创新型浇注树脂系统在高压电力应用的简介

全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用创新型浇注树脂系统在高压电力应用的简介苏国森黄伟杰（亨斯迈先进化工材料（广东）有限公司）摘要：环氧基浇注树脂在高压电力应用中已经有超过六十年的历史。对比一些传统的配方，不同的创新浇注树脂已经被开发来满足不同的工艺要求和终端客户的需求。本文将对一些新型的浇注树脂在以下方面作一个简要介绍：更高反应活性和更高玻璃化转变温度的固体类型的环氧树脂浇注系统；核-壳增韧的环氧树脂浇注系统；户外应用的疏水性脂环族环氧树脂——Araldite®（中文注册品牌为爱牢达）HCEP——浇注系统；一种作为代替液态硅橡胶降低成本应用在复合绝缘子伞群套的环氧基的浇注系统。1介绍在1947年，第一种固态环氧树脂浇注系统作为互感器的灌封材料被商业化以来。这使得环氧树脂浇注系统作为电力绝缘材料在接下来的几十年中广泛应用在电力设备上。在六十年代，脂环族环氧树脂浇注被引入到户外互感器的应用。在相同时期，液态环氧树脂浇注系统也被开发出来用于新的工艺—自动压力凝胶（APG）工艺。在八十年代，不同的增韧浇注树脂系统也被调配出来满足不同的高级需求。在上世纪末，发明了一种新型户外用的环氧树脂材料（Araldite®HCEP）用于改进电力设备在潮湿和污染环境下可靠性和平均使用寿命。2一些创新型浇注树脂系统2.1固态环氧浇注树脂系统固态环氧浇注树脂系统被广泛使用在高压设备，例如在气体绝缘开关（GIS）的盆式绝缘子和接线端子。在这些GIS附件中，它使用六氟化硫气体作为主要的绝缘介质，氧化铝填充的环氧树脂作为支撑和金属导体的电气绝缘材料。用氧化铝填充环氧树脂主要是为浇注树脂系统提供硬度和机械性能，它能抵受在开关操作过程，产生高温电弧蚀损。氧化硅填料通常用在中压的浇注树脂系统，在高温下和SF6反应产生酸，这会腐蚀环氧树脂材料和金属附件。2.1.1更高反应性系统由于大部分国内的GIS盆式绝缘子制造商都是使用真空浇注工艺，找到一种方法缩短模塑时间，或者促进模具循环率来提高产量和降低生产成本，这是非常关键的。因此，我们开发一种具有更高反应活性的浇注树脂系统为了提供1）更快的达到脱模所需的机械强度缩短；2）更好的抗黄变性能；3）和现有的浇注树脂系统相接近的机械强度，无需更改盆式绝缘子的设计。一种新调配的固化剂ARADUR®HY5533CI，比较现有的固化剂ARADUR®HY5532CI，它能提供相接近的可使时间，可以适合于广泛使用的批次混合的的真空浇注工艺。见图表一：全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用图表1不同固化剂和固体树脂、氧化铝填料在120度的粘度增长曲线注：混合配比－树脂：固化剂：氧化铝填料＝100:38:322.树脂–AralditeCT5531CI和填料–AF-2来自郑州研究所对比不同固化剂的最佳脱模强度的增长我们可以看到，使用更高活性Aradur®HY5533的浇注系统可以提供更早最佳脱模强度（见表格1）允许更早的脱模时间，因此，它可以缩短模具的返炉时间，并且在相同的产量下，帮助减少模具的投资。表格1比较不同固化剂的最佳脱模强度的增长Araldite®CT5531CI/Aradur®HY5532CI/AF-2氧化铝Araldite®CT5531CI/Aradur®HY5533CI/AF-2氧化铝1小时后固化（经过7小时固化）40562小时后固化（经过8小时固化）4558用Aradur®HY5533CI的浇注树脂系统改善了外观。从图1，可以看到不同的浇注树脂系统在150度烘烤24小时后的差异。用Aradur®HY5533CI的浇注树脂比现有的产品可以提供更好的颜色稳定性。图1浇注树脂系统用不同固化剂比较抗黄变性能新调配的固化剂浇注树脂系统机械性能与现有的产品相接近。