納米改性環氧樹脂絕緣型封閉母線的溫升特性研究

楊國清，魏 帥，王得意，賈 嶸，黎 洋

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納米改性環氧樹脂絕緣型封閉母線的溫升特性研究

楊國清，魏 帥，王得意，賈 嶸，黎 洋

(西安理工大學，西安 710048)

針對環氧樹脂絕緣型封閉母線溫升較高，本文提出利用SiO2對母線結構中導熱性較差的環氧樹脂進行改性，提高環氧樹脂的導熱性能。在此基礎上分析了填料比例、粒徑以及表面粗糙度對復合材料導熱性能和電性能的影響。結果表明，5%的納米SiO2/環氧樹脂復合材料具有最優的電性能和導熱性能。利用ANSYS軟件仿真母線溫度場，仿真結果表明，納米改性環氧樹脂絕緣型封閉母線的溫升得到降低。

環氧樹脂；改性；封閉母線；ANSYS；溫度場分析

0 引言

環氧樹脂絕緣型封閉母線作為一種大電流傳輸裝置廣泛應用于電力系統的發電廠和變電站中。由于母線在傳輸電流的過程中會產生大量的熱，如果熱量得不到及時消散會使母線絕緣材料持續受到高溫影響而加速絕緣材料老化，從而使母線絕緣部分的使用壽命降低，甚至有可能造成安全生產事故[1, 2]。因此對封閉母線溫升的分析以及母線結構的改進逐漸成為各封閉母線生產企業和各大電力部門最關心的內容之一。

文獻[3]提出了采用自然通風和機械通風混合的通風散熱模式來降低封閉母線運行溫度的方法。由于在不同邊界條件下封閉母線在受限空間的散熱能力不同，需要采用不同的通風方式，系統結構比較復雜。文獻[4, 5]提出增加導電面積，減小電流密度；在各接合面上涂上導電膏，盡量減小接觸電阻；殼連接處的橡膠密封墊換成鋁制密封墊等措施，均需增加設備投資。本文從母線材料導熱的角度出發，得出母線絕緣層材料環氧樹脂導熱性差（導熱系數0.109W/(m·℃)）是封閉母線運行溫度偏高的原因之一。

環氧樹脂（EP）是目前在高壓絕緣領域特別是大電流、高壓產品中應用最為廣泛的材料之一[6, 7]。但EP固化物質脆，耐疲勞性、導熱性差，界面結合強度弱等，在很大程度上限制了它在電力系統中的應用[8]。國內外學者針對EP的這些問題進行了大量的研究，文獻[9, 10]分別通過添加納米SiO2和TiO2粒子改善EP的機械性能，文獻[11-13]通過添加納米材料在一定范圍內既增強了復合材料的電絕緣性能又提高了導熱率。

本文在兼顧母線絕緣性能的同時研究了環氧樹脂的導熱性能。本文基于改性環氧樹脂的方法，針對E-51型環氧樹脂進行了導熱性研究，并分析了表面粗糙度、納米和微米添加量對復合材料導熱性能的影響。應用ANSYS有限元軟件對利用改性材料和未改性材料的母線進行磁-熱耦合仿真[14-16]，從而驗證了利用改性材料降低母線溫升的可行性。

1 環氧樹脂改性工藝

1.1 主要實驗原材料和實驗儀器

主要實驗材料：環氧樹脂采用E-51，固化劑為甲基四氫苯酐，增韌劑采用DH410，偶聯劑為KH-550，促進劑為DMP-30，納米SiO2粒徑約為30nm，微米SiO2粒徑約為25μm。

