GIS 盆式絕緣子用環(huán)氧樹脂絕緣特性提升方案研究

王俊浩，李永軍，李小虎，劉井東，程泉棟，張世豪，張煒寬

（1.華北水利水電大學 鄭州 450045；2.中建七局 安裝工程有限公司 鄭州 450045）

0 引言

由于盆式絕緣子在氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，GIS）內(nèi)起到支撐各種器件、對不同電位的設備進行隔離以及絕緣的作用，所以盆式絕緣子作為GIS 的重要絕緣結(jié)構(gòu)，其絕緣性能將直接決定GIS 的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性［1-2］。目前GIS 內(nèi)類型常見的故障類型主要是由盆式絕緣子的絕緣問題引起的，因此提高盆式絕緣子的整體絕緣性能有助于保證GIS 安全可靠運行。

現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展對環(huán)氧樹脂材料的絕緣性能和穩(wěn)定性能等方面提出了更高的要求，原有的環(huán)氧樹脂材料已無法滿足需求。并且GIS 內(nèi)盆式絕緣子在惡劣工況條件下產(chǎn)生絕緣失效的問題仍存在［3］，因此專家們試圖從源頭上解決這些問題。大量的試驗數(shù)據(jù)表明，將無機微米、納米粒子添加到環(huán)氧樹脂中，可以從本質(zhì)上有效得地提升環(huán)氧樹脂材料的絕緣性能，能在一定程度上解決環(huán)氧樹脂材料在極端電場作用下存在的問題。

Zhou［4］等學者的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在使用物理方法對微米Al2O3粒子進行改性與環(huán)氧樹脂共混填充后，當微米Al2O3粒子添加含量較高時，由于微米Al2O3粒子具有良好的熱傳導性能，能促進環(huán)氧樹脂的內(nèi)部熱量向外擴散的過程，減小了因環(huán)氧樹脂熱老化等作用而對材料帶來的不良影響。龔瑾［5］等學者的實驗研究發(fā)現(xiàn)在低于10 kV/mm 的高壓直流電場作用下，微米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料能夠聚集空間電荷，且其聚集能力隨Al2O3含量的增多而增強，通過對材料發(fā)生老化前后的空間電荷分布進行測量，表明微米Al2O3粒子的添加可以增強環(huán)氧樹脂的抗老化能力。劉煦平［6］等學者的實驗研究發(fā)現(xiàn)微/納米Al2O3粒子都能提高環(huán)氧樹脂材料的耐局部放電能力，而納米Al2O3粒子的提升效果優(yōu)于微米Al2O3粒子。復合材料的耐局部放電能力會隨著納米Al2O3粒子添加量的增加而逐漸增強；當微米Al2O3粒子的添加量逐漸增加時，復合材料的耐局部放電能力呈先升高后降低的趨勢［7-8］。當微米Al2O3粒子的添加量為40%時，微米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料耐局部放電的能力達到最大值［9-10］。

本文首先使用SolidWorks 建立盆式絕緣子的三維模型，使用Comsol 仿真軟件分別對完好以及有氣隙缺陷的盆式絕緣子模型施加110 kV、220 kV、330 kV 電壓，研究其內(nèi)部電勢及場強分布；之后，向環(huán)氧樹脂顆粒內(nèi)填充不同含量的納米Al2O3，制備納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料，測量不同填充比例下的復合材料絕緣特性參數(shù)。最終得到納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料的最優(yōu)填充比例，為提升環(huán)氧樹脂材料絕緣特性提供試驗和理論依據(jù)。

1 復合材料試樣制備

1.1 試驗材料及設備

實驗材料及設備為：CY 5824 CI（CH）［11-12］｛雙酚A 型環(huán)氧樹脂、聚丙二醇（增韌劑）｝（以下簡稱CY）、HY 5824 CI（CH）｛甲基四氫基鄰苯二甲酸酐（固化劑）｝（以下簡稱HY）、硅烷偶聯(lián)劑KH550、球狀納米Al2O3粒子、DF-101S 型磁力攪拌器、KQ-500DE 型超聲分散機、DZF-6050 真空干燥箱、聚四氟乙烯模具。

