环氧树脂及其固化剂在浇铸母线槽系统中的应用及加工工艺

辽宁锦榜电气有限公司 朱江 董泽 吕鹏

0 引言

随着世界经济的飞速发展，用电精度和要求也提升了。目前国内外许多大型工矿企事业单位，高层综合性写字楼等输电系统大多采用电缆、分支电缆、空气绝缘母线槽以及密集型封闭母线槽。但在许多特殊场合，这些输配电方式都不能满足工程用电的精度要求。例如：海上钻井平台、重化工场合、矿上水下、地沟、高腐蚀性场所等[1]。固体环氧复合树脂浇注母线槽，将母排直接浇铸密封，防护等级达到IP68[2]，既保留了原有母线槽系统的各项电气性能，同时又具备更高的耐火、防水、防腐和防爆等性能，能充分满足各种特殊场合的用电需求[3]。

固体浇注母线槽运用于额定电压750V以下，额定工作电流100～6300A，频率50～60Hz的输配电系统[4]。采用合理的“三明治”相线紧密叠压结构，母排直接浇铸密封，外形更加紧凑，体积小，树脂的线膨胀系数和铜十分接近，增强了母线槽系统的热稳定性[5]。无金属外壳，在有迷流的环境中工作，不会发生外壳电腐蚀现象，同时树脂材料具有较强的抗化学腐蚀性能[6]。固体浇注母线槽由树脂浇注而成，具有优良的气密性和水密性，防护等级达IP68，能经受消防水龙头喷水，可以在水中长期工作[7]，也可地埋敷设，不受海拔高度限制，可长期在零下40℃的环境中工作，不开裂，可在户内外最高污染等级（4级）的环境中长期使用[8]。由于树脂绝缘性能优良，耐火性为A级，防火等级为F120，可在950～1000℃的火焰中工作90min以上保持电路不中断[9]，而且树脂中不含卤素，高温时不会释放有害气体，同时能承受6J以上的机械冲击，确保使用安全[10]。

1 固体浇注母线槽的环氧树脂、固化剂及添加剂等相应选型及配比

1.1 固体母线环氧树脂选型

1）环氧树脂E-42(634#)，属于低分子液体双酚A型环氧树脂，外观呈淡黄或黄色透明粘稠液体，环氧值(eg/100g)：0.38～0.45，无机氯ppm：≤300，挥发份≤1%，软化点21～27℃，环氧当量（g/eg）：222～263。634#环氧树脂市场上货源很少，性能同E44环氧树脂接近。

2）环氧树脂E-44(6101#)，外观呈淡黄色到棕黄色高粘度透明液体，环氧值(eg/100g)：0.41～0.47，无机氯ppm：≤200，挥发份≤1%，环氧当量（g/eg）：210～244。6101#环氧树脂是用途最广、用量最大的品种，成型加工方便，固化后尺寸稳定性好，粘接性能优异，电绝缘性能、机械性能和化学稳定性均好。

3）环氧树脂E-39-D，色泽浅，无明显的机械杂质，环氧值(eg/100g)：0.39～0.42，挥发份≤0.5%，环氧当量（g/eg）：238～256。E-39-D环氧树脂离子杂质含量低，凝胶时间长，收缩率低，电导率低，合成工艺稳定，质量可靠，专用于电工浇注[11]。

1.2 固体母线固化剂的选型

固体浇注母线选用以上几种树脂，用作粘合剂时，不能单独使用，还需要加入固化剂、增韧剂、促进剂、着色剂、填充料等辅助材料。以下为几种常用的固化剂：

1）均苯四甲酸二酐(PMDA)，这是一种熔点高达286℃的白色粉末，性质比较活泼。由于熔点高，难于直接加入环氧树脂中作固化剂，可以与顺丁烯二酸酐(MA)按一定比例混合以降低熔点，用于环氧树脂浇注料。用PMDA固化的环氧树脂还具有较好的耐化学腐蚀性能，对酸、碱、有机溶剂均有较好的抵抗能力。这种固化剂一般与其他有机酸酐固化剂混合使用，用以改善固化产品的耐热，耐药品性能。

2）甲基纳迪克酸酐(MNA)，这是一种有较长应用历史的液态酸酐固化剂，在国外广泛通用。如果采用阶梯升温固化条件：100℃／1h+120℃／1h+150℃／2h+180℃／4h +200℃／6h，可以得到综合性能更好的固化物。与Me THPA、Me HHPA相比，MNA的黏度稍高一点，但其吸湿性小，与环氧树脂混合物的使用期长，固化时放热量少，固化后体积收缩小，固化物颜色浅，电气性能，特别是耐电弧性优良，因而国外广泛用于电器绝缘材料。另外，MNA固化的环氧树脂具有较高的热变形温度，和良好的高温长期热稳定性。

3）甲基四氢苯酐为环氧树脂产品中最重要的产品之一。主要提供给E-39-D电工浇注，广泛应用于电子、浸渍、绝缘、灌封等领域。由于甲基四氢苯酐固化的环氧树脂的电绝缘性能、机械强度、耐热性等综合性能较好，价格也相对便宜，因而用途比较广泛，主要用于发电机、机车马达线圈的浸渍，绝缘子、绝缘套管、变压器、互感器的浇注。

1.3 固体母线的材料配比

在固体浇注母线中，环氧复合树脂的材料配比尤为重要，材料配比不当有可能导致脆性大、易开裂等缺陷，而环氧树脂分子量，固化剂用量和增韧剂种类的选择，都是影响电气绝缘性能的主要要素，现选用E-39-D和E-44环氧树脂，通过调整固化剂、增韧剂和促进剂的用量，测试材料的抗冲击、抗压等机械性能，得出最佳的材料配比，材料的用量及其性能见表1和表2所示。

