快速暫態過電壓老化對環氧樹脂電氣強度的影響

潘紹明， 張 磊， 趙 堅， 蘇 毅， 饒夏錦， 陳梁遠， 黎大健

（1. 廣西電網有限責任公司電力科學研究院 廣西電力裝備智能控制與運維重點實驗室，廣西 南寧 530023；2. 廣西電網有限責任公司，廣西 南寧 530023）

0 引 言

環氧樹脂因具有較高的電氣強度與機械強度，作為電力設備的絕緣介質與支撐介質，在輸變電線路中的套管、盆式絕緣子等固體絕緣設備中廣為應用[1-6]。GIS中開關設備的操作會產生快速暫態過電壓（VFTO），VFTO 的存在會對電力設備的絕緣性能產生損傷，甚至可能會導致套管、盆式絕緣子等固體絕緣設備發生閃絡和擊穿[7-9]，嚴重威脅著電力設備的安全穩定運行與電力系統的供電可靠性。

為了降低VFTO 對電力設備的影響，研究人員提出了合理優化的操作方法，抑制VFTO 的產生[10-12]。韓彬[12]研究發現，加快分合閘速度可減少開關擊穿次數，說明提升分合閘速率可有效抑制VFTO 的產生。除抑制VFTO 產生外，研究人員還發現，通過抑制VFTO 的傳播也可以降低其對電力設備的損害，如使用鐵氧體磁環來改變導電桿局部的高頻電磁參數，抑制VFTO沿線路的傳播[13-16]。在此基礎上，胡楊等[15]和劉子英[16]等分別研究了鐵氧體磁環的加裝位置和尺寸形狀對VFTO抑制作用的影響，發現通過調整并優化鐵氧體磁環加裝位置和結構，可增強其對VFTO 的抑制效果。以上關于VFTO 的研究主要集中在降低其對電力設備的“攻擊性”，采取的措施主要是抑制VFTO 的產生與傳播，而很少有研究關注如何增強電力設備絕緣系統對VFTO的抵抗能力，進而從材料的角度出發，設計出一種對VFTO 有著高抵抗力的絕緣材料。目前，關于VFTO 對絕緣材料性能劣化的研究很少，學者們在探討如何進行材料改性以提升其對VFTO的抵抗力時缺乏理論指導與研究方向。因此，有必要研究VFTO老化對絕緣材料如環氧樹脂等電氣性能的影響，并對相關機理進行探討。

本文先制備環氧樹脂試樣，然后在20 kV 與40 kV 的VFTO 作用下對試樣進行1 000 次放電老化，并通過紅外光譜試驗、掃描電子顯微鏡、寬頻介電譜及擊穿試驗，研究VFTO 老化對環氧樹脂性能的影響，并闡明其電氣強度變化的內在機理。

1 實 驗

1.1 主要原材料

環氧樹脂為雙酚A 環氧樹脂（WSR618 型）、固化劑為甲基四氫苯酐（GH9303 型），南通星辰合成材料有限公司；促進劑為2,4,6-三（二甲氨基甲基）苯酚，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；脫模劑為佳丹909，東莞市佳丹潤滑油有限公司。

1.2 試樣制備

制樣前將模具清洗干凈，均勻噴涂脫模劑后放入120℃的烘箱備用。稱取100 g 環氧樹脂、80 g 固化劑與1 g 促進劑倒入三口燒瓶中混合攪拌5 min。然后將燒瓶內的混合物加熱至50℃，攪拌30 min 并脫氣。隨后將攪拌好的混合物倒入預熱完畢的模具中進行澆筑。澆筑后模具放入真空烘箱中脫氣20 min，隨后進行常壓固化。固化程序為80℃/2 h+120℃/14 h。固化結束后自然冷卻至室溫，開模取樣。制得的試樣厚度為1 mm，直徑為100 mm。用無水乙醇與去離子水分別對試樣超聲清洗10 min，之后放入60℃的干燥箱備用。

1.3 VFTO老化

VFTO 老化試驗平臺如圖1 所示。將試樣放在腔體內用電極夾緊，電極為圓形板-板電極，直徑為6 cm，隨后在大氣條件下進行VFTO 老化。使用沖擊電壓發生器產生脈沖電壓，模擬VFTO 作用下盆式絕緣子上的電場并施加于環氧樹脂試樣上，選用的電源電壓峰值分別為20 kV 和40 kV，經1 000 次VFTO 放電后取出試樣。每個電壓下對5 片試樣進行老化。