以下是一些典型的值：1、弯曲强度~130MPa2、拉伸强度~75MPa伸长率0.9%3、断裂韧性K1C2.2–2.4MPa.m½和G1C370–400J/m22.1.2更高玻璃化转变温度的系统全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用由于高电力损耗和波动性，电力输配电设备在过载的状态下运行的机会越来越多。在过载的状态下运行将导致更高的设备温升。因此设备零件使用更高玻璃化转变温度（Tg）材料可以为设备提供更高的可工作温度范围。开发的方向是调配出与上部分（2.1.1）所提到的相同性能，同时Tg水平在120度左右的系统。2.2核-壳增韧的环氧树脂浇注系统在传统的配方里，浇注树脂系统的抗开裂性是通过在配方里添加增韧剂。一个明显的缺点是，它会明显的降低配方的玻璃化转变温度，影响到材料的最高可使温度，当它作为电力设备的支撑部件，或者明显改变的绝缘性能都是不允许的。在绝缘性能上，这种改变在增加温度材料经过Tg水平，引起玻璃态到橡胶态转变行为时，可以被观察到。基于以上原因，核－壳增韧粒子被引进到浇注树脂系统作为一种可以正面的提高材料韧性，改善材料抗开裂性能。在开裂延伸时，裂纹遇到核－壳增韧粒子，增韧粒子将吸收能量和阻碍开裂延伸，裂纹在进一步延伸前，需要更多能量来破坏核－壳增韧粒。由于核－壳增韧粒子被分散环氧树脂基里面，并且存在于独立的范围里，它不会明显的影响环氧树脂基的Tg。使用开裂测试来对比传统系统和核－壳增韧系统的抗开裂性能。不同的类型的浇注树脂系统，用APG工艺注射圆形的样品和金属嵌件（见图2）。图2用APG工艺制作开裂测试样品这些样品用下表的冷热冲击循环温度进行测试：图表2开裂测试样品的冷热冲击循环在每个温度段，检查样品是有任何的开裂，统计每个温度段开裂的比例（表3）。-100-80-60-40-2002040020406080100120time/htemperature/癈R2R2R10R104040全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用图表3在冷热冲击循环中，每个温度段样品开裂的比例增韧的大部分样品在较低温段才开裂，显示了核－壳增韧的浇注树脂系统良好的抗开裂性能。由于出众的增韧性能，核－壳增韧的浇注树脂系统可以使用在许多应用领域。其中的一个例子是可以代替固体类型的浇注树脂系统在GIS盆式绝缘子上面的应用。在下面的实例中，液态核－壳增韧的浇注树脂系统可以使用自动压力凝胶工艺成倍的提高产量。图3APG工艺制造的GIS盆式绝缘子应用实例，使用核－壳增韧的浇注树脂系统2.3疏水性脂肪族环氧树脂（Araldite®HCEP）在1999年，推出了一种改良版本的户外浇注树脂系统，命名为AralditeHCEP（HydrophobicCycloaliphaticEpoxy），这种材料联合了脂肪族环氧树脂（CEP）和硅橡胶、陶瓷的许多优点，疏水性与类似于已知的硅橡胶。图表4比较材料特性CEP、硅橡胶、陶瓷和Araldite®HCEP14025-10-20-40-60-800%10%20%30%40%50%60%70%crackedspecimensTemperature/癈StandardCycloEpoxyCore-ShellCycloEpoxy14025-10-20-40-60-800%10%20%30%40%50%60%70%crackedspecimensTemperature/癈StandardCycloEpoxyCore-ShellCycloEpoxy全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用增加系统的疏水性，在潮湿和污染环境下最大限度减少形成连续湿润区域的机会，可以降低泄漏电流，减少对绝缘件的蚀损；同时提高绝缘件的可靠性和平均使用寿命。图表5疏水性的优点在浇注产品的表面，CEP和Araldite®HCEP都显示了疏水性的性能，这主要是由于有脱模剂残留在浇注件表面。