抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒絕緣擊穿理化性能分析

劉向東，聶靚靚，金海云

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東 廣州 511400；2.西安交通大學(xué)， 陜西 西安 710049）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組主絕緣的老化可歸結(jié)為電老化、熱老化、機(jī)械老化及環(huán)境應(yīng)力老化等過(guò)程的聯(lián)合作用[1-3]。在抽水蓄能機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要進(jìn)行運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換以及經(jīng)受負(fù)荷的快速變化[4-5]，使得抽水蓄能機(jī)組定子絕緣受力情況更為復(fù)雜[6-8]。

針對(duì)某電廠(chǎng)18 kV抽水蓄能機(jī)組定子線(xiàn)棒內(nèi)R出槽口處絕緣在直流耐壓試驗(yàn)電壓升至35 kV時(shí)被擊穿，本研究將故障線(xiàn)棒擊穿點(diǎn)及其附近的絕緣材料逐層剝離，對(duì)線(xiàn)棒絕緣材料離散取樣，同時(shí)進(jìn)行包括熱重分析、紅外光譜分析和掃描電鏡能譜分析等理化性能分析，探討故障線(xiàn)棒擊穿點(diǎn)及其附近不同絕緣層材料不同位置受到擊穿事件的影響以及發(fā)生的變化。

1 解剖取樣

線(xiàn)棒主絕緣為少膠云母帶（VonRoll）5層繞包，線(xiàn)棒直線(xiàn)排間絕緣為F級(jí)環(huán)氧預(yù)浸漬玻璃氈布，端部排間絕緣為上膠玻璃布復(fù)合絕緣紙，換位填充物為熱固性環(huán)氧填充膩?zhàn)?，換位絕緣為F級(jí)環(huán)氧桐馬柔軟云母板，浸漬樹(shù)脂為環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹(shù)脂（VonRoll）。VPI工藝采用一模多壓成型結(jié)構(gòu)，一模壓制12支線(xiàn)棒，端部采用夾板收縮固化工藝。

圖1為擊穿點(diǎn)的解剖情況。從圖1可以看出，將線(xiàn)棒擊穿點(diǎn)處表層材料去除，發(fā)現(xiàn)絕緣層表面損傷嚴(yán)重，樹(shù)脂材料缺失，同時(shí)有纖維材料暴露在外。進(jìn)一步將絕緣層整體剝離，發(fā)現(xiàn)擊穿通道已經(jīng)貫穿了整個(gè)絕緣層，絕緣層與銅導(dǎo)體接觸的最內(nèi)層存在大量黑色痕跡，沿貫穿通道上的絕緣材料均存在一定程度的破壞及炭化痕跡。在逐層解剖的過(guò)程中，并未出現(xiàn)層間爬電現(xiàn)象，垂直擊穿導(dǎo)致所有絕緣層的擊穿點(diǎn)位置相同。另外，黃色線(xiàn)帶的顏色從外向內(nèi)逐層輕微加深，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是絕緣遭受了較為嚴(yán)重的機(jī)械損傷，導(dǎo)致絕緣內(nèi)層產(chǎn)生微裂紋，絕緣劣化從內(nèi)層向外層逐步發(fā)展，從而造成耐壓試驗(yàn)中發(fā)生擊穿。

圖1 擊穿點(diǎn)解剖情況Fig.1 Anatomy of breakdown point

把故障線(xiàn)棒擊穿點(diǎn)及其附近逐層剝離的絕緣材料分為內(nèi)層（第五層）、中層（第三層）、外層（第一層），分別在每層材料的擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端及擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端選取測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)取樣點(diǎn)。其中擊穿點(diǎn)試樣選取擊穿通道上黑色部分，擊穿點(diǎn)近端試樣選取靠近擊穿通道黃褐色部分，擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端試樣選取最遠(yuǎn)處幾乎不受擊穿影響部分。

2 熱重分析

熱重分析（TGA）可以反映絕緣材料的老化狀態(tài)[9-11]，TGA曲線(xiàn)記錄了測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度的關(guān)系，而微商熱重分析（DTG）則是TGA曲線(xiàn)對(duì)溫度T的一階導(dǎo)數(shù)，以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率對(duì)溫度T作圖。

