影響固封極柱質量和成本的關鍵技術

劉玉春，郎福成，譚東現

(1.上海雷博司電氣股份有限公司，上海　201807；2.國家電網公司高電壓強電流實驗室，遼寧　沈陽　110006；3.上海交通大學電氣工程學院，上海　200030)

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影響固封極柱質量和成本的關鍵技術

劉玉春1，郎福成2，譚東現3

(1.上海雷博司電氣股份有限公司，上海201807；2.國家電網公司高電壓強電流實驗室，遼寧沈陽110006；3.上海交通大學電氣工程學院，上海200030)

作為第三代真空斷路器的固封極柱，因其結構緊湊、性能穩定和優異的耐環境性在市場上的占有率逐年提高，競爭也日益激烈。因此，制造出高質量和低成本的固封極柱勢在必行。根據多年的研發和生產經驗，分析并總結出影響固封極柱質量和成本的三大關鍵技術，對產品的設計和生產具有一定的借鑒意義。

固封極柱;溫升;模具

1　引言

隨著真空斷路器技術的不斷進步和日臻完善，真空斷路器在市場上的占有率逐年提高。真空斷路器的極柱絕緣經歷了空氣絕緣、復合絕緣、固封絕緣三個階段。其中，固封式真空斷路器(簡稱固封極柱)被稱為第三代真空斷路器。固封極柱就是通過APG技術(環氧樹脂自動壓力凝膠成型技術)，采用環氧樹脂作為絕緣介質，利用環氧樹脂將斷路器的一次導電部分、真空滅弧室與上下出線端等載流元件全部密封成一體，使真空滅弧室和其他導電件與外界環境完全隔離，避免了外力和外界環境對滅弧室及其他導電件的影響，大大提高了固封極柱的耐環境性[1]，從而使斷路器的安全可靠性得到進一步的提高，真正實現極柱的小型化和免維護[2-3]。環氧樹脂既是一次部分的主絕緣，又是它的機械支撐，其電場分布優于各種形狀的絕緣隔板結構[4]。

但是，在設計和生產過程中，一些影響固封極柱質量和成本的關鍵技術需要解決好，如結構設計、模具設計及工藝參數設置等，只有解決好這些關鍵技術，才能做出性能穩定、體積小、成本低、深受市場歡迎的產品。

2　結構設計

固封極柱的結構設計關系到產品的絕緣性能、機械性能(特別是斷路器的抗拉、抗彎和彈跳)、溫升水平、產品開裂及成本要求，是影響產品質量和性價比的決定因素。因此，在產品設計過程中要把結構設計放在重要位置，下面就固封極柱的常見結構及其設計要點進行分析探討。

2.1絕緣性能

目前，固封極柱的絕緣設計關鍵是絕緣水平和局放水平要達到標準要求[5-6]，其中，絕緣水平重點是下出線端對地絕緣(包括下出線端對安裝板及拉桿之間的絕緣)。因為固封極柱斷口間的絕緣水平由真空滅弧室的絕緣水平決定，而真空滅弧室的性能由滅弧室廠家保證，只要根據用戶要求選擇合適的滅弧室即可確保斷口間的絕緣水平。固封極柱對地絕緣設計，需要根據產品的額定電流、額定開斷電流和不同用戶的要求合理設計下出線端的對地空氣凈距和爬電距離。一般情況下，固封極柱內外側的爬電比距按20kV/mm設計即可，有特殊要求的根據用戶要求設計。

作為主絕緣和起支撐作用的環氧樹脂，其厚度的選擇也很關鍵，厚度選擇大了會增加產品的重量和成本；厚度選擇小了，絕緣性能和機械強度又無法滿足設計要求，嚴重時還會造成產品開裂等嚴重的質量問題。根據多年的設計和生產經驗，一般情況下，12kV環氧厚度在12mm左右、40.5kV環氧厚度在16mm左右即可滿足設計要求。

固封極柱的局放水平與上下出線端的設計、真空滅弧室的包封質量(在滅弧室的外面包一層2～3mm的硅橡膠)、環氧樹脂的注射質量等關系比較密切。因此，上下出線端的設計需要過渡圓滑、避免出線尖端和棱角，表面采用噴砂處理；硅橡膠緩沖層包封質量要完好，緩沖層內部無氣孔、破損等缺陷；環氧內部無氣孔、縮孔、裂紋、雜質等缺陷。產品的內部缺陷與工藝參數設置(注料溫度、壓力、后固化溫度和時間等)和模具設計又密切相關，所以說，結構設計、絕緣設計、模具設計和工藝參數設置是相輔相成、相互影響的。