主要實驗設備與測試儀器：鼓風干燥箱、真空泵、超聲波清洗機、數顯控溫電熱套、攪拌機和FD-TC-B型導熱系數測試儀。

1.2 試樣的制備

試樣的制備流程圖如圖1所示。

圖1 實驗操作流程

具體過程下所示：

①模具于160℃下烘焙3h，冷卻后涂脫模劑，而后再放入干燥箱中烘焙3h；

②將一定量的SiO2材料放入干燥箱中干燥處理10h；

③量取一定量的環氧樹脂，在數顯控溫電熱套中于80～100℃下預熱2h，使其熔化并降低黏度；

④將烘好的SiO2材料倒入預熱好的環氧樹脂于超聲波清洗機中處理1h，然后加入固化劑和促進劑（配比為100:80:0.8）處理0.5h；

⑤將處理好的試樣在真空泵中真空脫泡1h，然后倒入處理好的模具中真空脫泡0.5h；

⑥將真空脫泡后的試樣放入鼓風干燥箱中進行固化。固化溫度和時間為130～135℃，17～18h。

⑦一次固化后脫模再繼續進行二次固化。二次固化溫度和時間分別為150℃、3～4h。

⑧對樣品進行機械加工。

研究中測試樣品固化成圖2所示圓形薄片。薄片直徑為130mm、厚度為5mm。

圖2 樣品實物圖

1.3 導熱系數計算

采用穩態法測試材料的導熱系數并且測試按照ASTME 1530標準進行。在待測試樣品上下表面均勻涂抹少許導熱硅脂，放置于熱導率測試儀器上，等待40～60min儀器上各項數據達到穩定后，讀取數據并將數據輸入軟件中計算出樣品的導熱系數。導熱系數的計算通過公式（1）計算所得。

2 實驗數據及分析

研究中，采用了兩種不同表面粗糙度的實驗樣品進行測試，表面形貌AFM照片如圖3所示。其中圖3（a）中表面平整的樣品固化制備后無任何加工，表面粗糙度Ra為0.12～0.25um；表面不平整的樣品組采用機械研磨后其表面粗糙度Ra為0.86～0.94um，如圖3（b）所示。

（a） 未加工樣品表面 （b） 加工后樣品表面

上述樣本的導熱系數測試結果如圖4所示。從圖中可以看出，材料表面的粗糙度對導熱系數測試結果有顯著的影響，表面光滑的樣本測試數據具有明顯的規律性，即導熱系數隨著納米填料的增多而增加，而表面研磨的樣本測試數據無明顯規律。這是由于打磨后的樣本表面具有較多的空氣隔熱區使材料表面的熱阻增大，從而使測試結果沒有明顯的規律性。因此本文選取表面光滑的樣品進行測試，表面粗糙度Ra約為0.12～0.25um。

圖4 加工樣品表面和未加工樣品表面SiO2/EP復合材料的導熱系數

SiO2/EP復合材料的導熱系數與填料的質量分數之間的關系如圖5和圖6所示，分別顯示了復合材料導熱率隨微米SiO2和納米SiO2添加量的變化規律。

圖5 復合材料導熱系數隨微米SiO2填充量的變化

圖6 復合材料導熱系數隨納米SiO2填充量的變化

純環氧樹脂的導熱系數（0.109W/(m·℃)）非常低，加入SiO2（0.7 W/(m·℃)）填料后，復合材料的導熱系數有很明顯的提升。從圖5可見，SiO2/EP復合材料的導熱系數隨著微米填量的增加而快速升高，由純環氧樹脂的0.109 W/(m·℃)增長到0.192 W/(m·℃)，比純環氧樹脂基體提高76%。

如圖6所示，隨著納米SiO2的加入，SiO2/EP體系的導熱系數有顯著的升高，在3wt.%的范圍內導熱系數增加比較緩慢，當填料比例在3wt.%以上時，導熱系數增加比較快。當填料加量為10wt.%時，復合材料的導熱系數達到0.175 W/(m·℃)，比純環氧樹脂基體熱導率高61%。這是因為復合材料的熱導率主要取決于基體材料的熱導率，當SiO2含量較少時高導熱的填料顆粒被導熱性能較差的環氧基體包覆隔離開來，SiO2顆粒之間難以接觸，類似于“海-島結構”，熱阻較大[17]，所以導熱性比較差。當填料量逐漸增加后，納米SiO2粒子相互接觸并相互作用形成一條熱阻較小的通道，從而增強了復合材料對聲子的傳導能力。

將圖5和圖6對比可以看出，SiO2粒徑的大小對導熱率有一定的影響。在相同的質量分數下，填料為微米材料時，復合材料的導熱系數明顯比納米材料時高。由于微米SiO2粒子的粒徑大于納米SiO2的粒徑，填料的粒徑越大，組成導熱網路上的粒子數就越少，熱流通過相同長度的復合材料經過的“顆粒-顆?！苯缑婊蛘摺邦w粒-基體”界面就越少，界面的接界熱阻比較小，聲子通過這些界面時，往往散射較小，因而大粒徑填料會比小粒徑填料的復合材料熱導率高[18]。但是在高填充量情況下，由于復合體系中導熱網鏈已經形成，粒徑的大小對導熱率的影響在逐漸減弱[18, 19]。