2.1 同一位置不同絕緣層的熱重分析

分別將線(xiàn)棒絕緣擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端、擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端內(nèi)、中、外層的熱重曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2～4所示。從圖2～4可以看出，無(wú)論是擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端，還是擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端，熱重曲線(xiàn)均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即絕緣外層的物質(zhì)分解速率較慢，其熱失重比例最??；絕緣內(nèi)層的物質(zhì)分解速率較快，其熱失重比例最大。

環(huán)氧樹(shù)脂為絕緣材料在該溫度范圍內(nèi)分解的主要成分，這說(shuō)明絕緣由外層向內(nèi)層，環(huán)氧樹(shù)脂含量逐漸增大。這是因?yàn)樵诰€(xiàn)棒制作階段的烘焙熱壓固化過(guò)程中，與固化模具接觸的絕緣外層膠被擠壓流出，導(dǎo)致絕緣層由內(nèi)向外膠含量逐漸降低，因此線(xiàn)棒的壓制工藝是導(dǎo)致不同絕緣層環(huán)氧樹(shù)脂含量差異的根本原因。

圖2 擊穿點(diǎn)不同分層的熱重曲線(xiàn)Fig.2 Thermogravimetric curves of different layers at breakdown point

圖3 擊穿點(diǎn)附近不同分層的熱重曲線(xiàn)Fig.3 Thermogravimetric curves of different layers near breakdown point

圖4 擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端不同分層的熱重曲線(xiàn)Fig.4 Thermogravimetric curves of different layers at the far end of breakdown point

2.2 同一絕緣層不同位置的熱重分析

分別將線(xiàn)棒絕緣內(nèi)、中、外層的擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端、擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端的熱重曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5～7所示。從圖5～7可以看出，無(wú)論是絕緣內(nèi)層、中層，還是外層，擊穿點(diǎn)與擊穿點(diǎn)近端的熱重曲線(xiàn)較為接近，分解速率較慢，殘留率較大，即熱失重比例較小，其中擊穿點(diǎn)比擊穿點(diǎn)近端的殘留率略大，即熱失重比例略小；而擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端的試樣分解速率較快，殘留率明顯更小，即熱失重比例明顯更大。

圖5 內(nèi)層絕緣不同位置的熱重曲線(xiàn)Fig.5 Thermogravimetric curves at different positions of inner insulation

圖6 中層絕緣不同位置的熱重曲線(xiàn)Fig.6 Thermogravimetric curves at different positions of intermediate insulation

圖7 外層絕緣不同位置的熱重曲線(xiàn)Fig.7 Thermogravimetric curves at different positions of outer insulation

以上現(xiàn)象說(shuō)明擊穿點(diǎn)的絕緣材料受擊穿通道發(fā)展過(guò)程以及擊穿發(fā)生時(shí)的放電與熱量影響，其中的大部分環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)發(fā)生了分解，所以在熱重分析中熱失重比例較??；擊穿點(diǎn)近端雖然沒(méi)有明顯炭化痕跡，但是也受到了較為嚴(yán)重的影響，所以熱失重比例僅略大于擊穿點(diǎn)；而擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端幾乎沒(méi)有受到擊穿事件的影響，環(huán)氧樹(shù)脂的比例相對(duì)較大，因此熱失重比例最大，殘留率最小。

從不同試樣點(diǎn)的DTG曲線(xiàn)可以看出，線(xiàn)棒復(fù)合材料的分解過(guò)程較為復(fù)雜，DTG曲線(xiàn)中大致存在3個(gè)主要的熱失重峰，分別出現(xiàn)在200℃左右、300～350℃以及350～450℃，其中350～450℃熱失重峰是試樣分解的最主要過(guò)程。對(duì)不同試樣統(tǒng)一選取350～450℃處的最主要分解過(guò)程，并在其中截取寬度為20℃下降最快的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱裂解活化能計(jì)算，這樣得到的擬合結(jié)果最接近直線(xiàn)且具有可比性。為了更加直觀(guān)地展示9個(gè)試樣點(diǎn)的熱裂解活化能對(duì)比差異，將計(jì)算結(jié)果繪制成柱狀圖，如圖8所示。

圖8 不同試樣點(diǎn)的熱裂解活化能Fig.8 Activation energy of pyrolysis at different points of sample

