固體絕緣材料熱老化電氣特性的探究

張軍

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461001）

0 引言

我國在合成纖維材料的研究方面取得了卓越成果，該材料的絕緣性能優(yōu)良，耐熱效果遠(yuǎn)超電工紙板，而固體聚合物絕緣在變壓器中的應(yīng)用也得到了越來越多人的關(guān)注，比如PET 運用在SF6 變壓器，聚酰亞胺運用在干式變壓器等。雖然我國已經(jīng)找出一些介電常數(shù)比絕緣紙更接近變壓器油的材料，且材料本身的耐高溫性能更加優(yōu)良，并已開展將其用在油浸變壓器中的相關(guān)研究，為以后變壓器向微型化、大容量發(fā)展提供可能，但是若想保證固體絕緣材料能夠在油浸變壓器中良好運用，還要對介電常數(shù)、耗損因數(shù)、擊穿場強等方面提出相應(yīng)要求，進(jìn)一步判斷熱老化過程中固體絕緣材料電氣特性的變化情況是否滿足使用需求。

1 固體絕緣材料熱老化電氣特性測試方法

本次實驗采取的固體絕緣材料為：聚酯薄膜簡稱PET，吸水率偏低，使用溫度大致在120℃左右，電絕緣性能優(yōu)良，介電常數(shù)3.1，介質(zhì)損耗較少，電氣性能相對穩(wěn)定；聚碳酸酯簡稱PC 塑料，使用溫度可達(dá)125℃，能夠保持優(yōu)良的電性能，介電常數(shù)在3.3 左右；聚苯硫醚簡稱PPS，介電常數(shù)在3.5，耐電弧性能優(yōu)異，使用溫度可達(dá)180℃。以上三種材料與絕緣紙均制備成40mm 直徑的原片，厚度分別為0.1mm、0.5mm、2mm、0.5mm。

1.1 熱老化試驗設(shè)備與流程

熱老化試驗需要以電氣絕緣材料耐熱性指導(dǎo)手冊作為參照標(biāo)準(zhǔn)，并將電熱鼓風(fēng)干燥箱作為老化恒溫箱，在測試過程中，需要確保箱內(nèi)溫度與實際溫度差值小于1℃，且箱內(nèi)溫度均勻。同時還要準(zhǔn)備好燒杯容器、變壓器油媒質(zhì)，在制備完成后將試樣放入到變壓器油中進(jìn)行熱老化處理。由于變壓器油的閃點大致在140℃，若想避免老化過程中出現(xiàn)起火燃燒的現(xiàn)象，還需將老化溫度適當(dāng)下調(diào)，降至130℃左右，并將老化時間分別控制在5d、10d、20d、30d 以及50d。

在試驗過程中要充分遵循10℃法則，每當(dāng)溫度提升10℃，材料的使用壽命便會縮短，若假設(shè)變壓器的工作溫度為90℃，則熱老化所取時間應(yīng)對應(yīng)材料在90℃條件下的工作時間，分別為：60d、120d、240d、360d、720d。

1.2 電氣特性試驗方法

擊穿場強是指電解質(zhì)擊穿時的電場強度，能夠準(zhǔn)確表征固體絕緣材料的耐電強度，一般情況下，變壓器中使用的絕緣材料，當(dāng)介電常數(shù)出現(xiàn)變化時必然會引發(fā)絕緣電場的分布變化，而高低壓繞組對匝間電容也會產(chǎn)生相應(yīng)改變，以此影響繞組諧波過程。所以絕緣材料的介電常數(shù)大小以及溫度穩(wěn)定性都與變壓器有著密切關(guān)聯(lián)。同時電氣特性測試試驗中對絕緣材料的介質(zhì)損耗提出了更高的要求，若材料的介質(zhì)耗損數(shù)值較大，容易造成局部溫度過高，導(dǎo)致材料出現(xiàn)熱擊穿。本次實驗將介電常數(shù)與耗損因數(shù)作為描述外電場電解質(zhì)極化與耗損的兩個參數(shù)，究其原因在于兩個參數(shù)對外電場溫度反應(yīng)強烈、響應(yīng)及時，可以準(zhǔn)確說明電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的極化情況，也能準(zhǔn)確表現(xiàn)松弛機制與微觀結(jié)構(gòu)的相互作用規(guī)律。因此在進(jìn)行熱老化處理前、老化處理過程中以及熱老化處理后，需要分別對試樣進(jìn)行介電常數(shù)、損耗因數(shù)以及擊穿強度進(jìn)行測試，進(jìn)一步判斷三個參數(shù)隨時間的變化狀況。并準(zhǔn)確判斷在老化時間內(nèi)材料的性能是否存在相應(yīng)變化，若存在，則需找出與老化時間之間的變化規(guī)律，并將其作為材料老化壽命的研究數(shù)據(jù)。本次實驗在進(jìn)行電氣特性測試時以介電譜儀（圖1）作為應(yīng)用設(shè)備，該裝置能夠準(zhǔn)確測量介電常數(shù)與耗損因數(shù)隨溫度與頻率變化產(chǎn)生的相關(guān)特性。其頻率范圍為4Hz～4GHz 之間，而溫度范圍為120～480℃之間。除此之外，還要將工頻電壓比、直流以及脈沖電壓對絕緣材料要求更高的因素考慮在內(nèi)，利用工頻擊穿場強度表征三種材料的擊穿特性，并將工頻試驗變壓器作為試驗設(shè)備，將輸出電壓控制在120kV 以內(nèi)，媒質(zhì)則為變壓器油。