上述結果表明微米SiO2比納米SiO2對復合材料導熱性的影響大，但是相同填量下nano-SiO2/EP具有比micro-SiO2/EP更優異的電氣性能。文獻[20]研究了不同粒徑的SiO2粒子對復合材料電氣性能的影響，發現隨著SiO2粒徑的增長復合材料的體積電阻率先增加后降低，且在100nm時體積電阻率最大。由于母線主要應用于對電氣設備絕緣性能要求很高的電力系統中，因此本文選取納米SiO2作為改性材料。

圖7給出了納米SiO2粒子填量對復合材料局部放電性能的影響，隨著填充量的增加復合材料的局部放電起始電壓先上升后降低，且在填充量為5%時局部放電起始電壓最高為32.9kV，比純環氧樹脂（26.8kV）高6.1kV，電性能得到明顯提升。結合電氣性能和導熱性能，認為5%的納米SiO2填料最為理想。

圖7 SiO2/EP復合材料的局部放電起始電壓隨納米SiO2填充量的變化

3 母線溫升的仿真計算

將改性后的環氧樹脂應用到三相封閉母線中，利用ANSYS軟件建立三相封閉母線的有限元模型，對封閉母線進行磁-熱耦合分析。封閉母線的結構如圖8所示。

圖8 封閉母線結構圖（mm）

頻率為50Hz、額定電流為5000A、環境溫度為20℃時，5%納米SiO2/EP復合材料的溫度場仿真結果如圖9所示，母線最高運行溫度為72.11℃，溫升為52.11℃。

圖9 5%納米SiO2/EP復合材料的母線仿真溫度

各個納米填料比例的復合材料封閉母線的溫升值如圖10所示。由圖10可看出母線的運行溫度隨納米SiO2填充量的增加而降低，母線溫升由純環氧樹脂時的55.3℃降低到SiO2填充量為10%時的50.1℃，降低了5.2℃。

圖10 母線溫升隨納米填料量的變化

不同電流下母線絕緣層最外側溫升值變化如圖11所示。母線導體層和絕緣層的溫升都隨著填量的增加而降低。從理論上驗證了納米SiO2改性環氧樹脂絕緣型封閉母線的導熱性能確實得到了改善。

圖11 不同電流下母線絕緣層溫升隨填量的變化

4 結論

本文利用SiO2填料改善環氧樹脂絕緣材料的導熱性，以此為目的分別分析了納米SiO2、微米SiO2填量和表面粗糙度對復合材料導熱性能的影響以及納米SiO2填充量對復合材料電性能的影響。結果表明：

（1）表面粗糙度R值小的樣品比R值大的導熱系數更高、更有規律；

（2）相同的填充量下微米SiO2復合材料比納米SiO2復合材料的導熱系數高；

（3）但是由于封閉母線主要應用于電力系統，基于其應用背景，文中選取電氣性能較好的納米材料作為改善導熱性能的填充材料并得出5%的納米SiO2/EP復合材料的局部放電起始電壓最高；

（4）利用納米SiO2材料改性的封閉母線的仿真結果表明隨著納米SiO2填充量的增加，封閉母線的溫升降低更多；

（5）綜合考慮復合材料的各種性能認為，納米SiO2的填料為5%時最為理想。5%復合材料導熱系數為0.147 W/(m·℃)，比純環氧樹脂提高35%；局部放電起始電壓為32.9kV，比純環氧樹脂提高23%；溫升比純環氧樹脂封閉母線降低3.2℃。

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Research on temperature rise of nano-modified epoxy resin insulated enclosed Bus

YANG Guoqing, WEI Shuai, WANG Deyi, JIA Rong，LI Yang

(Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

For high temperature rise of epoxy resin insulation enclosed bus, this paper proposes the use of SiO2on the epoxy resin to improve its thermal conductivity. Based onthis, the influence of packing ratio, particle size and surface roughness on the thermal conductivity and electrical properties is analyzed. It is found that 5% nano-SiO2/epoxy composites has the best electrical and thermal conductivity.Finally the feasibility of nano-SiO2/epoxy composites used in enclosed bus was verified by ANSYS software. Simulation results show that temperature of nano-modified epoxy resin insulated enclosed bus is reduced.

epoxy resins; modified; enclosed bus; ANSYS; thermal analysis

TM645.1+1

A

1000-3983(2016)05-0056-05

2015-10-30

楊國清（1979-），2007年畢業于西安交通大學，現從事電力系統測量與保護，博士，講師。

國家自然科學基金(51279161)

審稿人：滿宇光