熱老化對空心電抗器匝間絕緣材料性能影響

孫勇 陳曉鵬

(中國南方電網超高壓輸電公司檢修實驗中心，廣東 廣州，510663)

對于干式空心電抗器而言，匝間絕緣的熱老化對其匝間絕緣擊穿電壓影響的相關文獻較少。下面研究了長期熱老化下聚酰亞胺薄膜的力學性能和絕緣性能。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

聚酰亞胺薄膜，Kapton HN，美國杜邦公司；純鋁導線，直徑2.0 mm，湖南飄峰電氣股份有限公司。

分析天平，FA2204B，濟南鑫宇鑫醫療設備有限公司；高溫鼓風干燥箱，BPG-9200AH，浙江賽得儀器設備有限公司；萬能試驗機，CMT5105GL 100kN，萊博特(天津)試驗機有限公司；電子掃描顯微鏡(SEM)，SIGMA 500/VP，瑟奇科技(北京)有限公司；熱失重分析(TG)儀，Mettler-Toledo TGA2，上海微川精密儀器有限公司；工頻耐壓試驗裝置，YDTCW-1000kV，湖北武高電力新技術有限公司。

1.2 試樣熱老化處理

將一定量的均苯型聚酰亞胺薄膜(厚度0.025 mm，寬度18.000 mm)和純鋁導線(電阻率不大于0.028 3 Ω·mm2/m，表面半疊包繞一層聚酰亞胺薄膜，并將導線均勻纏繞在直徑50 mm的鋁棒上，纏繞10圈)分別置于高溫鼓風干燥箱中，熱老化溫度分別選取280，300，320 ℃，老化一定時間。其中，膜包線樣品僅用于聚酰亞胺薄膜的絕緣擊穿電壓試驗。

1.3 測試與表征

拉伸強度測試按照GB/T 13542.6—2006進行，拉伸速度5 mm/min，標距200 mm。當薄膜的拉伸強度下降至初始值的50%，該溫度下的熱老化試驗終止。

SEM觀察：電壓5 kV。

TG分析：氮氣氣氛，溫度50～1 000 ℃，升溫速率20 ℃/min。

絕緣擊穿電壓測試按照GB/T 4074.5—2008進行，采用工頻試驗裝置分別對熱老化前后樣品施加工頻交流電壓，鋁線一端接高壓，相對側的鋁棒接地，升壓速率1 kV/s，直至絕緣擊穿停止，記錄最高擊穿電壓。

這樣的念頭在我的腦海里已經有一段日子。盡管這樣，我還是很認真地去備課；盡管這樣，我還是懷著一顆平和的心去上課。我想，只要自己做好一名老師該做的事，錯的就不應該是我。只要我盡力了，我便問心無愧。

2 結果與討論

2.1 力學性能及壽命計算

圖1為聚酰亞胺薄膜的拉伸強度隨熱老化時間的變化。

由圖1可以看出，隨著熱老化時間延長，聚酰亞胺薄膜的拉伸強度降低。老化溫度為280，300，320 ℃時，聚酰亞胺薄膜的熱老化終點時間分別為580，410，255 h。熱老化溫度越高，聚酰亞胺薄膜的使用壽命越短。

利用圖1繪制耐熱圖，并進行一元線性回歸分析，如圖2所示。可得聚酰亞胺薄膜的壽命線性方程：y=797.640 79x-0.079 7。采用外推法[5]得到聚酰亞胺薄膜在180 ℃(H級)下的使用壽命為22 472 h。若限定使用壽命為20 000 h，聚酰亞胺薄膜的最高長期工作溫度為182 ℃。

2.2 微觀結構

圖3為聚酰亞胺薄膜表面的SEM形貌。

由圖3可以看出，熱老化前的試樣表面較為平整，熱老化后其表面出現多個孔洞，孔洞直徑為10～20 μm，表明薄膜結構被破壞，在受到拉伸力時，缺陷處發生斷裂，薄膜拉伸強度下降。

2.3 TG分析

圖4為熱老化前后聚酰亞胺薄膜的TG分析。由圖4可以看出，未熱老化試樣的起始分解溫度579.55 ℃，熱老化后試樣起始分解溫度下降至569.80 ℃。當溫度達到1 000 ℃時，未熱老化試樣的質量保留率為66.82%，熱老化試樣的質量保留率為57.72%。在失重區溫度范圍內聚酰亞胺的分子主鏈中連接兩苯環的C—N鍵發生斷裂。

采用Coast-Redfern積分法[6]計算聚酰亞胺薄膜熱老化前后的活化能。聚酰亞胺薄膜的分解速率為：

(1)

式(1)中，α為分解程度，%；E為反應活化能，kJ/mol；R為氣體分子常數；T為絕對溫度。

(2)

采用Coast-Redfern法，對式(2)進行變量分離積分整理得：

(3)

經計算，熱老化前后試樣的E分別為151.88，139.92 kJ/mol，熱老化后試樣的E明顯變小，說明熱老化后聚酰亞胺薄膜更易發生熱裂解反應。

2.4 絕緣擊穿電壓

經測試，熱老化前聚酰亞胺薄膜的平均絕緣擊穿電壓7 126.8 kV，熱老化后聚酰亞胺薄膜平均絕緣擊穿電壓降至6 249.6 kV，下降了12.3%。這主要是因為熱老化后聚酰亞胺薄膜中的缺陷增多，不均勻性增加，導致材料內部電場畸變程度增加[7]，使得聚酰亞胺薄膜的耐擊穿電壓值降低；其次，聚酰亞胺薄膜在熱老化過程中形成小分子基團與自由基，在相同電場下更容易產生熱激發載流子，使得自由載流子數密度增大，導致電導率增大[8]，使得熱老化后聚酰亞胺薄膜的絕緣擊穿電壓降低；最后，由于線圈產生熱脹冷縮，鋁線和聚酰亞胺薄膜在20 ℃時的熱膨脹系數分別為23.2×10-6，40.0×10-6K-1，聚酰亞胺薄膜的熱膨脹系數大于鋁線，因此在冷熱變化過程中聚酰亞胺薄膜和鋁線之間存在相互作用力，進一步加速了聚酰亞胺薄膜熱老化，導致聚酰亞胺薄膜的耐擊穿電壓值下降。

3 結論

a) 聚酰亞胺薄膜在180 ℃(H級)下的使用壽命為22 472 h。

b) 熱老化后聚酰亞胺薄膜熱結構遭到破壞，缺陷增多，其拉伸強度、耐熱性和反應活化能均下降。

c) 熱老化后聚酰亞胺薄膜包繞的電磁線的絕緣性能降低。