝[3-4]。

4.1 模具安裝

安裝固封極柱模具一般先將模具整體放在成型機下抽芯上，然后用L形六角扳手、螺栓及加力桿將下抽芯緊固，再將動、靜模初步緊固，最后將上抽芯緊固。安裝時確保定位銷和定位孔同軸心。模具加壓后，通過測量合?？p隙是否不大于0.05 mm來判斷各模板安裝是否到位。各模板安裝到位后，緊固動模和靜模。如果合?？p大于0.05 mm，則繼續(xù)調整。

4.2 零部件準備

做好零部件準備工作有利于保證生產順利進行。生產時需要對每個零部件進行清洗、預熱，包括真空滅弧室、上出現(xiàn)座、下出現(xiàn)座以及嵌件。零部件清洗通常使用酒精，洗掉灰塵、機加工留下的少數(shù)碎屑等。零部件預熱通常在烘箱內進行。

4.3 混合料準備

環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝用混合料混料可以在混料罐進行，也可以在集混料、注料于一體的備料系統(tǒng)中進行，目的是將樹脂、固化劑以及填料混合均勻，同時將混合料內的氣體脫出體系。采用混料罐時要保證達到一定的真空度，也要控制脫氣的時間。采用備料系統(tǒng)時，樹脂和固化劑先分別在各自的初混罐內填料混合并攪拌，然后分別抽真空，后在終混罐內再分別進行“樹脂+填料”和“固化劑+填料”的混料。

4.4 產品澆注

澆注過程是產品生產的關鍵階段，決定著產品成型的好壞。在環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝的注料過程中，注射壓力、注滿時間、保壓壓力以及保壓時間共同作用于產品。注料壓力大能減少注滿時間，提高產品生產效率。但是，注料速度太快會導致注射過程中模具內部氣泡還未完全離開模具，環(huán)氧樹脂混合料已經(jīng)注滿模具，導致產品內部或表面有氣泡，影響產品的質量。注滿時間越小，生產效率越高，但過小會出現(xiàn)氣泡無法排出的情況，導致產品出現(xiàn)縮孔、氣泡等缺陷。適宜的保壓壓力可以保證產品內部各部位填充良好。保壓壓力過小會使產品固化收縮過程中補縮不及時，導致產品縮孔;保壓壓力過大會導致產品應力集中，嚴重時會導致模具合模部位漏料，增加產品固化時間，降低生產效率。保壓時間越小，生產效率越高，但過小時產品在模具內的固化度較低，產品脫模時可能會出現(xiàn)拉裂。此外，嚴重時混合料在模具內部還處于未固化液體狀態(tài)，導致開模后會從模具流出。環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝的注射參數(shù)見表3。

注射一段時間，填料會填滿模具內部，然后進行固化。在固化約20 min后成型，然后進行開模。開模后需要及時脫模，清理產品飛邊和毛刺，對有氣泡的地方進行補料，確保外觀均勻、平滑。

4.5 后固化

產品脫模后需要轉入固化爐進行后固化。雖然產品在模具內已經(jīng)初步固化，但是此時產品機械強度整體較低，無法滿足實際工況的運行要求，需要進一步固化。環(huán)氧樹脂內部分子交聯(lián)度并不高，需要進一步提高交聯(lián)度，增強產品機械強度，降低環(huán)氧樹脂固化過程中的內應力，減少開裂及其他缺陷[5]。固化結束后產品隨爐冷卻，接近常溫時即可出爐。

4.6 后處理

后固化出爐的固封極柱需要進行后處理。使用磨光機打磨注料口凸出產品表面的部分，確保打磨后過渡平滑。對于有鍍銀面的零件，先將鍍銀面擦干凈，再用防銀變色劑擦拭鍍銀面，最后加蓋保護蓋。

