硬質(zhì)聚氨酯泡沫的工頻介電強(qiáng)度研究

朱勇 ZHU Yong；周曙琛 ZHOU Shu-chen；郁杰 YU Jie

（①泰州學(xué)院，泰州 225300；②江蘇神馬電力股份有限公司，南通 226000）

0 引言

隨著電力需求的日益增長，輸電電壓等級(jí)逐漸提高，越來越多的交、直流高/超/特高壓工程投入運(yùn)行。空心支柱絕緣子以及電力設(shè)備套管作為輸變電工程中的基礎(chǔ)部件，不僅應(yīng)用量大而且其運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性將直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。內(nèi)絕緣材料作為套管和空心絕緣子設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵，其絕緣強(qiáng)度、密度以及長期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性受到廣泛關(guān)注[1-2]。

20 世紀(jì)初期，由于電氣設(shè)備電壓等級(jí)低，對(duì)內(nèi)絕緣材料強(qiáng)度要求不高，空心絕緣系統(tǒng)中使用惰性氣體或壓縮空氣。隨著輸電電壓等級(jí)的提高，對(duì)電氣設(shè)備內(nèi)絕緣強(qiáng)度的要求隨之大為提高，以SF6氣體為主的氣體絕緣占據(jù)主要方式。與空氣相比，SF6氣體具有絕緣強(qiáng)度高、滅弧性能優(yōu)異、液化溫度低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，SF6氣體也具有價(jià)格昂貴、溫室效應(yīng)指數(shù)極高等缺點(diǎn)。SF6氣體溫室效應(yīng)指數(shù)是CO2的23900 倍，且在大氣中極難分解，已被列為6 種受限制使用氣體之一。此外，無論是壓縮空氣、惰性氣體以及SF6等氣體絕緣系統(tǒng)中，普遍面臨如何密封的技術(shù)難題，一旦密封失效內(nèi)絕緣材料極易受到外界環(huán)境的影響，將成為電力設(shè)備及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的極大風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

隨著化學(xué)合成技術(shù)以及近代材料科學(xué)研究的飛速發(fā)展，聚合物介質(zhì)已成為各種絕緣介質(zhì)的主體，硬質(zhì)聚氨酯泡沫以其優(yōu)異的絕緣性能受到電力行業(yè)的廣泛關(guān)注，將逐步成為取代SF6、N2等氣體絕緣材料的新型內(nèi)絕緣材料之一。與氣體絕緣介質(zhì)相比，使用聚氨酯泡沫絕緣材料作為空心絕緣系統(tǒng)中的絕緣介質(zhì)，其封裝工藝簡單，避免了氣體泄漏所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。從國內(nèi)外聚氨酯泡沫填充式低壓絕緣系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，泡沫類絕緣材料具有優(yōu)良的耐候性，較好的耐老化特性。此外，與氣體絕緣介質(zhì)一樣，聚氨酯泡沫絕緣材料也具有質(zhì)輕的特點(diǎn)，更加推進(jìn)了聚氨酯泡沫絕緣材料在高壓設(shè)備中的應(yīng)用[5-8]。但作為一種應(yīng)用于高壓系統(tǒng)的新型絕緣材料，有必要對(duì)聚氨酯泡沫的介電性能進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

在水稻生長后期還重點(diǎn)觀察了10個(gè)品種的抗倒性和抗病性。在抗倒性方面，10個(gè)品種兩季均未出現(xiàn)明顯倒伏情況。在抗病性方面，10個(gè)品種中黃廣油占高抗和黃科香2號(hào)達(dá)中抗水平，其他品種為中感或者高感；所有品種再生季田間均未發(fā)生稻瘟病。由于抽穗期采取兩次藥劑防治，因此紋枯病和稻曲病均發(fā)生較輕。

應(yīng)用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。服從正態(tài)分布的計(jì)量資料統(tǒng)計(jì)描述采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，統(tǒng)計(jì)分析采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料統(tǒng)計(jì)描述以百分率表示，統(tǒng)計(jì)分析采用χ2檢驗(yàn)。危險(xiǎn)因素多因素分析采用Cox比例風(fēng)險(xiǎn)回歸模型。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的基本特性