圖1 VFTO老化試驗平臺Fig.1 VFTO ageing test platform

1.4 測試方法

使用IRprestige-21 型紅外光譜儀測量試樣的紅外光譜，測試范圍為3 600～600 cm-1；使用VE9800型掃描電子顯微鏡觀察試樣在5 000 倍率下的斷面微觀形貌，試樣使用液氮脆斷；使用Concept 80型寬帶介電譜測量試樣在常溫下介電常數和介質損耗因數的頻譜，測試頻段為10-1～106Hz；采用ZGS II 400/2型直流高壓發生器對試樣進行直流擊穿試驗，升壓速率為2 kV/s，試驗采用球-球電極，電極材料為銅，直徑為20 mm。為了避免發生閃絡，擊穿試驗在絕緣油中進行。對3 個試樣共進行10 次有效擊穿，然后使用Weibull 分布模型對試驗數據進行分析。

2 結果與討論

2.1 表面化學結構

圖2 為試樣經VFTO 老化前后的紅外光譜圖（以1 609 cm-1處苯環吸收峰對曲線進行歸一化處理）。

圖2 老化前后環氧樹脂的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of epoxy resin before and after VFTO ageing

從圖2 可以看出，VFTO 老化后，試樣表面并未產生新的化學基團，但主要化學基團的特征吸收峰強度存在差異。在2 929 cm-1和2 964 cm-1處的特征吸收峰分別對應-CH2與-CH3的反對稱伸縮振動[17]。經VFTO老化后，隨著老化電壓的提升，這兩處的吸收峰強度上升，表明老化后試樣表面的-CH2與-CH3基團含量上升。在1 730 cm-1處的特征吸收峰對應C=O 的伸縮振動[17]。經VFTO 老化后，該吸收峰的強度下降，證明在多次VFTO作用下，環氧樹脂中的C=O 基團受到破壞。在1 178 cm-1處的特征吸收峰對應C-O-C 的對稱伸縮振動[17]。經VFTO 老化后，該吸收峰強度下降，表明環氧樹脂中的醚鍵對VFTO 較為敏感，VFTO 老化后受到破壞。除上述4 個化學鍵外，環氧樹脂中其他化學結構的變化并未在紅外光譜圖中有所體現。

2.2 斷面顯微結構

絕緣材料內部缺陷的變化可通過SEM 斷面圖進行觀測[18-19]。圖3 為環氧樹脂經VFTO 老化前后斷面的微觀形貌。從圖3(a)可以看出，老化前在觀測區域內環氧樹脂的斷面比較光潔，僅在邊緣處存在個別白色斑點（白色圈內）。環氧樹脂在固化過程中，由于內部存在氣體或存在固化放熱、固化收縮等現象，固化后試樣內部會存在氣泡、縮孔等缺陷[18]。這些缺陷在SEM 高倍鏡下，顯示出與環氧基體不一樣的色澤[18]。因此認為，在圖3(a)中出現的白色斑點為未老化試樣內部的缺陷。經20 kV VFTO 老化后，在圖3(b)中可以發現，環氧樹脂斷面整體形貌并未發生變化，但觀測區域內白色斑點數量明顯增多。這表明經VFTO 老化后，環氧樹脂內部的缺陷明顯增多。隨著VFTO 老化電壓增大至40 kV，在圖3(c)中可以發現，環氧樹脂斷面圖中的白色缺陷進一步增多。由此可知，在VFTO 老化作用下，環氧樹脂內部會產生缺陷，且隨著老化電壓的提升，產生缺陷的數量增多。

2.3 介電參數

聚合物的介電參數如介電常數、介質損耗因數（tanδ）等可反映電介質內部微觀分子的運動行為和結構的變化。研究表明，老化對環氧樹脂介電性能的影響可通過介電常數與介質損耗因數的變化體現出來[20-21]。

圖4 為環氧樹脂經不同電壓等級VFTO 老化前后的介電常數與介質損耗因數。從圖4(a)可以發現，未老化環氧樹脂的介電常數僅存在一個松弛過程，且介質損耗因數變化趨勢較為單一，先隨著頻率的上升而上升，直至105Hz 后發生下降。對于經40 kV VFTO老化后的環氧樹脂，其介電常數與介質損耗因數較老化前均發生了明顯變化，其中介電常數在測試頻段內出現了兩個松弛過程，在高頻段介電常數較未老化試樣有一定幅度的提升，而在低頻段與未老化試樣的介電常數幅值基本相同。VFTO老化后，試樣的介質損耗因數基本不變，但其頻率響應特性卻與老化前截然不同。老化后，隨著頻率的提升，試樣的介質損耗因數呈現先上升后下降再上升再下降的趨勢，存在兩個損耗峰，進一步印證了在測試頻段內，老化后環氧樹脂內部存在兩種松弛極化過程。

