丁 寧 穆海寶 梁兆杰 張大寧 張冠軍

（1.電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)）西安 710049 2.國(guó)網(wǎng)洛陽(yáng)供電公司 洛陽(yáng) 471000 3.深圳供電局有限公司 深圳 518000）

0 引言

套管是變壓器重要組成部分，一方面能夠?qū)⒆儔浩骼@組引出與其他設(shè)備形成電氣連接，另一方面還能夠與其他設(shè)備保持電氣絕緣[1-3]。相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在變壓器故障中，套管故障的占比達(dá)到了30%[4-5]。因此套管絕緣故障的診斷具有重要的現(xiàn)實(shí)工程意義。

油浸紙?zhí)坠鼙M管運(yùn)行條件相對(duì)成熟，但是存在滲漏油、易燃易爆、后期維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。而干式套管不僅克服了上述缺點(diǎn)，還具有機(jī)械強(qiáng)度高、可任意角度安裝等優(yōu)點(diǎn)。雖然發(fā)展起步較晚，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)的使用規(guī)模日益增大。特別是在換流站閥廳穿墻套管[5]、特高壓直流干式套管[6-7]、換流變閥側(cè)套管[8-9]等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

干式套管主絕緣電容芯子主要由皺紋紙卷制于中心導(dǎo)管上，使用環(huán)氧樹(shù)脂在真空高溫下分段澆注而制成，即干式套管電容芯子主絕緣成分為環(huán)氧浸漬紙[7,10]。環(huán)氧樹(shù)脂及皺紋紙分子鏈上均有羥基等親水性基團(tuán)，這決定了兩種材料吸濕特點(diǎn)[11-13]。而水分含量的增加會(huì)改變環(huán)氧浸漬紙的介電性能，如擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、局放起始電壓等，導(dǎo)致絕緣劣化，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行[14-16]。因此，研究水分在環(huán)氧浸漬紙中的擴(kuò)散特性，以及不同水分含量下環(huán)氧浸漬紙介電特性的變化，對(duì)于干式套管主絕緣受潮缺陷診斷具有重要的工程意義。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者在不同材料的水分?jǐn)U散特性方面開(kāi)展了相關(guān)研究。高巖峰等[17]發(fā)現(xiàn)水分子在硅橡膠中的擴(kuò)散模型符合Langumir 模型，并進(jìn)一步探究了溫度對(duì)水分?jǐn)U散系數(shù)的影響。C.G.Aguilar 等[18]發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加BaTiO3填料可以降低環(huán)氧樹(shù)脂的吸水率，并且改善環(huán)氧復(fù)合材料的介電性能。但目前針對(duì)環(huán)氧浸漬紙復(fù)合絕緣中水分?jǐn)U散特性還未有深入研究。此外，在環(huán)氧樹(shù)脂與環(huán)氧浸漬紙的介電特性研究方面，劉鵬等[19]初步對(duì)比研究了純環(huán)氧樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂浸漬紙的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)以及電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系。Ning Xin 等[7]發(fā)現(xiàn)皺紋紙的引入會(huì)降低環(huán)氧樹(shù)脂基體的交聯(lián)度，增強(qiáng)了弛豫極化過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致陷阱深度的減小。隨著干式套管的逐步應(yīng)用，由受潮引起的絕緣缺陷問(wèn)題日益凸顯，亟需開(kāi)展水分對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂浸漬紙材料介電特性影響的相關(guān)研究。

本文制備了純環(huán)氧樹(shù)脂以及環(huán)氧樹(shù)脂浸漬紙兩種樣品，首先利用去離子水浸泡實(shí)驗(yàn)得到了兩種絕緣樣品的質(zhì)量變化規(guī)律，通過(guò) Fick 模型以及Langmuir 擴(kuò)散模型分析了水分在兩種樣品中的擴(kuò)散特性；其次，將浸泡后的樣品在真空環(huán)境下進(jìn)行干燥，并基于頻域介電譜（Frequency Domain Spectroscopy，F(xiàn)DS）測(cè)試平臺(tái)，獲取不同水分含量下的介電譜特性曲線，進(jìn)一步提取能夠表征水分含量的特征參量；最終分別提出了純環(huán)氧樹(shù)脂以及環(huán)氧浸漬紙受潮狀態(tài)評(píng)估的方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