2.2機械性能

固封極柱的機械性能主要是指產品的抗拉/抗彎性能和合閘彈跳性能。隨著環氧樹脂性能的不斷改進，目前固封極柱常用的環氧樹脂如9218體系、8369體系、225體系等都能滿足機械性能要求。

合閘彈跳是真空斷路器機械特性的一項重要參數，是指斷路器的動觸頭碰撞靜觸頭后被其反作用力推開，然后再接觸再被推開，如此反復的現象。帶負載工作的斷路器由于觸頭彈跳的反復動作將產生很高的過電壓，從而影響整個電力系統的供電穩定性，情況嚴重時還會造成斷路器的拒動，嚴重影響設備的安全和系統的穩定[7]。固封極柱彈跳值的大小與諸多因素有關，如合閘彈簧的力值、合閘速度、開距以及真空開關的觸頭材料等，裝配質量特別是拉桿與滅弧室的同軸度，零部件如上下出線端、滅弧室、軟連接的加工精度也同樣影響真空斷路器合閘彈跳時間的長短。一般情況下，額定電流1250A以下的產品合閘彈跳容易控制，額定電流大于2000A的產品彈跳不易控制，為了把固封極柱的合閘彈跳時間控制在規定范圍內，通常采取以下措施：

(1)提高零部件的加工精度，使上、下出線端、真空滅弧室、軟連接、動觸頭等緊密配合，減小配合間隙。

(2)嚴控裝配質量。

在固封極柱注射前的滅弧室裝配(將上出線端、下出線端、滅弧室、軟連接、動觸頭裝配在一起)過程中，采用專用的裝配工裝，嚴格按技術要求，進行滅弧室的裝配，確保裝配質量，特別要注意軟連接(或動觸頭)受力要均勻、滅弧室與下出線端的同軸度要控制好。

目前，固封極柱一次導電件的連接方式有兩種，軟連接和滑動連接，如圖1所示。相對而言，軟連接方式成本較低，但彈跳不易控制；滑動連接方式成本較高，但彈跳易控制，究竟選擇哪種連接方式，需要根據不同的技術要求，綜合考慮。

(3)真空滅弧室的動觸頭活動自如，無任何卡澀、受力不均等現象。

(4)適當加大滅弧室的預壓力，合理選擇散熱架與極柱的配重關系。

圖1　一次導電件連接方式

2.3溫升水平

固封極柱的一次導體被環氧樹脂固封，散熱效果較差，因此，溫升問題是產品結構設計過程中必須解決的問題之一。在額定電流為1250A、2000A、4000A的常見產品中，額定電流為2000A的極柱溫升設計難度最大，因為這種規格的產品額定電流較大，產品熱量較多，且不允許強制通風。在市場競爭白熱化的今天，原來那種靠加大一次導體尺寸和產品體積來解決溫升的方法已不再具備市場優勢，必須進行結構優化，在滿足成本優勢的前提下進行溫升設計。

眾所周知，熱量的傳遞方式有傳導、對流和輻射三種方式。由于熱輻射對極柱溫升的影響較小，因此，熱傳導和熱對流就成為影響極柱溫升的兩個關鍵因素。根據多年的設計經驗和對不同結構的產品進行多種方式的溫升試驗，經過對溫升數據的匯總、分析，經驗證比較理想的解決溫升措施如下。

(1)降低產品的回路電阻。

產品產生的熱量與回路電阻成正比，如果產品產生的熱量減小了，溫升自然就會降低。要降低回路電阻，首先，選用低阻型的真空滅弧室，根據統計得知滅弧室的電阻占極柱回路電阻的70%左右；其次，通過增大導體的導電接觸面積及導電接觸面鍍銀處理，降低接觸電阻。

(2)在產品內部增加對流通道，增強對流效果，使產品內部的熱量盡快通過對流散出去，如圖2所示的新型設計。

(3)增大產品的散熱面積，特別是增大產品中上部和頂部的散熱面積。目前，經常采用的方式是在成本增加較低的情況下，通過在產品表面增加傘裙來增大散熱面積；額定電流大于2500A時可在產品頂部增加散熱效果更好的散熱架。