1.1 成型工藝

從藝術(shù)上看，《牡丹亭》較之《西廂記》也更有獨(dú)到的地方。拿各自最精彩的《酬簡》和《驚夢(mèng)》來說，《酬簡》是從一個(gè)青年男子張生的角度，半欣賞半得意，敘述兩人結(jié)合的整個(gè)過程；《驚夢(mèng)》卻憑借著夢(mèng)，給這個(gè)愛情場(chǎng)面蒙上一層親切、自然、朦朧的面紗，“這是景上緣，想內(nèi)成，因中見”。它著重在心理行為上的表達(dá)，所以，具有更高的藝術(shù)美和人性美，意境也更深邃，情操上也顯得更高潔。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫簡稱聚氨酯硬泡，具有重量輕、比強(qiáng)度大、耐化學(xué)腐蝕、耐候性好等特點(diǎn)，是一類重要的合成樹脂材料，在聚氨酯制品中的應(yīng)用僅次于聚氨酯軟泡。硬質(zhì)聚氨酯泡沫可以根據(jù)使用要求的不同，通過改變配方，調(diào)整原料規(guī)格，分別制成不同密度、硬度、阻燃性的硬泡制品。硬質(zhì)聚氨酯泡沫的密度可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整，密度可低至10kg/m3，高至到幾乎實(shí)心體的1100kg/m3。此外，硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有良好的壓縮不變形特點(diǎn)[8-9]。

澆注發(fā)泡是硬質(zhì)聚氨酯泡沫最為常用的成型方法，也就是將各種原料混合均勻后，注入模具或制件空腔內(nèi)發(fā)泡成型。澆注成型工藝不僅要求將發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力進(jìn)行合理控制，而且要與所選用的模具材料特點(diǎn)相互配合。本文中所使用的硬質(zhì)聚氨酯泡沫測(cè)試試樣均采用澆注發(fā)泡成型工藝，考慮到空心復(fù)合絕緣子使用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料作為力學(xué)承受主體材料，因而，選用玻璃鋼管材料作為澆注發(fā)泡成型工藝模具進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)試及成型后硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料性能驗(yàn)證[8-14]。

測(cè)試結(jié)果表明：該種硬質(zhì)聚氨酯泡沫介電常數(shù)介于環(huán)氧樹脂、玻璃纖維等固體絕緣材料和空氣、SF6等氣體絕緣材料之間，電阻率較高，具有優(yōu)異的介電性能；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、低溫收縮率小，具有顯著的熱力學(xué)穩(wěn)定性。

廣東省農(nóng)墾集團(tuán)宣傳處處長王元介紹，廣東墾區(qū)與地方政府在推進(jìn)農(nóng)墾土地開發(fā)利用方面加強(qiáng)合作，部分農(nóng)場(chǎng)被征用的國有土地除獲得貨幣補(bǔ)償外，還能夠獲得一定比例的留用地。

1.2 主要性能參數(shù)

為研究不同溫度條件下硬質(zhì)聚氨酯泡沫的短時(shí)工頻擊穿特性，準(zhǔn)備4 組厚度基本相同的100mm×100mm 硬質(zhì)聚氨酯泡沫方形試樣，并測(cè)試每組試樣的短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度。4 組試樣的厚度均控制在3.7mm～4.2mm 之間，試驗(yàn)溫度分別為-40℃、0℃、室溫、60℃，測(cè)試前試樣在相應(yīng)的溫度環(huán)境中放置24h。

表1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫主要性能參數(shù)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫是由聚醚（或聚酯）多元醇及多異氰酸酯在發(fā)泡劑、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑等助劑的存在下反應(yīng)制得的。硬質(zhì)聚氨酯泡沫一般為室溫發(fā)泡，其成型工藝比較簡單。按生產(chǎn)的機(jī)械化程度可分為手工發(fā)泡和機(jī)械發(fā)泡，按發(fā)泡時(shí)的壓力可分為高壓發(fā)泡和低壓發(fā)泡，按成型方式可分為澆注發(fā)泡和噴涂發(fā)泡，按是否連續(xù)化生產(chǎn)可分為連續(xù)法和間歇法[8-10]。

2 硬質(zhì)聚氨酯泡沫短時(shí)工頻擊穿特性

2.1 測(cè)試方法

本文參照GB/T1408.1-2016[15]，構(gòu)建了試樣工頻耐壓的測(cè)試系統(tǒng)，如圖1 所示。試驗(yàn)使用等直徑電極測(cè)試系統(tǒng)，電極實(shí)物如圖2 所示，電極裝置示意圖如圖3 所示。等直徑電極由兩個(gè)金屬圓柱體組成，其邊緣倒圓成半徑為3.0mm 的圓弧，兩電極直徑為25mm，誤差小于0.2mm；將硬質(zhì)聚氨酯泡沫置于絕緣油中測(cè)試，試樣采用不同厚度的100mm×100mm 方形試樣；升壓方式采用短時(shí)（快速）升壓法，即連續(xù)均勻升壓直至試驗(yàn)試樣擊穿，升壓速率為1kV/s。

圖1 試樣工頻擊穿試驗(yàn)裝置

圖2 電極實(shí)物圖

圖3 電極裝置示意圖

2.2 厚度特性

硬質(zhì)聚氨酯泡沫短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度隨厚度變化曲線如圖4 所示，從圖中可以看出，當(dāng)試樣厚度在3.00mm～9.00mm 變化時(shí)，擊穿強(qiáng)度下降較為平緩。當(dāng)試樣厚度約為3mm 時(shí)，平均擊穿強(qiáng)度為4.91kV/mm，約為相同條件下空氣擊穿強(qiáng)度的2.3 倍（均勻電場(chǎng)中空氣的短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度有效值約為2.12kV/mm）；當(dāng)試樣厚度為9mm 時(shí)，平均擊穿強(qiáng)度為4.62kV/mm，約為相同條件下空氣擊穿強(qiáng)度的2.2 倍。

