固體絕緣材料熱老化電氣特性的研究

穆娟

摘要：油浸式變壓器應(yīng)用絕緣紙作為主要的絕緣材料，其不能夠耐受高溫。在變壓器的運(yùn)行溫度超出了絕緣紙耐受溫度的情況下，絕緣材料會(huì)逐步地變脆弱，進(jìn)而降低聚合度，最終使變壓器絕緣老化。而固體絕緣材料的耐高溫能力與電介質(zhì)大小決定了油浸式變壓器的尺寸大小和容量多少。為此，本文對(duì)聚碳酸酯、聚酯薄膜、聚苯硫醚進(jìn)行了試驗(yàn)，并且對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析。

關(guān)鍵詞：固體 絕緣材料 熱老化 電氣特性 測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）5（a）-0000-00

當(dāng)前時(shí)期，油浸式變壓器的主要絕緣材料是絕緣紙，其屬于天然的纖維材料，缺少較強(qiáng)的耐高溫性能，倘若變壓器在工作的時(shí)候溫度較高，那么高分子的裂變會(huì)出現(xiàn)，這會(huì)大大地影響其性能，進(jìn)而使聚合度降低，加速絕緣紙的老化，最終降低變壓器的應(yīng)用壽命。

1固體絕緣材料熱老化電氣特性的測(cè)試

擊穿場(chǎng)強(qiáng)是表征絕緣材料耐電強(qiáng)度之電氣參數(shù)。針對(duì)變壓器來(lái)講，其絕緣材料介電常數(shù)的改變會(huì)造成主絕緣電場(chǎng)的分布出現(xiàn)變化，并且還會(huì)導(dǎo)致高低壓繞組對(duì)匝間電容與對(duì)地電容出現(xiàn)變化，從而影響到 繞組波的過(guò)程。為此，針對(duì)變壓器而言，絕緣材料的熱穩(wěn)定性和介電常數(shù)的大小非常關(guān)鍵。另外，所要求的變壓器絕緣材料的介質(zhì)損耗非常嚴(yán)格，倘若材料介質(zhì)具備比較大的損耗，那么會(huì)造成局部的溫度較高，導(dǎo)致?lián)舸┎牧?。基于外電?chǎng)的影響下，對(duì)電介質(zhì)損耗與極化關(guān)鍵參數(shù)的表述是介質(zhì)損耗角與介電常數(shù)的正切，兩者影響外電場(chǎng)的溫度能夠體現(xiàn)電介微觀結(jié)構(gòu)的松弛機(jī)制和極化以及其互相影響的變化規(guī)律。

為此，測(cè)試熱老化之后與之前的試樣，重點(diǎn)是測(cè)試其擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介質(zhì)損耗、介電常數(shù)，以及查看這些參數(shù)基于老化時(shí)間的改變現(xiàn)狀。我們進(jìn)行觀察的關(guān)鍵意義在于對(duì)材料是不是在老化時(shí)間之內(nèi)發(fā)生迅速的改變進(jìn)行確定，以及基于時(shí)間的推移而探究其規(guī)律，最終推測(cè)這一系列材料的老化壽命。

2固體絕緣材料熱老化電氣特性的測(cè)試結(jié)果及其研究

2.1介質(zhì)損耗因數(shù)以及相對(duì)介電常數(shù)

2.1.1聚碳酸酯

針對(duì)各種熱老化階段聚碳酸酯介質(zhì)損耗因數(shù)以及相對(duì)介電常數(shù)跟溫度的改變關(guān)系來(lái)講，老化前后的聚碳酸酯的相對(duì)介電常數(shù)的改變十分小，能夠明確的是，化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的高分子主鏈斷裂在聚碳酸酯老化時(shí)的影響不大。在較低溫度的范圍內(nèi)，基于增加的老化時(shí)間，聚碳酸酯的介電常數(shù)首先變小而后變大；在高溫的范圍之內(nèi)，老化之后材料的介電常數(shù)比沒(méi)有變化情況下的都小。在老化初期和沒(méi)有老化時(shí)期的材料的介電常數(shù)會(huì)在提升的溫度影響下變大，之后會(huì)變小。老化初期的聚碳酸酯的介質(zhì)損耗會(huì)在增加的時(shí)間的影響下變小，這屬于物理變化的結(jié)果。在終結(jié)物理老化之后，會(huì)增加介質(zhì)損耗，然而在進(jìn)一步增加老化時(shí)間的影響下，介質(zhì)損耗會(huì)不斷地變小。

2.1.2聚酯薄膜

針對(duì)常溫狀況下聚酯薄膜相對(duì)介電常數(shù)基于老化時(shí)間的改變以及各種熱老化時(shí)期介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)基于溫度的改變關(guān)系，測(cè)試的溫度在20℃——130℃間的范圍。室溫下在老化初期聚酯薄膜的介電常數(shù)基于老化時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，在240小時(shí)到達(dá)最大的值，再基于進(jìn)一步增加的老化時(shí)間下，介電常數(shù)的值變小。然而，在各種老化的時(shí)期，介電常數(shù)受到溫度的改變而出現(xiàn)變化，并非受到老化時(shí)間的影響，并且在一個(gè)迅速提升的過(guò)程中出現(xiàn)在聚酯薄膜玻璃化溫度附近。

