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環(huán)氧澆注技術(shù)和澆注式極柱
2017-03-24 4571. 前言
在微電子產(chǎn)品中，為了提高電路的可靠性并縮小電路的物理尺寸，人們往往將部分電路用電氣和機械性能都十分優(yōu)良的環(huán)氧樹脂固化起來。實踐證明這是一種非常有效的做法。集成電路就是一個典型的例子：大規(guī)模集成電路動輒由數(shù)百萬個元件組成，但它卻是一個電路中故障*少、*可靠的部件，環(huán)氧樹脂固化無疑是關(guān)鍵的一步。
基于類似的理念，1997年，在開發(fā)成功結(jié)構(gòu)緊湊的新一代真空滅弧室的基礎(chǔ)上，ABB首次創(chuàng)新地將真空滅弧室用環(huán)氧樹脂完全澆注起來，使整個斷路器極柱成為一個整體的部件。這就是本文將介紹的澆注式極柱，國內(nèi)也稱作固封式極柱。
環(huán)氧澆注極柱是中壓開關(guān)領(lǐng)域的一場技術(shù)革命。澆注式極柱問世后，在實際使用過程中表現(xiàn)出了一系列突出的優(yōu)點：
(1)模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，可拆卸零件極少，增加了可靠性
眾所周知，設(shè)備的可靠性與其可分離零件的數(shù)目成反比。在實現(xiàn)同樣的功能條件下，越簡單的產(chǎn)品，才是越先進(jìn)的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)組裝式極柱相比，澆注式極柱的零件數(shù)量大量減少，導(dǎo)體的搭接面從6組減少到3組，螺栓用量從8個減少到1～3個。更重要的是，一經(jīng)環(huán)氧樹脂澆注，這些零件都成為一個不可分的整體，整個極柱相當(dāng)于一個零件!簡單的結(jié)構(gòu)大大提高了斷路器的可靠性。下圖是兩種極柱的結(jié)構(gòu)示意圖對比，從圖中可看到澆注式極柱結(jié)構(gòu)更為簡潔
組裝式極柱 澆注式極柱
(2)極高的絕緣性能
由于滅弧室被嵌入到固體材料中，原滅弧室的表面絕緣變成了環(huán)氧樹脂的體積絕緣，所以不需做任何進(jìn)一步的處理，澆注式極柱即可達(dá)到很高的絕緣強度。
(3)強大的抵御外界影響的能力
真空滅弧室被嵌入到固體材料后，極柱的外界環(huán)境對滅弧室的影響被降低到了*少 。以前客戶和制造廠常因真空泡被灰塵，濕度等環(huán)境因素影響而倍受困擾。而一味地增加滅弧室的爬電距離使開關(guān)設(shè)備體積龐大，笨重，也增加了制造難度和成本。澆注式極柱的出現(xiàn)，使真空泡的表面絕緣由外絕緣變成內(nèi)絕緣，徹底地解決了表面爬距的問題。并使同一種極柱可適合在全世界的各種氣候下使用。
同時，真空滅弧室在極柱中受到了環(huán)氧樹脂的全方位的支撐，澆注式極柱也具備了更高的抵抗機械碰撞的能力。
要實現(xiàn)將大體積的真空滅弧室和主回路完整可靠地澆注在環(huán)氧樹脂中并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的目標(biāo)，制造廠必須在滅弧室制造技術(shù)、環(huán)氧樹脂澆注技術(shù)和質(zhì)量控制能力等各方面都具有極高的技術(shù)和管理水平。
2. 真空滅弧室
小型化的新一代真空滅弧室是澆注式極柱的核心部件。由于采用了更先進(jìn)的觸頭材料和觸頭形狀及優(yōu)化的滅弧室結(jié)構(gòu)，ABB使用在澆注式極柱中的新一代真空泡外形尺寸更小。以1250A、31.5kA真空滅弧室為例，陶瓷外壁的直徑從原來的105mm下降至90mm左右。陶瓷外壁直徑較小的滅弧室陶瓷與金屬的焊接面更短，漏氣的機率更低，抗機械沖擊的性能也更好。所以在保證開斷能力的前提下，結(jié)構(gòu)緊湊的滅弧室可以獲得更高的可靠性。
組裝極柱滅弧室
澆注極柱滅弧室
觸頭的材料及冶煉工藝是決定斷路器開斷性能的重要的因素。VD4斷路器使用了具有多層結(jié)構(gòu)的觸頭。這種觸頭外表面為銅鉻合金，基材為純銅，芯部為不銹鋼。多層結(jié)構(gòu)的觸頭能同時滿足高開斷能力，長壽命，低接觸電阻，低截流值等各種極端條件下的不同要求。
觸頭由ABB公司自己生產(chǎn)的，基于ABB統(tǒng)一的質(zhì)量控制平臺進(jìn)行質(zhì)量管理。在每一爐觸頭材料冶煉出來后，都將抽樣在ABB位于德國Ratingen的大型試驗室直接做開斷試驗以檢測其質(zhì)量。
散熱問題是整體澆注技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵所在。新一代的滅弧室采取了一系列的措施以降低主回路的溫升：如滅弧室觸頭使用了更高純度的銅材，以降低觸頭的接觸電阻，從而降低滅弧室的發(fā)熱量;滅弧室出線桿的直徑比上一代滅弧室而言得到了增大，這在降低接觸電阻和體積電阻的同時，更加強了滅弧室的向外部主回路散熱的能力;另外，極柱出線端與滅弧室的上支撐座設(shè)計成一體式的，將原來組裝式極柱的兩個金屬接觸面減少到了一個，提高了熱傳導(dǎo)效率，
新一代滅弧室還有一個特征明顯的大面積的不銹鋼端蓋，增強了滅弧室的散熱能力，即使沒有了空氣對流，滅弧室產(chǎn)生的一部分熱量也可以通過極柱外壁傳導(dǎo)至外界。
真空滅弧室的制造流程：
-真空滅弧室預(yù)裝配
所有滅弧室的零部件經(jīng)過物理和化學(xué)方法清洗后，在潔凈室中進(jìn)行預(yù)裝配。潔凈室的等級達(dá)到美國標(biāo)準(zhǔn)的1000級，即每立方英尺空氣中直徑≥0.5mm的微塵數(shù)目少于1000個。這個標(biāo)準(zhǔn)高于一般真空滅弧室制造商一個數(shù)量級!
-密封焊接，
采用先進(jìn)的一次封排工藝，將預(yù)裝配好的滅弧室成批送入真空熔爐，在 800 °C / 1472 °F 的高溫下排氣，同時完成滅弧室的密封。這種生產(chǎn)方式可達(dá)到極高的生產(chǎn)效率，并保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性。
-自動高電壓老練，驗證并使滅弧室達(dá)到規(guī)定的絕緣強度。
