超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响
来源:用户上传
作者:
摘要：目的：探究超高溫环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响。方法：测试电气控制柜接线端在不同温度环境下、受温度冲击情况下和处于真空热循环环境下的粘接强度，根据测试结果分析常温环境和超高温环境对接线端粘接强度的影响。结果：当温度在25℃-45℃时，DMA值最高，在此温度区间，胶粘剂的稳定性高，力学强度变化不大，粘接强度达到最大程度，电气控制柜接线端粘接强度在20-80℃内稳定性较好，在常温环境下粘接强度最强，强度保持率最高。而当温度开始进入超高温环境时，其粘接强度和强度保持率均随着温度的升高急剧下降，其主要原因是高温改变了胶粘剂的分子结构，其性能也随之改变，当其处于200℃高温时，胶粘剂的内聚强度接近于0，其性能会完全失效，可能会引发意外危险。结论：超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响程度较大，为保证电路安全，必须要严格控制环境温度。
关键词：超高温环境;电气控制柜;控制柜接线端;粘接强度
中图分类号：TM76
文献标识码：A
文章编号：1001-5922（2020）08-0010-05
The Influence of Ultra High Temperature Environment on theBonding Strength of Electrical Control Cabinet Terminals
LIN Fu
（School of Information and Manufacturing，Minxi Vocational and Technical College，Longyan Fujian 364000.Chian）
Abstract ： Objective ： To explore the influence of ultra-high temperature environment on the bonding strength ofelectrical control cabinet terminals.Methods：the honding strength of the terminals of the electric control cahinetwas tested under different temperature environment.under the impact of temperature and under the vacuum ther-mal cycle environment.According to the test results.the influence of normal temperature environment and ultra-high temperature environment on the bonding strength of the terminals was analyzed.Results：when the temperatureis 25℃-45℃ .DMA value is the highest.ln this temperature range，the adhesive has high stahility，little change inmechanical strength，and the adhesive strength reaches the maximum degree.The terminal bonding strength of theelectric control cabinet is stable in 20-80℃.the adhesive strength is the strongest and the strength retention rate isthe highest in the normal temperature environment.When the temperature begins to enter the ultra-high tempera-ture environment.the adhesive strength and strength retention rate decrease sharply with the increase of tempera-ture.The main reason is that the high temperature changes the molecular structure of the adhesive.and its perfor-mance also changes.When the