气隙对环氧树脂绝缘材料电树枝实验的影响

芦竹茂，王天正，俞 华

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

气隙对环氧树脂绝缘材料电树枝实验的影响

芦竹茂，王天正，俞 华

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

介绍了环氧树脂电树枝实验中绝缘基座和针—板放电模型试样的制作方法，并引入气隙进行了电树枝实验，结合实验结果进行分析，阐述了气隙对环氧树脂材料绝缘性能的破坏机理。

气隙；电树枝；环氧树脂

0 引言

环氧树脂具有良好的电气性能，广泛应用于变压器、互感器和GIS组合电气设备中。随着运行时间的增长，环氧树脂普遍存在电树枝老化现象，在高电压长期作用下，由于材料内部杂质、气隙等的影响，容易造成局部放电击穿，进而形成树枝状放电通道，破坏材料的绝缘性能。因此，对环氧树脂中的电树枝研究显得尤为重要[1-3]。

1 针—板放电模型试样的制作

1.1 针—板放电模型

在环氧树脂的电树枝研究实验中采用针—板放电模型，如图1所示。在环氧树脂中插入导电针电极，针电极与高压相连；环氧树脂试样底面与地相连，为使试样与地良好接触，通常在试样与地电极之间填充导电膏。实验时，在针电极通入高电压观察针尖和地之间的电树枝发展生长状况［4］。

图1 针—板放电模型

1.2 针—板放电模型试样制作模具

在铝板上用数控机床钻刻环氧树脂试样槽和针电极槽，从环氧树脂试样槽中间线切割模具，切口两侧用飞刀打磨平整光滑，模具切割成的两部分用螺丝拧紧固定，如图2所示。环氧树脂试样槽为长方体槽，上表面为正方形，针电极槽的深度为试样槽深度的一半，在浇注试样时放入的针电极可以近似认为在试样中心[4]。

图2 针—板放电模型试样制作模具

1.3 针—板放电模型试样制作

制作针—板放电模型试样时，在环氧树脂试样槽和针电极槽内涂脱模剂，放置针电极，针电极放入针电极槽中央，针电极长度短于针电极槽的长度，将液态环氧树脂材料滴满试样槽和针电极槽，模具放入恒温箱加热固化，等模具在室温中冷却后拧开螺丝，模具两部分分离即可从模具中取出针—板放电模型试样。制作的环氧树脂针—板放电模型试样如图3所示。

图3 环氧树脂针—板放电模型试样

实验时，去掉针电极尾部包裹的环氧树脂使针电极尾部露出与高压电源相连，针电极的其余部分都包裹在环氧树脂中，针电极与环氧树脂试样一起浇注，避免了将针电极直接插入环氧树脂的试样制作方法中针电极与环氧树脂之间可能存在的气隙。

2 绝缘基座

在环氧树脂的电树枝试验中，采用如图4所示的绝缘基座。两块试验台采用聚四氟乙烯材料，通过耐高温粘胶固定在绝缘底板上。左侧试验台钻槽，嵌入铜电极，铜电极与高压电源相连。右侧试验台钻槽，嵌入铝电极，铝电极与地相连，作为实验的地电极。针—板放电模型试样嵌入右侧试验台，试样的针电极插入铜电极右侧沉孔中，拧紧螺丝使针电极与铜电极压紧，针—板放电模型试样底面涂导电膏与铝电极连接。实验时，绝缘基座浸在变压器油中。每次实验完后拧松铜电极上的螺丝将针—板放电模型试样的针电极从铜电极右侧沉孔中取出，更换新试样，拧紧铜电极上的螺丝即可进行新的实验。

