恶劣条件下电气设备用环氧树脂材料绝缘特性研究

张文霞

（内蒙古电力科学研究院, 内蒙古 呼和浩特 010041)

随着我国电力领域的高速发展,高电压、高容量成为了电力行业的发展目标,在电力运输过程中,高压直流(High voltage direct current,HVDC)输电技术日渐成熟,拥有实现不同频率和不同相位角的两种电力系统下的联网运行,且直流输电的系统也使得电力运输系统的阻尼处于可控状态,降低系统的低频振荡,是两地电力运输的主要手段之一［1］。截止2020年底,在国家电网和能源局的带领下,全国各地一共建成27条特高压电力传输线路,达成我国“五纵五横”的电力传输线路布局［2］。在此基础上,我国商业用电电压一般为380V（更高需要变压器进线电压达到10000V）,民用电压为220V,发生触电漏电情况时足以导致生命安全问题,所以,对生活中常见的环氧树脂材料在恶劣天气下的绝缘特性研究是十分有意义的。

1 绝缘材料

在电气设备服务社会的过程中,绝缘材料无疑是至关重要的一环,关乎人民安全。研究表明,自20世纪末电力首次开始流入商业市场中,在电气设备开始快速发展的同时,绝缘材料也进入了高速发展的轨道。到目前为止,绝缘材料的失效仍然是导致电气设备损坏的主要原因,而除去自然老化和机械损伤破坏绝缘完整性外,冲击电压的累积也是造成绝缘材料的失效的常见原因之一［3-4］。

按照绝缘材料的化学成分,常将绝缘材料分为有机和无机绝缘材料,无机材料常指陶瓷、玻璃、云母粉等金属或非金属的氧化物,共价键的紧密结合使得材料不易发生电子转移达到绝缘的作用,且金属氧化物常常表现出较好的介电性,是电气设备中绝缘材料的优选,但无机绝缘材料的制造成本过高,很难被广泛使用,因而有机绝缘材料是电气设备常见的绝缘材料。常见的有机绝缘材料有链式结构的高分子聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯等典型的热塑性材料,网状分子结构的环氧树脂、酚醛树脂等热固性材料,和橡胶、纤维等。不同的绝缘材料都有其使用范围,如橡胶材料常用于电缆,合成纤维用于电机的绝缘槽,而电气设备最为常见的绝缘材料则是环氧树脂绝缘材料,环氧树脂应用于电气设备不仅在于它优良的绝缘效果,更是由于其强度较高,可以一定程度上承担支撑作用[5-6]。

但环氧树脂的老化和失效都是不可逆的,在长时间经受过电压后,老化速度加快,容易发生绝缘损伤[7-8],在雷雨天气下更是会加速累积效应,加快环氧树脂的失效。本文研究恶劣天气（雷雨）下对环氧树脂失效过程的加速,搭建标准雷电冲击实验台,设计了雷电冲击电压对电器设备用环氧树脂的电压累积效应测试,分析恶劣天气下材料的U-N特性以及绝缘参数的变化,为恶劣天气情况下电气设备用环氧树脂材料制备过程的设计参数和选取提供了参考。

2 实验部分

2.1 实验原材料

2.2 实验前处理

环氧树脂绝缘材料的制备是以表1中材料以表中顺序120：30：1：80：300的比例搅拌充分混合后,经过20min的超声处理以去除环氧树脂流体中的气泡,缓慢浇注入模具中,置于恒温干燥箱150℃下恒温固化30min,升温10°C保温处理3h以让模具中心部位的环氧树脂完全固化,得到电气设备用环氧树脂材料。

表1 实验用原材料Table 1 Experimental materials

根据GB/T 1408.1-2006[9]来设计间隙为1mm短电极间隙和5mm长电极间隙的不等直径电极结构,按GB/T 10064-2006[10]对环氧树脂进行预处理,以无水乙醇完全覆盖制备出的环氧树脂绝缘件,室温条件下维持24h后吹干备用。

2.3 实验设计

以GB/T 16927.3-2010[11]为设计标准,参数设置以GB/T 10580-2015[12]为标准,实验参数见表2。

表2 实验参数Table 2 Experimental parameters

2.4 雷电冲击累积效应试验

对绝缘材料的绝缘特性分析测试中,通过对绝缘材料进行多次不同的电压加载,得到施加一定的雷电电压冲击后绝缘材料被击穿时的电压幅值和冲击次数的关系特性曲线,即U-N特性曲线。U-N特性曲线是研究绝缘材料的绝缘特性的重要方法,同时在测试过程中,本实验以QS87型高精密高压电容电桥对电气设备用环氧树脂的介质损耗因数(tanδ)和介电常数进行实时地测量抓取。实验流程分为3步。