temperature is 200℃.the cohesive strength of the adhesive is close to O，and its per-formance will completely fail，which may cause unexpected danger.Conclusion：ultra high temperature envircmmenthas a great influence on the bonding strength of the terminal of the electric control cahinet.ln order to ensure thecircuit safety，it is necessary to strictly control the ambient temperature.
Key words ： ultra high temperature environment;electrical control cabinet;control cabinet terminal;bonding strength 0 引言
电气控制柜是根据国家标准要求将各种开关设备、测量设备和相关保护设备组装在一个半封闭的金属柜中，常常用于发电站、配电所和变电所等重要电力场所，可以实现无人为操作的供电白动控制系统，在工作运行时柜内的温度接近于常温26℃[1]。电气控制柜的内部设备由无数个电箱相连，电线的接线端的封装多采用胶粘剂进行封装[2]。
近年来，随着科学技术的快速发展，传统的胶粘剂已经不能满足电气控制柜的使用需求，因此研究出了各方面性能均比传统胶粘剂更优秀的高分子胶粘剂，目前电气控制柜常使用环氧酸酯型高分子胶粘剂对接线端进行封装，以达到防水、防潮、防尘以及耐热的等保护需求[3]。
根据相关规定，当温度达到80℃时电气控制柜处于高温环境，已发生火灾，当温度超过120℃时，电气控制柜处于超高温环境[4]。
本文深入研究了超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响，通过准备各种实验所需仪器，制备电气控制柜接线端样品，应用胶粘剂强度测试方法，设计三种对比实验，测试电气控制柜接线端在不同温度环境下、受不同温度冲击情况下和处于不同真空热循环环境下的粘接强度，并对胶粘剂进行DMA和TGC测试，并使用扫描电镜对接线端处的胶层进行微观观察，对比接线端在常温环境和超高温环境下胶粘强度的不同，从而得出超高温环境会使接线端的胶粘强度急剧下降的结论[5]。
1 实验研究
1.1实验目的
为了探究超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响，设计了3种对比实验，测试电气控制柜接线端在不同温度环境下、受温度冲击情况下和处于真空热循环环境下的粘接强度，根据测试结果分析常温环境和超高温环境对接线端粘接强度的影响[6]。
1.2实验试剂与设备
电气控制柜接线端专用电线，-28B、J-2IC，公牛公司;电线专用胶粘剂，环氧酸酯胶粘剂，西安科技大学研究院。
CJYGHCG 21变换红外光谱温度测试仪，英国BANKER公司;热失重分析仪，德國ANGLE公司;动态热机械分析仪，意大利WEAK公司;万能试验机，法国FANK公司;扫描电镜，荷兰飞利浦;温度冲击设备，北京环境工程研究所;环境模拟器，上海环境研究所[7]。
1.3实验方法与过程
1.3.1 实验方法
选用胶粘剂粘接强度测定方法，对电气控制柜接线端粘接强度进行测定[8]。粘接强度计算如公式（1）所示。
N=m√T-10kv
（1）
其中，N表示粘接力;m表示环氧酸酯胶粘剂的质量;T为所处温度;v表示胶粘剂的体积;k表示环氧酸酯胶粘剂的粘接系数[9]。
1.3.2 样件的制备
按照电气控制柜接线端的接线标准，首先制作环氧酸酯胶粘剂胶膜，接着将固化后的环氧酸酯胶粘剂胶膜进行DMA和TGC测试，然后将环氧酸酯底胶和胶膜依次涂覆粘接于接线端口，对接线端进行粘接封装，并按照相同的方法制作多个相同的接线端样本样本模型如图1所示。
1.3.3 不同温度下胶粘剂粘接强度测试
测试电气控制柜接线端在6种温度点的粘接强度，并计算各种温度下胶粘剂的胶粘强度保持率[10]。
1.3.4 粘接强度温度冲击实验
将电气控制柜接线端样品放置在温度冲击设备中，对样品进行常温、超高温的温度冲击实验[11]。在实验的过程中，采用红外光谱温度测试仪监测样品的温度，当样品到达实验预定的温度后，首先将样品放置在常温实验箱中进行200次、400次、600次的温度冲击，然后将样品从常温实验箱转移到超高温实验箱，转移时间不能超过10s，否则温度会有所改变，测试结果会有较大误差。转移成功后，利用扫描电镜对经过200、400、600次温度冲击处理后的样品进行粘接强度测试及表面微观样貌观察，分析胶层的外貌状态[12]。
1.3.5 粘接强度真空热循环实验
