影响中低压绝缘制品局部放电的因素分析

◎陈晓丽 卢健 王瑞 唐猛 王海燕

目前，国内加工制造该类产品多采用环氧树脂自动压凝胶成型（The Automatic Pressure Gelation，APG）技术成型。利用该技术成型的绝缘制品具有良好的尺寸稳定性和极高的机械强度，在中低压开关柜中应用广泛。该类绝缘制品由环氧树脂固化物作为绝缘材料，将真空灭弧室、出线座、一次导电杆、二次线圈等导电及连接部件封装为一体，具有绝缘强度高、机械性能好、防火、防潮等特点。对于中低压绝缘制品，影响局部放电的因素较多，主要包括产品结构设计、产品模具设计、绝缘材料选用、加工工艺制定和最终的产品外观处理。

一、产品结构设计

进行产品局部放电试验时，随着电压升高，电极之间电场强度逐步增加，在电荷集中部位，逐步发生放电现象，开始时特别小，当试验电压超过某个点时，局部放电逐步增大，电压逐渐减小时，局部放电仍然存在，但当电压降至影响局部放电的熄灭电压时，局部放电急剧降低，直至降至5 p C以下。国标对该类产品的局部放电量均有要求，现有文献也对部分产品有分析，只要保证材料的熄灭电压高于标准中规定的局部放电试验时的电压，就能保证产品在多数情况下不会发生局部放电超标的问题。因此，理想情况下，一般尽可能增加绝缘材料的厚度，从而有效提高绝缘材料耐受电压的能力。按照常用双酚A型环氧树脂的电气绝缘强度计算，结合实际的试验及生产经验等，一般应至少保证8 mm以上的绝缘层厚度。

另外对于绝缘制品内部的导电部件，还应尽可能增大其边缘部位的曲率，避免出现尖端放电、应力集中等问题的发生。浇注式互感器结构如图1、图2所示。

图1 浇注式互感器结构示意图1

图2 浇注式互感器结构示意图2

如果导电部件有特殊的凹陷、无法避免的尖端等问题，应在该部位进行特别处理，如增加屏蔽措施，或用同样材质的金属材料进行封堵等方法改善该位置周围的电场均匀性。如果产品内部有较大尺寸的金属件、非金属件等收缩率比环氧树脂小很多的部件，还需根据环氧树脂材料收缩率在其表面设计相应厚度的缓冲层，因为环氧树脂的收缩会在该类部件表面形成比较大的应力层，甚至形成裂缝，常见缓冲材料的有液态或固态硅橡胶、自粘带等。一般的计算公式为：

在进行产品设计之初，就应避免在高压与低压之间形成悬浮导电部位，较可靠的方式是将其设计成与高电位或低电位连接的方式，一般常用金属线或金属网等进行导体连接，从而形成等电位。

二、产品模具设计

APG工艺是指在一定压力下将环氧树脂混合料注射进较高温度的模具中，发生聚合反应最后固化成型的过程。在注射过程中，会不同程度的裹进较多的空气。因此对于该类产品使用的模具应在合适的位置设计排气槽以增加排气，常见的形式是将其设计在模具上部以及内部元器件容易憋气的地方，对于高度方向尺寸较大的产品还应在高度方向设计排气槽。另外模具的注料嘴位置应尽可能设计在模具底部，因混合料的温度低于模具的温度，设计在底部能够避免注料通道因固化而堵塞，影响补缩，如特殊原因不能设计在底部，也应尽量设计在模具侧面下方的位置。

1.APG工艺原理。

金属嵌件装模后，将模具温度予热到比环氧树脂混合料的温度高80～100℃即达到140～160℃。然后通过APG设备的加压系统，将贮料罐内的环氧树脂混合体系（已经过真空脱泡处理）通过管道压入模腔内，使环氧树脂混合体系与模具的高温模壁发生快速的热交换。由于，靠近模壁的环氧树脂混合料短时内达到高温状态，从而导致环氧树脂混合料从模具壁附近开始迅速发生固化反应而凝胶化，并向模壁发生固化体积收缩。环氧树混合料的固化收缩部分即由模腔中心，仍处于压力下的液态的环氧树脂混合料来快速补充。整个模腔内的环氧树脂混合料的凝胶收缩，则由贮料罐内加压的环氧树脂混合料来加以恒定的补充。直到整个模腔内的环氧树脂混合料全部凝胶化后，整个系统才解除压力。