当切削浇注件表面后滴一滴水在表面，我们就可以看到明显的差异，水在CEP表面展开，而在Araldite®HCEP依然保持很高的接触角。图4水珠滴在切削过的CEP（左）和Araldite®HCEP（右）样品的表面上。环境老化实验（例如：GlobalUVTest）表明Araldite®HCEP即使在长时间暴露在热，紫外光和雨淋的环境中依然可以保持交高的表面接触角，而普通脂肪族环氧树脂是不能达到的。图表6GlobalUVtestresult，接触角与时间CEP，Araldite®HCEP和硅橡胶注：1000小时标准光照紫外荧光老化相当产品暴露在欧洲中部自然环境一年的时间。2.3.1Araldite®HCEP的应用实例以下是一些Araldite®HCEP作为绝缘子，开关部件和套管的典型应用实例全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用图5用AralditeHCEP制造变压器套管Erome法国图6疏水性Araldite®CY5622树脂制造的横担绝缘子，EMCPacific，澳大利亚图7户外真空重合器疏水性Araldite®XB5957/XB5958体系，Entec，韩国2.4为复合绝缘子伞群套的液态硅橡胶降低成本的选择性方案由于没有改性的Araldite®HCEP是比较坚硬的，一项开发一种弹性的Araldite®HCEP，同时降低用于复合绝缘子伞群套液态硅橡胶提供成本选择性方案的可行性研究开始并发表在2001年INMR会议上。在这种状况下，新材料开发目标被设定在以下几方面：全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用开发目标：1、价格水平：低于硅橡胶（LSR）2、疏水性：跟Araldite®HCEP相同3、柔软性：尽可能好4、电气性能：符合IEC61109要求5、浇注工艺：无需预处理为满足更高水扩散电击穿强度在现有的电气性能要求，一种新型浇注树脂系统被开发并命名为AralditeS-HCEP（Shed-HCEP），它显示很好的耐高压电痕、耐蚀损和水扩散电击穿强度，以下是新材料的一些性能概要：配比：1:1体积比填料含量：50%在40℃时粘度：树脂2Pas/固化剂20Pas在110℃时凝胶时间：8min.玻璃化转变温度Tg：20℃水扩散电击穿强度：HD-Class2（12kV）拉伸强度：13MPa断裂延伸率：38%LOI：24%耐电弧：200s高压电痕和耐蚀损：1B4.5在下面的应用显示，Araldite®S-HCEP可以用现有的硅橡胶浇注设备和工艺设置。这可以降低使用Araldite®S-HCEP代替液态硅橡胶的切换成本。图8Araldite®S-HCEP的浇注设备和工艺图9用Araldite®S-HCEP制造的复合绝缘子全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集配电网运行与新技术应用由于复合材料的玻璃钢芯棒和Araldite®S-HCEP是相同的化学特性，他们没有发现象硅橡胶和环氧树脂界面之间的表面粘接问题。因此，无需在伞群套材料和玻璃钢芯棒之间黏结进行预处理。图10玻璃钢芯棒和Araldite®S-HCEP表面良好的粘接示例，左边－玻璃钢芯棒未用Araldite®S-HCEP模塑前，右边－撕开用Araldite®S-HCEP模塑后玻璃钢芯棒表面3结论本文对部分新型浇注树脂在高压应用作了简要的介绍，这可以满足对材料的更高要求，同时克服一些设计和工艺问题。1、更高反应性的浇注树脂系统为制造GIS盆式绝缘子提供更高生产效率；2、更高Tg的浇注树脂系统为制造GIS盆式绝缘子提供更高可靠性；3、核-壳增韧浇注树脂系统为工艺提供灵活性和提高抗开裂性；4、户外用的疏水性脂环族环氧树脂系统提高产品的可靠性和设备的平均寿命；5、复合绝缘子伞群套的绝缘疏水性脂环族环氧树脂系统，为复合绝缘子提供有效的成本解决方案。