李杏龍 史小霞 龔浩 宋曉光 孫中航 王永亮

摘 要：以固封極柱制造技術(shù)為研究對象，建立產(chǎn)品三維模型，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行電場計算得到合理結(jié)構(gòu)，然后確定澆注材料和產(chǎn)品工藝，進(jìn)行模具安裝、零部件預(yù)熱以及混料等，生產(chǎn)出合格的固封極柱產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：固封極柱;制造技術(shù);環(huán)氧樹脂

中圖分類號：TQ323.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0026-03

Abstract： Taking the manufacturing technology of fixed and sealed pole as the research object， the three-dimensional model of the product is established， and the reasonable structure is obtained by using ansys software to calculate the electric field， then the pouring material and the product technology are determined， and the mold is installed， the parts are preheated and the mixture is mixed， production of qualified fixed and sealed pole products.

Keywords： solid-sealed pole;manufacturing technology;epoxy

固封極柱是開關(guān)設(shè)備零部件之一，起到開斷電流的重要作用。為了保證固封極柱的產(chǎn)品質(zhì)量，就要確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)制造工藝符合要求，最終使產(chǎn)品電性能、機(jī)械性能滿足使用條件。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定

要生產(chǎn)固封極柱，首先要確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，包括產(chǎn)品外形和各零部件尺寸。通常先進(jìn)行同行業(yè)調(diào)查，結(jié)合已知產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗確定產(chǎn)品的初步結(jié)構(gòu)，繪制出固封極柱產(chǎn)品初步三維模型，然后進(jìn)一步評估產(chǎn)品各方面性能是否滿足使用要求，包括機(jī)械性能、電性能等，再根據(jù)需要修改產(chǎn)品的三維模型。目前，較為準(zhǔn)確且簡單易行的方式是采用計算機(jī)輔助工程分析（Computer Aided Engineering，CAE）軟件進(jìn)行仿真模擬分析，預(yù)測固封極柱產(chǎn)品存在的缺陷，減少人為錯誤對產(chǎn)品生產(chǎn)造成的影響，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。

1.1 電場分析

1.1.1 電場分析方法。要確定產(chǎn)品電性能是否合格，需要對產(chǎn)品進(jìn)行電場分析，確保電場大小滿足要求。對固封極柱進(jìn)行電場仿真模擬時，為了在不影響結(jié)果準(zhǔn)確性的同時方便計算、提高仿真效率，將固封極柱的很多螺紋孔、彈墊以及平墊進(jìn)行簡化，忽略介質(zhì)氣孔、毛刺及其他因素。假定在20 ℃、101 kPa的干燥空氣環(huán)境中進(jìn)行模擬。因為高電壓本身能使部分空氣電離，使空氣帶電甚至擊穿空氣而影響產(chǎn)品，所以固封極柱電場仿真還需要考慮外層空氣，形狀設(shè)置為長度方向同產(chǎn)品軸向的長方體，尺寸設(shè)置為500 mm×500 mm×1 200 mm，仿真網(wǎng)格全部為四面體結(jié)構(gòu)。

1.1.2 電場分析結(jié)果。真空滅弧室制造工藝相對成熟，可選擇一線廠家的滅弧室，質(zhì)量比較穩(wěn)定可靠。從產(chǎn)品實際運(yùn)行情況看，因滅弧室出現(xiàn)問題導(dǎo)致固封極柱無法使用的事故雖然有，但是并不多。因此，固封極柱電場仿真主要模擬對地絕緣，其中高壓為42 kV，產(chǎn)品底部嵌件接地，對地絕緣設(shè)置及仿真結(jié)果見表1。

由表1可知，固封極柱環(huán)氧樹脂固化物部分電場強(qiáng)度最大值為11.20 kV/mm，小于其介電強(qiáng)度15 kV/mm;空氣部分電場強(qiáng)度最大值為2.14 kV/mm，小于其介電強(qiáng)度最大值3 kV/mm。可見，兩者電場強(qiáng)度均小于運(yùn)行上限值，產(chǎn)品電場強(qiáng)度符合使用要求。

1.2 機(jī)械性能分析

固封極柱機(jī)械性能仿真模擬和電場仿真模擬類似，但是產(chǎn)品材料受機(jī)械載荷造成的應(yīng)力與空氣無關(guān)。因此，機(jī)械性能仿真模擬主要考慮產(chǎn)品材料本身，不考慮外層空氣的影響，仿真過程相對簡單。固封極柱工作時主要受到絕緣拉桿給的合閘-分閘力和底部嵌件的固定力。根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度判據(jù)，銅的抗拉屈服強(qiáng)度為280 MPa，環(huán)氧樹脂固化物的抗拉屈服強(qiáng)度為65～90 MPa，絕緣拉桿施加力值約為5 000 N。機(jī)械性能仿真結(jié)果為上出線座（銅）最大應(yīng)力1.246 1 MPa，下出線座（銅）最大應(yīng)力1.713 4 MPa，環(huán)氧樹脂固化物最大應(yīng)力11.356 4 MPa，均小于對應(yīng)抗拉屈服強(qiáng)度判據(jù)數(shù)據(jù)，因此產(chǎn)品機(jī)械性能符合要求。

