固体绝缘材料热老化电气特性的探究

张军

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461001）

0 引言

我国在合成纤维材料的研究方面取得了卓越成果，该材料的绝缘性能优良，耐热效果远超电工纸板，而固体聚合物绝缘在变压器中的应用也得到了越来越多人的关注，比如PET 运用在SF6 变压器，聚酰亚胺运用在干式变压器等。虽然我国已经找出一些介电常数比绝缘纸更接近变压器油的材料，且材料本身的耐高温性能更加优良，并已开展将其用在油浸变压器中的相关研究，为以后变压器向微型化、大容量发展提供可能，但是若想保证固体绝缘材料能够在油浸变压器中良好运用，还要对介电常数、耗损因数、击穿场强等方面提出相应要求，进一步判断热老化过程中固体绝缘材料电气特性的变化情况是否满足使用需求。

1 固体绝缘材料热老化电气特性测试方法

本次实验采取的固体绝缘材料为：聚酯薄膜简称PET，吸水率偏低，使用温度大致在120℃左右，电绝缘性能优良，介电常数3.1，介质损耗较少，电气性能相对稳定；聚碳酸酯简称PC 塑料，使用温度可达125℃，能够保持优良的电性能，介电常数在3.3 左右；聚苯硫醚简称PPS，介电常数在3.5，耐电弧性能优异，使用温度可达180℃。以上三种材料与绝缘纸均制备成40mm 直径的原片，厚度分别为0.1mm、0.5mm、2mm、0.5mm。

1.1 热老化试验设备与流程

热老化试验需要以电气绝缘材料耐热性指导手册作为参照标准，并将电热鼓风干燥箱作为老化恒温箱，在测试过程中，需要确保箱内温度与实际温度差值小于1℃，且箱内温度均匀。同时还要准备好烧杯容器、变压器油媒质，在制备完成后将试样放入到变压器油中进行热老化处理。由于变压器油的闪点大致在140℃，若想避免老化过程中出现起火燃烧的现象，还需将老化温度适当下调，降至130℃左右，并将老化时间分别控制在5d、10d、20d、30d 以及50d。

在试验过程中要充分遵循10℃法则，每当温度提升10℃，材料的使用寿命便会缩短，若假设变压器的工作温度为90℃，则热老化所取时间应对应材料在90℃条件下的工作时间，分别为：60d、120d、240d、360d、720d。

1.2 电气特性试验方法

击穿场强是指电解质击穿时的电场强度，能够准确表征固体绝缘材料的耐电强度，一般情况下，变压器中使用的绝缘材料，当介电常数出现变化时必然会引发绝缘电场的分布变化，而高低压绕组对匝间电容也会产生相应改变，以此影响绕组谐波过程。所以绝缘材料的介电常数大小以及温度稳定性都与变压器有着密切关联。同时电气特性测试试验中对绝缘材料的介质损耗提出了更高的要求，若材料的介质耗损数值较大，容易造成局部温度过高，导致材料出现热击穿。本次实验将介电常数与耗损因数作为描述外电场电解质极化与耗损的两个参数，究其原因在于两个参数对外电场温度反应强烈、响应及时，可以准确说明电介质微观结构的极化情况，也能准确表现松弛机制与微观结构的相互作用规律。因此在进行热老化处理前、老化处理过程中以及热老化处理后，需要分别对试样进行介电常数、损耗因数以及击穿强度进行测试，进一步判断三个参数随时间的变化状况。并准确判断在老化时间内材料的性能是否存在相应变化，若存在，则需找出与老化时间之间的变化规律，并将其作为材料老化寿命的研究数据。本次实验在进行电气特性测试时以介电谱仪（图1）作为应用设备，该装置能够准确测量介电常数与耗损因数随温度与频率变化产生的相关特性。其频率范围为4Hz～4GHz 之间，而温度范围为120～480℃之间。除此之外，还要将工频电压比、直流以及脉冲电压对绝缘材料要求更高的因素考虑在内，利用工频击穿场强度表征三种材料的击穿特性，并将工频试验变压器作为试验设备，将输出电压控制在120kV 以内，媒质则为变压器油。

图1 介电谱仪

2 固体绝缘材料热老化电气特性测试结果分析

2.1 介电常数与损耗因数

2.1.1 聚酯薄膜

PET 在常温下介电常数与时间之间的变化关系如图2 所示，当时间为0～200h 时，介电常数呈递增形式变化，直至在200h 达到峰值为2.47。PET 介电常数与温度则呈正比关系，以老化时间为480h 的聚酯薄膜材料为例，在温度为20℃时，介电常数为2.41，在温度为60℃时，介电常数为2.47，在温度为100℃时，介电常数为2.57。PE 耗损因数与温度之间的变化关系如图3 所示，可以看出，在120℃左右时耗损因数数值最高为0.012，之后则逐渐降低。

图2 PET 介电常数与时间之间的变化关系

图3 PET 耗损因数与温度之间的变化关系

产生以上变化关系的原因在于材料本身受化学以及物理老化作用影响，在老化开始阶段，材料高分子结构会在高温环境下产生断裂，而分子的长链支化却促进极性基团的大幅度提升，所以极化有利于介电常数贡献提高，最终呈现出介电常数的增加。当老化不断深入，化学反应也在进一步加剧，材料分子结构始终重复着断裂现象，介电常数便一直提升，且物理老化也未曾停止，能够借助链段运动进一步减少自由体积，此时材料的密度则会增大，极化的难度也在不断提升，导致介电常数贡献降低。这便是介电常数与老化时间在某一节点后呈现反比关系的原因。

