張文霞

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010041)

隨著我國電力領(lǐng)域的高速發(fā)展,高電壓、高容量成為了電力行業(yè)的發(fā)展目標,在電力運輸過程中,高壓直流(High voltage direct current,HVDC)輸電技術(shù)日漸成熟,擁有實現(xiàn)不同頻率和不同相位角的兩種電力系統(tǒng)下的聯(lián)網(wǎng)運行,且直流輸電的系統(tǒng)也使得電力運輸系統(tǒng)的阻尼處于可控狀態(tài),降低系統(tǒng)的低頻振蕩,是兩地電力運輸?shù)闹饕侄沃唬?］。截止2020年底,在國家電網(wǎng)和能源局的帶領(lǐng)下,全國各地一共建成27條特高壓電力傳輸線路,達成我國“五縱五橫”的電力傳輸線路布局［2］。在此基礎(chǔ)上,我國商業(yè)用電電壓一般為380V（更高需要變壓器進線電壓達到10000V）,民用電壓為220V,發(fā)生觸電漏電情況時足以導(dǎo)致生命安全問題,所以,對生活中常見的環(huán)氧樹脂材料在惡劣天氣下的絕緣特性研究是十分有意義的。

1 絕緣材料

在電氣設(shè)備服務(wù)社會的過程中,絕緣材料無疑是至關(guān)重要的一環(huán),關(guān)乎人民安全。研究表明,自20世紀末電力首次開始流入商業(yè)市場中,在電氣設(shè)備開始快速發(fā)展的同時,絕緣材料也進入了高速發(fā)展的軌道。到目前為止,絕緣材料的失效仍然是導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞的主要原因,而除去自然老化和機械損傷破壞絕緣完整性外,沖擊電壓的累積也是造成絕緣材料的失效的常見原因之一［3-4］。

按照絕緣材料的化學(xué)成分,常將絕緣材料分為有機和無機絕緣材料,無機材料常指陶瓷、玻璃、云母粉等金屬或非金屬的氧化物,共價鍵的緊密結(jié)合使得材料不易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移達到絕緣的作用,且金屬氧化物常常表現(xiàn)出較好的介電性,是電氣設(shè)備中絕緣材料的優(yōu)選,但無機絕緣材料的制造成本過高,很難被廣泛使用,因而有機絕緣材料是電氣設(shè)備常見的絕緣材料。常見的有機絕緣材料有鏈式結(jié)構(gòu)的高分子聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯等典型的熱塑性材料,網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等熱固性材料,和橡膠、纖維等。不同的絕緣材料都有其使用范圍,如橡膠材料常用于電纜,合成纖維用于電機的絕緣槽,而電氣設(shè)備最為常見的絕緣材料則是環(huán)氧樹脂絕緣材料,環(huán)氧樹脂應(yīng)用于電氣設(shè)備不僅在于它優(yōu)良的絕緣效果,更是由于其強度較高,可以一定程度上承擔(dān)支撐作用[5-6]。

但環(huán)氧樹脂的老化和失效都是不可逆的,在長時間經(jīng)受過電壓后,老化速度加快,容易發(fā)生絕緣損傷[7-8],在雷雨天氣下更是會加速累積效應(yīng),加快環(huán)氧樹脂的失效。本文研究惡劣天氣（雷雨）下對環(huán)氧樹脂失效過程的加速,搭建標準雷電沖擊實驗臺,設(shè)計了雷電沖擊電壓對電器設(shè)備用環(huán)氧樹脂的電壓累積效應(yīng)測試,分析惡劣天氣下材料的U-N特性以及絕緣參數(shù)的變化,為惡劣天氣情況下電氣設(shè)備用環(huán)氧樹脂材料制備過程的設(shè)計參數(shù)和選取提供了參考。

2 實驗部分

2.1 實驗原材料

2.2 實驗前處理

環(huán)氧樹脂絕緣材料的制備是以表1中材料以表中順序120：30：1：80：300的比例攪拌充分混合后,經(jīng)過20min的超聲處理以去除環(huán)氧樹脂流體中的氣泡,緩慢澆注入模具中,置于恒溫干燥箱150℃下恒溫固化30min,升溫10°C保溫處理3h以讓模具中心部位的環(huán)氧樹脂完全固化,得到電氣設(shè)備用環(huán)氧樹脂材料。

表1 實驗用原材料Table 1 Experimental materials

根據(jù)GB/T 1408.1-2006[9]來設(shè)計間隙為1mm短電極間隙和5mm長電極間隙的不等直徑電極結(jié)構(gòu),按GB/T 10064-2006[10]對環(huán)氧樹脂進行預(yù)處理,以無水乙醇完全覆蓋制備出的環(huán)氧樹脂絕緣件,室溫條件下維持24h后吹干備用。

2.3 實驗設(shè)計

以GB/T 16927.3-2010[11]為設(shè)計標準,參數(shù)設(shè)置以GB/T 10580-2015[12]為標準,實驗參數(shù)見表2。

表2 實驗參數(shù)Table 2 Experimental parameters

2.4 雷電沖擊累積效應(yīng)試驗

對絕緣材料的絕緣特性分析測試中,通過對絕緣材料進行多次不同的電壓加載,得到施加一定的雷電電壓沖擊后絕緣材料被擊穿時的電壓幅值和沖擊次數(shù)的關(guān)系特性曲線,即U-N特性曲線。U-N特性曲線是研究絕緣材料的絕緣特性的重要方法,同時在測試過程中,本實驗以QS87型高精密高壓電容電橋?qū)﹄姎庠O(shè)備用環(huán)氧樹脂的介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)和介電常數(shù)進行實時地測量抓取。實驗流程分為3步。

