高压电力设备用环氧树脂材料绝缘性能研究

高压电力设备用环氧树脂材料绝缘性能研究

李悦  朱延海

新疆华电沙尔布拉克水电有限责任公司 新疆 830000

摘要：电气绝缘领域内，高分子聚合物材料是常见和重要的固体绝缘材料，这类材料加工性能优良、绝缘性能优异、耐化学腐蚀能力强，但是热导率低，散热能力差，在长期使用时，存在热导致的故障和绝缘失效等隐患。随着电气工程领域电压等级的提升和电力电子发展对频率的提升，以及电子技术领域的高集成化和高频化等趋势，特别是带电作业装备的绝缘要求提升，对绝缘材料的导热能力和耐热性提出了更高的要求。

关键词：特高压；环氧树脂；介电频谱

引言

目前，随着我国特高压直流输电线路的建设，大量特高压环氧树脂绝缘电力设备用于换流阀厅、变电站等，对其性能进行实时评估具有一定的实用意义。对于环氧树脂绝缘电力设备，较常用的无损监测方法一般为介电频谱测量，而该方法的基础是对环氧树脂绝缘介电性能的准确测量，然后对其进行合理后处理提取用于表征材料性能的特征参数。本研究制备环氧树脂材料试样，在频率为10-1～106Hz和温度为-40～200℃的条件下，使用宽带介电谱仪测量其频谱和温谱。通过Havriliak-Ne收ami（HN）方程函数，结合非线性数值计算，对实测数据进行曲线拟合，获取介电频谱数学模型特征参数值。采用介电频谱拟合方法获取高压电力设备用环氧树脂材料各特征参数值，为深入了解高压电力设备的介电性能提供一种有效方法。

1环氧树脂

环氧树脂泛指含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族有机化合物为骨架，并通过环氧基团反应能形成的热固性产物的高分子低聚体，其突出特点是粘结能力强。由于其具有良好的粘接性、耐腐蚀性、收缩率低以及高强度等优异性能，环氧树脂已成为先进复合材料中应用最广泛的基体树脂，适用于多种成型工艺。9A16环氧树脂是威海光威复合材料股份有限公司自主研发的一种基于120℃中温固化的增韧改性环氧树脂，其适用以碳纤维、玻璃纤维、芳纶及织物为增强材料的预浸料。树脂具有橡胶般韧性，可以防止微裂纹的扩散，具有良好的耐热性、抗冲击强度及抗剥离性，适用于热压罐、模压、真空袋压法等多种成型工艺。复合材料制件具有优良的韧性、抗冲击性等综合性能，可在－50～80℃长期使用，多用于工业产品及航空构件。

2试验

2.1试样制备与测试

试样制备中使用的环氧树脂与高压电力设备用环氧树脂绝缘材料一致。将其制作成边长为90mm的正方形试样，然后装入模具中，在110℃下真空干燥72h，去除试样中的水分。将完成脱气的环氧树脂在适当的真空度和温度下浇注到模具中。浇注结束后，加热模具使样品固化，降温后即得试验用材料试样。用扫描电子显微镜（SEM）观察试样表面和截面的微观结构。使用宽带介电谱仪测试其介电频谱和温谱，圆片试样直径为20mm，厚度约为1mm，频率和温度范围分别为10-1～106Hz和-40～200℃

2.2测试与分析

激光闪点法（LFA）是所有热导率分析方法中最具代表性的瞬态分析方法。相较于保护热板法或热流量计等方法，LFA测试更加方便快捷。本研究采用瞬态激光闪点法测定不同石墨烯负载下石墨烯/环氧复合材料的热扩散系数，遵循ASTME-1461、DINEN821和DIN30905的试验标准。测试过程中，在一定的设定温度下，闪光氙灯瞬间发出一束光脉冲，均匀地照射到样品的下表面，表层吸收光能，温度瞬间升高，起到热端的作用。在一维热传导中，能量被传递到冷端（上表面），再利用红外探测器连续测量样品上表面中心处相应的温升过程。理想情况下，光脉冲宽度接近无穷大，样品内部的热传导非常理想，可以实现从下表面到上表面的一维传热，而无需侧向热流。外部测量环境为空气是合适的绝热条件。当样品的上表面温度上升到恒定水平线时，存在热损失.

