惡劣條件下電氣設備用環氧樹脂材料絕緣特性研究

張文霞

（內蒙古電力科學研究院, 內蒙古 呼和浩特 010041)

隨著我國電力領域的高速發展,高電壓、高容量成為了電力行業的發展目標,在電力運輸過程中,高壓直流(High voltage direct current,HVDC)輸電技術日漸成熟,擁有實現不同頻率和不同相位角的兩種電力系統下的聯網運行,且直流輸電的系統也使得電力運輸系統的阻尼處于可控狀態,降低系統的低頻振蕩,是兩地電力運輸的主要手段之一［1］。截止2020年底,在國家電網和能源局的帶領下,全國各地一共建成27條特高壓電力傳輸線路,達成我國“五縱五橫”的電力傳輸線路布局［2］。在此基礎上,我國商業用電電壓一般為380V（更高需要變壓器進線電壓達到10000V）,民用電壓為220V,發生觸電漏電情況時足以導致生命安全問題,所以,對生活中常見的環氧樹脂材料在惡劣天氣下的絕緣特性研究是十分有意義的。

1 絕緣材料

在電氣設備服務社會的過程中,絕緣材料無疑是至關重要的一環,關乎人民安全。研究表明,自20世紀末電力首次開始流入商業市場中,在電氣設備開始快速發展的同時,絕緣材料也進入了高速發展的軌道。到目前為止,絕緣材料的失效仍然是導致電氣設備損壞的主要原因,而除去自然老化和機械損傷破壞絕緣完整性外,沖擊電壓的累積也是造成絕緣材料的失效的常見原因之一［3-4］。

按照絕緣材料的化學成分,常將絕緣材料分為有機和無機絕緣材料,無機材料常指陶瓷、玻璃、云母粉等金屬或非金屬的氧化物,共價鍵的緊密結合使得材料不易發生電子轉移達到絕緣的作用,且金屬氧化物常常表現出較好的介電性,是電氣設備中絕緣材料的優選,但無機絕緣材料的制造成本過高,很難被廣泛使用,因而有機絕緣材料是電氣設備常見的絕緣材料。常見的有機絕緣材料有鏈式結構的高分子聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯等典型的熱塑性材料,網狀分子結構的環氧樹脂、酚醛樹脂等熱固性材料,和橡膠、纖維等。不同的絕緣材料都有其使用范圍,如橡膠材料常用于電纜,合成纖維用于電機的絕緣槽,而電氣設備最為常見的絕緣材料則是環氧樹脂絕緣材料,環氧樹脂應用于電氣設備不僅在于它優良的絕緣效果,更是由于其強度較高,可以一定程度上承擔支撐作用[5-6]。

但環氧樹脂的老化和失效都是不可逆的,在長時間經受過電壓后,老化速度加快,容易發生絕緣損傷[7-8],在雷雨天氣下更是會加速累積效應,加快環氧樹脂的失效。本文研究惡劣天氣（雷雨）下對環氧樹脂失效過程的加速,搭建標準雷電沖擊實驗臺,設計了雷電沖擊電壓對電器設備用環氧樹脂的電壓累積效應測試,分析惡劣天氣下材料的U-N特性以及絕緣參數的變化,為惡劣天氣情況下電氣設備用環氧樹脂材料制備過程的設計參數和選取提供了參考。

2 實驗部分

2.1 實驗原材料

2.2 實驗前處理

環氧樹脂絕緣材料的制備是以表1中材料以表中順序120：30：1：80：300的比例攪拌充分混合后,經過20min的超聲處理以去除環氧樹脂流體中的氣泡,緩慢澆注入模具中,置于恒溫干燥箱150℃下恒溫固化30min,升溫10°C保溫處理3h以讓模具中心部位的環氧樹脂完全固化,得到電氣設備用環氧樹脂材料。

表1 實驗用原材料Table 1 Experimental materials

根據GB/T 1408.1-2006[9]來設計間隙為1mm短電極間隙和5mm長電極間隙的不等直徑電極結構,按GB/T 10064-2006[10]對環氧樹脂進行預處理,以無水乙醇完全覆蓋制備出的環氧樹脂絕緣件,室溫條件下維持24h后吹干備用。

2.3 實驗設計

以GB/T 16927.3-2010[11]為設計標準,參數設置以GB/T 10580-2015[12]為標準,實驗參數見表2。

表2 實驗參數Table 2 Experimental parameters

2.4 雷電沖擊累積效應試驗

對絕緣材料的絕緣特性分析測試中,通過對絕緣材料進行多次不同的電壓加載,得到施加一定的雷電電壓沖擊后絕緣材料被擊穿時的電壓幅值和沖擊次數的關系特性曲線,即U-N特性曲線。U-N特性曲線是研究絕緣材料的絕緣特性的重要方法,同時在測試過程中,本實驗以QS87型高精密高壓電容電橋對電氣設備用環氧樹脂的介質損耗因數(tanδ)和介電常數進行實時地測量抓取。實驗流程分為3步。

