交互式绝缘材料导热系数测定

周秋松++丁树业++崔广慧++邓艳秋++蒋山

摘要：为了精确测量电磁机械装置内非标准固体绝缘材料的导热系数，基于稳态热流法原理搭建固体材料导热系数测试平台，对非标准绝缘绝缘材料样品的导热系数进行了系统测量，通过研究能够有效解决交互式固体绝缘材料导热系数测量问题.为测量非标准固体绝缘材料导热系数的测定奠定了理论基础.

关键词：稳态热流法；非标准绝缘样品；导热系数；交互式法

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.006

中图分类号：TM215.1

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）04-0030-04

0 引言

随着能源问题的突出和现代工业的迅猛发展，当今社会越来越意识到热物性学研究的重要性.把如何迅速、精确地确定物质热物性数据作为热物性学的基本任务，当然也就显得尤为重要，作为经典的热物性测试方法的稳态热流法有测试原理简单、测定范围广等优点.在许多电力设备中，绝缘材料作为其重要组成部分，其导热性能直接影响电力设备的温度分布、最高温升乃至设备的寿命，因此研究绝缘材料的导热性能对于电力行业具有非常重要的理论价值和实际工程意义.

在电机、变压器和电抗器等电力设备的设计和研发阶段，各种绝缘材料的导热系数是必不可少的参数，所以能够准确测量绝缘材料的导热系数显得至关重要.为了缩短开发周期提高设计精度，精准、快速地测量电力设备中绝缘材料的导热系数迫在眉睫.基于稳态热流法的测量原理，本文以干式电抗器内常用的A类绝缘材料为例，利用导热仪测量其导热系数.受于导热仪对测量样品尺寸规则的局限性，针对电机内绝缘材料结构不一且难于取材制样的特点，提出了新方法——交互式绝缘材料导热系数的测量，提供更加经济便捷的测试技术，来获取尺寸非标准绝缘材料的导热系数，为电力设备的温度场数值计算以及设计开发提供保证.

1 固体材料导热系数测量方法

由传热学理论可知，由于温度不平衡的原因，导致物体内存在温差，因而热能不均匀分布.物体内粒子在没有宏观位移的情况下，热量从高温部位传到低温部位，尽管没有物质转移也存在热量传递现象，我们把借助物质微观粒子的无序运动的热传递现象称为热传导，导热系数就是用来表征物质热传导性能的物理量.

1.1 稳态热流法的测量原理

该测试系统由上下加热板、热流计、绝热板等主要部件组成，通过控制绝热板的温度，减少沿试样侧面的杂散热耗，使通过试样有效传热面积的热量基本上为一维稳态热流.

由于样品的直径远大于其厚度，可看作为无限大平行板，所以忽略了试样圆盘侧面的散热而产生的影响，近似为热流线平行，因此热量传导方向为有下至上的垂直方向，如图1所示，

导热系数是指在稳态条件下，通过垂直于热流线的单位温度梯度、单位截面面积下的热流量，绝缘性能优良的材料通常导热系数较低，导热系数中低的材料一般使用Fourier方程所描述的稳态法测试，即式中：λ为导热系数；S为垂直于热流线的试样截面面积；T₁为热板温度，T₂为冷板温度，T₁-T₂为试样上下表面温度差；d为试样的厚度，△Q为垂直平板方向传递的热量，称为热流量，

其中：通过导热仪已将热板温度T₁、冷板温度T₂设定，因此试样上下表面温度差T₁-T₂为已知条件；试样的厚度d、截面面积S也已预先测定；热流量Q可通过功率方程P=KQ（K=l）算出则导热系数单位变为W/（K.m），导热方程为：

高温导热仪测试时要求测试样品为规则圆柱体，直径100mm，厚度在5mm左右，精确度要求较高，自身对绝缘材料形状的有约束性，其实验设备如图2所示：

下面给出实验测得标准圆柱体形状绝缘材料垫块和铁饼外环氧的导热系数，如图3和表l所示.从误差计算中可知，已选材料的数据因测量次数太少而误差较大，为了在现有的测量数据上得出较精确的实验结果，故采用去掉数值最大和最小的两个数据，其他数据取平均值的方法，采用此方法得到的结果为：垫块材料的平均导热系数是0.641W/（K·m）；铁饼外环氧的平均导热系数是0.531W/（K·m）.