1.2 試樣制備及填充比例

試樣制備流程如下所示，納米粒子摻雜量如表1 所示。

表1 納米粒子摻雜含量Tab.1 Nanoparticle doping content

（1）加入環(huán)氧樹脂，在60 ℃下磁力攪拌10 min，去除環(huán)氧樹脂內(nèi)多余水分及氣隙；

（2）加入固化劑及接枝處理后的納米Al2O3在40 ℃下磁力攪拌30 min；

（3）40 ℃下超聲分散30 min，使納米粒子在環(huán)氧基體內(nèi)達到均勻分散；

（4）60 ℃下真空抽氣20 min，除去攪拌過程中混入環(huán)氧基體內(nèi)的空氣，降低固化過程中產(chǎn)生氣隙類缺陷的概率；

（5）模具80 ℃下預熱并均勻噴涂脫模劑，先按照80 ℃、2 h 制備，之后再120 ℃、2 h 的固化曲線進行固化后脫模。

表1 所示為納米Al2O3粒子摻雜含量，填充質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%及2.0%。通過向環(huán)氧樹脂顆粒內(nèi)填充不同含量的納米Al2O3，制備出納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料，測量不同填充比例下的復合材料絕緣特性參數(shù)。圖1 和圖2 為試樣制備的反應機理。

圖1 偶聯(lián)劑KH550 與Al2O3的接枝反應Fig.1 Coupling agent KH550 and Al2O3 grafting reaction

圖2 環(huán)氧分子與接枝后的Al2O3的反應機理Fig.2 The reaction mechanism of epoxy molecules and grafted Al2O3

圖1 所示為偶聯(lián)劑KH550 與納米Al2O3的接枝反應方程式，其中左側(cè)第一個反應物為偶聯(lián)劑KH550，左側(cè)第二個球狀分子為納米Al2O3分子示意圖；右側(cè)第一個生成物為偶聯(lián)劑接枝至納米Al2O3分子表面后的分子。圖2 所示為環(huán)氧分子與接枝后的納米Al2O3分子反應方程，其中左側(cè)第一個反應物為環(huán)氧分子，左側(cè)第二個反應物為偶聯(lián)劑接枝至納米Al2O3分子表面后的分子；右側(cè)產(chǎn)物為環(huán)氧分子鏈通過化學鍵與納米Al2O3分子連接起來的大分子物質(zhì)。

2 盆式絕緣子電場仿真分析

2.1 盆式絕緣子三維模型搭建

使用SolidWorks 建模軟件建立了兩種盆式絕緣子的三維模型，分別是完整的盆式絕緣子模型和含有氣隙缺陷的盆式絕緣子模型，如圖3 所示。設置氣隙缺陷的半徑為1 mm，并分別調(diào)整其位置在絕緣子靠近軸心處和絕緣子內(nèi)部。

圖3 盆式絕緣子三維模型Fig.3 Three-dimensional model of basin insulator

在模型中引入氣隙缺陷是因為盆式絕緣子在制作過程中由于工藝的差異的可能會產(chǎn)生氣隙類缺陷，原因主要分為兩種。一是在攪拌過程中帶入的空氣或是由于攪拌速度過快，環(huán)氧液體產(chǎn)生“空泡效應”而產(chǎn)生的氣泡；二是在固化反應過程中環(huán)氧樹脂體系中的微小氣泡（或溶解在環(huán)氧樹脂中的氣體物質(zhì)）受熱膨脹（同時氣體與環(huán)氧體系不再相容）會發(fā)生遷移從而聚合在一起形成較大的氣泡。

2.2 電場仿真設置

在Comsol 軟件中建立盆式絕緣子有限元分析模型，利用此模型對靜電作用下絕緣子電場變化進行有限元分析計算，最終得出對盆式絕緣子加壓時的電勢以及電場強度分布。物理場僅選擇一個靜電場，其中的公式為穩(wěn)態(tài)形式，最終結(jié)果也為穩(wěn)態(tài)形式［7-8］。物理場中的公式設置如下。

