耐高低溫沖擊變壓器的澆注研究

王軍 李強(qiáng)

摘 要：因新產(chǎn)品需要，陜西黃河集團(tuán)有限公司隔離變壓器澆注測(cè)試條件由高低溫循環(huán)改為高低溫沖擊，以前采用澆注料生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)高低溫沖擊試驗(yàn)后全部開(kāi)裂，無(wú)合格品。新改進(jìn)的澆注料由柔性環(huán)氧樹(shù)脂和柔性固化劑組成，通過(guò)了-50～70 ℃條件下6個(gè)循環(huán)的高低溫沖擊試驗(yàn)，采用X光射線探傷，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品表面及內(nèi)部無(wú)裂痕。經(jīng)高壓試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)，新的澆注產(chǎn)品均達(dá)到合格。研究結(jié)果表明，新采用的澆注體系比原澆注料具有更好的柔性和耐高低溫沖擊性，在電性能方面具有良好的穩(wěn)定性，可在以后類似的產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高低溫沖擊;開(kāi)裂;X光射線探傷

中圖分類號(hào)：TM412文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0075-03

Abstract： Due to the needs of new products， the casting test conditions of isolation transformers of Huanghe Group Co.， Ltd. were changed from high and low temperature cycles to high and low temperature impacts， the products previously produced with castables all cracked after high and low temperature impact tests， and there were no qualified products. The newly improved castable was composed of flexible epoxy resin and flexible curing agent， and had passed 6 cycles of high and low temperature impact test under the condition of -50～70 ℃， X-ray flaw detection was used， and no cracks were found on the surface and inside of the product. After high-pressure test and vibration test， the new cast products have all passed the qualification. The research results show that the newly adopted casting system has better flexibility and high and low temperature impact resistance than the original casting material， and has good stability in electrical performance， which can be popularized and applied in similar products in the future.

Keywords： high and low temperature;cracking;X-ray detection

環(huán)氧樹(shù)脂（EP）是一種熱固性樹(shù)脂，具有優(yōu)異的黏接性、機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣性等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于電子材料的澆注、封裝等方面。純環(huán)氧樹(shù)脂具有較高的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在質(zhì)脆、易疲勞、耐熱性不夠好、抗沖擊韌性差等缺點(diǎn)[1]。因此，選擇改性環(huán)氧樹(shù)脂并選用活性硅微粉[2]共混，可以得到熱膨脹系數(shù)小、固化收縮率好、耐高低溫沖擊性好的灌封材料。

環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器是一種最為廣泛的干式變壓器，其繞組表面由高質(zhì)量的防護(hù)材料組成，形成了覆蓋層。即使在有塵埃、潮濕等惡劣環(huán)境條件下，澆注的絕緣干式變壓器都不會(huì)受到影響。樹(shù)脂澆注干式變壓器的工藝特點(diǎn)是必須依靠模具并采用專用澆注設(shè)備，在真空狀態(tài)下使線圈澆注成型。其分為有填料樹(shù)脂澆注和無(wú)填料樹(shù)脂澆注兩種類型。

本研究主要以活性硅微粉為填料，采用韌性環(huán)氧樹(shù)脂為基體澆注變壓器，對(duì)澆注后變壓器的耐高低溫沖擊性及膠體的電性能[3]進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

9017環(huán)氧樹(shù)脂，西安金英電工材料有限公司;DGH-600懸浮硅微粉，西安金英電工材料有限公司;101復(fù)合固化劑，自制。

1.2 試驗(yàn)儀器

溫度沖擊箱，TSG5055W，廣州五所環(huán)境儀器有限公司;X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)，丹東華日理學(xué)電氣股份有限公司;CS2674-100型高壓試驗(yàn)臺(tái);電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，DCS-3200-09，蘇州試驗(yàn)儀器總廠;電熱鼓風(fēng)干燥箱，HG101-4，南京試驗(yàn)儀器廠;真空環(huán)氧澆注罐，2001Y34-R，沈陽(yáng)東基集團(tuán)有限公司;強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，JB200-D型，上海標(biāo)本模型廠;高壓擊穿裝置，自制;ZC43超高阻計(jì)，上海第六電表廠;QBG-3型高頻Q表，上海無(wú)線電儀器廠;溫度計(jì)。