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环氧树自动压力凝胶工艺（APG）技术的独特之处是，通过连续的对环氧树脂混合料加以恒定的压力；达到强制补充固化收缩的目的。这一过程是在很高温度的模具内完成的，从而使高反应活性的环氧树脂混合料在短时间内迅速凝胶化。因此，制品表面无缺陷，内应力较低，固化物致密、一致性好，尺寸精度高，机电性能优异，产品合格率高。由于凝胶化时间一般在几分钟至几十分钟（根据模具大小而不同）内完成，可大大提高模具利用率，缩短生产周期。由于，APG工艺是在一个整体密闭的系统装置中进行的，对环境污染，节省能源、节省工时。

2.APG工艺基本特点。

环氧树脂混合料在室温条件下（25℃）其系统的适用期为1～2天，在40℃～45℃下适用期为6～8小时；而在高温条件（140～160）下该配方体系则是高反应活性的，在短时内即快速凝胶，以可靠的设备和工艺参数加以控制和保证。制品的模具温度高于环氧混合料体系的温度约80～100℃左右，使固化反应的凝胶过程，自模具壁开始向中间环氧树脂混合料扩散。在整个环氧树脂体系固化反应的凝胶过程中，保持混合料的压力，使环氧树脂混合料体系在恒定的压力下挤入模腔，对补充体系在凝胶过程中的体积收缩而形成的空隙。

另外在进行模具设计时也应考虑到材料的固化收缩，一般环氧树脂材料的收缩率按0.1%～0.8%设计，模具的内腔尺寸应留出产品的收缩量。

三、绝缘材料选用

绝缘制品常见的绝缘材料主要有环氧树脂、尼龙、硅橡胶等，本文主要分析双酚A型环氧树脂材料。环氧树脂混合料主要是由环氧树脂、固化剂、填料、色粉等混合制成。常见的填料主要是硅微粉，色粉是氧化铁粉末，这两种材料易吸潮，吸潮的材料混进去容易出现混料不均匀，易形成小的起泡等问题，且水分在高温下容易汽化形成气泡。环氧树脂的介电常数相比空气要大的多，空气的耐电强度仅为环氧树脂材料的1/10，因此材料中如果有气泡将很大可能发生局部放电现象。一般混料前需将该两种材料进行充分的烘干，烘干后应立即使用，避免再次的返潮。另外因环氧树脂材料的粘度较大，材料还应进行充分的脱气，一般情况下脱气完成后还应放置一段时间观察是否有气泡返出。

绝缘制品用环氧树脂体系的性能参数要求如下表：

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环氧树脂混合物应保证配比正确，不正确的配比会影响材料的机械及电气性能。加料过程中应避免引入杂质、金属颗粒等异物，该类物质也会在产品内部形成放电点。

绝缘制品成型工艺要求，浇注成型过程需在（120～160）℃的高温下进行，其内部使用的缓冲材料、屏蔽材料及其他防护或支架等应能保证在该温度下加热（10～18）h不发生变性等。常规的工艺要点如下：

（1）当室温低于20℃时，环氧树脂需要提前一晚上预热。

（2）按照顺序倒入混料罐中，一般为环氧树脂、硅微粉、色粉、固化剂。

（3）先用手动搅拌，等到硅粉基本溶入，再开始低速搅拌。

（4）当停止搅拌时，若混料表面仍有气泡上返，则应适当延长脱气时间，直至基本上不见气泡为止。

因内部元器件与环氧树脂材料的收缩率不同，容易在不同种材料的界面上形成因收缩不一致而产生的缝隙等问题。目前对于金属部件一般采用喷砂、滚花等方式增加与环氧树脂材料的结合面积，增大结合力，特殊的还会在金属表面通过刷粘接剂的方式来提高与绝缘材料的粘接力。其他的如固封极柱内部的真空灭弧室，其表面一般采用硅橡胶作为缓冲层，因较大尺寸的硅橡胶与环氧树脂也会出现粘接力不强的情况，一般通过将硅胶层表面打毛并涂粘接剂的方式提高硅橡胶层与环氧树脂混合料的结合力，从而避免在该部位形成明显的放电通道。我们曾经有一批固封极柱产品就是在硅橡胶与环氧树脂的界面上形成了比较长的放电通道，通过采用该方法有效解决了该问题。