聚氨酯于20 世紀(jì)由德國化學(xué)家O.Bayer 發(fā)明以來，由于其配方靈活、產(chǎn)品形式多樣、制品性能優(yōu)良，在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。隨著聚氨酯化學(xué)研究、產(chǎn)品制造和應(yīng)用工藝技術(shù)的進(jìn)步以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，逐漸成為世界6 大合成材料工業(yè)體系之一[8]。

為研究不同厚度硬質(zhì)聚氨酯泡沫的短時(shí)工頻擊穿特性，準(zhǔn)備3 組不同厚度的100mm×100mm 硬質(zhì)聚氨酯泡沫方形試樣，并測(cè)試每組試樣的短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度。其中：第一組試樣厚度約為3mm，厚度誤差控制在3.00mm～3.35mm；第二組試樣厚度約為6mm，厚度誤差控制在6.00mm～6.25mm；第三組試樣厚度約為9mm，厚度誤差控制在9.00mm～9.15mm。

圖4 厚度特性

2.3 溫度特性

參照GB/T1408.1、GB/T8811 等相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[15-18]，針對(duì)所研制硬質(zhì)聚氨酯泡沫的主要介電性能、熱力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度隨溫度變化曲線如圖5 所示。從圖中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度條件分別為-40℃、0℃、室溫、60℃，試樣擊穿強(qiáng)度平均值分別為4.50 kV/mm、4.85kV/mm、4.33kV/mm、4.46kV/mm，變化較小。

圖5 溫度特性

2.4 浸水特性

硬質(zhì)聚氨酯泡沫填充于空心絕緣子并應(yīng)用于輸變電工程中時(shí)，考慮到外部環(huán)境中潮濕空氣或水分侵入[5-7]，因而研究硬質(zhì)聚氨酯泡沫在不同蒸餾水浸潤時(shí)間條件后的短時(shí)工頻擊穿特性。

準(zhǔn)備4 組厚度基本相同的100mm×100mm 硬質(zhì)聚氨酯泡沫方形試樣，并測(cè)試每組試樣的短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度。4組試樣的厚度均控制在4.7mm～5.2mm 之間，測(cè)試前試樣分別在III 級(jí)蒸餾水中浸泡0h、1h、3h、5h。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度隨蒸餾水浸泡時(shí)間的變化曲線如圖6 所示。從圖中可以看出，當(dāng)蒸餾水浸泡時(shí)間分別為0h、1h、3h、5h 時(shí)，試樣擊穿強(qiáng)度平均值分別為4.25kV/mm、4.22kV/mm、4.03kV/mm、4.12kV/mm，變化較小。

（2）分別以Y為因變量，A，B兩組分別建立兩個(gè)Logistic回歸模型（modelA，modelB）。將所有患者的協(xié)變量信息分別帶入這兩個(gè)模型中，每個(gè)患者均獲得兩個(gè)治愈概率：PiA,PiB（i=1,2,3,…,2n），共2n對(duì)。令Zi=PiAPiB，求，計(jì)算的95%CI。若Zi值大于0，且大于-Z的95%CI上限或Zi值小于0，且小于-Z的95%CI下限，則發(fā)生錯(cuò)誤。發(fā)生錯(cuò)誤的次數(shù)除以2n即為一次模擬得到的錯(cuò)誤率。

3 結(jié)論

本文參照GB/T1408.1 等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，取硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的試樣，測(cè)試其主要介電、熱力學(xué)性能，并采用等直徑電極測(cè)試系統(tǒng)，分別測(cè)試該材料在不同厚度、不同溫度、不同浸水時(shí)間條件下的擊穿強(qiáng)度，分析研究該種硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的短時(shí)工頻擊穿特性。研究表明：該種硬質(zhì)聚氨酯泡沫短時(shí)工頻擊穿特性不僅強(qiáng)度高而且穩(wěn)定性好，試樣厚度為3mm 左右時(shí)，平均擊穿強(qiáng)度為4.91kV/cm，是相同條件下空氣擊穿強(qiáng)度的2～3 倍；短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度基本不受溫度、蒸餾水浸潤影響，當(dāng)溫度變化范圍為-40℃～60℃時(shí)，平均擊穿強(qiáng)度變化范圍僅為4.33kV/cm～4.84kV/cm；當(dāng)蒸餾水浸潤時(shí)間變化范圍為0h～5h 時(shí)，平均擊穿強(qiáng)度變化范圍僅為4.03kV/cm～4.26kV/cm。