圖1 介電譜儀

2 固體絕緣材料熱老化電氣特性測試結(jié)果分析

2.1 介電常數(shù)與損耗因數(shù)

2.1.1 聚酯薄膜

PET 在常溫下介電常數(shù)與時間之間的變化關(guān)系如圖2 所示，當(dāng)時間為0～200h 時，介電常數(shù)呈遞增形式變化，直至在200h 達(dá)到峰值為2.47。PET 介電常數(shù)與溫度則呈正比關(guān)系，以老化時間為480h 的聚酯薄膜材料為例，在溫度為20℃時，介電常數(shù)為2.41，在溫度為60℃時，介電常數(shù)為2.47，在溫度為100℃時，介電常數(shù)為2.57。PE 耗損因數(shù)與溫度之間的變化關(guān)系如圖3 所示，可以看出，在120℃左右時耗損因數(shù)數(shù)值最高為0.012，之后則逐漸降低。

圖2 PET 介電常數(shù)與時間之間的變化關(guān)系

圖3 PET 耗損因數(shù)與溫度之間的變化關(guān)系

產(chǎn)生以上變化關(guān)系的原因在于材料本身受化學(xué)以及物理老化作用影響，在老化開始階段，材料高分子結(jié)構(gòu)會在高溫環(huán)境下產(chǎn)生斷裂，而分子的長鏈支化卻促進(jìn)極性基團的大幅度提升，所以極化有利于介電常數(shù)貢獻(xiàn)提高，最終呈現(xiàn)出介電常數(shù)的增加。當(dāng)老化不斷深入，化學(xué)反應(yīng)也在進(jìn)一步加劇，材料分子結(jié)構(gòu)始終重復(fù)著斷裂現(xiàn)象，介電常數(shù)便一直提升，且物理老化也未曾停止，能夠借助鏈段運動進(jìn)一步減少自由體積，此時材料的密度則會增大，極化的難度也在不斷提升，導(dǎo)致介電常數(shù)貢獻(xiàn)降低。這便是介電常數(shù)與老化時間在某一節(jié)點后呈現(xiàn)反比關(guān)系的原因。

根據(jù)圖3 可知PET 耗損因數(shù)與老化時間呈反比關(guān)系，在溫度較低時不同老化時間的介質(zhì)耗損差別不大，當(dāng)溫度高于80℃時，差別則逐漸明顯，這一變化過程和PET 介電常數(shù)與溫度之間的變化關(guān)系相似，足以證明物理老化對材料性能存在一定程度的影響。在出現(xiàn)物理老化時，極化難度不斷提升，導(dǎo)致介電常數(shù)與介質(zhì)損耗都呈遞減的趨勢變化，即便老化時間不同，分子鏈斷裂會導(dǎo)致極性基團含量不一致，但隨著密度的逐漸提高，極化的困難程度也在進(jìn)一步提升，而介電常數(shù)與介質(zhì)耗損的差異性變化不夠明顯。在高溫環(huán)境下，分子運動會造成分子作用力持續(xù)衰減，從而降低極化難度，此時極化對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)不斷提升，極化損耗提高[1]。

2.1.2 聚碳酸酯

不同熱老化階段下PC 塑料介電常數(shù)隨溫度的變化情況均不一致，其中老化時間為720h、1200h 的PC塑料介電常數(shù)與溫度呈反比關(guān)系，而老化時間為120h、240h、480h 的PC 塑料介電常數(shù)與溫度呈正比關(guān)系。并且不同老化時間階段下PC 塑料介電常數(shù)都不會隨溫度提升而出現(xiàn)大幅度變化，由此可看出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的分子主鏈斷裂對PC 塑料老化過程的影響較低，在低溫區(qū)域，PC 塑料的介電常數(shù)變化趨勢為：先減小后增大。而在高溫區(qū)域，老化后的聚碳酸酯介電常數(shù)始終低于未老化之前。PC 塑料損耗因數(shù)隨溫度的變化情況如圖4 所示。