環(huán)氧樹(shù)脂基體原料選擇雙酚A 環(huán)氧樹(shù)脂（E51），固化劑選擇甲基四氫鄰苯二甲酸酐，兩種原料均為常州潤(rùn)翔化工有限公司生產(chǎn)；增韌劑為鄰苯二甲酸二丁酯，催化劑為咪唑，均產(chǎn)自無(wú)錫亞泰聯(lián)合化工有限公司。皺紋紙由魏德曼公司生產(chǎn)，型號(hào)為67/100。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備

選取基體雙酚A 環(huán)氧樹(shù)脂（E51）、固化劑甲基四氫鄰苯二甲酸酐、增韌劑以及促進(jìn)劑按100∶95∶10∶ 1 的質(zhì)量比例混合。對(duì)于純環(huán)氧樹(shù)脂的制備，需要將混合后的液體溶液充分?jǐn)嚢瑁糜谡婵崭稍锵渲谐槿馀?，最后使用玻璃棒?dǎo)入模具中加熱固化，前固化溫度設(shè)置為105℃，加熱時(shí)間為3h，后固化溫度設(shè)置為130℃，加熱時(shí)間為6h。即可得到純環(huán)氧樹(shù)脂。而對(duì)于環(huán)氧浸漬紙，則需要預(yù)先將干燥的皺紋紙置于模具中，其他工藝與純環(huán)氧樹(shù)脂制作工藝相同，最終得到環(huán)氧浸漬紙樣品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 水分?jǐn)U散實(shí)驗(yàn)方法

首先，需要將純環(huán)氧樹(shù)脂及環(huán)氧浸漬紙樣品在烘箱中進(jìn)行干燥處理，并于不同時(shí)間將樣品取出并利用精密電子天平（0.1mg）稱重。當(dāng)連續(xù)4 次稱量樣片的質(zhì)量不發(fā)生變化時(shí)，即可認(rèn)為樣片達(dá)到了完全干燥的狀態(tài)。

為了避免雜質(zhì)的影響，本次實(shí)驗(yàn)采用符合實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的去離子水。將干燥完成的兩種樣品分別置于盛有去離子水的燒杯中，使其能夠完全浸沒(méi)于去離子水中，樣品浸泡示意圖如圖 1 所示[11,17]。將分別浸沒(méi)有兩種樣品的燒杯置于干燥箱中，設(shè)定溫度并在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)取出樣品稱重，記錄數(shù)據(jù)。

圖1 樣片浸泡示意圖 Fig.1 Schematic diagram of sample immersion

1.3.2 介電特性測(cè)試方法

絕緣樣品頻域介電譜測(cè)試平臺(tái)如圖2 所示。測(cè)試平臺(tái)由真空烘箱、真空泵、介電響應(yīng)測(cè)試儀Dirana以及控制計(jì)算機(jī)四部分組成。真空烘箱調(diào)節(jié)面板可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制；通過(guò)配合真空泵可達(dá)到烘箱內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)的目的。測(cè)試電極使用三電極結(jié)構(gòu)，避免了測(cè)試過(guò)程中樣品表面泄漏電流的影響。烘箱上端引出測(cè)試電極，分別連接介電響應(yīng)儀與三電極。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可設(shè)置測(cè)試帶寬、激勵(lì)電壓等參數(shù)。當(dāng)烘箱內(nèi)設(shè)置的溫度、壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出測(cè)試命令，介電響應(yīng)儀將通過(guò)施加于樣品的激勵(lì)電壓及獲取的電流信號(hào)，得到待測(cè)絕緣樣品的介電特性。

圖2 頻域介電譜測(cè)試平臺(tái) Fig.2 FDS test platform

介電譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，首先將1.3.1 節(jié)中吸濕基本飽和的樣品取出，置于真空干燥箱中，通過(guò)控制溫度和壓強(qiáng)對(duì)兩種樣品進(jìn)行干燥，并在不同的干燥時(shí)間進(jìn)行樣品的介電特性測(cè)試。測(cè)試溫度設(shè)置為50℃，測(cè)試頻帶范圍在1mHz～5kHz，施加激勵(lì)電壓為200V。