由紅外結果可知，VFTO 老化后環氧樹脂的CO-C 鍵含量下降。C-O-C 鍵主要位于環氧樹脂分子的主鏈上[22]，其含量下降表明在VFTO 老化作用下，環氧樹脂主鏈分子發生了分子鏈的裂解，從而產生小分子鏈段。與大分子鏈段相比，小分子鏈段更容易在電場作用下發生極化與偏轉[23]。因此可認為，經40 kV VFTO 老化后，環氧樹脂在高頻段出現新的極化是老化產生的小分子鏈段在電場作用下發生偏轉所致。同時新的極化過程導致高頻段的介電常數由4.10增大至4.22。

2.4 電氣強度

絕緣材料的電氣強度表現為統計分布，根據GB/T 29310—2012，采用兩參數Weibull分布模型對試樣老化前后的擊穿性能進行分析，其表達式如式（1）所示。

式（1）中：Pf為擊穿概率，%；Eb為每次擊穿試驗的電氣強度，kV/mm；α為尺度參數，用以表征材料的電氣強度，其值為擊穿概率為63.2%時試樣的電氣強度，kV/mm；β為形狀參數，表征擊穿數據的穩定性，數值越大表明穩定性越好。

環氧樹脂的擊穿試驗結果如圖5 所示。從圖5可以看出，VFTO 老化后環氧樹脂的電氣強度顯著下降，且隨著VFTO老化電壓的提高，試樣電氣強度下降的幅度增大。老化前后，環氧樹脂擊穿試驗的Weibull 參數見表1。由表1 可知，老化前試樣的電氣強度為100.1 kV/mm，經20 kV 與40 kV VFTO 老化后，試樣的電氣強度分別下降到85.2 kV/mm 和74.4 kV/mm，下降幅度為14.89%和25.67%。雖然VFTO 老化導致環氧樹脂的電氣強度下降明顯，但形狀參數β顯示，老化并未對環氧樹脂擊穿性能的穩定性產生規律性的影響。

表1 VFTO老化前后試樣電氣強度的Weibull參數Tab.1 Weibull parameters of electric strength of samples before and after VFTO ageing

圖5 老化前后環氧樹脂的電氣強度Fig.5 Electric strength of epoxy resin before and after VFTO ageing

2.5 討論

從紅外光譜、斷面微觀形貌及介電參數的試驗結果可知，VFTO 老化改變了環氧樹脂表面的化學結構，使得其內部缺陷和松弛極化種類增多，最終導致環氧樹脂的電氣強度顯著下降。

紅外測試結果表明，經VFTO老化后，環氧樹脂的主分子鏈發生斷裂，并產生小分子鏈段，從而導致環氧樹脂中缺陷顯著增加與介電松弛行為發生變化。材料內部缺陷的增加會降低其電氣強度，環氧樹脂內部缺陷包括氣泡、縮孔等，均會影響材料的電氣強度[18]。由于缺陷處的介電常數或電導與聚合物基體存在差異，缺陷處的電場遠大于介質內部的平均電場[18]。同時，氣泡中氣體的電氣強度遠低于固體電介質的電氣強度，因此，在絕緣介質發生擊穿之前，氣泡處會先發生局部放電和閃絡等現象[24]，產生大量的載流子[25-26]。這些載流子（主要是電子）在外電場的作用下，在試樣內部進行加速并撞擊環氧分子，引發碰撞電離、電子倍增與電子雪崩，并最終引發放電與固體擊穿。

對于未老化的環氧樹脂試樣，由于其內部缺陷較少，因此電氣強度相對較高。而對于經VFTO 老化后的試樣，隨著VFTO電壓等級的提升，其內部缺陷增多，導致環氧樹脂在1 000次VFTO老化后電氣強度下降。當老化電壓為20 kV與40 kV時，其電氣強度分別下降了14.89%和25.67%。

3 結 論

（1）VFTO 老化后，環氧樹脂表面C-O-C 鍵含量減少，C=O 鍵含量減少，-CH2和-CH3鍵含量增多，表明在VFTO老化作用下，環氧主分子鏈發生斷裂，生成了小分子鏈段。

（2）經VFTO 老化后，隨著電壓等級的提升，環氧樹脂內部缺陷數量不斷增加。

（3）VFTO 老化會改變環氧樹脂的介電參數。經40 kV VFTO 老化后，環氧樹脂的介電常數與介質損耗因數的頻率響應特性均發生變化，高頻段介電常數由4.10 增大至4.22，但介質損耗因數的幅值基本不變。

（4）經VFTO老化后，環氧樹脂的電氣強度顯著下降。在20 kV 與40 kV VFTO 老化后，環氧樹脂的電氣強度分別下降了14.89%和25.67%。