復(fù)合絕緣管的油相容性及熱老化性能研究*

雷雨興 汪 可 郁 郁 楊 雁 李 剛 高 波 吳廣寧

(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756； 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 北京 100192)

1 引言

近年來，瓷質(zhì)絕緣外套因其具有良好的機(jī)械、電氣、熱性能和耐氣候性能，被廣泛運(yùn)用于各級(jí)電壓的輸變電工程[1]。但是，隨著電壓等級(jí)逐漸向超高壓、特高壓發(fā)展，瓷質(zhì)絕緣外套在運(yùn)行中也暴露出了許多缺點(diǎn)，如因雷擊造成的較高沖擊電流或短路電流，可能造成瓷質(zhì)絕緣外套的瞬間驟熱而發(fā)生爆炸或斷裂[2-3]，抗震性能差[4-5]、易脆斷[6-7]等，嚴(yán)重威脅了運(yùn)行人員和電網(wǎng)運(yùn)行的安全[2-7]。因此，為了減少運(yùn)行故障，降低套管、電流互感器等設(shè)備在故障條件下產(chǎn)生爆炸的危害，可采用彈性更好的復(fù)合絕緣外套代替剛性瓷套。

對(duì)于采用復(fù)合絕緣外套的油浸式設(shè)備，還需要使用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂絕緣管作為其主絕緣容 器[8-9]。目前，很多學(xué)者也對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行了老化研究，南洪堯等[10]研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能和機(jī)械老化問題。付晨陽等[11]研究了紫外線對(duì)復(fù)合材料的老化影響。譚榮等[12]研究了溫度對(duì)復(fù)合絕緣材料的老化影響。冉昭玉等[13]研究了環(huán)氧復(fù)合材料表面電位衰減與直流電導(dǎo)特性。王國(guó)建等[14-15]研究了溫度和濕度對(duì)絕緣材料的性能影響。在采用復(fù)合絕緣外套的油浸式設(shè)備中，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣管長(zhǎng)期與絕緣油接觸，存在熱油老化問題。

本文將研究復(fù)合絕緣管的油相容性及在油浸漬條件下的熱老化特性。本文將絕緣管浸入絕緣油進(jìn)行熱老化處理，研究了不同老化階段的絕緣材料和絕緣油，包括絕緣油相容性相關(guān)的頻域介電譜、氣相色譜分析；絕緣管擊穿電壓、局部放電特性、表面微觀形貌、頻域介電頻譜等。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析絕緣管與油的相容性和抗老化性能，為提高采用復(fù)合絕緣外套油浸式設(shè)備的運(yùn)行壽命和可靠性提供優(yōu)選配方及理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)原理及方法

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備及預(yù)處理

將三種配方的絕緣管分別編號(hào)為HX-1#、ZJ、WJ，其中HX-1#為經(jīng)過環(huán)氧改性處理、玻璃紗纏繞等特殊工藝加工而成的配方，ZJ和WJ為常規(guī)絕緣管配方。每種配方各準(zhǔn)備64個(gè)50 mm×50 mm×1 mm大小的絕緣片，10個(gè)10 mm×10 mm×3 mm大小的絕緣片，15個(gè)30 mm×30 mm×10 mm大小的絕緣片，5個(gè)內(nèi)徑130 mm，厚度3 mm，高度80 mm的絕緣管。

設(shè)置老化周期為0天、10天、20天、30天、40天。將不同熱老化周期絕緣管依次編號(hào)為 HX-1# 0，HX-1#10，HX-1#20，HX-1#30，HX-1#40；ZJ0，ZJ10，ZJ20，ZJ30，ZJ40；WJ0，WJ10，WJ20，WJ30，WJ40。

2.2 絕緣管與油的相容性

將預(yù)處理清潔后的絕緣片和絕緣管試樣浸入盛有25#絕緣油的玻璃瓶中密封，使之與油充分接觸，并置于恒溫烘箱中，烘箱的溫度設(shè)置為108 ℃。每個(gè)周期后取絕緣油試樣，觀察絕緣油的顏色老化后發(fā)生的明顯變化。分析絕緣管老化過程，測(cè)試不同老化周期絕緣油的介電性能和絕緣油中的油中溶解氣體，從而分析各配方絕緣管與絕緣油的相容性。

2.2.1 絕緣油頻域介電譜測(cè)試

本次試驗(yàn)將不同熱老化周期的絕緣油作為試驗(yàn)對(duì)象，施加正弦電壓，測(cè)量流過絕緣油的電流幅值與相位，測(cè)量相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值等。本次電介質(zhì)響應(yīng)測(cè)試所用儀器為Megger Group Limited公司的IDA300。