本研究利用混合材料等效导热系数计算公式，测定结构非标准绝缘材料的导热系数测.因此提出了基于稳态热流法导热仪测定非标准样品导热系数的方法以及实验数据修正方案，这在工程应用中是一种全新方法.

2 交互式绝缘材料导热系数测定

对于结构形状非标准的测试样品，如电机内的主绝缘、层绝缘、匝间绝缘等，其材料结构尺寸非标准形，其中的组分也不是单一材料，难以制作成规则试样，直接利用实验设备测量导热系数，需要采用一定方法来解决，这时需要本实验创新性，采用已知绝缘材料将待测材料紧密包裹成标准圆柱体形状，两种材料的厚度均是统一，并且所有材料的面积均容易测得，通过导热仪测得混合样品的等效导热系数λ_eq，再导出结构尺寸非标准绝缘材料的导热系数.

2.1 实验材料

本实验主要为了测定结构尺寸非标准绝缘材料垫块及铁饼外环氧的导热系数，它们属于E级绝缘，最高工作温度为120℃.取两个非标准绝缘试样（60mm×60mm的正方块），用已知导热系数绝缘材料做模具，使其组合成标准试样——交互式混合绝缘材料（已删除如图3所示）：（a）内垫块外铁饼外环氧和（b）外垫块内铁饼外环氧，各3块，测试绝缘材料样品正反面以A、B之分，分别记为外铁内垫A面、外铁内垫B面及外垫内铁A面、外垫内铁B面，如图4所示：

2.2 实验内容

导热仪可以直接测得整块模板的等效导热系λ_eq由于模具的导热系数已经单独制作标准测试样品测得，厚度为标准值，各部分面积可测得，因此求出结构尺寸非标准绝缘材料的导热系数计算公式如（3）所示：式中：λ₁为已知材料的导热系数；s₁为已知材料的横截面积；λ_x为待测材料的导热系数；s_x为待测材料的面积；d为整个样品的厚度；λ_eq为整块材料的等效导热系数，

利用导热仪对两交互式混合材料正反面导热系数进行多次测量，并取均值，如表2所示：

由于本研究采用的是间接测量方法，在准确度和精度上要低于传统的测量方法，但是精度已足以达到工程需要.为了验证测量的准确性，基于Fluent有限体积法工程软件对实验过程进行数值仿真，一方面验证实验的准确性，另一方面与工程实际相结合，提出导热系数在电气工程领域设计开发阶段的实用价值.

3 实验结果及误差分析

通过将已知条件带入公式（3）多次求得结构非标准绝缘材料的导热系数计算值，并与实验值进行对比，如表3所示：造成测量误差的的可能原因主要有以下几点：1）实验设备：即使是同一块材料在相同条件下测相同时间，所得结果也会有所不同，测试中出现结果与其他数据相差较大的，采取重新测量办法以减小误差；

2）由于实验设备对实验材料尺寸要求很高，必须是直径100mm的圆柱体，人为加工材料很难做到精确，稍微大些便会出现放不进去测试炉的情况，为了能放进测试炉就需将样品切削稍微小于100mm，这会产生误差，该误差已由数据处理减小；

3）实验材料的厚度对实验结果也有影响，由于材料厚度不均，很难测得准确厚度，产生误差，实验过程中采用多次测量取平均值法减小误差；另外，待测样品与已知绝缘系数样品有厚度差，使其混合体在厚度上不连续，多次测量取平均值减少误差；

4）实验材料有弯曲现象，有明显凹凸面，不是标准柱体，这可能导致传热不均引起误差，实验过程中每个混合样品正反两面各测一次，最后取平均值以减小该误差；

5）对于交互式材料在衔接处有空隙，因此使用精密仪器尽量细加工材料，使两者最大程度吻合在一起以减少误差.

通过本次试验利用交互式绝缘材料导热系数测定的方法，来测得结构形状非标准绝缘材料的导热系数，经验证在误差允许范围内测量值与真实值基本吻合，该方法的可靠实用性.

4 结论

本文基于稳态热流法原理，对结构形状非标准同体绝缘材料的导热系数进行了交互式测定，主要得到如下结沦：

1）稳态热流法能够有效地解决交互式固体绝缘材料导热系数的测定问题；

2）采用交互式固体绝缘材料导热系数测量，测定结果是采用了等效公式法，其相对误差在允许范围之内，实验值与计算值相对吻合，有效满足工程实际需求.