Циклоалифатни епоксидни смоли срещу стандартни епоксидни смоли за високо напрежение

Когато се определят изолационни материали за оборудване средно напрежение, изборът между циклоалифатна епоксидна смола и стандартна епоксидна смола с бисфенол-А е много по-важен, отколкото повечето екипи, отговарящи за снабдяването, осъзнават. Циклоалифатната епоксидна смола постоянно превъзхожда стандартната епоксидна смола по диелектрична якост, устойчивост на UV лъчи и издръжливост на външна среда - което я прави предпочитан материал за MV формовани изолационни компоненти, работещи над $12\text{ kV}$ или в тежки условия на работа. Инженерите и изпълнителите на СМР, които използват стандартна епоксидна смола по ценови причини, често се сблъскват с ускорени проследяване на повърхността, разрушаване на изолацията и скъпоструващи непланирани прекъсвания в рамките на 3-5 години. В тази статия са описани точно областите, в които всеки материал се отличава, в които се проваля, и как да направите правилния избор за конкретното приложение.

Съдържание

• Какво представлява циклоалифатната епоксидна смола и по какво се различава от стандартната епоксидна смола?
• Как се сравняват диелектричните и механичните свойства при високоволтово натоварване?
• Коя епоксидна система трябва да определите за вашето приложение за MV?
• Кои са най-често срещаните грешки при монтажа и работата с епоксидни изолатори?

Какво представлява циклоалифатната епоксидна смола и по какво се различава от стандартната епоксидна смола?

Както циклоалифатните, така и стандартните (бисфенол-А) епоксидни смоли са термореактивни полимерни системи, които се използват широко в изолациите, изработени по метода MV - но техните молекулярни архитектури водят до драстично различни експлоатационни профили при електрически стрес и излагане на въздействието на околната среда.

Стандартна епоксидна смола с бисфенол-А (BPA) се получава при реакцията на бисфенол-А с епихлорхидрин. Ароматната му пръстенова структура осигурява отлична механична твърдост и адхезия, но същите тези ароматните връзки са уязвими на UV фоторазграждане¹ и карбонизация на повърхността при електрически разряд - явление, известно като проследяване.

Циклоалифатни епоксидни смоли замества ароматните пръстени с алифатни циклични структури (обикновено на базата на 3,4-епоксициклохексилметил-3,4-епоксициклохексан карбоксилат). Тази молекулярна разлика води до получаване на смола, която по своята същност е устойчива на проследяване и устойчива на UV лъчи.

Основни характеристики на материала накратко:

• Диелектрична якост: Циклоалифатни $\ge 18\text{ kV/mm}$; Стандартна епоксидна смола $\ge 14\text{ kV/mm}$
• Съпротивление при проследяване: Циклоалифатни - сравнителен индекс за проследяване² (CTI) $\ge 600$ (Клас I по IEC 60112); Стандартна епоксидна смола - CTI $175\текст{-}300$
• Устойчивост на UV лъчи: Циклоалифатен - отличен (без кредообразуване); стандартен - лош (повърхностно кредообразуване в рамките на 12-24 месеца на открито)
• Термичен клас: И двата вида обикновено са клас F ($155^\circ\text{C}$) или клас H ($180^\circ\text{C}$) в зависимост от системата за втвърдител
• Стандарти за съответствие: IEC 60068, IEC 60243, IEC 60587, ASTM D495
• IP рейтинг Съвместимост: И двете поддържат интегриране в корпус IP65-IP67, когато са правилно излети

Основният извод: стандартната епоксидна смола е проектирана за закрити, контролирани среди. Циклоалифатната епоксидна смола е проектирана за електрическо напрежение + агресия на околната среда едновременно.

Как се сравняват диелектричните и механичните свойства при високоволтово натоварване?

При продължително натоварване с високо напрежение разликата в производителността на тези две системи от смоли става измерима - и значителна. Основният начин на повреда на стандартната епоксидна смола в условия на високо напрежение е проследяването на повърхността: електрическият разряд карбонизира ароматната повърхност, образувайки проводящи въглеродни следи, които постепенно намаляват разстоянието на промъкване, докато се стигне до избухване. За разлика от тях циклоалифатната епоксидна смола се окислява чисто при разряд, без да образува проводящи странични продукти.