2 模具的確定

確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理以后，聯(lián)系模具廠家進(jìn)行模具設(shè)計與加工。模具設(shè)計需要合理，以便脫模。首先由模具廠家設(shè)計出模具初步結(jié)構(gòu)，其次將初步結(jié)構(gòu)反饋給使用廠家，由使用廠家進(jìn)一步確認(rèn)結(jié)構(gòu)的合理性，最后聯(lián)系模具廠家進(jìn)行加工。本文固封極柱制造采用環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝技術(shù)，由于模具使用時要承受較大的注料壓力，因此需要選用質(zhì)量較好的鋼板作為模具材料，同時不能存在砂眼及其他缺陷。

3 澆注材料的確定

選擇澆注材料時，要保證其滿足固化工藝要求，包括常溫下穩(wěn)定、高溫下快速固化、固化時間為十幾分鐘至幾十分鐘、具有極好的尺寸穩(wěn)定性和很高的機(jī)械強(qiáng)度等，可以廣泛應(yīng)用于中低壓絕緣產(chǎn)品[1-2]。環(huán)氧樹脂不僅可以作為主絕緣介質(zhì)，而且可提供機(jī)械支撐。因此，選擇合適的材料對固封極柱澆注合格率具有重要影響。

根據(jù)已有經(jīng)驗確定現(xiàn)有澆注材料能否滿足固封極柱產(chǎn)品生產(chǎn)要求，如果確定無法滿足生產(chǎn)要求，則可以聯(lián)系材料廠家確定新的澆注材料。固封極柱常用澆注材料參數(shù)見表2。確定材料性能符合產(chǎn)品使用要求后，即可進(jìn)行生產(chǎn)。

4 工藝的確定

固封極柱環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝的生產(chǎn)流程為模具安裝—零部件準(zhǔn)備—混合料準(zhǔn)備—APG工藝澆注—后固化—后處理—檢查—包裝[3-4]。

4.1 模具安裝

安裝固封極柱模具一般先將模具整體放在成型機(jī)下抽芯上，然后用L形六角扳手、螺栓及加力桿將下抽芯緊固，再將動、靜模初步緊固，最后將上抽芯緊固。安裝時確保定位銷和定位孔同軸心。模具加壓后，通過測量合模縫隙是否不大于0.05 mm來判斷各模板安裝是否到位。各模板安裝到位后，緊固動模和靜模。如果合模縫大于0.05 mm，則繼續(xù)調(diào)整。

4.2 零部件準(zhǔn)備

做好零部件準(zhǔn)備工作有利于保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。生產(chǎn)時需要對每個零部件進(jìn)行清洗、預(yù)熱，包括真空滅弧室、上出現(xiàn)座、下出現(xiàn)座以及嵌件。零部件清洗通常使用酒精，洗掉灰塵、機(jī)加工留下的少數(shù)碎屑等。零部件預(yù)熱通常在烘箱內(nèi)進(jìn)行。

4.3 混合料準(zhǔn)備

環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝用混合料混料可以在混料罐進(jìn)行，也可以在集混料、注料于一體的備料系統(tǒng)中進(jìn)行，目的是將樹脂、固化劑以及填料混合均勻，同時將混合料內(nèi)的氣體脫出體系。采用混料罐時要保證達(dá)到一定的真空度，也要控制脫氣的時間。采用備料系統(tǒng)時，樹脂和固化劑先分別在各自的初混罐內(nèi)填料混合并攪拌，然后分別抽真空，后在終混罐內(nèi)再分別進(jìn)行“樹脂+填料”和“固化劑+填料”的混料。

4.4 產(chǎn)品澆注

澆注過程是產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵階段，決定著產(chǎn)品成型的好壞。在環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝的注料過程中，注射壓力、注滿時間、保壓壓力以及保壓時間共同作用于產(chǎn)品。注料壓力大能減少注滿時間，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。但是，注料速度太快會導(dǎo)致注射過程中模具內(nèi)部氣泡還未完全離開模具，環(huán)氧樹脂混合料已經(jīng)注滿模具，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部或表面有氣泡，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。注滿時間越小，生產(chǎn)效率越高，但過小會出現(xiàn)氣泡無法排出的情況，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)縮孔、氣泡等缺陷。適宜的保壓壓力可以保證產(chǎn)品內(nèi)部各部位填充良好。保壓壓力過小會使產(chǎn)品固化收縮過程中補(bǔ)縮不及時，導(dǎo)致產(chǎn)品縮孔;保壓壓力過大會導(dǎo)致產(chǎn)品應(yīng)力集中，嚴(yán)重時會導(dǎo)致模具合模部位漏料，增加產(chǎn)品固化時間，降低生產(chǎn)效率。保壓時間越小，生產(chǎn)效率越高，但過小時產(chǎn)品在模具內(nèi)的固化度較低，產(chǎn)品脫模時可能會出現(xiàn)拉裂。此外，嚴(yán)重時混合料在模具內(nèi)部還處于未固化液體狀態(tài)，導(dǎo)致開模后會從模具流出。環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝的注射參數(shù)見表3。