圖2　新型設計

2.4產品開裂

在生產和使用過程中，產品開裂現象時有發生，給生產企業造成了很大的經濟損失和負面影響，因此，分析開裂原因并提出有效的解決措施是企業急需解決的問題。

(1)開裂的原因分析

由于滅弧室的陶瓷殼體、上下出線端(銅或鋁)與環氧樹脂的膨脹系數不同，在產品注射、后固化及使用過程中都有可能產生開裂。產品的結構設計、工藝參數設置、模具結構設計對產品的開裂都有一定的影響[8]。

(2)解決措施

首先，在真空滅弧室和環氧樹脂之間包一層柔性有機材料作為緩沖層，如硅橡膠；上下出線端圓滑過渡，避免出現尖端、棱角等，同時，表面噴砂處理，增加環氧樹脂與金屬件的結合力；選擇韌性較好的環氧材料，增強環氧的抗開裂性能。最終目的是減小極柱的內應力，降低開裂風險。

其次，工藝參數設置要合理，如注料壓力、注料速度、保壓時間和模具溫度要適中，后固化結束后產品要隨爐降至室溫，不能將產品直接拿出，避免因溫度驟變而造成產品開裂。

最后，模具結構設計要注意注料嘴的位置和大小，避免環氧料進入模具后出現憋氣造成內部缺料缺陷；開合模過程中產品固定牢靠，產品整體受力要均勻，避免滅弧室、上下出線端受力造成內部出現開裂或細小的裂紋等缺陷。

根據上述固封極柱結構設計過程中提到的關鍵技術，對12kV-2000A/40kA的現有固封極柱進行了結構優化和產品試制，新老產品的外形對比見圖3，關鍵技術參數見表1所示。通過對比可知，優化后的產品體積和重量明顯降低，材料成本顯著降低，溫升降低了5K。

圖3　新老設計外形對比

項目老設計新設計上出線端重量,kg1.51.7下出線端重量,kg2.70.5環氧樹脂重量,kg10.97.3軟連接數量,件41溫升,K7368

3　模具結構與關鍵尺寸設計

由于固封極柱是將液態環氧樹脂注射到模具中、由模具加溫固化成型的；同時，由于環氧樹脂的熱固性和收縮性造成模具尺寸與產品的實際尺寸有一定的差距，因此，模具結構和關鍵尺寸(如極間距離和下出線端對地距離)設計的好壞直接影響到產品的成型和合格率，是生產固封極柱的關鍵技術之一。目前，常見的固封極柱模具結構是動、靜模加下抽芯。好的模具需要關注以下幾點：

(1)模具的結構尺寸要合理，不能一味為了降低材料成本而減小或減薄尺寸，如模板厚度太小會造成合模面的變形，輕則會降低模具的使用壽命，重則因模具合不嚴密造成漏料或無法生產出合格的產品。

(2)根據不同環氧材料的收縮性和不同產品結構進行關鍵尺寸的設計，合理選擇模具關鍵尺寸的收縮率，以滿足產品對關鍵尺寸的要求。一般情況下，對于固封極柱產品，模具的收縮率可按0.8%左右設計。

為了確保產品關鍵尺寸符合設計要求、減少由于關鍵尺寸不合格而進行修模浪費的時間、縮短產品研發周期、優化產品的熱應力分布(減少產品開裂的風險)、減少不必要的時間和材料浪費，建議在模具加工前采用有限元軟件進行產品的熱應力和收縮量仿真分析。一般情況下，模具設計周期為50天左右，修模一次的周期在15天左右，正常情況下修模次數為2～3次。如果采用仿真分析軟件，提前計算出產品的最大熱應力點并進行優化，提前仿真出關鍵尺寸的最大收縮量，再根據仿真值進行模具的收縮設計，按減少2次修模時間來考慮，既可大大縮短研發周期，又可確保產品關鍵尺寸符合設計要求。本人采用有限元軟件對某款產品進行了收縮仿真分析，仿真值與產品實測值見圖4和表2、表3所示，通過分析對比，仿真值與實測值吻合較好，能滿足技術要求。