2.2.2 絕緣油氣相色譜分析

本試驗(yàn)按照 DT/T 722—2014《變壓器中溶解氣體和分析導(dǎo)則》，采用ZD2000全自動(dòng)振蕩儀和ZF301B氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)試。

2.3 熱老化前后絕緣管電氣性能試驗(yàn)

2.3.1 擊穿試驗(yàn)

擊穿試驗(yàn)電路如圖1所示，調(diào)壓器額定容量為10 kV·A，輸入電壓380 V，輸出0～3 800 V。變壓器額定容量為10 kV·A，額定電流為0.1 A，變比為1∶375，輸入電壓0～380 V，輸出0～100 kV。分壓器為Gf-200 kV交直流高壓阻容分壓器，分壓比為1∶1 000。

圖1 擊穿試驗(yàn)電路圖

擊穿試驗(yàn)采用球板電極。球電極直徑為20 mm，板電極邊長(zhǎng)為25 mm。升壓方法為慢速升壓法。先施加40%的預(yù)期擊穿電壓，然后開始均勻升壓，使得擊穿發(fā)生在120～240 s，升壓速率為2 V/s。

2.3.2 局部放電試驗(yàn)

試驗(yàn)采用脈沖電流法檢測(cè)試品局部放電，局放試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。AC是0～100 kV無局放變壓器，RAC=2 MΩ是保護(hù)電阻，用于保護(hù)試驗(yàn)回路。C1和C2組成分壓器，Zm是檢測(cè)阻抗，與局部放電測(cè)試儀MPD600相連，Ck=300 pF為耦合電容。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)在50 kV時(shí)局部放電干擾小于5 pC。

圖2 局部放電電路原理圖

試驗(yàn)采用階梯升壓法，每5 min升高1 kV，直至35 kV。根據(jù)GB/T 7354—2018，以首次出現(xiàn)大于100 pC的局部放電所對(duì)應(yīng)的交流電壓作為起始放電電壓。測(cè)試整個(gè)試驗(yàn)過程中局部放電的平均放電量、最大放電量和起始放電電壓。

2.3.3 復(fù)合絕緣管頻域介電譜測(cè)試

將不同熱老化周期的絕緣管作為試驗(yàn)對(duì)象，施加正弦電壓，測(cè)量流過絕緣油的電流幅值與相位，計(jì)算相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值等。本次電介質(zhì)響應(yīng)測(cè)試所用儀器為Megger Group Limited公司的IDA300。

2.3.4 等溫表面電位衰減測(cè)試

ISPD(等溫表面電位衰減)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，由高壓直流電源、恒溫箱、充電模塊、表面電位檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)采集模塊幾個(gè)部分組成。試驗(yàn)步驟如下：① 將絕緣管試樣緊貼于充電裝置的背電極上，調(diào)整電極距柵極和柵極距試樣表面各5 mm；② 首先控制高壓直流電源對(duì)針電極與柵極分別施加+8 kV與+3 kV的直流電壓，對(duì)老化試樣充電10 min，并打開表面電位測(cè)試儀器進(jìn)行高壓預(yù)熱；③ 充電完成后，迅速將試樣置于距試樣表面3 mm的振動(dòng)式靜電探頭之下，打開計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件，由采集卡讀取電壓信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)，采集記錄表面電位的衰減數(shù)據(jù)。將記錄好的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算處理，得到直流充電下老化后的試樣表面電位衰減曲線，計(jì)算并繪制空穴陷阱分布曲線。

2.3.5 掃描電鏡測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)絕緣管表面形貌圖。本試驗(yàn)采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 絕緣管與油的相容性

經(jīng)過不同老化周期絕緣管熱油老化試樣如圖4所示，從左到右依次為老化10天、老化20天、老化30天、老化40天。未老化時(shí)，絕緣油呈無色透明狀，在整個(gè)老化過程中，絕緣油顏色由淺變深。為了分析絕緣管老化過程，測(cè)試了不同老化周期絕緣油的介電性能和絕緣油中溶解氣體，并以此分析各配方絕緣管與絕緣油的相容性。

圖4 不同老化周期絕緣管熱油老化實(shí)物圖

3.1.1 絕緣油頻域介電譜測(cè)試分析

絕緣油在不同老化周期的介電常數(shù)如圖5和圖6所示。在同一老化周期，絕緣油的介電常數(shù)隨頻率的增加而降低。對(duì)比三種配方的試驗(yàn)結(jié)果可得，HX-1#絕緣管老化后絕緣油介電常數(shù)較低，介電性能較好。隨著老化時(shí)間的增加，絕緣油介損在低頻段逐漸增加，在高頻段介損變化不明顯。老化初期HX-1#絕緣管熱油老化后絕緣油介損較低，說明ZJ和WJ絕緣管降解更為嚴(yán)重，在和絕緣油的作用下，產(chǎn)生更多的極性小分子。綜上可得，HX-1#絕緣管與絕緣油具有較好的相容性。