(1)施加一定的雷電沖擊電壓,緩慢提高施加的電壓直至單次雷電沖擊下可將環氧樹脂絕緣材料在短間隙情況下擊穿,在此電壓附近降低電壓的施加梯度,找到單次沖擊下的最小電壓U0,為避免數據的偶然性,進行10組重復性實驗驗證數據的可重復性,將重復性較好的U0值取均值,得到Us。

(2)以Us為標準,選取Us值的90%,以10%為基準,降至60%,即選取4個電壓幅值,分別進行沖擊累積實驗。

(3)為了避免取得數據的偶然性,將每個電壓幅值下選取5個平行試樣,在測試每個絕緣件的U-N特性曲線的同時記錄并計算介質損耗因數(tanδ)和介電常數。

3 結果與討論

3.1 U-N特性及結果分析

Us值的確定如表3所示,表中為10個平行試樣在短間隙絕緣件下單次電壓幅值被擊穿的最小值,取重復性較好的6組平均值,得到的絕緣樣最小單次雷電沖擊電壓幅值為43.7kV。表4 為該次雷電沖擊電壓幅值下擊穿所需次數。

表3 絕緣樣最小單次雷電沖擊電壓幅值Table 3 Minimum single lightning impulse voltage amplitude of insulation sample

表4 不同雷電沖擊電壓幅值下擊穿所需次數Table 4 Breakdown times required at different lightning impulse voltage amplitudes

對絕緣材料而言,其服役時間滿足壽命評估模擬曲線,如方程（1）所示[13]：

式（1）中,U為對絕緣材料施加的沖擊電壓幅值,N代表材料被擊穿失效時累積的沖擊次數,而a、b和C為該材料的壽命評估數學曲線的形狀參數,無實際意義。為了加快擬合過程,將簡單以A代表,而簡單以B代表,那么式（1）便簡化為式（2）：

以式（2）對表4中所取得數據進行擬合,得到如圖1所示曲線,擬合方程為式（3）。

圖1 電氣設備用環氧樹脂的U-N特性曲線圖Fig. 1 U-N characteristic diagram of epoxy resin for electrical equipment

試驗擬合結果的方差R2=0.9971,擬合情況良好,證明試樣制備出的環氧樹脂符合絕緣材料的特征。

3.2 環氧樹脂絕緣參數表征

在進行雷電沖擊累計實驗的同時,對環氧樹脂的介電常數和其損耗因數進行記錄,所得結果如圖2和圖3所示。由圖可得,環氧樹脂的相對介電常數和材料受到的電壓沖擊次數是正比相關的,介電常數的損耗因數也是隨著材料的雷電沖擊次數的增加而增加。同時,值得注意的是,兩者的上升速度隨著材料加載的雷電沖擊電壓的幅值的增高而增高。我們認為,這是由于當外加載的電壓過高,或材料遭受的電壓沖擊次數越多時,材料的表面會在外部電壓的影響下造成電荷聚集,大量的電荷聚集在材料的表面會使得材料內部有強電磁效應,這種強電磁效應使得絕緣材料內部的電子活躍度增加,增大了電子之間的接觸概率,材料原子能升高,出現材料的缺陷和局部脫水,造成介電常數和損耗因子的增大[14]。

圖2 電氣設備用環氧樹脂相對介電常數隨雷電沖擊次數的變化曲線Fig. 2 The relative dielectric constant of epoxy resin used in electrical equipment varies with the number of lightning shocks

圖3 電氣設備用環氧樹脂介電常數損耗因數（tanδ）隨雷電沖擊次數的變化曲線Fig. 3 Change curve of dielectric constant loss factor of epoxy resin for electrical equipment with the number of lightning shocks

4 總結與展望

電氣設備用環氧樹脂材料在雷電沖擊電壓的加載下出現服役壽命縮短的問題,惡劣天氣（雷雨天氣）對環氧樹脂絕緣材料的影響如下：

（1）隨著對環氧樹脂絕緣材料施加的沖擊電壓幅值U的增加,環氧樹脂擊穿時累積沖擊次數在減少,達到43.7kV時環氧樹脂被一次擊穿。U-N關系式為U=58.0383N-0.12501,可由此式估算出環氧樹脂服役壽命。

（2）隨著環氧樹脂遭受沖擊的次數變多,環氧樹脂本身的絕緣參數均隨之上升,代表絕緣材料的絕緣能力越來越低,且上升速度也隨沖擊次數的增長而正比增長。

雷雨天氣對電氣設備的環氧樹脂絕緣材料的失效有著很大的影響,隨著高壓閃電出現次數的增加,環氧樹脂內電荷也在累積,產生的高壓會使得環氧樹脂短間隙下被擊穿,失去對高壓電的防護能力。所以,對環氧樹脂絕緣服役壽命的評估是十分有必要的。