熱裂解活化能表征了每摩爾物質(zhì)在受熱分解時(shí)斷開(kāi)化學(xué)鍵所需要的能量，從圖8可以看出，線(xiàn)棒絕緣發(fā)生擊穿后，相比擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端，擊穿點(diǎn)及其附近的絕緣材料熱裂解活化能都大幅降低，進(jìn)一步證明了擊穿點(diǎn)及其附近的絕緣材料在擊穿過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的分解，所以試樣在熱重分析過(guò)程中所需要的熱裂解活化能顯著減小。而擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端的絕緣材料基本沒(méi)有受到影響，因此熱裂解活化能仍然處于較高水平。

3 紅外光譜分析

紅外光譜測(cè)試技術(shù)是一種確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與官能團(tuán)的有效手段[12]。樣品特征吸收曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)或波數(shù)，縱坐標(biāo)為透過(guò)率或吸光度。

3.1 同一位置不同絕緣層的紅外光譜分析

分別將線(xiàn)棒絕緣擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端、擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端每個(gè)位置的內(nèi)、中、外層的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9～11所示。從圖9～11可以看出，線(xiàn)棒絕緣擊穿點(diǎn)近端和遠(yuǎn)端內(nèi)、中、外層的紅外光譜吸收峰的位置和強(qiáng)度基本一致，而絕緣擊穿點(diǎn)的內(nèi)層與中層、外層之間差異明顯。結(jié)合前文解剖情況可知，造成絕緣擊穿點(diǎn)處不同絕緣層之間紅外光譜差異的主要原因在于不同絕緣層炭化程度不同，其中，炭化最嚴(yán)重的位置為擊穿點(diǎn)內(nèi)層。

圖9 擊穿點(diǎn)不同層紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of different layers at breakdown point

圖10 擊穿點(diǎn)近端不同層紅外光譜Fig.10 Infrared spectra of different layers near breakdown point

圖11 擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端不同分層紅外光譜Fig.11 Different layered infrared spectra at distant breakdown point

此外，幾乎所有試樣的紅外光譜在2 340 cm-1左右存在兩個(gè)微弱的吸收峰，這兩個(gè)吸收峰從內(nèi)層到外層強(qiáng)度略微增大。該吸收峰為二氧化碳的特征峰，是由于試樣空隙造成的。實(shí)際上在絕緣層的解剖過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)絕緣層顏色更深更為致密，而外側(cè)絕緣層顏色更淺，并且更容易露出帶有空隙的纖維材料。

3.2 同一絕緣層不同位置的紅外光譜分析

為了更加清晰地觀(guān)察紅外光譜中吸收峰的變化情況，將紅外光譜以波數(shù)2 250 cm-1為界分為兩部分并分別放大，將絕緣內(nèi)、中、外層的擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端、擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析，并標(biāo)注出主要的吸收峰，結(jié)果如圖12～14所示。從圖12～14可以看出，線(xiàn)棒絕緣內(nèi)、中、外層試樣表現(xiàn)出相同的規(guī)律，相對(duì)于擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端，擊穿點(diǎn)和擊穿點(diǎn)附近的紅外光譜吸收峰的強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯降低，部分吸收峰被弱化甚至消失。這一結(jié)果說(shuō)明擊穿一定程度上改變了絕緣擊穿點(diǎn)及其附近材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，某些官能團(tuán)或基團(tuán)在擊穿過(guò)程中由于放電和高溫而分解、減少甚至消失，使得對(duì)應(yīng)的吸收峰強(qiáng)度顯著下降。下面對(duì)試樣3層不同位置的紅外光譜逐一分析。

圖12 內(nèi)層不同位置紅外光譜放大圖Fig.12 Amplified infrared spectra at different positions of inner layer

圖13 中層不同位置紅外光譜放大圖Fig.13 Amplified infrared spectra at different positions of middle layer

圖14 外層不同位置紅外光譜放大圖Fig.14 Amplification of infrared spectra at different positions of outer layer