圖5 絕緣油不同老化周期介電譜

圖6 絕緣油不同老化周期介損

3.1.2 絕緣油氣相色譜分析

烴類含量隨老化時(shí)間變化如圖7所示，由圖7可知絕緣油中烴類氣體隨老化時(shí)間的增加而增加，最后趨于平穩(wěn)。對(duì)比三種配方的試驗(yàn)結(jié)果可得，絕緣管熱油老化后，HX-1#材料絕緣管熱油老化后絕緣油中烴類氣體含量較少。碳氧化物含量隨時(shí)間變化如圖8所示，由圖8可知絕緣油中碳氧化物氣體隨老化時(shí)間的增加先快速增加后緩慢增加。說明在絕緣管熱油老化過程中，HX-1#絕緣管甲基、亞甲基發(fā)生的裂解程度較低，ZJ絕緣管脫酸基和羥基裂解程度較低，HX-1#絕和ZJ絕管老化反應(yīng)較為緩和，對(duì)絕緣油的影響作用較小，與絕緣油具有較好的相容性。

圖7 烴類含量隨老化時(shí)間變化

圖8 碳氧化物含量隨時(shí)間變化

3.2 熱老化前后絕緣管電氣性能分析

3.2.1 擊穿試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣在擊穿試驗(yàn)后的實(shí)物圖如圖9所示，可以明顯地看到擊穿后留下的碳化點(diǎn)。對(duì)于三種配方的試樣，其介電強(qiáng)度均會(huì)隨著浸油老化時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低，具體介電強(qiáng)度如表1所示。老化40天后， HX-1#材料的介電強(qiáng)度由初始介電強(qiáng)度48.42 kV/mm下降到33.76 kV/mm，即下降至原有的69.72%；ZJ材料的介電強(qiáng)度由初始介電強(qiáng)度38.24 kV/mm下降到27.35 kV/mm，即下降至原有的71.52%；WJ材料的介電強(qiáng)度由44.27 kV/mm下降到31.43 kV/mm，下降至原有的70.99%。經(jīng)分析可知總結(jié)如圖10所示，三種不同配方材料中，HX-1#材料介電強(qiáng)度最高，耐擊穿能力最強(qiáng)，WJ材料次之，ZJ材料耐擊穿能力最低。

圖9 絕緣管試片擊穿實(shí)物圖

表1 絕緣管不同老化時(shí)間介電強(qiáng)度 kV/mm

圖10 絕緣管不同老化周期介電強(qiáng)度

3.2.2 局部放電試驗(yàn)結(jié)果分析

老化時(shí)間相同的HX-1#、WJ、ZJ試樣在35 kV時(shí)的局放圖譜如圖11所示。由圖11可知，HX-1#的放電量最小。

圖11 35 kV時(shí)絕緣管局放圖

三種配方的試樣的最大放電量和平均放電量測(cè)試結(jié)果如表2所示。HX-1#材料局放起始電壓較高，最大放電量和平均放電量較WJ材料和ZJ材料 稍低。

表2 絕緣管最大、平均放電量 pC

3.2.3 頻域介電譜測(cè)試結(jié)果分析

絕緣管不同老化周期介電常數(shù)如圖12所示，隨著頻率的增加，相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部呈下降的趨勢(shì)。絕緣管是以環(huán)氧樹脂為基體，通過浸漬無堿玻璃纖維制成的復(fù)合材料。纖維以一定的纏繞方式配置，以取得足夠的機(jī)械和絕緣強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂和玻璃纖維含較多的極化分子，在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生極化。另外環(huán)氧樹脂和玻璃纖維的分界面在電場(chǎng)作用下會(huì)聚集電荷，形成界面極化。由圖12可以看出，未老化時(shí)絕緣管介電常數(shù)實(shí)部在3.9～5.4之間。隨著老化時(shí)間的增加，絕緣管介電常數(shù)增加。絕緣管老化后，HX-1#絕緣管有著較好的介電性能。

圖12 絕緣管不同老化周期介電常數(shù)

絕緣管不同老化周期介損如圖13所示，隨著老化時(shí)間的增加，絕緣管介質(zhì)損耗因數(shù)隨老化時(shí)間的增加而增加。綜合比較可以得出HX-1#和WJ介損較低。在不同老化周期下，HX-1#材料損耗因數(shù) 較小。電介質(zhì)由于介質(zhì)損耗，會(huì)把電能轉(zhuǎn)化為熱量，使得電介質(zhì)溫度升高，引起電介質(zhì)的熱擊穿。因此，在絕緣領(lǐng)域中，應(yīng)盡可能采用介質(zhì)損耗較低的材料。

