◎陳曉麗 盧健 王瑞 唐猛 王海燕

目前，國內(nèi)加工制造該類產(chǎn)品多采用環(huán)氧樹脂自動壓凝膠成型（The Automatic Pressure Gelation，APG）技術(shù)成型。利用該技術(shù)成型的絕緣制品具有良好的尺寸穩(wěn)定性和極高的機(jī)械強(qiáng)度，在中低壓開關(guān)柜中應(yīng)用廣泛。該類絕緣制品由環(huán)氧樹脂固化物作為絕緣材料，將真空滅弧室、出線座、一次導(dǎo)電桿、二次線圈等導(dǎo)電及連接部件封裝為一體，具有絕緣強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、防火、防潮等特點。對于中低壓絕緣制品，影響局部放電的因素較多，主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品模具設(shè)計、絕緣材料選用、加工工藝制定和最終的產(chǎn)品外觀處理。

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

進(jìn)行產(chǎn)品局部放電試驗時，隨著電壓升高，電極之間電場強(qiáng)度逐步增加，在電荷集中部位，逐步發(fā)生放電現(xiàn)象，開始時特別小，當(dāng)試驗電壓超過某個點時，局部放電逐步增大，電壓逐漸減小時，局部放電仍然存在，但當(dāng)電壓降至影響局部放電的熄滅電壓時，局部放電急劇降低，直至降至5 p C以下。國標(biāo)對該類產(chǎn)品的局部放電量均有要求，現(xiàn)有文獻(xiàn)也對部分產(chǎn)品有分析，只要保證材料的熄滅電壓高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的局部放電試驗時的電壓，就能保證產(chǎn)品在多數(shù)情況下不會發(fā)生局部放電超標(biāo)的問題。因此，理想情況下，一般盡可能增加絕緣材料的厚度，從而有效提高絕緣材料耐受電壓的能力。按照常用雙酚A型環(huán)氧樹脂的電氣絕緣強(qiáng)度計算，結(jié)合實際的試驗及生產(chǎn)經(jīng)驗等，一般應(yīng)至少保證8 mm以上的絕緣層厚度。

另外對于絕緣制品內(nèi)部的導(dǎo)電部件，還應(yīng)盡可能增大其邊緣部位的曲率，避免出現(xiàn)尖端放電、應(yīng)力集中等問題的發(fā)生。澆注式互感器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 澆注式互感器結(jié)構(gòu)示意圖1

圖2 澆注式互感器結(jié)構(gòu)示意圖2

如果導(dǎo)電部件有特殊的凹陷、無法避免的尖端等問題，應(yīng)在該部位進(jìn)行特別處理，如增加屏蔽措施，或用同樣材質(zhì)的金屬材料進(jìn)行封堵等方法改善該位置周圍的電場均勻性。如果產(chǎn)品內(nèi)部有較大尺寸的金屬件、非金屬件等收縮率比環(huán)氧樹脂小很多的部件，還需根據(jù)環(huán)氧樹脂材料收縮率在其表面設(shè)計相應(yīng)厚度的緩沖層，因為環(huán)氧樹脂的收縮會在該類部件表面形成比較大的應(yīng)力層，甚至形成裂縫，常見緩沖材料的有液態(tài)或固態(tài)硅橡膠、自粘帶等。一般的計算公式為：

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計之初，就應(yīng)避免在高壓與低壓之間形成懸浮導(dǎo)電部位，較可靠的方式是將其設(shè)計成與高電位或低電位連接的方式，一般常用金屬線或金屬網(wǎng)等進(jìn)行導(dǎo)體連接，從而形成等電位。

二、產(chǎn)品模具設(shè)計

APG工藝是指在一定壓力下將環(huán)氧樹脂混合料注射進(jìn)較高溫度的模具中，發(fā)生聚合反應(yīng)最后固化成型的過程。在注射過程中，會不同程度的裹進(jìn)較多的空氣。因此對于該類產(chǎn)品使用的模具應(yīng)在合適的位置設(shè)計排氣槽以增加排氣，常見的形式是將其設(shè)計在模具上部以及內(nèi)部元器件容易憋氣的地方，對于高度方向尺寸較大的產(chǎn)品還應(yīng)在高度方向設(shè)計排氣槽。另外模具的注料嘴位置應(yīng)盡可能設(shè)計在模具底部，因混合料的溫度低于模具的溫度，設(shè)計在底部能夠避免注料通道因固化而堵塞，影響補縮，如特殊原因不能設(shè)計在底部，也應(yīng)盡量設(shè)計在模具側(cè)面下方的位置。