（1）絕緣內(nèi)層

從圖12可以看出，與絕緣擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端相比，擊穿點(diǎn)附近3 620 cm-1處云母的羥基吸收峰明顯降低，而擊穿點(diǎn)處云母羥基吸收峰幾乎消失，說(shuō)明擊穿點(diǎn)經(jīng)歷較高的溫度使得云母脫去了表面的羥基和水分子。波數(shù)為2 926 cm-1和2 854 cm-1的吸收峰強(qiáng)度也有所下降，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂的-CH2-、-CH3等分子結(jié)構(gòu)受到了一定程度的破壞。波數(shù)為971、908、745 cm-1的吸收峰在擊穿點(diǎn)附近明顯下降，在擊穿點(diǎn)幾乎消失，說(shuō)明環(huán)氧基團(tuán)受到了嚴(yán)重破壞。波數(shù)827 cm-1和802 cm-1表示苯環(huán)上的對(duì)位取代，這兩個(gè)吸收峰也有明顯的下降，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂的主鏈結(jié)構(gòu)受到了破壞。波數(shù) 1 736、1 230、1 181 cm-1為苯環(huán)C-H的彎曲振動(dòng)，波數(shù)1 508 cm-1和1 456 cm-1為苯環(huán)的伸縮振動(dòng)，這些與苯環(huán)本身相關(guān)的吸收峰強(qiáng)度并沒(méi)有變化，說(shuō)明內(nèi)層試樣擊穿點(diǎn)處的環(huán)氧樹(shù)脂雖然環(huán)氧基團(tuán)和主鏈結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，但是以苯環(huán)結(jié)構(gòu)為主的殘余物主體被很好地保留了下來(lái)。

（2）絕緣中層

從圖13可以看出，與絕緣擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端相比，擊穿點(diǎn)和擊穿點(diǎn)附近3 620 cm-1云母的羥基吸收峰出現(xiàn)明顯降低，但是沒(méi)有完全消失，說(shuō)明擊穿產(chǎn)生的高溫使得云母脫去了表面的大部分羥基和水分子。波數(shù)為2 926 cm-1和2 854 cm-1的吸收峰強(qiáng)度也有所下降，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂的-CH2-、-CH3等分子結(jié)構(gòu)受到了一定程度的破壞。而波數(shù)為1750～500 cm-1的環(huán)氧樹(shù)脂特征峰均出現(xiàn)了相同程度的顯著下降，說(shuō)明中層試樣擊穿點(diǎn)及擊穿點(diǎn)附近的環(huán)氧樹(shù)脂也受到了比較嚴(yán)重的破壞。

（3）絕緣外層

從圖14可以看出，與絕緣擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端相比，擊穿點(diǎn)和擊穿點(diǎn)附近3 620 cm-1處云母的羥基吸收峰明顯降低，但是沒(méi)有完全消失，說(shuō)明擊穿產(chǎn)生的高溫使得云母脫去了表面的大部分羥基和水分子。對(duì)比擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端和擊穿點(diǎn)附近的紅外光譜可以發(fā)現(xiàn)，波數(shù)為2 926、2 854、1 736、1 230、1 181、1 508、1 456、827、802 cm-1的吸收峰幾乎都沒(méi)有變化，下降的吸收峰只有971、908、745 cm-1處環(huán)氧基團(tuán)的特征峰。說(shuō)明相對(duì)于擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端，擊穿點(diǎn)附近的環(huán)氧樹(shù)脂只是端部的環(huán)氧基團(tuán)受到了一定程度的破壞。然而對(duì)比擊穿點(diǎn)附近和擊穿點(diǎn)的紅外光譜發(fā)現(xiàn)，所有與環(huán)氧樹(shù)脂相關(guān)的吸收峰都大幅下降甚至幾乎消失，說(shuō)明擊穿點(diǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)被嚴(yán)重破壞甚至消失。

4 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)絕緣內(nèi)、中、外層材料的擊穿點(diǎn)、擊穿點(diǎn)近端及擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端共計(jì)9個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行掃描電鏡觀(guān)察以及能譜測(cè)試分析[13-14]，結(jié)合顯微形貌與元素分析，判斷不同區(qū)域中的主要元素組成。不同試樣點(diǎn)的掃描電鏡照片如圖15所示，表1為不同試樣點(diǎn)的能譜測(cè)試分析數(shù)據(jù)。

圖15 不同試樣點(diǎn)的顯微照片F(xiàn)ig.15 SEM at different points of sample

結(jié)合圖15顯微形貌和表1元素分析結(jié)果可知，圖中，白色片狀結(jié)構(gòu)為云母（元素Si、Al和O），云母之間的深色部分為環(huán)氧樹(shù)脂（元素C和O），內(nèi)層絕緣擊穿點(diǎn)的炭化痕跡較為嚴(yán)重，黑色物質(zhì)是環(huán)氧樹(shù)脂分解的殘余物或者被炭化痕跡覆蓋的云母，而露出的纖維狀物質(zhì)為玻璃纖維（元素O和Si）。

