环氧浇注设备对环氧浇注绝缘件质量的影响分析

2021-04-01王光明牛建鸿孙建祥

上海电气技术 2021年1期

王光明牛建鸿关文孙建祥

西安西电高压开关有限责任公司西安 710018

1 分析背景

在电力工业中,气体绝缘金属封闭开关设备将变电站中除变压器以外的一次设备,包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等,通过优化设计有机地组合成整体。环氧浇注绝缘件是气体绝缘金属封闭开关设备中的关键绝缘件,主要起将高电压大电流导体与罐体进行支撑、隔离、固定等绝缘作用,其质量直接影响气体绝缘金属封闭开关设备的正常运行。

对环氧浇注设备而言,设备正常运行方可确保环氧浇注绝缘件的生产完全按照工艺规程执行,特别是各原材料严格按工艺配方添加,环氧树脂、固化剂、填料等原材料严格按工艺文件规定的真空度、温度、时间进行处理,这样才能使绝缘子、绝缘支持台、绝缘套管等环氧浇注绝缘件不仅具备优良的绝缘性能,而且具有可靠的机械性能和耐六氟化硫气体腐蚀性能。可见,环氧浇注设备的质量及性能对环氧浇注绝缘件有直接影响。

笔者研究分析环氧浇注设备对气体绝缘金属封闭开关设备环氧浇注绝缘件的影响,确定不同环氧浇注设备的优劣。

2 环氧浇注设备制造厂商

环氧浇注设备可以分为进口设备、国产设备。在早期,国产环氧浇注设备主要由研究所与厂家联合设计制造,采用部分真空处理、加料人工计量、常压浇注。随着国外先进技术的引入,以及各厂家、研究所、学校的技术攻关,国产环氧浇注设备发展为如今的全过程真空处理、计算机自动加料计量、真空浇注。现阶段,国产环氧浇注设备性能与进口环氧浇注设备已较为接近,成本则逐渐降低。

进口环氧浇注设备的制造厂家以海德里希和旭百世为代表。长期以来,进口环氧浇注设备在性能控制、人性化操作、制造细节等方面都高于国产环氧浇注设备。

主要进口和国产环氧浇注设备如图1所示。

图1 主要环氧浇注设备

对于环氧浇注绝缘件生产厂家而言,选用进口环氧浇注设备还是国产环氧浇注设备,需要综合考虑企业定位和设备选型。选用进口环氧浇注设备,能够保证环氧浇注绝缘件产品质量和工艺过程稳定可靠,但易耗品、特殊损坏部件备置的价格为国产环氧浇注设备的5～10倍,会显著增加厂家负担。当设备突发故障,又暂时无法得到替换件时,还会严重影响厂家生产。相对而言,国产环氧浇注设备现阶段质量已经基本稳定可靠,易耗品和特殊损坏部件的备置压力较小,且价格显著低于进口环氧浇注设备。

3 环氧浇注设备组成与分类

环氧浇注工艺流程如图2所示。环氧浇注设备根据工艺流程要求,对各种原材料进行处理。基于原材料处理,可以将环氧浇注设备分为原材料预处理部分、原材料预混合部分、原材料终混合部分、混合料浇注部分。基于控制对象,可以将环氧浇注设备分为质量计量控制部分、温度加热控制部分、真空度控制部分、运行时间控制部分。此外,基于特殊控制对象,环氧浇注设备还可以分为放射区域控制部分、升降梯设施控制部分。按不同的混料处理方式,环氧浇注设备分为薄膜脱气混合环氧浇注设备、静态混料器混合环氧浇注设备。按不同的加料方式,环氧浇注设备分为全自动加料环氧浇注设备、半自动加料环氧浇注设备。

图2 环氧浇注工艺流程

4 混料处理方式

按照不同的混料处理方式,环氧浇注设备可以分为薄膜脱气混合环氧浇注设备和静态混料器混合环氧浇注设备,两者分别以海德里希和旭百世产品为代表。这两类环氧浇注设备使用已有二三十年,各有优缺点。

在环氧浇注绝缘件生产过程中,各厂家对原料处理极其重视,这是因为环氧浇注绝缘件的电性能和机械性能要求极高。气体绝缘金属封闭开关设备中,绝缘介质六氟化硫气体水分含量要求控制在10-6级别以下。薄膜脱气混合原理如图3所示。环氧浇注设备可以在真空情况下,通过螺旋提升器将环氧物料提升到搅拌罐中的伞型面,形成薄膜状物料。薄膜状物料中存在的微量水分在伞型面上由真空气化去除。若使用静态混料器混合环氧浇注设备,则在去除环氧物料微量水分方面处于劣势。

图3 薄膜脱气混合原理

静态混料器如图4所示。理论上环氧物料经过静态混料器后,可以达到213混合次数,物料应完全混合均匀。使用静态混料器混合环氧浇注设备,优点为占地面积小,设备紧凑,设备能源消耗低,避免混料罐清洗问题及由此引发的环氧浇注绝缘件含杂质等缺陷。静态混料器混合环氧浇注设备使用过程中,必须严格注意监视控制静态混料器前侧计量泵是否正常输送环氧物料,避免计量泵内没有环氧物料,进行虚空加料循环,或者计量泵磨损造成浇注料配比失常,引起环氧浇注绝缘件未固化、报废。未固化环氧浇注绝缘件如图5所示。