1.APG工藝原理。

金屬嵌件裝模后，將模具溫度予熱到比環(huán)氧樹脂混合料的溫度高80～100℃即達(dá)到140～160℃。然后通過APG設(shè)備的加壓系統(tǒng)，將貯料罐內(nèi)的環(huán)氧樹脂混合體系（已經(jīng)過真空脫泡處理）通過管道壓入模腔內(nèi)，使環(huán)氧樹脂混合體系與模具的高溫模壁發(fā)生快速的熱交換。由于，靠近模壁的環(huán)氧樹脂混合料短時內(nèi)達(dá)到高溫狀態(tài)，從而導(dǎo)致環(huán)氧樹脂混合料從模具壁附近開始迅速發(fā)生固化反應(yīng)而凝膠化，并向模壁發(fā)生固化體積收縮。環(huán)氧樹混合料的固化收縮部分即由模腔中心，仍處于壓力下的液態(tài)的環(huán)氧樹脂混合料來快速補充。整個模腔內(nèi)的環(huán)氧樹脂混合料的凝膠收縮，則由貯料罐內(nèi)加壓的環(huán)氧樹脂混合料來加以恒定的補充。直到整個模腔內(nèi)的環(huán)氧樹脂混合料全部凝膠化后，整個系統(tǒng)才解除壓力。

在傳統(tǒng)的城市建設(shè)過程中，會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，也會浪費大量的資源與能源，屬于粗放型的發(fā)展模式。隨著時間的推移，這種發(fā)展模式引起了十分嚴(yán)重的不良后果。為了加快城市化的建設(shè)進(jìn)程，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)人們的生活質(zhì)量與水平，只有通過生態(tài)城市的建設(shè)，才能為城市化進(jìn)程的順利發(fā)展提供保障。

環(huán)氧樹自動壓力凝膠工藝（APG）技術(shù)的獨特之處是，通過連續(xù)的對環(huán)氧樹脂混合料加以恒定的壓力；達(dá)到強(qiáng)制補充固化收縮的目的。這一過程是在很高溫度的模具內(nèi)完成的，從而使高反應(yīng)活性的環(huán)氧樹脂混合料在短時間內(nèi)迅速凝膠化。因此，制品表面無缺陷，內(nèi)應(yīng)力較低，固化物致密、一致性好，尺寸精度高，機(jī)電性能優(yōu)異，產(chǎn)品合格率高。由于凝膠化時間一般在幾分鐘至幾十分鐘（根據(jù)模具大小而不同）內(nèi)完成，可大大提高模具利用率，縮短生產(chǎn)周期。由于，APG工藝是在一個整體密閉的系統(tǒng)裝置中進(jìn)行的，對環(huán)境污染，節(jié)省能源、節(jié)省工時。

2.APG工藝基本特點。

環(huán)氧樹脂混合料在室溫條件下（25℃）其系統(tǒng)的適用期為1～2天，在40℃～45℃下適用期為6～8小時；而在高溫條件（140～160）下該配方體系則是高反應(yīng)活性的，在短時內(nèi)即快速凝膠，以可靠的設(shè)備和工藝參數(shù)加以控制和保證。制品的模具溫度高于環(huán)氧混合料體系的溫度約80～100℃左右，使固化反應(yīng)的凝膠過程，自模具壁開始向中間環(huán)氧樹脂混合料擴(kuò)散。在整個環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)的凝膠過程中，保持混合料的壓力，使環(huán)氧樹脂混合料體系在恒定的壓力下擠入模腔，對補充體系在凝膠過程中的體積收縮而形成的空隙。

另外在進(jìn)行模具設(shè)計時也應(yīng)考慮到材料的固化收縮，一般環(huán)氧樹脂材料的收縮率按0.1%～0.8%設(shè)計，模具的內(nèi)腔尺寸應(yīng)留出產(chǎn)品的收縮量。