內(nèi)層擊穿點(diǎn)的左上角出現(xiàn)了明顯的炭化痕跡，以C元素為主，同時(shí)含有大量O元素與少量Si和Al元素，白色的云母已經(jīng)幾乎不可見(jiàn)，但是根據(jù)表1元素分析可知云母并未完全消失，而是被黑色物質(zhì)所覆蓋，黑色物質(zhì)推測(cè)為環(huán)氧樹(shù)脂分解的殘余物。此外，在內(nèi)層擊穿點(diǎn)處還可以看到較為明顯的玻璃纖維痕跡，同時(shí)玻璃纖維并未完全暴露，說(shuō)明還有一定的樹(shù)脂殘余；中層擊穿點(diǎn)云母粉碎，部分玻璃纖維暴露在外，并有輕微的斷裂破碎現(xiàn)象，只有少量的樹(shù)脂粘附，玻璃纖維未暴露的部分其環(huán)氧樹(shù)脂也受到了一定程度的破壞；外層擊穿點(diǎn)玻璃纖維完全暴露，同時(shí)可以看到明顯的斷裂痕跡，原本附著的環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)完全消失。雖然絕緣內(nèi)層擊穿點(diǎn)炭化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，但是絕緣外層擊穿點(diǎn)環(huán)氧樹(shù)脂受到的破壞卻最為明顯，這一點(diǎn)與熱重分析、紅外光譜的結(jié)果均有很好的吻合。同時(shí)，與擊穿點(diǎn)遠(yuǎn)端位置相比，3層試樣的擊穿點(diǎn)附近也都受到了不同程度的影響，出現(xiàn)了不同程度的損傷。

表1 不同試樣點(diǎn)能譜測(cè)試元素分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of energy spectrum elements of scanning electron microscope at different sample points

5 結(jié)論

（1）內(nèi)層的環(huán)氧樹(shù)脂含量最高，越靠近外層，環(huán)氧樹(shù)脂含量越低，這一點(diǎn)與擊穿無(wú)關(guān)；而相對(duì)于遠(yuǎn)離擊穿點(diǎn)的絕緣材料，擊穿點(diǎn)及其附近的環(huán)氧樹(shù)脂含量明顯減少，熱裂解活化能顯著下降，這是擊穿過(guò)程中放電和高溫影響的結(jié)果。

（2）內(nèi)層、中層擊穿點(diǎn)及其附近的環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)都受到了嚴(yán)重的破壞，但是內(nèi)層絕緣主體結(jié)構(gòu)保留較好；外層擊穿點(diǎn)附近的環(huán)氧樹(shù)脂受到的影響較小，然而外層擊穿點(diǎn)處的環(huán)氧樹(shù)脂破壞最為嚴(yán)重，紅外光譜的吸收峰幾乎消失，這與絕緣層解剖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的擊穿點(diǎn)外側(cè)樹(shù)脂嚴(yán)重缺失一致。

（3）通過(guò)掃描電鏡能譜分析可以看出，雖然絕緣內(nèi)層擊穿點(diǎn)炭化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，但是絕緣外層擊穿點(diǎn)環(huán)氧樹(shù)脂受到的破壞卻最為明顯。

結(jié)合不同絕緣層不同位置玻璃纖維及環(huán)氧樹(shù)脂分析情況可以判斷，線(xiàn)棒主絕緣裂紋是從內(nèi)向外逐漸發(fā)展，理化分析結(jié)果與解剖分析結(jié)果相吻合。在主絕緣內(nèi)層微裂紋產(chǎn)生后，線(xiàn)棒絕緣短時(shí)間內(nèi)仍然可以承受一定等級(jí)的運(yùn)行電壓，但是伴隨機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間的增加，內(nèi)層微裂紋附近的有機(jī)樹(shù)脂成分在間隙放電產(chǎn)生的帶電粒子沖擊、熱等作用下逐步分解，內(nèi)層絕緣大面積碳化，隨后裂紋由內(nèi)向外逐漸發(fā)展，導(dǎo)致絕緣整體性能明顯下降，線(xiàn)棒外層絕緣在耐壓試驗(yàn)中被擊穿。