圖4 PC 塑料損耗因數(shù)隨溫度的變化情況

2.1.3 聚苯硫醚

不同熱老化階段下PPS 介電常數(shù)在溫度從20℃升至60℃的過程中變化不夠明顯，當(dāng)溫度超過100 度時PPS 介電常數(shù)出現(xiàn)大幅度提升，只有未老化的PPS 介電常數(shù)在高于120℃后呈小幅度降低。而PPS 耗損因數(shù)與溫度關(guān)系在老化后存在巨大改變，一是高溫區(qū)的耗損因數(shù)最大值明顯減少，二是耗損因數(shù)最大值所對應(yīng)的溫度逐漸向高溫區(qū)移動。介質(zhì)損耗隨老化時間的變化狀況基本與介電常數(shù)一致，都是在高溫區(qū)，老化時間最長的相關(guān)參數(shù)數(shù)值最小，而老化時間為480h 的耗損因數(shù)數(shù)值最低，并且老化時間最長的材料只存在一個峰值，當(dāng)溫度處在130℃左右時損耗因數(shù)基本不變[2]。

2.1.4 絕緣紙

絕緣紙是指電絕緣用紙，能夠作為電纜、線圈等電氣設(shè)備的絕緣材料，具有良好的絕緣性能，本文將以此作為上述三種材料的對比參照物。未老化的絕緣紙介電常數(shù)與溫度的關(guān)系表現(xiàn)為：當(dāng)溫度持續(xù)提升時，介電常數(shù)也會隨之增加，溫度為20℃時，介電常數(shù)數(shù)值最低為3.6，溫度在140 時，介電常數(shù)數(shù)值最大為4.5。未老化的絕緣紙耗損因數(shù)與溫度的關(guān)系表現(xiàn)為：當(dāng)溫度持續(xù)提升時，介電常數(shù)同樣會隨之增加，溫度為20℃時，耗損因數(shù)數(shù)值最低為0.01，溫度在140 時，耗損因數(shù)數(shù)值最大為0.18。由此可看出未老化的絕緣紙介電常數(shù)、耗損因數(shù)明顯高于PPS、PC 塑料、PET，并且數(shù)值較低的介電常數(shù)可以有效改善絕緣紙的電場分布情況，優(yōu)化變壓器運行條件，而數(shù)值偏低的損耗因數(shù)可以降低輸變電裝置的發(fā)熱[3]。

2.2 工頻擊穿場強

各老化階段都需要進(jìn)行5 次試驗，從而降低試驗誤差，提高測試結(jié)果精確度，之后將試驗結(jié)果的平均值作為擊穿場強，若任何一個試驗結(jié)果出現(xiàn)偏離中值12%的情況，都需要再做5 次試驗，之后將10 次結(jié)果中的平均值作為擊穿場強，直至任一試驗結(jié)果都偏離中值12%以下。三種材料的在不同老化時間下的擊穿強度分別為：聚酯薄膜未老化時擊穿場強為106kV/mm，老化時間為120h、240h、480h 時擊穿場強均保持不變，直至老化時間提高至720h、1200h 時擊穿場強變?yōu)?05.6kV/mm。聚碳酸酯未老化時擊穿場強為47.2kV/mm，老化時間為120h、240h 時擊穿場強均保持不變，直至老化時間提高至480h、720h、1200h 時擊穿場強變?yōu)?7.6kV/mm。聚苯硫醚未老化時擊穿場強為22.6kV/mm，老化時間為120h、240h、480h 時擊穿場強均保持不變，直至老化時間提高至720h、1200h 時擊穿場強變?yōu)?2.2kV/mm。由此可見，在老化前后三種材料的擊穿強度變化幅度極低，僅有聚碳酸酯略有提升，而PET 與PPS 都略有降低，范圍不超過2%。而絕緣紙在未老化之前的擊穿場強為42.8kV/mm，在熱老化時間達(dá)到720h，擊穿場強變?yōu)?7.4kV/mm，變化幅度超過12%，當(dāng)熱老化時間達(dá)到1440h 時，擊穿場強又恢復(fù)到未老化值左右[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，未熱老化前，PPS 與PET 的介電常數(shù)與耗損因數(shù)不會在溫度比相對較低的情況下出現(xiàn)變化，直至溫度升至90℃時變化較為明顯，而PC 塑料的介電常數(shù)與耗損因數(shù)基本不會隨溫度變化而改變，絕緣紙的介電常數(shù)與耗損因數(shù)則與溫度呈正比關(guān)系。當(dāng)熱老化處理后，PET 與PPS 的耗損因數(shù)在高溫區(qū)逐漸變小，而PC 塑料的介電常數(shù)恒定不變，耗損因數(shù)小幅度降低。當(dāng)熱老化時間持續(xù)提升，PET、PC 塑料擊穿強度未產(chǎn)生改變。由此可知，PC 塑料是最理想的固體絕緣材料。