2.3环氧树脂热学及电气性能研究

特高压环氧树脂绝缘电力设备在直流稳态条件下的内部电场分布取决于环氧树脂材料的体积电阻率，而材料的体积电阻率对温度较为敏感，因此在运行条件下电力设备内部的温度分布将导致不同的电场分布，有必要研究环氧材料体积电阻率与温度的定量关系。首先，将试样放在预设温度的烘箱中，试样通过三电极与高阻计连接。当烘箱内部温度达到稳定后，记录电阻值，然后应用经典公式计算体积电阻率。在设定温度下，测试试样的3个电阻值，取其平均值作为试样的最终电阻值。

2.4热导率测试

热导率是复合材料的重要指标，且与高频击穿性能密切相关。相比于EP的低热导率（0.1483W/(m·K)），复合材料的热导率表现出明显的提升，在相同的Bd/AK比例下，复合材料的热导率随着填充量的增加而增大，并且增大的速率也在提高，但不是线性增加。在相同的质量分数下，Bd/AK比例越大，复合材料的热导率越高，热导率的增速也越快。只填充AK的复合材料热导率变化较小，填充量为30%时，相比EP热导率仅增加151.3%。而填充量为30%时，BdAK30-1/3、BdAK30-2/2、BdAK30-3/1的热导率分别为0.5422、0.8218、1.1820W/(m·K)，相比EP热导率分别增加了265.6%、454.1%、697.0%。

3结论

在测试频率范围内，AlOOH/EP复合材料的介电损耗随着填料添加量的增加而增大，而mAlOOH/EP的介电损耗随mAlOOH添加量的增加呈现先降低后升高的趋势。这可能是由于AlOOH与EP基体之间形成界面强度较弱，不能很好的束缚AlOOH表面极性基团，介电损耗随着引入的AlOOH的增加而增加，而mAlOOH与基体界面结合更强，在约束层和松散层中的深陷阱较多，对电荷的束缚能力强，界面损耗较弱，且两相界面以氨基与环氧树脂基体共价键相连为主，使界面结合更牢固，空间位阻加大，增加了极性基团转向极化发生难度，使其极化损耗降低，故其复合体系的介电损耗降低。过高的mAlOOH填充量会因为团聚形成大颗粒，引起缺陷，界面结合能力降低，在电场作用下其团聚处易造成局部场强增大，形成漏电电流，伴随着介电损耗提高。

在170℃下环氧材料介电谱的频率依赖曲线，用考虑电导项的单项HN方程对实测值进行拟合。，随着频率的增加，α极化过程显著：在10-1～101Hz的低频区，各种极化均来得及建立，ε′→εs。在101～105Hz的松弛区，外施电场的周期与松弛时间相近，在α松弛极化建立过程中ε′显著减小。在105～106Hz的高频区，松弛极化来不及建立，介质极化全部由位移极化所贡献，ε′→ε∞。虚部ε″表现出单峰特点，介质损耗峰值ε′max出现在特征频率fc=103Hz附近。在10-1～101Hz的低频段，ε″在双对数坐标下的斜率为-0.9404，主要是由于直流电导极化的影响。可见实测值与拟合值吻合较好，且存在电导极化引起的“翘尾”现象。

平均极化时间τ(T)在10-5～100s，较一般绝缘材料在相同温度下的极化时间长，原因在于环氧材料介质界面上存在电荷积聚而发生界面极化过程。实际上，介质的松弛时间是围绕其最大概率值的一个分布，绘制出环氧材料的介电松弛时间分布。可以看出，材料的松弛时间分布随温度的升高而变窄，同时中心介电松弛极化时间向高频移动，这与理论预测结果一致。根据分子松弛相关理论，当温度足够高时，高聚物松弛时间分布趋向于单松弛时间模型。松弛时间分布参数β、γ值随温度的变化也示于图中，其中β表征松弛时间分布宽度，其值越大分布越窄；γ表征松弛时间分布的对称性，其值越小分布对称性越差。

结束语

综上所述，本研究制备的复合材料具有优良的绝缘性能，不仅可满足电力领域对于绝缘材料的要求，亦适用于带电作业机器人等领域的绝缘防护。

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