图4 绝缘基座

3 电树枝实验

3.1 气隙的产生

环氧树脂绝缘材料中气隙产生的原因主要有三方面。

a）设计原因，在设备生产过程中环氧树脂浇注在金属或者陶瓷等模具中，冷却凝固时由于不同材料热胀冷缩效应的差异容易在界面处形成空隙。

b）熔融的环氧树脂浇注液中含有的水分、空气和挥发性物质，如果在搅拌过程中不能全部挥发，在浇注时容易被封闭在浇注件内部，就形成了气孔。

c）在运输安装过程中容易因为机械损伤和应力集中造成缺陷而产生气隙。气隙的存在会对环氧树脂的机械强度和电气绝缘性能产生严重影响。

3.2 气隙对电树枝的影响

图5 完好的环氧树脂中电树枝发展照片

将制成的环氧树脂针—板放电模型试样的针电极向外抽出，使针电极和环氧树脂之间产生气隙，模拟设备绝缘材料中存在气隙的情况。在15 kV工频交流电压下进行实验，升压采用步长0.5 kV/s，每阶段停留2 s，升压到15 kV后保持电压直到试样击穿。用显微镜记录环氧树脂试样中电树枝发展过程。完好的环氧树脂中电树枝发展照片如图5所示；引入气隙的环氧树脂中电树枝发展照片如图6所示。

图6 引入气隙的环氧树脂中电树枝发展照片

在实验过程中观察到，引入气隙的环氧树脂试样中电树枝产生的时间和从产生电树枝到发生击穿的时间明显小于完好的环氧树脂试样，并且引入气隙后电树枝生长速度快，颜色较深，枝干粗大并旁支出多条分叉树枝。

3.3 原因分析

气隙的存在引起局部电场强度增大，引发局部放电，使绝缘缺陷逐渐增大，甚至发生绝缘击穿。在电树枝的发展初期，局部放电造成的热效应和化学腐蚀对绝缘材料产生破坏。当气隙内电场强度达到击穿场强时产生电子崩，并在通道两端传播，电子的速度比气体电离后离子的速度快得多，受到介质压缩的影响，放电通道内离子密度很大并产生了较大的热量，使绝缘材料表面出现了局部熔化的现象。

在材料绝缘破坏的后期，放电通道内气体膨胀形成的机械应力成为材料断裂直至击穿的主要破坏效应。试样施加交流电压后，围绕着针尖在垂直电场方向感生麦克斯韦应力，当针尖处的感生应力超过某一限度时，在金属电极和环氧树脂的界面引起裂纹，从而逐渐扩展成为可以产生局部放电的气隙缺陷。气隙裂纹的存在造成了针尖处的机械损伤和应力集中，电子在裂纹中更容易得到加速，获得足够的能量后使聚合物链裂解，从而形成低分子产物和气体，最终形成一个中空通道，加速电树枝的产生。

4 结束语

在环氧树脂绝缘材料的电树枝实验中，气隙的引入产生局部放电对绝缘性能的破坏加剧了材料的老化分解，因此，在电气设备的运行维护过程中要重视交接和预防性试验，加强试验数据的分析和与历史数据的对比，及时发现异常，及时消缺，保证设备安全稳定运行。

［1］ 李盛涛，郑晓泉.聚合物电树枝化［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］ 俞翔霄，俞赞琪，陆惠英.环氧树脂电绝缘材料［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［3］ 陈铮铮，程子霞，周远翔，等.气泡及气隙裂纹缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响［J］.高电压技术，2009，35（10）：2416-2420.

［4］ 芦竹茂.环氧树脂绝缘材料中的电树枝研究［D］.北京：华北电力大学，2012.

The Influence of Air Gap on Electrical Tree Experiment of Epoxy Resin Insulation M aterial

LU Zhumao，WANG Tianzheng，YU Hua
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

This article introduces the fabricatingmethods of the insulating base and the needle-plate dischargemodel in epoxy electrical tree experiment，and analyses the influence ofair gap on electrical tree experiment.Combiningwith the experiment result，the failuremechanism ofairgap on insulation propertiesofepoxy resinmaterial isexpounded.

airgap；electrical tree；epoxy resin

TM215.1

A

1671-0320（2015）01-0017-03

2014-12-10，

2014-12-23

芦竹茂（1988），男，山西文水人，2012年毕业于华北电力大学高电压与绝缘技术专业，硕士，助理工程师，从事电气设备的试验研究及技术监督工作；

王天正（1965），男，山西应县人，1987年毕业于太原工业大学电机设计与制造专业，高级工程师，从事高电压技术研究及电气设备诊断分析工作；

俞 华（1980），男，江西东乡人，2007年毕业于湖南大学电器专业，硕士，高级工程师，从事变电设备的试验研究及技术监督工作。