(1)施加一定的雷電沖擊電壓,緩慢提高施加的電壓直至單次雷電沖擊下可將環(huán)氧樹脂絕緣材料在短間隙情況下?lián)舸?在此電壓附近降低電壓的施加梯度,找到單次沖擊下的最小電壓U0,為避免數(shù)據(jù)的偶然性,進行10組重復(fù)性實驗驗證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性,將重復(fù)性較好的U0值取均值,得到Us。

(2)以Us為標準,選取Us值的90%,以10%為基準,降至60%,即選取4個電壓幅值,分別進行沖擊累積實驗。

(3)為了避免取得數(shù)據(jù)的偶然性,將每個電壓幅值下選取5個平行試樣,在測試每個絕緣件的U-N特性曲線的同時記錄并計算介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)和介電常數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 U-N特性及結(jié)果分析

Us值的確定如表3所示,表中為10個平行試樣在短間隙絕緣件下單次電壓幅值被擊穿的最小值,取重復(fù)性較好的6組平均值,得到的絕緣樣最小單次雷電沖擊電壓幅值為43.7kV。表4 為該次雷電沖擊電壓幅值下?lián)舸┧璐螖?shù)。

表3 絕緣樣最小單次雷電沖擊電壓幅值Table 3 Minimum single lightning impulse voltage amplitude of insulation sample

表4 不同雷電沖擊電壓幅值下?lián)舸┧璐螖?shù)Table 4 Breakdown times required at different lightning impulse voltage amplitudes

對絕緣材料而言,其服役時間滿足壽命評估模擬曲線,如方程（1）所示[13]：

式（1）中,U為對絕緣材料施加的沖擊電壓幅值,N代表材料被擊穿失效時累積的沖擊次數(shù),而a、b和C為該材料的壽命評估數(shù)學(xué)曲線的形狀參數(shù),無實際意義。為了加快擬合過程,將簡單以A代表,而簡單以B代表,那么式（1）便簡化為式（2）：

以式（2）對表4中所取得數(shù)據(jù)進行擬合,得到如圖1所示曲線,擬合方程為式（3）。

圖1 電氣設(shè)備用環(huán)氧樹脂的U-N特性曲線圖Fig. 1 U-N characteristic diagram of epoxy resin for electrical equipment

試驗擬合結(jié)果的方差R2=0.9971,擬合情況良好,證明試樣制備出的環(huán)氧樹脂符合絕緣材料的特征。

3.2 環(huán)氧樹脂絕緣參數(shù)表征

在進行雷電沖擊累計實驗的同時,對環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)和其損耗因數(shù)進行記錄,所得結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖可得,環(huán)氧樹脂的相對介電常數(shù)和材料受到的電壓沖擊次數(shù)是正比相關(guān)的,介電常數(shù)的損耗因數(shù)也是隨著材料的雷電沖擊次數(shù)的增加而增加。同時,值得注意的是,兩者的上升速度隨著材料加載的雷電沖擊電壓的幅值的增高而增高。我們認為,這是由于當(dāng)外加載的電壓過高,或材料遭受的電壓沖擊次數(shù)越多時,材料的表面會在外部電壓的影響下造成電荷聚集,大量的電荷聚集在材料的表面會使得材料內(nèi)部有強電磁效應(yīng),這種強電磁效應(yīng)使得絕緣材料內(nèi)部的電子活躍度增加,增大了電子之間的接觸概率,材料原子能升高,出現(xiàn)材料的缺陷和局部脫水,造成介電常數(shù)和損耗因子的增大[14]。

圖2 電氣設(shè)備用環(huán)氧樹脂相對介電常數(shù)隨雷電沖擊次數(shù)的變化曲線Fig. 2 The relative dielectric constant of epoxy resin used in electrical equipment varies with the number of lightning shocks

圖3 電氣設(shè)備用環(huán)氧樹脂介電常數(shù)損耗因數(shù)（tanδ）隨雷電沖擊次數(shù)的變化曲線Fig. 3 Change curve of dielectric constant loss factor of epoxy resin for electrical equipment with the number of lightning shocks

4 總結(jié)與展望

電氣設(shè)備用環(huán)氧樹脂材料在雷電沖擊電壓的加載下出現(xiàn)服役壽命縮短的問題,惡劣天氣（雷雨天氣）對環(huán)氧樹脂絕緣材料的影響如下：

（1）隨著對環(huán)氧樹脂絕緣材料施加的沖擊電壓幅值U的增加,環(huán)氧樹脂擊穿時累積沖擊次數(shù)在減少,達到43.7kV時環(huán)氧樹脂被一次擊穿。U-N關(guān)系式為U=58.0383N-0.12501,可由此式估算出環(huán)氧樹脂服役壽命。

（2）隨著環(huán)氧樹脂遭受沖擊的次數(shù)變多,環(huán)氧樹脂本身的絕緣參數(shù)均隨之上升,代表絕緣材料的絕緣能力越來越低,且上升速度也隨沖擊次數(shù)的增長而正比增長。

雷雨天氣對電氣設(shè)備的環(huán)氧樹脂絕緣材料的失效有著很大的影響,隨著高壓閃電出現(xiàn)次數(shù)的增加,環(huán)氧樹脂內(nèi)電荷也在累積,產(chǎn)生的高壓會使得環(huán)氧樹脂短間隙下被擊穿,失去對高壓電的防護能力。所以,對環(huán)氧樹脂絕緣服役壽命的評估是十分有必要的。