電荷守恒公式設置：

零電荷是指物質(zhì)表面的某個位置電勢為零，其可以起到?jīng)Q定電位離子濃度的作用。公式設置如下：

式中，n為固體某個位置的法向量，零電荷點處的法向量與電位移矢量點乘積為0，即兩向量相互垂直。

設置盆式絕緣子各個部位的初始值均為0 V。在中間嵌件處分別施加110 kV、220 kV、330 kV 電壓，在盆式絕緣子的底部邊界設置為接地邊界，進行接地處理。最后根據(jù)靜電場的作用對盆式絕緣子進行有限元網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格的原理是將物體連續(xù)分割成許多小物體，并把每一個分割的部分進行線性化，即這個部分的數(shù)值均相等，結(jié)果是將立體上分布的連續(xù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為離散數(shù)值。當分割物體的數(shù)量達到無窮大時，由網(wǎng)格法得到的結(jié)果與真實值相等。網(wǎng)格法可以有效地減少軟件的運算量，同時保證網(wǎng)格劃分的合理性，即可使最終結(jié)果接近真實值，誤差較小。

2.3 仿真結(jié)果分析

正常盆式絕緣子模型仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。由圖可知，從中間嵌件位置到接地邊界處，兩個分布的數(shù)值均呈遞減的趨勢。而在中間嵌件與環(huán)氧樹脂澆注件的連接處電勢以及電場強度均較大，尤其是連接處與空氣接觸的部分，由于此處會發(fā)生電荷聚集情況，產(chǎn)生畸變電場，易激發(fā)局部放電。根據(jù)仿真結(jié)果，在盆式絕緣子制造過程中可以改進場強過大處的制造工藝使其對電場更加耐受，或者在這些位置使用相對介電常數(shù)較大的材料，使電場分布更加均勻。

圖4 盆式絕緣子電勢分布Fig.4 Potential distribution of basin insulator

圖5 盆式絕緣子電場強度分布Fig.5 Electric field intensity distribution of basin insulator

2.4 含氣隙缺陷盆式絕緣子模型仿真結(jié)果

為了便于仿真計算與分析，由于盆式絕緣子為軸對稱結(jié)構(gòu)，本設計以絕緣子整體軸截面的1/2 為研究對象進行仿真計算［9］。對截取的部分在其內(nèi)部設置一個氣隙缺陷，觀察僅當氣隙缺陷存在的位置不同時，盆式絕緣子的電勢及電場強度分布情況。材料參數(shù)設置及電場設置與無氣隙缺陷時相同，氣隙缺陷處的相對介電常數(shù)設為1。氣隙缺陷在邊界處的仿真結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 氣隙缺陷在邊界處的電勢分布Fig.6 Electric potential distribution of bubble defect at the boundary

圖7 氣隙缺陷在邊界處的場強分布Fig.7 Field intensity distribution of bubble defect at the boundary

由圖6 和圖7 可知，氣隙缺陷在邊界處的電勢分布從中間嵌件到法蘭處呈逐漸減小的趨勢，場強分布為環(huán)氧樹脂材料澆注件與其他部位的連接處電場強度較大，澆注件的電場強度比較小，中間的電場強度最小。在電壓突變的位置，即加壓與接地位置處電場突變時，電場強度較大。

僅改變氣隙缺陷位置，由原來的邊界向中間移動。仿真過程設置仍然保持不變，可得氣隙缺陷在中間處的仿真結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

由圖8 和圖9 可知，氣隙缺陷在中間處的電勢分布與電場強度分布情況與氣隙缺陷在邊界處的相似。但是，以電壓等級為220 kV 為例，氣隙位置在邊界時的最大電場強度為8.52×107V/m，遠遠大于氣隙在中間時的最大電場強度為6.86×107V/m。這是因為氣隙間隙對電場的畸變作用，導致氣隙位置在邊界時的最大電場強度比氣隙在中間時更大。

圖8 氣隙缺陷在中間處的電勢分布Fig.8 Potential distribution of bubble defect in the middle

圖9 氣隙缺陷在中間處的場強分布Fig.9 The field intensity distribution of the bubble defect in the middle