2 水分?jǐn)U散模型

對(duì)于水分在材料中的擴(kuò)散特性的研究中，較為廣泛采用的擴(kuò)散模型有 Fick 模型和 Langumir模型。

2.1 Fick 擴(kuò)散模型

Fick 擴(kuò)散理論是描述擴(kuò)散過(guò)程的經(jīng)典理論。Fick 擴(kuò)散第二定律可表述為[17]

式中，c為擴(kuò)散物質(zhì)濃度；t為擴(kuò)散時(shí)間；D為水分的擴(kuò)散系數(shù)；x為沿樣片厚度方向的坐標(biāo)。

樣品內(nèi)部的水分濃度分布可進(jìn)一步表示為

式中，c0為樣品邊界處水分濃度；h為樣品厚度的一半。

將式（2）沿樣品厚度方向積分即可通過(guò)濃度分布得到樣品內(nèi)水分的質(zhì)量變化情況。

式中，m∞為樣片吸收水分飽和時(shí)的質(zhì)量；m(t)為樣片在水分吸收過(guò)程中t時(shí)刻的質(zhì)量。

2.2 Langmuir 擴(kuò)散模型

H.G.Carter 等[20]提出了Langmuir 模型來(lái)解釋一些實(shí)際并不滿足Fick 模型的擴(kuò)散過(guò)程。該模型假設(shè)水分在擴(kuò)散過(guò)程中存在自由水與結(jié)合水兩種形式，并且兩種形式的水分子可以互相轉(zhuǎn)化。在聚合物中，結(jié)合水通過(guò)氫鍵與聚合物分子鏈中羥基等極性基團(tuán)相結(jié)合，自由水則多存在于分子鏈之間的空隙中[21]。Langmuir 擴(kuò)散模型具體表述為[17,20]

式中，cf與cb分別為擴(kuò)散過(guò)程中自由水和結(jié)合水的濃度；Df為自由水的擴(kuò)散系數(shù)，可由Fick 擴(kuò)散理論獲?。沪?、β分別為單位時(shí)間和體積內(nèi)自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水的吸附系數(shù)和結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水的解吸附系數(shù)。

當(dāng)水分的擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，結(jié)合水與自由水關(guān)系為

式中，cf∞為擴(kuò)散平衡時(shí)自由水含量；cb∞為擴(kuò)散平衡時(shí)結(jié)合水含量。則任意時(shí)刻的水分質(zhì)量可表示為

式中，m∞為擴(kuò)散平衡時(shí)水分的質(zhì)量。

進(jìn)一步，結(jié)合水和自由水的質(zhì)量表達(dá)式分別為

式中，κ=π2Df/(2h)2。

通過(guò)Langumir 模型不僅能夠獲取水分吸收的總質(zhì)量，還能夠進(jìn)一步得到自由水和結(jié)合水各自的含量。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 水分?jǐn)U散過(guò)程分析

為了描述純環(huán)氧樹(shù)脂以及環(huán)氧浸漬紙?jiān)诮葸^(guò)程中的質(zhì)量變化情況，可使用質(zhì)量變化率來(lái)進(jìn)行表征。

式中，γ為樣品的質(zhì)量變化率；m0為樣品初始質(zhì)量；m(t)為樣品吸收水分后t時(shí)刻的質(zhì)量。

純環(huán)氧樹(shù)脂以及環(huán)氧浸漬紙復(fù)合絕緣在吸收水分過(guò)程中的質(zhì)量變化率如圖3（橫坐標(biāo)為時(shí)間的1/2 次方）所示。對(duì)于兩種絕緣樣品，隨著時(shí)間的增加，質(zhì)量變化率γ均呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)。浸泡初期，兩種樣品的γ均增長(zhǎng)較快，即水分?jǐn)U散相對(duì)較快。隨著時(shí)間的增加，γ增長(zhǎng)的速度逐漸減小，并趨向飽和狀態(tài)。純環(huán)氧樹(shù)脂達(dá)到飽和狀態(tài)大約需要1.44×106s（t1/2=1 2001/2s ）；而水分在環(huán)氧浸漬紙中擴(kuò)散2.25×106s（t1/2=1 5001/2s ）時(shí)還未完全達(dá)到飽和狀態(tài)。環(huán)氧浸漬紙?jiān)谒謹(jǐn)U散末期時(shí)吸收水分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純環(huán)氧樹(shù)脂。