三、絕緣材料選用

絕緣制品常見的絕緣材料主要有環(huán)氧樹脂、尼龍、硅橡膠等，本文主要分析雙酚A型環(huán)氧樹脂材料。環(huán)氧樹脂混合料主要是由環(huán)氧樹脂、固化劑、填料、色粉等混合制成。常見的填料主要是硅微粉，色粉是氧化鐵粉末，這兩種材料易吸潮，吸潮的材料混進(jìn)去容易出現(xiàn)混料不均勻，易形成小的起泡等問題，且水分在高溫下容易汽化形成氣泡。環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)相比空氣要大的多，空氣的耐電強(qiáng)度僅為環(huán)氧樹脂材料的1/10，因此材料中如果有氣泡將很大可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象。一般混料前需將該兩種材料進(jìn)行充分的烘干，烘干后應(yīng)立即使用，避免再次的返潮。另外因環(huán)氧樹脂材料的粘度較大，材料還應(yīng)進(jìn)行充分的脫氣，一般情況下脫氣完成后還應(yīng)放置一段時間觀察是否有氣泡返出。

絕緣制品用環(huán)氧樹脂體系的性能參數(shù)要求如下表：

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環(huán)氧樹脂混合物應(yīng)保證配比正確，不正確的配比會影響材料的機(jī)械及電氣性能。加料過程中應(yīng)避免引入雜質(zhì)、金屬顆粒等異物，該類物質(zhì)也會在產(chǎn)品內(nèi)部形成放電點。

絕緣制品成型工藝要求，澆注成型過程需在（120～160）℃的高溫下進(jìn)行，其內(nèi)部使用的緩沖材料、屏蔽材料及其他防護(hù)或支架等應(yīng)能保證在該溫度下加熱（10～18）h不發(fā)生變性等。常規(guī)的工藝要點如下：

（1）當(dāng)室溫低于20℃時，環(huán)氧樹脂需要提前一晚上預(yù)熱。

（2）按照順序倒入混料罐中，一般為環(huán)氧樹脂、硅微粉、色粉、固化劑。

（3）先用手動攪拌，等到硅粉基本溶入，再開始低速攪拌。

（4）當(dāng)停止攪拌時，若混料表面仍有氣泡上返，則應(yīng)適當(dāng)延長脫氣時間，直至基本上不見氣泡為止。

因內(nèi)部元器件與環(huán)氧樹脂材料的收縮率不同，容易在不同種材料的界面上形成因收縮不一致而產(chǎn)生的縫隙等問題。目前對于金屬部件一般采用噴砂、滾花等方式增加與環(huán)氧樹脂材料的結(jié)合面積，增大結(jié)合力，特殊的還會在金屬表面通過刷粘接劑的方式來提高與絕緣材料的粘接力。其他的如固封極柱內(nèi)部的真空滅弧室，其表面一般采用硅橡膠作為緩沖層，因較大尺寸的硅橡膠與環(huán)氧樹脂也會出現(xiàn)粘接力不強(qiáng)的情況，一般通過將硅膠層表面打毛并涂粘接劑的方式提高硅橡膠層與環(huán)氧樹脂混合料的結(jié)合力，從而避免在該部位形成明顯的放電通道。我們曾經(jīng)有一批固封極柱產(chǎn)品就是在硅橡膠與環(huán)氧樹脂的界面上形成了比較長的放電通道，通過采用該方法有效解決了該問題。

對于互感器產(chǎn)品，因其內(nèi)部的一次導(dǎo)電桿與二次線圈表面均制作有屏蔽層，該屏蔽層多采用半導(dǎo)電皺紋紙、半導(dǎo)電自粘帶等材料，在進(jìn)行包繞或裝配過程中，屏蔽層容易出現(xiàn)翹起、破損、斷裂等問題，如不對這些缺陷進(jìn)行處理，最終產(chǎn)品會在屏蔽層處發(fā)生尖端放電，嚴(yán)重的屏蔽層不能起到作用。對于其他采用銅、鋁或鋼制成的金屬網(wǎng)作為屏蔽罩的，屏蔽罩在制作過程中也應(yīng)在去除尖角、毛刺、焊渣等。