(1)施加一定的雷电冲击电压,缓慢提高施加的电压直至单次雷电冲击下可将环氧树脂绝缘材料在短间隙情况下击穿,在此电压附近降低电压的施加梯度,找到单次冲击下的最小电压U0,为避免数据的偶然性,进行10组重复性实验验证数据的可重复性,将重复性较好的U0值取均值,得到Us。

(2)以Us为标准,选取Us值的90%,以10%为基准,降至60%,即选取4个电压幅值,分别进行冲击累积实验。

(3)为了避免取得数据的偶然性,将每个电压幅值下选取5个平行试样,在测试每个绝缘件的U-N特性曲线的同时记录并计算介质损耗因数(tanδ)和介电常数。

3 结果与讨论

3.1 U-N特性及结果分析

Us值的确定如表3所示,表中为10个平行试样在短间隙绝缘件下单次电压幅值被击穿的最小值,取重复性较好的6组平均值,得到的绝缘样最小单次雷电冲击电压幅值为43.7kV。表4 为该次雷电冲击电压幅值下击穿所需次数。

表3 绝缘样最小单次雷电冲击电压幅值Table 3 Minimum single lightning impulse voltage amplitude of insulation sample

表4 不同雷电冲击电压幅值下击穿所需次数Table 4 Breakdown times required at different lightning impulse voltage amplitudes

对绝缘材料而言,其服役时间满足寿命评估模拟曲线,如方程（1）所示[13]：

式（1）中,U为对绝缘材料施加的冲击电压幅值,N代表材料被击穿失效时累积的冲击次数,而a、b和C为该材料的寿命评估数学曲线的形状参数,无实际意义。为了加快拟合过程,将简单以A代表,而简单以B代表,那么式（1）便简化为式（2）：

以式（2）对表4中所取得数据进行拟合,得到如图1所示曲线,拟合方程为式（3）。

图1 电气设备用环氧树脂的U-N特性曲线图Fig. 1 U-N characteristic diagram of epoxy resin for electrical equipment

试验拟合结果的方差R2=0.9971,拟合情况良好,证明试样制备出的环氧树脂符合绝缘材料的特征。

3.2 环氧树脂绝缘参数表征

在进行雷电冲击累计实验的同时,对环氧树脂的介电常数和其损耗因数进行记录,所得结果如图2和图3所示。由图可得,环氧树脂的相对介电常数和材料受到的电压冲击次数是正比相关的,介电常数的损耗因数也是随着材料的雷电冲击次数的增加而增加。同时,值得注意的是,两者的上升速度随着材料加载的雷电冲击电压的幅值的增高而增高。我们认为,这是由于当外加载的电压过高,或材料遭受的电压冲击次数越多时,材料的表面会在外部电压的影响下造成电荷聚集,大量的电荷聚集在材料的表面会使得材料内部有强电磁效应,这种强电磁效应使得绝缘材料内部的电子活跃度增加,增大了电子之间的接触概率,材料原子能升高,出现材料的缺陷和局部脱水,造成介电常数和损耗因子的增大[14]。

图2 电气设备用环氧树脂相对介电常数随雷电冲击次数的变化曲线Fig. 2 The relative dielectric constant of epoxy resin used in electrical equipment varies with the number of lightning shocks

图3 电气设备用环氧树脂介电常数损耗因数（tanδ）随雷电冲击次数的变化曲线Fig. 3 Change curve of dielectric constant loss factor of epoxy resin for electrical equipment with the number of lightning shocks

4 总结与展望

电气设备用环氧树脂材料在雷电冲击电压的加载下出现服役寿命缩短的问题,恶劣天气（雷雨天气）对环氧树脂绝缘材料的影响如下：

（1）随着对环氧树脂绝缘材料施加的冲击电压幅值U的增加,环氧树脂击穿时累积冲击次数在减少,达到43.7kV时环氧树脂被一次击穿。U-N关系式为U=58.0383N-0.12501,可由此式估算出环氧树脂服役寿命。

（2）随着环氧树脂遭受冲击的次数变多,环氧树脂本身的绝缘参数均随之上升,代表绝缘材料的绝缘能力越来越低,且上升速度也随冲击次数的增长而正比增长。

雷雨天气对电气设备的环氧树脂绝缘材料的失效有着很大的影响,随着高压闪电出现次数的增加,环氧树脂内电荷也在累积,产生的高压会使得环氧树脂短间隙下被击穿,失去对高压电的防护能力。所以,对环氧树脂绝缘服役寿命的评估是十分有必要的。