将5个电气控制柜接线端样品放置到温度环境模拟器中进行真空热循环实验，温度环境模拟器的实验压力设定为0.00022-0.000025Pa，常温段为26℃，常温温度差为0-2℃，超高温端的温度为180℃[13]。超高温温度差为0-5℃。在真空温度环境下，对样品的热循环次数为20次，每一次循环包括一个常温一个超高温[14]。在一号样品上粘贴热电偶，对一号样品进行温度控制。在2-5#样品上连接红外线光谱温度测试仪，对这4个样品进行温度监测。真空热循环实验后对样品进行粘接强度测试和胶层外貌观察[15]。
2 实验结果与分析
根据实验结果，分析出电气控制柜接线端胶粘剂的耐热性和超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响，分析结果如下。
2.1电气控制柜接线端胶粘剂的耐热性
为检测胶粘剂的耐热性，对凝固后的环氧酸酯胶粘剂进行DMA测试，DMA的计算方法如公式（2）所示。
G=（cs+mk）x 100%
（2）
其中，G为DMA值;c为胶粘剂的耐热率;s为粘接面积;m表示环氧酸酯胶粘剂的质量;k表示环氧酸酯胶粘剂的粘接系数。
得到的DMA曲线如图2所示。
由图2可以看出，当温度在25-45℃时，DMA值最高，在此温度区间，胶粘剂的稳定性高，力学强度变化不大，粘接强度达到最大程度。然而当温度达到120℃的超高温时，其性能开始急剧下降，当温度到200℃时，胶粘剂开始融化脱落，此时的粘接强度基本为0，由此可以看出，环氧酸酯胶粘剂拥有较好的耐热性，能够在常温或高温环境下保持良好的粘接强度，但超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响较大，会大幅度降低胶粘剂的粘接强度以致失效，因此应在电气柜保护系统中增加保护措施，避免在发生超高温的情况下对系统造成更严重的损坏。 在对凝固后的环氧酸酯胶粘剂进行DMA测试后，对其进行TGC测试，并利用热失重分析仪对胶粘剂的失重现象进行检测，分析出胶粘剂的热失重温度点，TGC值的计算如公式（3）所示。
A=（cs+√T）x100%
（3）
其中，A为TCA值;c为胶粘剂的耐热率;s为粘接面积;T为所处温度。
得到的TGC曲线如图3所示。
根据图3热失重分析仪显示的结果可以看出，环氧酸酯胶粘剂有3个明显热失重温度点。第一个热失重温度点的温度为120℃，既处于由高温环境刚进入超高温环境时，胶粘剂的粘接强度开始发生变化，在对应的超高温环境下，胶粘剂结构内的化学键开始发生断裂，导致胶粘剂的结构发生改变，以致其性能不稳定。第二、三个热失重温度点的温度为150℃和200℃，并计算对应的DTG值，其计算如公式（4）所示。
E=（T1+T2）/2xM
（4）
其中，E表示DTG值;T1为所处温度;T2为热失重温度;s为粘接面积;M为接线端总体质量。
其热失重对应的DTG曲线如图4所示。
2.2超高温环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响
2.2.1 不同温度环境对电气控制柜接线端粘接强度的影响
将电气控制柜接线端样品分为6组，分别放到6种不同环境下进行粘接强度检测。6种温度下粘接强度数据如表1所示。
根据表1的数据可以看出，电气控制柜接线端粘接强度在20-80℃内稳定性较好，在常温环境下粘接强度最强，强度保持率最高。而当温度开始进入超高温环境时，其粘接强度和强度保持率均随着温度的升高急剧下降，其主要原因是高温改变了胶粘剂的分子结构，其性能也随之改变，当其处于200℃高温时，胶粘剂的内聚强度接近于0，其性能会完全失效，可能会引发意外危险。
为使实验结果具有可靠性，应用数学统计均值比较方法的单因素分析方法，检验各个温度环境下的其他单因素是否会对电气控制柜接线端粘接强度造成显著性影响，并应用FPAG數据分析软件的LRDF程序算法对采集数据进行分析计算，显著性水平选择0.1（90%置信区间）和0.02（98%置信区间），采用适当的检测方法，在6组实验中进行组间比较，得到的分析结果如表2所示。
统计数据结果显示，从第4组样品开始H值开始小于0.5，与常温样品组相比，存在明显的差异，说明电气控制柜接线端粘接强度在超高温的环境下其粘接面会受到一定的作用力，所受作用力破坏了胶粘剂内部分子的聚合程度，从而影响其粘接强度使其大幅度下降。相比较，在常温环境下的H值均大于0.5，表明常温环境下电气控制柜接线端粘接强度最好，使电气控制柜在正常环境下工作时，能够发挥胶粘剂的最大优势。其中显著平均值H值的计算方法如公式（5）所示。
H=TG+0.12/P×100
（5）
其中，H表示显著平均值;T表示所处环境的温度;G表示在此温度环境下所处的时间;0.12为显著平均值系数;P表示粘接强度保持率。
2.2.2 温度冲击对电气控制柜接线端粘接强度的影响