对于互感器产品，因其内部的一次导电杆与二次线圈表面均制作有屏蔽层，该屏蔽层多采用半导电皱纹纸、半导电自粘带等材料，在进行包绕或装配过程中，屏蔽层容易出现翘起、破损、断裂等问题，如不对这些缺陷进行处理，最终产品会在屏蔽层处发生尖端放电，严重的屏蔽层不能起到作用。对于其他采用铜、铝或钢制成的金属网作为屏蔽罩的，屏蔽罩在制作过程中也应在去除尖角、毛刺、焊渣等。

四、加工工艺制定

APG工艺相比真空浇注工艺，模具温度较高，在高温下，环氧树脂材料的粘度降低，有助于气体的排出，一般情况下，注料速度越慢也有助于气体的排出，但是因环氧树脂材料有凝胶时间的要求，一般需在发生凝胶反应之前将模具内部注满。因此应根据产品的不同，合理控制注料速度，在凝胶反应发生之前，尽可能缓慢注料，调整方法是控制注料压力，一般是注料压力先增大再减小，随后再逐步增大。

环氧树脂的固化过程同时伴随着收缩，因此在发现产品注满模具后应缓慢增加注料压力直至较大的水平，从而保证混合料在材料逐步固化的过程中能随时补充产品的收缩，避免在产品内外部形成比较大的缺陷。补缩过程压力会略有下降，应注意补充压力。

另外除了模具需要较高的温度外，内部的元器件及模具配件也应提前进行预热，因模具与元器件件温度不同时也会引起材料收缩比不一致，最终形成裂缝等缺陷。如互感器内部的器身、固封极柱内部的真空灭弧室及出线座等，均应提前用烘箱等进行预热处理。

装模时，应避免因工具或手套等引入杂质及脱模剂等，尽可能快速地将元器件装配模具上，以减少配件热量的散失，一般应控制在30min以内完成装模工作。装模后如图3示意。

图3 元器件安装后示意图

脱模过程中，应避免产品因磕碰造成的内应力及损伤，将模具配件拆卸完成后，迅速将产品送入固化炉进行二次固化，二次固化应遵循先高温12h再随炉冷却降温的过程，确保二次固化过程中产品内应力能缓慢释放。该过程中尺寸较大的产品还会发生较为明显的尺寸变形，应注意对产品外形及安装尺寸的影响。

绝缘制品的加工参数如表2要求：

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常规的加工工艺要点如下：

（1）打开进气阀，调整注射压力，然后关闭进气阀，待看到有混合料流出，便点击注射，开始注料，待达到注满时间后，再次打开进气阀，使压力达到保压压力。待保压结束后，先将注料小车上的放气阀打开，待压力降至0后，先使模具卸压，点击按钮将下抽芯后退，再点按钮退出动模。

（2）注射过程应重点监控：需要监控成型机的保压状态，避免出现设备突然不参与保压、模具渗料等情况。同时也需要观察模具温度的加热系统是否正常，出现问题时应及时反应。

五、产品外观处理

中低压绝缘制品进行局部放电试验前需进行外观的打磨处理，处理后产品应无尖端毛刺，螺纹孔无树脂等杂物残留，高压及低压侧的导电部件表面无飞边等。试验前需要检查接地线是否可靠接地，接地线自身的毛刺等也会对局部放电试验有较大影响，屏蔽筒的屏蔽层应完整。部分产品进行局部放电试验时可能略有超差，此时应检查低压部位是否可靠接地，部分产品的也可能是表面未处理干净或有毛刺等，应注意检查。

综上所述，对于中低压绝缘制品，影响局部放电的因素较多，在设计好产品的结构和模具的结构后，还应通过多种措施及方法控制产品的过程工艺以及后处理过程，试验前也要做好外观检查工作，最终才能确保产品的局部放电量符合国标的要求。