圖13 絕緣管不同老化周期介損

3.2.4 等溫表面電位衰減測(cè)試結(jié)果分析

絕緣管正、反表面電位衰減如圖14、15所示，正極性和負(fù)極性充電后，絕緣管試樣片表面電位消散速度均隨老化時(shí)間的增加而減小。正極性電暈充電后，未老化時(shí)WJ絕緣管表面電位消散速度最快，ZJ絕緣管表面電位消散速度最慢。HX-1#、WJ絕緣管正表面電位速度消散較快，HX-1#、ZJ絕緣管負(fù)表面電位消散速度較快。

圖14 絕緣管正表面電位衰減

圖15 絕緣管反表面電位衰減

絕緣管電子、空穴陷阱密度如圖16、17所示，電子陷阱和空穴陷阱的陷阱能級(jí)均隨老化時(shí)間的增加而增加，且淺陷阱的能級(jí)增加幅度較大，深陷阱的能級(jí)增加幅度較小。電子淺陷阱密度峰值隨老化時(shí)間的增加而減小，電子深陷阱密度峰值隨老化時(shí)間的增加而增加?？昭\陷阱和空穴深陷阱密度峰值均隨老化時(shí)間的增加而增加。HX-1#和WJ絕緣管電子陷阱密度峰值較小，陷阱能級(jí)較低，有利于電子的消散。

圖16 絕緣管電子陷阱

圖17 絕緣管空穴陷阱

未老化時(shí)，WJ空穴淺陷阱密度峰值最低，ZJ空穴淺陷阱密度峰值最高。WJ空穴深陷阱密度峰值最高，ZJ空穴深陷阱密度峰值最低。老化40天后，ZJ空穴淺陷阱密度峰值和陷阱能級(jí)最低，HX-1#空穴淺陷阱密度峰值最高。WJ空穴深陷阱密度峰值最高，ZJ、HX-1#空穴深陷阱和密度峰值相差不大。HX-1#和ZJ空穴陷阱密度峰值較小，能級(jí)較低有利于空穴的消散。綜上分析HX-1#絕緣管不利于電荷的積聚，具有較好的電荷消散特性，從而老化后擊穿電壓較高。

3.2.5 掃描電鏡測(cè)試結(jié)果分析

三種配方絕緣管老化10天和老化40天的微觀形貌如圖18所示。隨著老化時(shí)間的增加，絕緣管的環(huán)氧樹脂基體開始分解老化，玻璃纖維開始出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，且環(huán)氧樹脂和玻璃纖維界面脫粘開裂。老化40天時(shí)，HX-1#絕緣管環(huán)氧樹脂雖然開始出現(xiàn)裂解，但是纖維斷裂較少；ZJ絕緣管環(huán)氧樹脂分解和玻璃纖維斷裂都較為嚴(yán)重，有大量的白色碎屑產(chǎn)生，老化較為嚴(yán)重。

圖18 絕緣管掃描電鏡圖

4 結(jié)論

本文對(duì)三種不同配方絕緣管材料進(jìn)行了油浸熱老化及性能測(cè)試，結(jié)果表明，在油浸熱老化后HX-1#配方絕緣管擊穿電壓較高；起始放電電壓較高，平均放電量和最大放電量較低；介電常數(shù)和介損較低。電氣性能的優(yōu)異性可以根據(jù)陷阱分布特性從機(jī)理 上進(jìn)行解釋，該配方絕緣管材料的淺陷阱密度較大，有利于電荷消散，減少局放的發(fā)生，提高耐電特性。

此外，HX-1#絕緣管環(huán)氧樹脂分解和玻璃纖維斷裂程度較低，具有較好的抗熱油老化性能，與油具有更好的相容性。絕緣油的測(cè)試結(jié)果也從另一個(gè)方面反映了相容性，HX-1#絕緣管所被浸泡的絕緣油介電常數(shù)較低，WJ-1#絕緣管介損較低，并且含烴類氣體較少。

HX-1#配方通過環(huán)氧改性處理、專用玻璃紗纏繞等特殊工藝提高環(huán)氧樹脂和玻璃紗的結(jié)合力，提高其彎曲強(qiáng)度和剛性，提高其機(jī)電性能。本文通過一系列試驗(yàn)也驗(yàn)證了該絕緣管配方優(yōu)越的性能。本文的研究結(jié)果可為提高采用復(fù)合絕緣外套油浸式設(shè)備的運(yùn)行壽命和可靠性提供優(yōu)選配方及理論依據(jù)。