4.7 裝配

根據(jù)客戶要求裝配產品，通常安裝軟連接裝配、絕緣拉桿以及散熱片。將軟連接裝配各個部件先進行安裝得到軟連接裝配，再將軟連接裝配安裝到固封極柱上。絕緣拉桿需要保證安裝力矩，用測量拉桿工裝檢查拉桿外露尺寸，確保外露尺寸達到廠家要求。散熱片安裝時需要擰緊，防止出現(xiàn)松動。

5 產品檢測

第一，外觀檢查，確保產品顏色符合色標要求，表面光滑，無毛刺、飛邊等缺陷。第二，工頻耐壓檢測，即在電壓42 kV持續(xù)時間1 min的過程中，無放電、閃絡等現(xiàn)象。第三，局放檢測，在做完耐壓試驗后將電壓降到13.2 kV，保證局部放電量小于5 pC。第四，回路電阻檢測，要求電阻值小于客戶要求值。第五，探傷檢測，要求內部無氣泡及其他缺陷。第六，玻璃化溫度檢測，確保固化物的玻璃化溫度滿足材料正常固化值，保證混合料反應達到一定程度。

6 產品包裝

為避免產品在存放、運輸過程中出現(xiàn)磕碰，需要對檢驗合格的產品進行包裝。首先，在固封極柱外面裝上塑料袋，防止產品吸收潮氣而影響產品電性能;其次，捆扎塑料袋口后裝在泡沫盒內，保證產品存放、運輸過程安全;最后，用塑料打包帶打包即可。

7 產品生產常見問題解決

第一，注料口處漏料常常是因為上一模注料口樹脂固化物未清理干凈而造成的，需要清理固化物。第二，模具漏料、合?？p通常是由樹脂固化物未清理干凈造成的，需要清理固化物。第三，產品有氣泡通常是因為排氣不順暢，所以可以降低注料速度或在注料口夾紙增加排氣。如果這些方法無效，可能是混料脫氣不徹底造成的，此時需要檢查混料設備的密封性能，確保脫氣徹底。第四，模產品底部嵌件脫出的原因是手套接觸含脫模劑的砂布，再用含脫模劑手套接觸嵌件，導致嵌件表面含脫模劑，因此需要保證嵌件表面不接觸脫模劑。第五，內傘裙掉肉的原因為模芯瓦片裝配不到位，可能是模芯和瓦片之間有樹脂固化物未清理，也可能是瓦片本身磕碰導致，此時需要清理樹脂固化物或修理好瓦片。

綜上所述，采用環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝技術生產固封極柱時，需保證產品質量合格。首先，需要確保產品設計合理，包括各部位絕緣層厚度要滿足絕緣強度要求、產品電場要均勻、避免場強集中、電性能滿足運行要求等;其次，產品生產需要的混料罐、模具等對產品質量具有重要作用，需確保其穩(wěn)定可靠;最后，產品生產過程需滿足工藝要求，尤其是各具體參數(shù)，包括混料參數(shù)、環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝技術的注射工藝參數(shù)等。

參考文獻：

[1]龐鳴崴.APG技術現(xiàn)狀及工藝裝備[C]//2004全國環(huán)氧樹脂澆注與APG工藝技術研討會論文集.北京：中國石油和化學工業(yè)協(xié)會，2004.

[2]邱鶴年.環(huán)氧樹脂真空澆注技術工藝鏈的組成[C]//第十三次全國環(huán)氧樹脂應用技術學術交流會論文集.北京：中國環(huán)氧樹脂應用技術學會， 2009.

[3]周華梁.環(huán)氧樹脂壓力凝膠工藝及其應用[C]//第六次全國環(huán)氧樹脂應用技術學術交流會論文集.北京：中國環(huán)氧樹脂應用技術學會，1995.

[4]簡本成，陳燕.氧化鋁填料性能對環(huán)氧樹脂澆注制品性能的影響[J].現(xiàn)代技術陶瓷，2004（1）：18-20.

[5]張潤理，閻濤，李逸飛，等.固封極柱用環(huán)氧樹脂固化物開裂問題研究及預防措施[J].高壓電器，2014（5）：126-133.