圖3 純環(huán)氧樹(shù)脂及環(huán)氧浸漬紙質(zhì)量變化率情況 Fig.3 Quality change rate of pure epoxy resin and epoxy resin impregnated paper

環(huán)氧浸漬紙中皺紋紙的主要成分是纖維素，纖維素內(nèi)部可分為結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，其中無(wú)定形區(qū)由于為非致密排列，易形成微孔，為水分的吸收創(chuàng)造了條件。圖 4 為皺紋紙?jiān)趻呙桦娮语@微鏡（Scanning Electronic Microscopy,SEM）下的形貌特征，其微觀結(jié)構(gòu)排列疏松，存在如圖中圓圈所示的“小洞”。另一方面，纖維素作為一種有機(jī)物，是由成百上千個(gè)D-葡萄糖以糖苷鍵形式組成的線性鏈，分子結(jié)構(gòu)中包含了大量羥基等親水性基團(tuán)。水分子在進(jìn)入纖維素后，容易與羥基等形成氫鍵或通過(guò)分子間作用力相結(jié)合。相較于純環(huán)氧樹(shù)脂，更容易加速水分在樣品中的擴(kuò)散。

圖4 皺紋紙SEM 形貌特征 Fig.4 SEM topography characteristics of crepe paper

對(duì)于純環(huán)氧樹(shù)脂，其在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量變化情況如圖5 所示。在圖5 所示坐標(biāo)下，樣品的質(zhì)量變化率吸濕初期上升的速度逐漸增大，當(dāng)橫坐標(biāo)約為6001/2s，即樣品浸泡的時(shí)間為3.6×105s 時(shí)，質(zhì)量變化率γ隨時(shí)間變化的曲線斜率開(kāi)始逐漸減小并趨向于0，即水分子的擴(kuò)散基本達(dá)到飽和的狀態(tài)。從圖5 中可以看出，利用Fick 模型擬合所得到的γ-t1/2曲線與實(shí)測(cè)點(diǎn)有良好的重合性，說(shuō)明對(duì)于純環(huán)氧樹(shù)脂，其水分的擴(kuò)散符合Fick 擴(kuò)散模型。擴(kuò)散系數(shù)D=1.4×10-12mm2·s-1。

圖5 純環(huán)氧樹(shù)脂吸收水分質(zhì)量變化率 Fig.5 Quality change rate of pure epoxy resin

環(huán)氧浸漬紙中的水分質(zhì)量變化率如圖6 所示。從圖6 中可以看出，環(huán)氧浸漬紙的水分?jǐn)U散曲線與純環(huán)氧樹(shù)脂相似。初期水分?jǐn)U散速率較大，隨著時(shí)間的增加，擴(kuò)散速率逐漸減小。當(dāng)t1/2=1 500s1/2時(shí)，其吸收水分的含量仍未達(dá)到完全飽和的狀態(tài)。當(dāng)使用Fick 擴(kuò)散模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，水分?jǐn)U散初期滿足Fick 模型。但當(dāng)t1/2＞400s1/2后，模型曲線的計(jì)算值則明顯大于實(shí)測(cè)值，偏離實(shí)際水分質(zhì)量變化率曲線。進(jìn)一步地，使用Langmuir 模型依照2.2 節(jié)所示方法，則可得到擬合優(yōu)度R2較高的擬合曲線，如（紅色）實(shí)線所示。同時(shí)，將擬合得到Langmuir模型質(zhì)量變化率曲線分解后，可獲取自由水和結(jié)合水含量各自變化規(guī)律。兩種樣品的水分?jǐn)U散擬合參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6 環(huán)氧浸漬紙吸收水分質(zhì)量變化率 Fig.6 Quality change rate of epoxy resin impregnated paper