表1 选用E-39-D环氧树脂时材料配比及机械性能

表2 选用E-44环氧树脂时材料配比及机械性能

表1固化条件为100℃/2h+130℃/7h+140℃/3h，表2固化条件为100℃/1h+120℃/1h+150℃/2h+180℃/4h+200℃/6h。综合以上数据，表2的材料配比能达到更好的综合性能，故将表2中的数据作为固体浇铸母线的配方。

2 加工工艺

（1）浇注前准备

固体母线浇注前，应擦净模具表面的水、油污等杂质，若为常用模具，则每次脱模后，应把模具表面的石膏、树脂等清除干净，待模具冷透后涂上脱模剂，脱模剂要尽量薄且全面，以利于脱模。用胶水加硅微粉调成糊状嵌于浇注模拼合缝外侧，防止渗漏，严禁封模胶流入模具内。模具装好后，进烘箱预烘2h以上，温度在125±5℃。然后按照单元分段将浇注模装配好，保证内腔和外形尺寸；根据相位在导体两端套上挡板，保证导体露出端头100mm，在模腔底部每间隔80mm放置合成树脂切块，将导体放入模腔，必要的地方塞入厚度适中的合成树脂切块，导体间插入环氧树脂隔相块，以保证相间间距。

（2）浇注

混合料配制：将硅微粉烘干，温度200±10℃，时间在8h以上，如硅微粉堆放很厚，高于200mm，则需烘干24h以上，以充分干燥为原则。在搅拌锅内先按配比加入溶化了的树脂，然后，将烘干的填料（硅微粉）徐徐倒入搅拌锅内，与树脂溶合，混合料配比如下：环氧树脂：硅微粉=100:200，以上配制的混合料在120±5℃温度的搅拌锅内进行真空脱气处理，真空度不低于665Pa，60kg以上脱气4h，60kg以下脱气2h。在另一只搅拌锅内，将固化剂、硅微粉按照固化剂：硅微粉=70:120进行混合，以上配制的混合料在50±5℃温度下，搅拌抽真空处理2h以上，真空度不低于665Pa。将固化剂、硅微粉混合料在真空下注入终体搅拌锅内与树脂硅微粉溶合，同时将增韧剂也一起加入，最后倒入促进剂（将促进剂先加在500ml左右的液态酸酐内搅拌均匀）然后倒入搅拌锅内搅拌，即可抽真空10～15min。在真空状态下，打开浇注阀门，将混合料注入模具内，待模具浇满后，在进行真空处理10～15 min。补浇模具到规定的高度，真空处理完毕，模具即进烘箱内初固化1h，环氧胶固化前在补浇一次（因环氧胶固化收缩）。

（3）固化与脱模

浇注结束后，在模具外侧用掐子将模具外壁拉紧，以避免固化过程中的发热膨胀使母线外形尺寸变化或变形。在表面固化过程中不时地在配料的表面用塑料刮子刮平，以刮破气泡并进一步促进流平。

初固化温度和时间如下：

100±5℃/2h+120±5℃/2h+130±5℃/1～2h，基本固化后，即可脱模，脱模后迅速做好初步清理，马上放入烘箱内保温继续固化，温度130±5℃，时间14h。待完全固化后，在烘箱温度为130±5℃情况下，以每小时5～7℃的速率，缓缓冷却至室温，固化后，需用硬度计检测硬度。

3 结束语

以上就浇铸母线的环氧树脂、固化剂等和加工工艺方式进行了阐述，但在实际操作过程中，影响的因素很多，树脂混合物的流动速度，浇注速率，固化温度，空气温度等都会不同程度的影响最终母线的电气和介电性能。在不同区域和环境下，配方和添加物都需作相应整合调整，才能达到最好的性能。

[1]孙景武.环氧树脂浇注绝缘全封闭式母线槽[J].低压电器,1992 (6):41-42.

[2]GB4208-2008.外壳防护等级(IP代码)[S].

[3]Chang-Chou Hwang,J.J. Chang,Y.H. Jiang. Analysis of electromagnetic and thermal fields for a bus duct system [J]. Elect. Power Syst. Res. 1998, 45(1):20-25.

[4]JB/T 9662-1999 密集绝缘母线干线系统(密集绝缘母线槽)[S].

[5]Y. Du,J. Burnett,Z. C. Fu. Experimental and numerical evaluation of busbar trunking impedance [J]. Elect.Power Syst. Res., 2000, 55 (2): 63 -69.

[6]Ho, S.L., Li, Y.,Lin, X.,Wong, H.C.A 3-D study of eddy current field and temperature rises in a compact bus duct system[J]. Magnetics, IEEE Transactions on, 2006, 42 (4):987-990.

[7]H. Hedia.Arrangement of phases and heating constraints in a busbar[J]. IEEE Trans. Magn, 1999, 35(3):.334 -343.

[8]GB7251.1-2005 低压成套开关设备和控制设备 第1部分：型式试验和部分型式试验成套设备[S].

[9]GA/T 537-2005 母线干线系统（母线槽）阻燃、防火、耐火性能的试验方法[S].

[10]Lee Henry,Neville Kris.Handbook of Epoxy Resins[M]. McGraw-Hill,New York,1967:35-43.

[11]王德中.环氧树脂生产与应用[M].1版.北京:化学工业出版社,2001.