5 原料预处理

环氧树脂常温下为固态树脂,加热后方可熔化为液体形态,熔点范围为35～60 ℃。环氧树脂加入固体粉状填料、环氧固化剂后,混合物料的处理温度一般为120～140 ℃。需要考虑环氧树脂熔化罐、填料干燥处理罐、固化剂加热熔化罐三者之间温度的适配性,以及真空度等工艺参数的设定,避免参数超限对环氧浇注设备的控制及后期的维护造成影响。尤其需要注意,在全自动加料过程中,由于各处理罐的真空度要求不同,对浇注物料的计量误差相互累计,进而对浇注整体配方产生影响,降低环氧浇注绝缘件的质量。计量系统需要足够重视,在设备安装调试阶段,工艺技术人员必须现场参与确认计量系统能否满足计量精度要求。

图4 静态混料器

图5 未固化环氧浇注绝缘件

环氧树脂熔化罐到预混罐之间的管道中,控制阀门包括用于自动加料控制的气动阀门、电磁阀门等,需要加装加热带,或采取夹层循环加热油加热方式,同时对不同部位加装温度测试装置,确保可以随时巡检相关管道及主要控制阀的实际温度,避免局部加热温度过高导致环氧树脂碳化,形成发黑结晶。结晶会脱落进入预混罐,进而进入环氧浇注绝缘件,使环氧浇注绝缘件形成缺陷,引起环氧浇注绝缘件报废。

对于环氧树脂熔化罐、预混罐、终混罐、浇注罐,相互之间需要保证对应的高度落差,以方便环氧树脂及混合物料顺利进入下一级罐内。需要对环氧浇注绝缘件生产总量、生产能力进行正确预估,保证环氧树脂熔化罐所熔化的环氧树脂足够供当日浇注。

使用固态酸酐作为固化剂时,需要考虑固态酸酐的熔化温度。固态酸酐容易升华,升华后会在温度较低的罐盖、连接固化剂罐的管道内冷却,形成固体粉状、针状结晶,堵塞管道,影响设备运行。

环氧浇注用填料在生产时,为保证性能,进行了特定工艺研磨,同时添加表面活性剂进行活化处理。环氧浇注用填料中的微量水分需要在混料前去除。在填料干燥处理罐内,通过加热、真空处理,去除微量水分,加热温度需合理,避免在预混时由于环氧浇注用填料温度过低,降低混合物料的温度。填料干燥处理罐必须具有特殊的搅拌能力和耐磨能力。搅拌能力不足,则无法满足搅拌要求。耐磨能力不足,则罐壁材料可能磨损进入环氧浇注用填料,引起环氧浇注绝缘件污染。

6 计量系统

环氧浇注设备所使用的计量系统可以分为两类。第一类使用计量泵计量技术,通过计量泵定额体积进行物料充填,每次冲程输送定额体积的物料,经多次小冲程输送,达到计量规定的质量。第二类采用传感器计量混料罐质量,在传感器计量接近目标质量时,通过二次信号,控制物料下料阀打开或关闭,进而达到计量规定的质量。

采用第一类计量系统,一般使用耐磨陶瓷缸作为计量泵内衬,以四氟材料作为计量泵密封材料,便于在真空、高温条件下对混合物料进行各次冲程,输送定额体积的混合物料进入下一级罐内。混合物料温度处于120～150 ℃之间,计量泵正常工作时,泵体必须与混合物料保持温度平衡。若泵体温度低于混合物料温度,则混合物料黏度会急剧上升,对计量系统相关组成元件造成破坏,包括密封圈破损,压力表爆表,球阀四氟垫磨损,陶瓷缸磨损,导向铸铁环磨损等,需要引起足够重视。

采用第二类计量系统,需要对传感器进行定期校验,确保其计量精度符合工艺要求,避免由于传感器精度降低造成加料配比不准确。对控制阀门需要及时进行检查维护,避免阀门附近物料粘附、固化,影响阀门关闭,造成物料渗漏,或发生阀门使用时无法打开的故障。

7 真空处理系统

环氧浇注设备中,真空处理系统包括用于原材料的真空处理系统、用于预混罐的真空处理系统、用于终混罐的真空处理系统、用于浇注罐的真空处理系统。上述真空处理系统各有不同的工况处理要求,需要根据工艺参数及环氧浇注绝缘件的生产能力,在工艺布局初期对上述真空处理系统进行规划,并与设备制造厂家沟通协商。

对于用于原材料的真空处理系统,结合工艺特点设计不同的过滤器结构。如果所用环氧树脂、固化剂在环氧浇注设备外配置的烘箱中进行加热预烘,然后通过真空负压吸入环氧浇注设备中,那么仅用一套用于原材料的真空处理系统即可满足处理要求,或者与预混罐共同使用一套真空处理系统,也可以满足最低要求。如果在环氧浇注设备上熔化环氧树脂、固化剂、填料等,那么需要单独设置一套用于原材料的真空处理系统,并且考虑在环氧树脂熔化罐、固化剂加热熔化罐、填料干燥处理罐与真空处理系统间配套设置不同结构的过滤器,以避免粉尘颗粒、小分子气溶胶等进入真空处理系统,造成真空泵磨损或污染。