究其原因，如此情況的引起基于物理老化和化學(xué)老化的一致影響。在老化的初始，因?yàn)樘嵘藴囟?，材料的高分子?gòu)造出現(xiàn)支化與斷裂，支化的分子長(zhǎng)鏈會(huì)增加極性基團(tuán)，為此取向極化會(huì)增加對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)，這體現(xiàn)為增加介電常數(shù)?；诶匣募觿?，不間斷地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，高分子材料的分子構(gòu)造不斷地支化與斷裂，這會(huì)增大介電常數(shù)。并且，也在進(jìn)行物理老化，借助鏈段運(yùn)動(dòng)的物理老化會(huì)減小自由體積，進(jìn)而增加材料的密度，這種情況下會(huì)增大取向極化的難度，最終減小了取向極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)。為此，在持續(xù)增加老化時(shí)間之后，介電常數(shù)會(huì)減小。針對(duì)老化前后聚酯薄膜介質(zhì)損耗因素的改變能夠明確的是，在增加老化時(shí)間的影響下，材料的介質(zhì)損耗降低。在比較低的溫度條件下，各種階段的老化時(shí)間的介質(zhì)損耗存在較小的不同，在較高溫度的條件下則存在較大的不同，此規(guī)律也體現(xiàn)在相對(duì)介電常數(shù)中。這更加體現(xiàn)了關(guān)于物理老化所影響到的材料介電性能。在物理老化之后，增加了取向極化的難度，為此，減小了介質(zhì)損耗與介電常數(shù)的損耗。盡管在各種老化的時(shí)間下，因?yàn)楦叻肿渔溄饬?，?dǎo)致含量差異習(xí)慣的極性基團(tuán)，可是因?yàn)樵黾恿嗣芏龋噪y以出現(xiàn)取向極化，各種老化時(shí)間下，介質(zhì)損耗和介電常數(shù)的不同體現(xiàn)得不顯著。然而在高溫的情況下，分子的運(yùn)動(dòng)降低了分子之間的作用力，進(jìn)而降低了出現(xiàn)取向極化的困難，這種情況下增加了取向極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)，增加了極化損耗，各種老化時(shí)間下，介質(zhì)損耗和介電常數(shù)間存在比較大的不同之處。

2.1.3聚苯硫醚

針對(duì)各種熱老化時(shí)期聚苯硫醚介質(zhì)損耗和介電常數(shù)基于溫度的改變來(lái)講，其介電常數(shù)基于溫度的改變而出現(xiàn)了顯著的變化。在低溫區(qū)，老化初期的介電常數(shù)基于增加的老化時(shí)間而增大，然而基于進(jìn)行的老化，降低了介電常數(shù)增加的幅度。在高溫區(qū)，介電常數(shù)在增加的溫度影響下增大，且斜率的變化規(guī)律是變大后變小。老化之后的聚苯硫醚的溫度和介質(zhì)損耗因數(shù)間的聯(lián)系也出現(xiàn)了非常大的變化。先是在高溫區(qū)的介質(zhì)損耗因數(shù)的最大值降低，再者是向高溫區(qū)移動(dòng)了大概20℃的最大值的溫度?；诶匣瘯r(shí)間的改變，介質(zhì)損耗類似于相對(duì)介電常數(shù)。在高溫區(qū)，老化時(shí)間最長(zhǎng)的介質(zhì)損耗最小，而480h的老化時(shí)間的介質(zhì)損耗最大，老化時(shí)間最長(zhǎng)的材料僅僅具備一個(gè)峰值，在130℃的時(shí)候不再升高介質(zhì)損耗。

2.1.4絕緣紙

針對(duì)沒(méi)有老化的絕緣紙的介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)跟溫度之間的聯(lián)系來(lái)講，老化絕緣紙的介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)在升高的溫度影響下而增大。跟前幾種聚合物試樣的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，能夠發(fā)現(xiàn)沒(méi)有老化的醚材料的介質(zhì)損耗因數(shù)是最大的。比較低的介電常數(shù)可以使油紙絕緣當(dāng)中分布的電場(chǎng)大大地優(yōu)化，以及使油浸式變壓器的工作狀況優(yōu)化，比較低的介質(zhì)損耗因數(shù)可以使輸變電裝置的發(fā)熱降低。

2.2工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)

在老化前后，三種聚合物材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)存在比較小的改變，而聚碳酸酯是稍微提升，聚苯硫醚與聚酯薄膜都降低，其范圍變化不大。在熱老化720h之后，擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)大大地降低，而在1440h之后，向沒(méi)有老化的值附件恢復(fù)。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，縱觀聚苯硫醚、聚酯薄膜、聚碳酸酯這幾種材料的聚合物三種材料的熱老化前后的介電特性改變現(xiàn)狀，能夠明確的是常用絕緣紙板的替換材料是聚碳酸酯。

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