分别在常温环境和超高温环境下对电气控制柜接线端样品进行相同次数的温度冲击，冲击次数为200次、400次和600次，并利用扫描电镜对胶层表面进行微观观察。从实验结果可以看出，在常温环境下，无论多少次的温度冲击对粘接面的粘接强度影响并不显著，说明胶粘剂在常温环境下性质稳定。而当样品处于超高温环境中时，随着温度冲击次数的不断增加，样品的胶层部分的裂纹越来越明显，其产生裂纹的原因是，超高温产生的热应力在温度冲击过程中进入到胶层的空隙中，使得胶层空隙越来越大，从而形成明显的裂纹，在超高温温度冲击下胶层的外貌变化如图5所示。
与受超高温温度冲击的胶层对比，受常温温度冲击的胶层所受压力较小，因此其胶层相对较薄，并且胶质紧密，中间的空隙较小，在温度冲击下不易发生变化，使其胶粘强度高。
2.2.3 真空热循环对电气控制柜接线端粘接强度的影响
在真空环境下，排除空气的影响，对电气控制柜接线端样品进行常温热循环和超高温热循环，利用红外线光谱测试仪对真空温度进行监测，使用扫描电镜对胶层的微观面貌进行观察。对比实验结果看出，受常温热循环的样品胶层表面光滑无裂痕，没有明显的韧性断裂，表示常温环境对样品的粘接强度没有影响。而受超高温真空循环的样品的胶层表面粗糙，并且出现大量的直线型裂痕，有胶层脱落的趋势，表明超高温对样品的胶粘强度破坏力较大，说明所使用的环氧酸酯胶粘剂并不具备良好的耐高温特性。受超高温真空循环的样品的胶层表面如图6所示。
3 结语
文章通过3种对比实验深入研究超高温对对电气控制柜接线端粘接强度的影响，实验结果更具可靠性，容易使人信服。其中由不同温度对在常温环境下的电气控制柜接线端粘接强度明显强于超高温环境。当温度由高温转向超高温时，胶粘剂分子内部的化学剂受热应力冲击断裂，导致分子结构发生改变，胶粘剂的内聚强度随着温度的升高而快速下降，胶粘剂的各方面性能显著下降。温度冲击和真空热循环实验结果表示，对电气控制柜接线端虽具有较好的耐温度冲击性和真空热循环性能，但仍然不耐超高温冲击和热循环，其使用的环氧酸酯胶粘剂还需进一步优化。因此在实际应用过程中应充分考虑温度对粘接强度的影响，采用一定传感器对接线端的温度实时监测并安装降温设备，避免接线度因受超高温影响导致系统发生故障，以此来满足电气控制柜特殊的温度环境对胶粘剂性能的需求，从而促进胶粘剂行业的发展更进一步。
参考文献
[1]王晓东，杨苹，刘泽健，等.计及电气主接线期望出力的风电场发电可靠性评估[J].可再生能源，2018，36（6）：894-901.
[2]徐政，王世佳，张哲任，等.LCC-MMC混合级联型直流输电系统受端接线和控制方式[J].电力建设，2018，39（7）：115-122. [3]周号博.基于黏度计读值预测的高温高压流变性预测方法[J].钻井液与完井液，2019，36（3）：325-332.
[4]郑冠一，李早元，赵军，等.基于乌式黏度计法的固井聚合物外加剂耐温能力评价方法[J].钻井液与完井液，2019， 36（4）：480-485.
[5]周振宇，唐萍.侯自兵，等.w（SiO2）/w（V2O3）对含钒炉渣熔化温度及黏度的影響[J].钢铁研究学报，2019，31（5）：446-451.
[6]张康晖，张延玲，李秋寒，等.基于共存理论的含铬渣黏度预测模型[J].钢铁研究学报，2019，31（3）：251-257.
[7]李斌，蒋官澄，贺垠博.一种抗高温抗钙两性离子聚合物分散剂[J].钻井液与完井液，2019，36（3）：303-307.
[8]袁莉莉，崔超，周典瑞，等.相对分子质量可控聚酰亚胺薄膜的聚集态结构[J].高分子材料科学与工程，2019，35（7）：31-37.
[9]罗发强，韩子轩，柴龙，等.抗高温气滞塞技术的研究与应用[J].钻井液与完井液，2019，36（2）：165-169.
[10]王兰，吴琦，蒋官澄.改性大豆卵磷脂在水基钻井液中的润滑性能[J].钻井液与完井液，2019，36（1）：10-14.
[11]杨超，杨国兴，周成华，等.抗高温改性淀粉FSL在高温井段的现场应用[J].钻井液与完井液，2019，36（1）：51-54.
[12]鲁轩，吴东，王松波，等.面向输电线巡检的多旋翼无人机图像回传技术平台设计[J].电子设计工程，2019，27（10）：123-127.
[13]禹海斌，唐伟，杜治兴，等.基于无人机变电站电力系统巡视飞控系统的设计[J].电子设计工程，2019，27（19）：49-52.
[14]徐金亮，刘沛，陈其俊.电网现场错接线高精度自动判断系统设计[J].自动化与仪器仪表，2019（8）：33-36.
[15]刘彝，罗成，李良川，等.高温生物酶双元破胶性能与现场应用[J].油田化学，2019，36（3）：394-399.
收稿日期：2020-03-12
作者简介：林福（1975-），男，汉族，福建漳平人，工程硕士，副教授，研究方向：电气自动化与机电控制技术应用。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15314756.htm