表1 水分?jǐn)U散模型參數(shù) Tab.1 Water diffusion model parameters

3.2 介電響應(yīng)特性分析

3.2.1 介電譜結(jié)果分析

將上述浸泡于去離子水至吸濕基本飽和的樣品取出進(jìn)行干燥處理，并在不同的干燥時(shí)間開(kāi)展介電譜測(cè)試。干燥時(shí)間越長(zhǎng)，則樣品中的水分含量越少。

純環(huán)氧樹(shù)脂不同干燥狀態(tài)的tanδ-f曲線如圖7所示。隨著頻率的增加，當(dāng)純環(huán)氧樹(shù)脂還未干燥時(shí)，tanδ呈現(xiàn)減小→增加的趨勢(shì)，而其余狀態(tài)介電譜曲線則呈現(xiàn)減小→增加→減小→增加的趨勢(shì)。高頻段（1Hz～5kHz）區(qū)域內(nèi)隨水分含量的減少tanδ沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。而對(duì)于低頻段（1mHz～1Hz）范圍內(nèi)，tanδ-f曲線則整體下降，但不同頻點(diǎn)下降的程度有所不同，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率為0.01Hz 時(shí)tanδ減小程度最為明顯。而油紙絕緣中水分含量對(duì)介電譜曲線的低頻段和高頻段均有影響[22]，這與水分對(duì)于純環(huán)氧的影響規(guī)律有所不同。

圖7 不同水分含量下純環(huán)氧樹(shù)脂tanδ-f 曲線 Fig.7 The tanδ-f curve of pure epoxy resin under different moisture content

純環(huán)氧樹(shù)脂tanδ-f曲線低頻段的頻率較小，弛豫極化等過(guò)程有足夠的時(shí)間來(lái)完成，因此該部分的損耗以電導(dǎo)損耗為主。而水分含量的增加會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂中單位體積內(nèi)活性粒子數(shù)目的增加，在外施激勵(lì)電場(chǎng)的作用下，參與電導(dǎo)過(guò)程的活性粒子將沿電場(chǎng)方向定向遷移，宏觀上表現(xiàn)為電導(dǎo)率的增大，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂低頻段電導(dǎo)損耗增大。圖7 中隨干燥時(shí)間的增加，水分含量逐漸減少，最終導(dǎo)致低頻段的介損因數(shù)降低。

環(huán)氧浸漬紙?jiān)诓煌肯聇anδ-f曲線如圖8所示。當(dāng)環(huán)氧浸漬紙樣品水分含量最大時(shí)（干燥時(shí)間為0h），在頻率為0.001～20Hz 區(qū)間內(nèi)，介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率的增加而逐漸減小，損耗峰首先出現(xiàn)在高頻段500Hz 處。當(dāng)干燥時(shí)間為12h 時(shí)，tanδ-f曲線高頻段變化基本不變，而低頻段出現(xiàn)明顯的下降。隨著干燥時(shí)間的繼續(xù)增加，低頻段曲線呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，如圖中（黑色）實(shí)線箭頭所示。而原本在高頻段的損耗峰值則逐漸向低頻方向移動(dòng)，如圖中（紅色）虛線箭頭所示。樣品在干燥144h 之后，曲線損耗峰基本消失。

圖8 不同水分含量下環(huán)氧浸漬紙tanδ-f 曲線 Fig.8 The tanδ-f curves of epoxy resin impregnated paper under different moisture content

相較于純環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂浸漬紙屬于復(fù)合絕緣。在環(huán)氧樹(shù)脂與皺紋紙之間、各層皺紋紙之間均能形成復(fù)合界面，界面交界處存在由空間電荷周期性變化而引起的界面極化損耗[23]。因此，對(duì)于損耗峰向低頻方向移動(dòng)的現(xiàn)象可以通過(guò)以下麥克斯韋損耗理論解釋。