四、加工工藝制定

APG工藝相比真空澆注工藝，模具溫度較高，在高溫下，環(huán)氧樹脂材料的粘度降低，有助于氣體的排出，一般情況下，注料速度越慢也有助于氣體的排出，但是因環(huán)氧樹脂材料有凝膠時間的要求，一般需在發(fā)生凝膠反應(yīng)之前將模具內(nèi)部注滿。因此應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的不同，合理控制注料速度，在凝膠反應(yīng)發(fā)生之前，盡可能緩慢注料，調(diào)整方法是控制注料壓力，一般是注料壓力先增大再減小，隨后再逐步增大。

環(huán)氧樹脂的固化過程同時伴隨著收縮，因此在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品注滿模具后應(yīng)緩慢增加注料壓力直至較大的水平，從而保證混合料在材料逐步固化的過程中能隨時補充產(chǎn)品的收縮，避免在產(chǎn)品內(nèi)外部形成比較大的缺陷。補縮過程壓力會略有下降，應(yīng)注意補充壓力。

另外除了模具需要較高的溫度外，內(nèi)部的元器件及模具配件也應(yīng)提前進(jìn)行預(yù)熱，因模具與元器件件溫度不同時也會引起材料收縮比不一致，最終形成裂縫等缺陷。如互感器內(nèi)部的器身、固封極柱內(nèi)部的真空滅弧室及出線座等，均應(yīng)提前用烘箱等進(jìn)行預(yù)熱處理。

裝模時，應(yīng)避免因工具或手套等引入雜質(zhì)及脫模劑等，盡可能快速地將元器件裝配模具上，以減少配件熱量的散失，一般應(yīng)控制在30min以內(nèi)完成裝模工作。裝模后如圖3示意。

圖3 元器件安裝后示意圖

脫模過程中，應(yīng)避免產(chǎn)品因磕碰造成的內(nèi)應(yīng)力及損傷，將模具配件拆卸完成后，迅速將產(chǎn)品送入固化爐進(jìn)行二次固化，二次固化應(yīng)遵循先高溫12h再隨爐冷卻降溫的過程，確保二次固化過程中產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力能緩慢釋放。該過程中尺寸較大的產(chǎn)品還會發(fā)生較為明顯的尺寸變形，應(yīng)注意對產(chǎn)品外形及安裝尺寸的影響。

絕緣制品的加工參數(shù)如表2要求：

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常規(guī)的加工工藝要點如下：

（1）打開進(jìn)氣閥，調(diào)整注射壓力，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥，待看到有混合料流出，便點擊注射，開始注料，待達(dá)到注滿時間后，再次打開進(jìn)氣閥，使壓力達(dá)到保壓壓力。待保壓結(jié)束后，先將注料小車上的放氣閥打開，待壓力降至0后，先使模具卸壓，點擊按鈕將下抽芯后退，再點按鈕退出動模。

（2）注射過程應(yīng)重點監(jiān)控：需要監(jiān)控成型機(jī)的保壓狀態(tài)，避免出現(xiàn)設(shè)備突然不參與保壓、模具滲料等情況。同時也需要觀察模具溫度的加熱系統(tǒng)是否正常，出現(xiàn)問題時應(yīng)及時反應(yīng)。

五、產(chǎn)品外觀處理

中低壓絕緣制品進(jìn)行局部放電試驗前需進(jìn)行外觀的打磨處理，處理后產(chǎn)品應(yīng)無尖端毛刺，螺紋孔無樹脂等雜物殘留，高壓及低壓側(cè)的導(dǎo)電部件表面無飛邊等。試驗前需要檢查接地線是否可靠接地，接地線自身的毛刺等也會對局部放電試驗有較大影響，屏蔽筒的屏蔽層應(yīng)完整。部分產(chǎn)品進(jìn)行局部放電試驗時可能略有超差，此時應(yīng)檢查低壓部位是否可靠接地，部分產(chǎn)品的也可能是表面未處理干凈或有毛刺等，應(yīng)注意檢查。

綜上所述，對于中低壓絕緣制品，影響局部放電的因素較多，在設(shè)計好產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和模具的結(jié)構(gòu)后，還應(yīng)通過多種措施及方法控制產(chǎn)品的過程工藝以及后處理過程，試驗前也要做好外觀檢查工作，最終才能確保產(chǎn)品的局部放電量符合國標(biāo)的要求。