根据图3 可知PET 耗损因数与老化时间呈反比关系，在温度较低时不同老化时间的介质耗损差别不大，当温度高于80℃时，差别则逐渐明显，这一变化过程和PET 介电常数与温度之间的变化关系相似，足以证明物理老化对材料性能存在一定程度的影响。在出现物理老化时，极化难度不断提升，导致介电常数与介质损耗都呈递减的趋势变化，即便老化时间不同，分子链断裂会导致极性基团含量不一致，但随着密度的逐渐提高，极化的困难程度也在进一步提升，而介电常数与介质耗损的差异性变化不够明显。在高温环境下，分子运动会造成分子作用力持续衰减，从而降低极化难度，此时极化对介电常数的贡献不断提升，极化损耗提高[1]。

2.1.2 聚碳酸酯

不同热老化阶段下PC 塑料介电常数随温度的变化情况均不一致，其中老化时间为720h、1200h 的PC塑料介电常数与温度呈反比关系，而老化时间为120h、240h、480h 的PC 塑料介电常数与温度呈正比关系。并且不同老化时间阶段下PC 塑料介电常数都不会随温度提升而出现大幅度变化，由此可看出化学反应产生的分子主链断裂对PC 塑料老化过程的影响较低，在低温区域，PC 塑料的介电常数变化趋势为：先减小后增大。而在高温区域，老化后的聚碳酸酯介电常数始终低于未老化之前。PC 塑料损耗因数随温度的变化情况如图4 所示。

图4 PC 塑料损耗因数随温度的变化情况

2.1.3 聚苯硫醚

不同热老化阶段下PPS 介电常数在温度从20℃升至60℃的过程中变化不够明显，当温度超过100 度时PPS 介电常数出现大幅度提升，只有未老化的PPS 介电常数在高于120℃后呈小幅度降低。而PPS 耗损因数与温度关系在老化后存在巨大改变，一是高温区的耗损因数最大值明显减少，二是耗损因数最大值所对应的温度逐渐向高温区移动。介质损耗随老化时间的变化状况基本与介电常数一致，都是在高温区，老化时间最长的相关参数数值最小，而老化时间为480h 的耗损因数数值最低，并且老化时间最长的材料只存在一个峰值，当温度处在130℃左右时损耗因数基本不变[2]。

2.1.4 绝缘纸

绝缘纸是指电绝缘用纸，能够作为电缆、线圈等电气设备的绝缘材料，具有良好的绝缘性能，本文将以此作为上述三种材料的对比参照物。未老化的绝缘纸介电常数与温度的关系表现为：当温度持续提升时，介电常数也会随之增加，温度为20℃时，介电常数数值最低为3.6，温度在140 时，介电常数数值最大为4.5。未老化的绝缘纸耗损因数与温度的关系表现为：当温度持续提升时，介电常数同样会随之增加，温度为20℃时，耗损因数数值最低为0.01，温度在140 时，耗损因数数值最大为0.18。由此可看出未老化的绝缘纸介电常数、耗损因数明显高于PPS、PC 塑料、PET，并且数值较低的介电常数可以有效改善绝缘纸的电场分布情况，优化变压器运行条件，而数值偏低的损耗因数可以降低输变电装置的发热[3]。

2.2 工频击穿场强

各老化阶段都需要进行5 次试验，从而降低试验误差，提高测试结果精确度，之后将试验结果的平均值作为击穿场强，若任何一个试验结果出现偏离中值12%的情况，都需要再做5 次试验，之后将10 次结果中的平均值作为击穿场强，直至任一试验结果都偏离中值12%以下。三种材料的在不同老化时间下的击穿强度分别为：聚酯薄膜未老化时击穿场强为106kV/mm，老化时间为120h、240h、480h 时击穿场强均保持不变，直至老化时间提高至720h、1200h 时击穿场强变为105.6kV/mm。聚碳酸酯未老化时击穿场强为47.2kV/mm，老化时间为120h、240h 时击穿场强均保持不变，直至老化时间提高至480h、720h、1200h 时击穿场强变为47.6kV/mm。聚苯硫醚未老化时击穿场强为22.6kV/mm，老化时间为120h、240h、480h 时击穿场强均保持不变，直至老化时间提高至720h、1200h 时击穿场强变为22.2kV/mm。由此可见，在老化前后三种材料的击穿强度变化幅度极低，仅有聚碳酸酯略有提升，而PET 与PPS 都略有降低，范围不超过2%。而绝缘纸在未老化之前的击穿场强为42.8kV/mm，在热老化时间达到720h，击穿场强变为37.4kV/mm，变化幅度超过12%，当热老化时间达到1440h 时，击穿场强又恢复到未老化值左右[4]。

3 结语

综上所述，未热老化前，PPS 与PET 的介电常数与耗损因数不会在温度比相对较低的情况下出现变化，直至温度升至90℃时变化较为明显，而PC 塑料的介电常数与耗损因数基本不会随温度变化而改变，绝缘纸的介电常数与耗损因数则与温度呈正比关系。当热老化处理后，PET 与PPS 的耗损因数在高温区逐渐变小，而PC 塑料的介电常数恒定不变，耗损因数小幅度降低。当热老化时间持续提升，PET、PC 塑料击穿强度未产生改变。由此可知，PC 塑料是最理想的固体绝缘材料。