注射一段時間，填料會填滿模具內(nèi)部，然后進(jìn)行固化。在固化約20 min后成型，然后進(jìn)行開模。開模后需要及時脫模，清理產(chǎn)品飛邊和毛刺，對有氣泡的地方進(jìn)行補(bǔ)料，確保外觀均勻、平滑。

4.5 后固化

產(chǎn)品脫模后需要轉(zhuǎn)入固化爐進(jìn)行后固化。雖然產(chǎn)品在模具內(nèi)已經(jīng)初步固化，但是此時產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度整體較低，無法滿足實際工況的運(yùn)行要求，需要進(jìn)一步固化。環(huán)氧樹脂內(nèi)部分子交聯(lián)度并不高，需要進(jìn)一步提高交聯(lián)度，增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度，降低環(huán)氧樹脂固化過程中的內(nèi)應(yīng)力，減少開裂及其他缺陷[5]。固化結(jié)束后產(chǎn)品隨爐冷卻，接近常溫時即可出爐。

4.6 后處理

后固化出爐的固封極柱需要進(jìn)行后處理。使用磨光機(jī)打磨注料口凸出產(chǎn)品表面的部分，確保打磨后過渡平滑。對于有鍍銀面的零件，先將鍍銀面擦干凈，再用防銀變色劑擦拭鍍銀面，最后加蓋保護(hù)蓋。

4.7 裝配

根據(jù)客戶要求裝配產(chǎn)品，通常安裝軟連接裝配、絕緣拉桿以及散熱片。將軟連接裝配各個部件先進(jìn)行安裝得到軟連接裝配，再將軟連接裝配安裝到固封極柱上。絕緣拉桿需要保證安裝力矩，用測量拉桿工裝檢查拉桿外露尺寸，確保外露尺寸達(dá)到廠家要求。散熱片安裝時需要擰緊，防止出現(xiàn)松動。

5 產(chǎn)品檢測

第一，外觀檢查，確保產(chǎn)品顏色符合色標(biāo)要求，表面光滑，無毛刺、飛邊等缺陷。第二，工頻耐壓檢測，即在電壓42 kV持續(xù)時間1 min的過程中，無放電、閃絡(luò)等現(xiàn)象。第三，局放檢測，在做完耐壓試驗后將電壓降到13.2 kV，保證局部放電量小于5 pC。第四，回路電阻檢測，要求電阻值小于客戶要求值。第五，探傷檢測，要求內(nèi)部無氣泡及其他缺陷。第六，玻璃化溫度檢測，確保固化物的玻璃化溫度滿足材料正常固化值，保證混合料反應(yīng)達(dá)到一定程度。

6 產(chǎn)品包裝

為避免產(chǎn)品在存放、運(yùn)輸過程中出現(xiàn)磕碰，需要對檢驗合格的產(chǎn)品進(jìn)行包裝。首先，在固封極柱外面裝上塑料袋，防止產(chǎn)品吸收潮氣而影響產(chǎn)品電性能;其次，捆扎塑料袋口后裝在泡沫盒內(nèi)，保證產(chǎn)品存放、運(yùn)輸過程安全;最后，用塑料打包帶打包即可。

7 產(chǎn)品生產(chǎn)常見問題解決

第一，注料口處漏料常常是因為上一模注料口樹脂固化物未清理干凈而造成的，需要清理固化物。第二，模具漏料、合模縫通常是由樹脂固化物未清理干凈造成的，需要清理固化物。第三，產(chǎn)品有氣泡通常是因為排氣不順暢，所以可以降低注料速度或在注料口夾紙增加排氣。如果這些方法無效，可能是混料脫氣不徹底造成的，此時需要檢查混料設(shè)備的密封性能，確保脫氣徹底。第四，模產(chǎn)品底部嵌件脫出的原因是手套接觸含脫模劑的砂布，再用含脫模劑手套接觸嵌件，導(dǎo)致嵌件表面含脫模劑，因此需要保證嵌件表面不接觸脫模劑。第五，內(nèi)傘裙掉肉的原因為模芯瓦片裝配不到位，可能是模芯和瓦片之間有樹脂固化物未清理，也可能是瓦片本身磕碰導(dǎo)致，此時需要清理樹脂固化物或修理好瓦片。

綜上所述，采用環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝技術(shù)生產(chǎn)固封極柱時，需保證產(chǎn)品質(zhì)量合格。首先，需要確保產(chǎn)品設(shè)計合理，包括各部位絕緣層厚度要滿足絕緣強(qiáng)度要求、產(chǎn)品電場要均勻、避免場強(qiáng)集中、電性能滿足運(yùn)行要求等;其次，產(chǎn)品生產(chǎn)需要的混料罐、模具等對產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用，需確保其穩(wěn)定可靠;最后，產(chǎn)品生產(chǎn)過程需滿足工藝要求，尤其是各具體參數(shù)，包括混料參數(shù)、環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝技術(shù)的注射工藝參數(shù)等。

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