Сравнителна таблица на ефективността

Параметър	Циклоалифатни епоксидни смоли	Стандартна епоксидна смола BPA
Диелектрична якост	$\ge 18\text{ kV/mm}$	$\ge 14\text{ kV/mm}$
CTI (IEC 60112)	$\ge 600$ (клас I)	$175\текст{-}300$ (клас IIIb)
Устойчивост на UV лъчи	Отлично - без деградация на повърхността	Лошо - кредообразуване и микропукнатини
Термична издръжливост	Клас F-H ($155\text{–}180^\circ\text{C}$)	Клас F ($155^\circ\text{C}$) типичен
Якост на огъване	$120\text{-}140\text{ MPa}$	$130\text{-}160\text{ MPa}$
Абсорбция на вода (24 часа)	$< 0,1$	$0,1\текст{-}0,3$
Пригодност за работа на открито	✅ Пълна външна оценка	❌ Използване само на закрито
Индекс на относителните разходи	$1.4\текст{-}1.8\времена$	$1.0\times$ (изходна линия)

Стандартната епоксидна смола запазва леко предимство по отношение на суровата якост на огъване - поради което остава подходяща за изолатори за поддръжка на шини за средно напрежение на закрито и за трансформатори от леярна смола в подстанции с контролиран климат.

Случай на клиент - отказ на надеждност в крайбрежна подстанция:
Изпълнител на електроразпределителни мрежи в Югоизточна Азия се свърза с нашия екип, след като преживя повтарящи се случаи на прегаряне на изолацията в $24\text{ kV}$ крайбрежната подстанция в рамките на 18 месеца след пускането й в експлоатация. Анализът след повредата потвърди, че формованите изолационни компоненти са били произведени с помощта на стандартна епоксидна смола BPA - определена за намаляване на разходите за доставка с приблизително 12%. Влажността, наситена със сол, е ускорила проследяването на повърхността по пътя на пълзене. След замяната на всички формовани изолационни компоненти с циклоалифатни епоксидни части, отговарящи на IEC 60587 (тест за проследяване и ерозия)³, инсталацията работи без инциденти повече от 30 месеца. Първоначалната икономия на разходи е била елиминирана няколко пъти от разходите за аварийна подмяна и престой.

Коя епоксидна система трябва да определите за вашето приложение за MV?

Изборът на правилната епоксидна система изисква да се съобразят свойствата на материалите с работната среда и класа на напрежение, а не просто да се избере по-евтиният вариант. Тук е представена структурирана рамка за избор, използвана от нашия инженерен екип в Bepto.

Стъпка 1: Определяне на електрическите изисквания

• Клас на напрежението: За системи $\ge 12\text{ kV}$, силно се препоръчва циклоалифатен.
• Изисквания за разстоянието на приплъзване: IEC 60815 клас на замърсяване III-IV⁴ → задължително циклоалифатично.
• Импулсно издържащо напрежение (BIL): По-високите стойности на BIL се възползват от превъзходната диелектрична якост на циклоалифатите.

Стъпка 2: Оценка на условията на околната среда

• Монтаж на открито/полуоткрито: Само циклоалифатни.
• Влажност > 85% RH устойчиво: Предпочитат се циклоалифатни (по-ниска абсорбция на вода).
• Солена мъгла / крайбрежно / промишлено замърсяване: Задължителни циклоалифати (Изпитване за солена мъгла Съответствие с IEC 60068-2-52⁵).
• Циклично изменение на температурата: И двете се представят адекватно; циклоалифатичните показват по-малко микропукнатини по време на термичните цикли.

Стъпка 3: Съвпадение на стандартите и сертификатите

• IEC 60587 (Следене и ерозия) - изисква се за циклоалифатни компоненти на открито.
• IEC 60243 (диелектрична якост) - проверете дали тестовото напрежение съответства на BIL на вашата система.
• IEC 60112 (CTI) - минимум CTI 400 за външни мрежи НН; предпочитан CTI 600.

Матрица на сценариите за приложение

Приложение	Препоръчителна епоксидна смола	Основна причина
Вътрешни разпределителни устройства MV (AIS)	Стандартни или циклоалифатни	Контролирана среда
Външен пръстен Основно устройство	Циклоалифатни	Излагане на UV лъчи + влага
Крайбрежна/морска подстанция	Циклоалифатни (задължително)	Солена мъгла + влажност
Промишлено предприятие (тежко замърсяване)	Циклоалифатни	Химикали и частици
Събиране на MV от слънчева ферма	Циклоалифатни	UV лъчи на открито + термичен цикъл
Сух трансформатор от леяна смола	Стандартен BPA	Приоритет на механичната якост

Кои са най-често срещаните грешки при монтажа и работата с епоксидни изолатори?