1.3 試制產(chǎn)品的制備

將要灌封的變壓器工件裝入準(zhǔn)備好的模具中，并用有機(jī)硅密封膠進(jìn)行密封處理;常溫環(huán)境下，待密封膠初步凝固后，將該模具整體放入60 ℃烘箱中備用;將稱量好的7.80 kg懸浮硅微粉放入120 ℃烘箱中預(yù)烘6 h備用。

將稱量好的3.70 kg 9017環(huán)氧樹(shù)脂與2.59 kg 101復(fù)合固化劑依次放入攪拌桶內(nèi)混合，在常溫條件下攪拌15 min;將預(yù)熱好的硅微粉緩慢加入攪拌桶內(nèi)，邊加入邊攪拌，用溫度計(jì)觀察，使其溫度保持在35～40 ℃，持續(xù)攪拌45 min;攪拌結(jié)束后，將混合物料置于55 ℃真空環(huán)氧澆注罐中進(jìn)行脫泡，直至無(wú)大氣泡產(chǎn)生;將脫泡后的物料勻速緩慢地加入預(yù)熱好的模具中，澆注至合適高度;將澆注好的模具放入真空罐中進(jìn)行二次脫泡;待脫泡結(jié)束后，將模具放入70 ℃烘箱中進(jìn)行固化，固化10 h后關(guān)閉烘箱并隨爐冷卻至50 ℃以下脫模。

1.4 測(cè)定或表征

一是高壓測(cè)試，采用試驗(yàn)電壓初級(jí)對(duì)地為直流2 kV，次級(jí)對(duì)初級(jí)和地為直流35 kV，加壓時(shí)間持續(xù)1 min。二是X射線探傷測(cè)試，采用X射線照相技術(shù)對(duì)變壓器澆注結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同角度的無(wú)損檢測(cè)。三是振動(dòng)測(cè)試，按《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》（GJB 150.16A—2009）進(jìn)行測(cè)定。四是耐高低溫沖擊測(cè)試，采用高低溫沖擊試驗(yàn)箱測(cè)試澆注變壓器的耐高低溫沖擊性能，在-50～+70 ℃循環(huán)6次，每個(gè)溫度段停留1 h。五是電性能測(cè)試，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切按《測(cè)量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長(zhǎng)存內(nèi)）下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法》（GB/T 1409—2006）進(jìn)行測(cè)定;擊穿強(qiáng)度按《絕緣材料 電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分：工頻下試驗(yàn)》（GB/T 1408.1—2016）進(jìn)行測(cè)定;表面電阻和體積電阻按《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法》（GB/T 1410—2006）進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

本研究主要討論了以下內(nèi)容：因新產(chǎn)品需要，隔離變壓器測(cè)試條件由高低溫循環(huán)改為高低溫沖擊后，新的澆注材料是否合格。針對(duì)澆注好的變壓器，先進(jìn)行高壓測(cè)試和X射線探傷測(cè)試，確認(rèn)產(chǎn)品符合要求。根據(jù)新的技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)-50～+70 ℃循環(huán)6次高低溫沖擊試驗(yàn)后，再次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試、X射線探傷測(cè)試及高壓測(cè)試，檢測(cè)新的澆注產(chǎn)品在高低溫沖擊試驗(yàn)后能否達(dá)到合格要求。