對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)化的雙層復(fù)合絕緣模型如下：系統(tǒng)由電介質(zhì)1、電介質(zhì)2 組成，其中d1、d2分別為兩種電介質(zhì)的厚度，γ1、γ2為兩種介質(zhì)的電導(dǎo)率，ε1、ε2為相對(duì)介電常數(shù)。簡(jiǎn)化物理模型如圖9 所示。

圖9 雙層電介質(zhì)物理模型 Fig.9 Double-layer dielectric physical model

根據(jù)電流連續(xù)性定律，流過(guò)兩種介質(zhì)中的電流相等，即I1=I2。則通過(guò)解微分方程后可得

式中，U為兩電介質(zhì)電壓之和；R1、C1分別為電介質(zhì)1 的等效電阻和電容；R2、C2分別為電介質(zhì)2 的等效電阻和電容。

進(jìn)一步地，通過(guò)交變電場(chǎng)下的損耗電流與電容電流分量可得

式中，C∞為初始等效電容；ω為交變電場(chǎng)的角頻率。

環(huán)氧浸漬紙?jiān)诟稍镞^(guò)程中，內(nèi)部的水分會(huì)逐漸向外部擴(kuò)散，隨著水分含量的減少，介電常數(shù)的變化并不顯著。而水分作為一種電解質(zhì)，自身存在電離平衡，另一方面，水分作為雜質(zhì)離子的基液有利于雜質(zhì)離子的遷移，因此對(duì)電導(dǎo)率的影響更大，水分向外擴(kuò)散會(huì)顯著降低絕緣材料的電導(dǎo)率，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗峰時(shí)間常數(shù)的增大，即特征頻率更小，表現(xiàn)為tanδ-f曲線向低頻方向移動(dòng)。

3.2.2 受潮狀態(tài)判據(jù)

從上述純環(huán)氧樹(shù)脂及環(huán)氧浸漬紙的介電譜曲線中可以得到不同水分含量時(shí)其介電特性的變化。而從介電特性變化的規(guī)律中可以提取表征受潮程度的特征參量，進(jìn)而形成有效的受潮評(píng)估方法。

由圖7 可知，水分對(duì)介電譜曲線影響程度最大的頻點(diǎn)位于0.01Hz 處。為了更加清晰地對(duì)比0.01Hz及工頻50Hz 處介質(zhì)損耗因數(shù)的變化情況，提取不同干燥時(shí)間下兩頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖10 所示。隨著干燥時(shí)間的增加，50Hz 處介質(zhì)損耗因數(shù)僅存在微小波動(dòng)。而當(dāng)頻率為0.01Hz 時(shí)，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，水分含量越少，介損值顯著降低。從以上對(duì)比可以看出，工頻介質(zhì)損耗因數(shù)值并不能及時(shí)反映純環(huán)氧樹(shù)脂受潮缺陷。而通過(guò)介電譜曲線獲取的特征頻率0.01Hz 則能夠在前期盡早發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂受潮，避免了純環(huán)氧樹(shù)脂類絕緣由受潮而可能引發(fā)的絕緣嚴(yán)重劣化。

圖10 純環(huán)氧樹(shù)脂0.01Hz 與50Hz 處介質(zhì)損耗因數(shù) 變化對(duì)比 Fig.10 Comparison of tanδ of pure epoxy resin at 0.01Hz and 50Hz

環(huán)氧浸漬紙是由環(huán)氧樹(shù)脂和皺紋紙組成的復(fù)合絕緣，因此介電特性與純環(huán)氧樹(shù)脂有所差異。提取環(huán)氧浸漬紙不同干燥時(shí)間下0.01Hz 處與50Hz 處的介質(zhì)損耗因數(shù)如圖11 所示。當(dāng)頻率為0.01Hz 時(shí)，隨干燥時(shí)間增加，tanδ出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)，而在50Hz 處出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)。因此對(duì)于兩條非單調(diào)變化的曲線，單個(gè)tanδ可能對(duì)應(yīng)不同的水分含量，無(wú)法準(zhǔn)確地通過(guò)兩頻點(diǎn)介質(zhì)損耗因數(shù)值的變化來(lái)判斷環(huán)氧浸漬紙的受潮狀態(tài)。