对于用于预混罐的真空处理系统,主要为环氧树脂加填料、固化剂加填料体系,或环氧树脂加填料、单独固化剂体系。针对这两种体系,配套对应的真空处理系统,同时需要配套不同的过滤器结构。

对于用于终混罐的真空处理系统,与用于预混罐的真空处理系统差异不大。配套薄膜脱气混合环氧浇注设备时,需要使脱气效率满足工艺要求。

对于用于浇注罐的真空处理系统,浇注大型环氧浇注绝缘件时,需要配置大功率真空处理系统,满足浇注时抽真空及浇注后抽真空保压的工艺要求。若对小型浇注罐使用大功率真空处理系统,则造成设备浪费。若对大型浇注罐使用小功率真空处理系统,则会延长抽真空时间,降低效率。配置多套环氧浇注设备时,所选用的真空处理系统型号尽可能统一,确保备件少型号、多数量配备,节约资金。

真空处理不当会引发环氧浇注绝缘件表面气泡缺陷,如图6所示。

8 浇注系统

浇注设备所配备的浇注系统,包括浇注下料控制阀、浇注落料头回转控制装置、浇注罐中模具小车左右移动控制开关等组件。每次浇注前,建议在浇注落料头上手工加一层过滤网,过滤由于各种原因产生的碳化结晶、固化物料颗粒、杂质等,作为环氧浇注绝缘件质量的辅助保障。在实际使用中发生放电击穿故障的气体绝缘金属封闭开关设备如图7所示,返厂后解体的环氧浇注绝缘子如图8所示。经分析,气体绝缘金属封闭开关设备放电击穿的原因是环氧浇注绝缘子存在杂质。

图6 环氧浇注绝缘件表面气泡缺陷

图7 放电击穿的气体绝缘金属封闭开关设备

图8 返厂后解体的环氧浇注绝缘子

对于静态混料器混合环氧浇注设备,浇注前随炉及时检测浇注物料的黏度、密度,以便判断静态混料器是否能够稳定可靠运行,确保环氧浇注绝缘件的质量。

9 控制软件

现阶段,环氧浇注设备均采用工控机,控制加料、加热、抽真空、运行时间等。通过控制软件设置温度、真空度、质量计量、运行时间等一系列参数,经过测试,得到环氧浇注设备实时温度、真空度、物料质量等数据,并与所设置的参数进行对比。在实时数据接近设置参数时,逐渐降低加热功率,减小真空处理系统输出,关闭下料控制阀,使环氧浇注设备达到工艺参数要求。

采用优良的控制程序,可以保证工艺参数正确执行,环氧浇注设备可靠运行。若环氧浇注设备一直进行加热,在加热时间超出设置值后,环氧浇注设备会自动停止,或降低加热功率,同时发出报警信号,提醒操作人员进行检查确认,判断设备是否发生局部过热或其它故障。在夜间预混罐需要连续运行时,通过控制程序实现间歇性搅拌,防止填料沉降,同时进行间歇性加热,适当降低物料温度,避免物料高温老化。针对填料处理系统,通过控制程序保证填料在夜间加热处理后,第二日干燥可使用。预混罐添加填料后,通过控制程序实现真空处理系统延时启动,使填料粉尘飘落到环氧树脂或固化剂中,避免填料随气流进入真空处理系统。

控制软件可以自动定时记录环氧浇注设备运行时的温度、真空度、物料质量、运行时间等参数,并保存入相应文件,限制人为改动,以备后续发生问题时能够查验运行参数,分析问题原因。通过以上参数,还可以分析环氧浇注设备最短无故障运行时间,为易损件试用周期及设备制造厂家改进性能提供数据支持。

10 日常管理

环氧浇注设备必须配备专业维护人员,维护人员每日进行巡视、巡检,监督操作人员严格按操作规程进行操作,严禁不具备操作资质的人员进行操作。环氧浇注设备达到规定运行周期后,维护人员对环氧浇注设备进行保养,更换使用寿命即将到期的配件,如O形密封圈、四氟密封垫等。维护人员还需要定期养护真空硅管,定期校验测温元件,保证环氧浇注设备正常运行,避免发生停机故障。

11 机械与电气损坏

在装配气体绝缘金属封闭开关设备时,单相环氧浇注绝缘子开裂如图9所示。装配气体绝缘金属封闭开关设备出厂试验时放电击穿的环氧浇注绝缘子如图10所示。在装配中环氧浇注绝缘子发生开裂,说明物料不能满足要求,存在缺陷。环氧浇注绝缘子在气体绝缘金属封闭开关设备出厂试验中放电击穿,说明环氧树脂中存在导电性杂质或颗粒,对此需要严格检查工艺流程,确认问题源头。查明后在厂家内部存档记录,避免日后类似问题发生。