(3)跟據市場需求量和模具價格，合理選擇一模一出或一模二出，使產品成本最低化。

(4)根據機臺配置，合理選擇模具注料嘴的位置和大小，同時，配置必要的工裝器具，以提高生產效率和產品質量。

(5)模具結構簡單化，盡量減少可動件的數量，開合模順暢，產品受力均勻。

4　工藝參數設置

由于環氧樹脂屬于熱固性材料、具有一定的收縮性，而且，不同的材料和配方對其性能影響不同，需要根據相應的材料和配方進行工藝參數的設置。工藝參數設置的合理與否，不僅會影響產品的合格率，還會影響產品的注射質量、機械性能和關鍵尺寸。

圖4　仿真結果

模具設計值樣品1樣品2樣品3平均值310.111309.808310.067311.4樣品4樣品5樣品6310.146310.354310.248310.287

表3　極間距離收縮量的仿真分析與實測對比

4.1注射時的工藝參數設置

產品注射時的工藝參數設置主要有：模具溫度、嵌件溫度、注射壓力和保壓時間等。

模具溫度、嵌件溫度：溫度低會造成產品存在流痕、縮痕；溫度高會造成產品內部有氣孔，表面缺料。

注射壓力：壓力高，注料太快造成產品表面氣孔，壓力低，產品注射不滿，產品缺料；

保壓時間：保壓是為了產品內部致密，提高機械強度，時間短，會造成產品存在流痕、縮痕；時間長，效率低。

4.2后固化溫度及時間

后固化是為了使環氧樹脂反應徹底，減小產品的內應力，提高產品的絕緣性能和機械性能。如果后固化不徹底，會造成產品收縮不均、內應力增大、尺寸不穩定，情況嚴重的還會造成尺寸超差、絕緣性能和機械性能不合格及產品開裂。因此，應根據不同的材料選擇合適的后固化溫度及時間，確保產品的各項性能符合技術要求。

5　總結

本文通過對影響固封極柱質量和成本的關鍵技術的分析，得出以下結論：

(1)合理的結構設計是確保固封極柱質量和成本的前提，是產品設計的重中之重。

(2)模具設計和工藝參數的設置決定了設計出的產品能否順利實現并達到設計要求，是固封極柱的另一關鍵。采用先進的仿真技術對產品進行結構優化、絕緣分析、收縮分析等，可快速、有效實現產品。

(3)本文提及的關鍵技術對其他環氧產品有一定的借鑒意義。

[1]周磊.幾種主流固體絕緣固封式真空斷路器淺析[J].華東電力，2010(8)：1286-1288.

[2]李建基.固封極柱技術在真空斷路器中的應用[J].大眾用電，2005(4)：21-22.

[3]李禹生，郝逢南.真空斷路器固封極柱及其注射工藝[J].電工技術，2008(1)：61-62.

[4]張繼東.一種新型高壓真空負荷開關的開發[J].機電技術，2011(1)：107-109.

[5]JB/T 11203-2011.高壓交流真空開關設備用固封極柱[S].

[6]GB/T 11022-2011.高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S].

[7]李淑云，畢延剛，張軍利,等.淺析真空斷路器合閘彈跳的危害性及其對策[J].煤礦現代化，2007(3)：76-77.

[8]張潤理，閻濤，李逸飛,等.固封極柱用環氧樹脂固化物開裂問題研究及預防措施[J].高壓電器，2014(5)：126-133.

The Key technology of Affecting Embedded Pole Quality and Cost

LIU Yu-chun1，LANG Fu-cheng2，TAN Dong-xian3

(1.Shanghai ROX Electric Co.,LTD.，Shanghai 201807,China；2.High Voltage and Large Current Laboratory of State Grid Corporation,Shenyang 110006,China；3.School of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030,China)

As the third-generation vacuum circuit breaker,the embedded pole is increasing year by year in the market share because of its compact structure,stable performance and excellent environmental resistance.At the same time,the market competition is increasingly fierce.Therefore,producting the high-quality and low-cost embedded pole is imperative.The paper analyzed and summarized the three key technologies of impacting the embedded pole's quality and cost.And they have some references for the product designation and production.

embedded pole；temperature rise；mold

1004-289X(2016)01-0029-05

TM56

B

2015-04-23

劉玉春(1977-)，山東曹縣人，碩士，從事輸變電設備的絕緣設計和結構優化。