2.1 高低溫沖擊試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試

大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂存在灌封固化后耐高低溫沖擊性差和低溫易開(kāi)裂等問(wèn)題[4]，不僅決定灌封過(guò)程是否容易進(jìn)行，還是決定材料力學(xué)性能和電性能的主要因素。本試驗(yàn)選擇的9017環(huán)氧樹(shù)脂是一種低黏度韌性環(huán)氧樹(shù)脂。它不但是耐高低溫沖擊的絕緣灌封材料的骨架，而且是耐高溫材料的載體。因而，為了提高固化后膠體的耐高溫性能，本研究選擇向基體樹(shù)脂中加入耐高溫填料DGH-600活性硅微粉，其與環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠體系有更好的相容性，從而提高該灌封材料的耐高溫性能。

本試驗(yàn)按照產(chǎn)品技術(shù)要求，在-50～+70 ℃循環(huán)6次，升降溫速率為24 ℃/min，每個(gè)溫度段停留1 h的條件下，進(jìn)行高低溫沖擊應(yīng)力篩選試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)變壓器低溫不開(kāi)裂，高溫不變形。

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試

在裝配制造和驗(yàn)收過(guò)程中，試件都會(huì)經(jīng)歷振動(dòng)環(huán)境。假定要進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的試件與要交付的產(chǎn)品在制造和驗(yàn)收過(guò)程上相同，這樣試件在試驗(yàn)前與產(chǎn)品交付前累積了同樣的損傷，環(huán)境試驗(yàn)才可驗(yàn)證交付產(chǎn)品的外場(chǎng)壽命。為了提高產(chǎn)品的可靠性，人們需要通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品在運(yùn)輸使用的過(guò)程中不出或者少出故障。這是振動(dòng)試驗(yàn)的最終目的。目前，最常用的振動(dòng)試驗(yàn)形式是正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。

試驗(yàn)選用的是DCS-3200-09電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面尺寸位1.0 m×1.0 m，最大有效負(fù)載為0.6 t，頻率范圍為5～2 200 Hz。變壓器按照《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》（GJB 150.16A—2009）中的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)剖面進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

2.3 X射線探傷對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試

X射線穿透工件時(shí)，由于射線與物質(zhì)的相互作用，發(fā)生吸收與散射衰減，衰減程度與工件密度和厚度有關(guān)。當(dāng)工件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，由于缺陷與母材的密度不同，對(duì)射線的衰減作用不同，因此，射線穿透工件后的強(qiáng)度不同，人們據(jù)此即可判斷工件內(nèi)部缺陷情況[5]。工業(yè)上采用的主要方法有射線照像法、熒光屏觀察法、工業(yè)X射線電視法和電離檢測(cè)法。本試驗(yàn)主要采用X射線照像法。

射線照像法是一種將膠片置于被檢測(cè)工件后面，利用穿透工件后強(qiáng)度不同的射線使膠片感光，得到黑度不同的底片，以此來(lái)評(píng)判工件內(nèi)部缺陷的探傷方法。

根據(jù)以上X射線無(wú)損檢測(cè)原理，對(duì)變壓器澆注結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行了不同角度的無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)觀察X射線照片，變壓器澆注結(jié)構(gòu)區(qū)域圖像清晰，均勻，無(wú)開(kāi)裂、氣泡等缺陷。

2.4 通過(guò)高壓試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試

本試驗(yàn)按照產(chǎn)品技術(shù)要求，采用試驗(yàn)電壓初級(jí)對(duì)地為直流2 kV，次級(jí)對(duì)初級(jí)和地為直流35 kV，加壓時(shí)間持續(xù)1 min。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)高低溫沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)后的變壓器達(dá)到了產(chǎn)品高壓技術(shù)要求，質(zhì)量合格。

2.5 固化后膠體的電性能測(cè)試

固化后膠體的各項(xiàng)電性能如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

采用的改性環(huán)氧樹(shù)脂和活性硅微粉制備的灌封膠具有良好的耐高低溫沖擊性，填補(bǔ)了高低溫沖擊對(duì)變壓器灌封這方面的空白，可試用并推廣到耐溫方面有嚴(yán)格要求的變壓器中。該灌封膠易于操作，具有良好的電性能，可用于電子元器件等的灌封。

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