Контролен списък за инсталиране

1. Проверете номиналното напрежение и степента на провлачване да се съобразят със спецификацията на системата преди монтажа - никога не приемайте, че съответствието на размерите е равнозначно на електрическа съвместимост.
2. Проверка за наличие на микропукнатини върху всички отливани повърхности преди монтажа; космените пукнатини от неправилно съхранение или транспортиране са невидими до момента на запалване.
3. Почистване на контактните повърхности с изопропилов алкохол - замърсяването на границата между изолатора и проводника увеличава контактното съпротивление и локалното нагряване.
4. Прилагане на правилни стойности на въртящия момент на монтажния хардуер; прекомерното затягане на епоксидните компоненти на отливките води до вътрешни фрактури от напрежение.
5. Извършване на тест за устойчивост на изолацията преди пускане в експлоатация (минимум $1000\text{ V DC}$ Megger; IR стойността трябва да надвишава $1000\text{ M}\Omega$).

Често срещани грешки в спецификацията и инсталацията

• Определяне на стандартна епоксидна смола за външни приложения да се намалят разходите - най-често срещаната и скъпоструваща грешка при закупуването на изолация MV.
• Пренебрегване на класификацията на нивото на замърсяване съгласно IEC 60815 при определяне на разстоянието на прекъсване - недостатъчно определеното прекъсване е основната причина за повреда при проследяване.
• Съхраняване на епоксидни компоненти на пряка слънчева светлина или в складове с висока влажност преди монтажа - дори циклоалифатната смола може да абсорбира влага, ако опаковката е нарушена.
• Смесване на класове епоксидни изолатори в рамките на една и съща изолационна система - несъответстващите коефициенти на топлинно разширение причиняват механични напрежения на интерфейсите.

Заключение

Изборът между циклоалифатична и стандартна епоксидна смола за изолация за средно напрежение в крайна сметка е решение за това къде ще работи оборудването ви и какви разходи за повреда можете да приемете. За всяко приложение на открито, в крайбрежните зони, при замърсяване или висока влажност на въздуха над 12 kV циклоалифатната епоксидна смола не е първокласна опция - тя е правилната инженерна спецификация. Стандартната BPA епоксидна смола остава икономически ефективен и надежден избор за закрити помещения с контролиран климат, където устойчивостта на проследяване и UV стабилността не са от първостепенно значение. В Bepto Electric нашите формовани изолационни компоненти се предлагат и в двете системи, произведени по IEC 60587 и IEC 60243, с осигурен пълен сертификат за материалите.

Често задавани въпроси за циклоалифатни и стандартни епоксидни смоли за изолация при високо напрежение

1. “Фотоокисление на полимери”, https://en.wikipedia.org/wiki/Photo-oxidation_of_polymers. Обяснява механизма на разграждане на ароматни полимерни структури при излагане на UV лъчи. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: ароматните връзки са уязвими към UV фоторазграждане. ↩

2. “Сравнителен индекс за проследяване”, https://en.wikipedia.org/wiki/Comparative_Tracking_Index. Подробности за стандарта за измерване на CTI за електроизолационни материали. Роля на доказателството: стандарт; Тип източник: изследване. Поддържа: сравнителен индекс за проследяване. ↩

3. “IEC 60587:2022”, https://webstore.iec.ch/publication/2625. Стандартни методи за изпитване за оценка на устойчивостта на следи и ерозия. Роля на доказателството: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепа: IEC 60587 (Изпитване на следи и ерозия). ↩

4. “IEC TS 60815-1:2008”, https://webstore.iec.ch/publication/3697. Избор и оразмеряване на високоволтови изолатори, предназначени за използване в замърсени условия. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепа: IEC 60815 клас на замърсяване III-IV. ↩

5. “IEC 60068-2-52:2017”, https://webstore.iec.ch/publication/60517. Изпитване на околната среда за циклично излагане на солена мъгла. Роля на доказателството: стандартна; Тип източник: стандартен. Подкрепя: изпитване за солена мъгла Съответствие с IEC 60068-2-52. ↩