這個仿真部分主要對盆式絕緣子內(nèi)部存在不同位置氣隙缺陷時的電場強度進行了分析。當缺陷的形狀大小相同時，對場強畸變的主要影響因素表現(xiàn)為缺陷的位置，并且若盆式絕緣子內(nèi)部電場強度較大的位置存在氣隙缺陷時，電場畸變比較容易達到空氣電離所需的電場強度（3 kV/mm）。

3 復合材料介電性能測試

3.1 復合材料介電常數(shù)測量結(jié)果

復合材料介電常數(shù)測量結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合樣板的介電常數(shù)均低于純環(huán)氧樹脂試樣，納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料的相對介電常數(shù)隨著納米Al2O3粒子摻雜含量的增加呈先降低再升高的趨勢。當納米Al2O3粒子摻雜含量（質(zhì)量分數(shù)）為1.5%時，復合樣板各項介電性能均為最佳，介電常數(shù)減小了17.1%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因：一是在納米粒子含量（質(zhì)量分數(shù)）為0%～1.5%時，納米Al2O3能夠在環(huán)氧樹脂中均勻分布，使復合材料交聯(lián)密度大幅增加，分子間作用更加緊密；二是當納米粒子含量（質(zhì)量分數(shù)）達到1.5%～2%及2%以上時，由于納米粒子含量增加，分子間出現(xiàn)團聚，導致界面層發(fā)生重疊，使界面效應減弱，進而使介電常數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢［10］。

圖10 改性前后復合材料介電性能變化趨勢圖Fig.10 Trend chart of dielectric properties of composite materials before and after modification

3.2 復合材料介質(zhì)損耗角正切值測量結(jié)果

復合材料介質(zhì)損耗角正切值測量結(jié)果見圖11。由圖11 可知，納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合樣板的介質(zhì)損耗角正切值均低于純環(huán)氧樹脂試樣，納米Al2O3/環(huán)氧樹脂復合材料的介質(zhì)損耗角正切值隨著納米Al2O3粒子摻雜含量的增加呈先降低再升高的趨勢。當納米Al2O3粒子摻雜含量（質(zhì)量分數(shù)）為1.5%時，復合樣板損耗性能為最佳，介質(zhì)損耗角正切值減小了47.6%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因：一是在納米粒子含量（質(zhì)量分數(shù)）為0%～1.5%時，納米Al2O3能夠在環(huán)氧樹脂中均勻分布，使復合材料交聯(lián)密度大幅增加，分子間作用更加緊密，泄漏電流減少，從而使電導損耗減少；二是當納米粒子含量（質(zhì)量分數(shù)）為1.5%～2%及2%以上時，由于納米粒子含量增加，分子間出現(xiàn)團聚，導致界面層發(fā)生重疊，使界面效應減弱，進而使介電常數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，極化損耗增大，從而導致介質(zhì)損耗增加。

圖11 改性前后復合材料tanδ 變化表趨勢Fig.11 Trend of tanδ change table of composite materials before and after modification

4 結(jié)論

（1）由仿真結(jié)果可知，在中間嵌件與環(huán)氧樹脂澆注件的連接處電勢以及電場強度均較大，尤其是連接處與空氣接觸部分，由于此處較尖銳，會發(fā)生電荷聚集情況，使得這個位置的電場強度產(chǎn)生畸變，從而導致材料的老化過程加速。在實際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)此仿真結(jié)果對不同材料交界的邊角處處理的更加光滑或使用電導率較大的絕緣材料，促進電荷的遷移，從而實現(xiàn)弱化電場畸變程度的目的。

（2）向純環(huán)氧樹脂材料中添加經(jīng)過改性的納米氧化鋁粒子可以有效地提升其絕緣性能。當納米Al2O3粒子填充含量（質(zhì)量分數(shù)）為1.5%時，復合試樣的相對介電常數(shù)、介損值相較于純環(huán)氧樹脂均顯著降低，其中介電常數(shù)減小了17.1%，介質(zhì)損耗角正切值減小了47.6%。由此可知，所提方法顯著增強了環(huán)氧樹脂復合材料的介電性能，可使絕緣壽命得到提升。