圖11 環(huán)氧浸漬紙0.01Hz 及50Hz 處介質(zhì)損耗因數(shù)值隨時(shí)間變化趨勢(shì) Fig.11 Comparison of tanδ at of epoxy resin impregnated paper at 0.01Hz and 50Hz

從圖8 中可以看出，隨干燥時(shí)間的增加，頻率500Hz 處的介損值表現(xiàn)為逐漸減小，而損耗峰所對(duì)應(yīng)的特征頻率也呈現(xiàn)向低頻方向移動(dòng)的趨勢(shì)?？商崛∠鄳?yīng)數(shù)據(jù)如圖12 所示。在干燥初始階段（0～12h），水分含量的減少并不顯著影響介質(zhì)損耗因數(shù)及特征頻率。而在第二階段（t＞12h），500Hz 處的介質(zhì)損耗 因數(shù)與干燥時(shí)間近似呈冪指數(shù)的關(guān)系下降，損耗峰特征頻率則在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈現(xiàn)近似線性下降的趨勢(shì)。通過(guò)曲線擬合分別針對(duì)第二階段兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖13 和圖14 所示。在第二階段，500Hz處介質(zhì)損耗因數(shù)與干燥時(shí)間的關(guān)系符合以下冪指數(shù)關(guān)系

圖12 環(huán)氧浸漬紙500Hz 處tanδ 及曲線特征頻率隨 干燥時(shí)間變化情況 Fig.12 Variation of tanδ at 500Hz and characteristic frequency of curve for epoxy resin impregnated paper with drying time

圖13 500Hz 處介質(zhì)損耗因數(shù)與干燥時(shí)間擬合曲線 Fig.13 Fitting curve between tanδ at 500Hz and drying time

圖14 介電譜曲線特征頻率與干燥時(shí)間擬合曲線 Fig.14 Fitting curve between characteristic frequency of FDS curve and drying time

而損耗峰特征頻率與干燥時(shí)間之間的經(jīng)驗(yàn)公式可表述為

兩次擬合的擬合優(yōu)度分別達(dá)到了0.99 和0.96，說(shuō)明實(shí)測(cè)值與擬合值之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)擬合所得經(jīng)驗(yàn)公式可以為環(huán)氧浸漬紙的受潮狀態(tài)的評(píng)估提供一定的參考。

4 結(jié)論

本文利用Fick 擴(kuò)散模型和Langumir 擴(kuò)散模型研究了純環(huán)氧樹(shù)脂以及環(huán)氧浸漬紙的水分?jǐn)U散特性，通過(guò)搭建的介電特性測(cè)試平臺(tái)，明確了兩種絕緣不同含水量下的介電特性變化規(guī)律，并基于此，首次提出了判斷兩種絕緣受潮程度的方法。具體如下：

1）純環(huán)氧樹(shù)脂及環(huán)氧浸漬紙中水分?jǐn)U散速度先增大后減小；水分在純環(huán)氧樹(shù)脂中的擴(kuò)散遵循Fick 擴(kuò)散模型，而環(huán)氧浸漬紙則滿足Langumir 擴(kuò)散模型。

2）隨水分含量減少，純環(huán)氧樹(shù)脂介電譜曲線的低頻段（1mHz～1Hz）逐漸減小，高頻段（1Hz～5kHz）基本不發(fā)生變化；而對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂浸漬紙則是低頻段先減小后增大，高頻段（500Hz～5kHz）逐漸減小，損耗峰對(duì)應(yīng)的特征頻率從高頻向低頻移動(dòng)。兩種絕緣的介電特性均區(qū)別于油紙絕緣。

3）對(duì)于純環(huán)氧樹(shù)脂絕緣，0.01Hz 處的介質(zhì)損耗因數(shù)相較于工頻下更能及時(shí)發(fā)現(xiàn)其受潮缺陷；通過(guò)擬合得到了環(huán)氧浸漬紙tanδ-f曲線中500Hz 處的介質(zhì)損耗因數(shù)、損耗峰特征頻率各自與干燥時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式tanδ500Hz=0.505(1+t)-0.913、flog=2.701-0.038t，可初步判斷環(huán)氧浸漬紙的受潮狀態(tài)。