溫度對(duì)換流變壓器膠囊涂覆織物的老化影響研究

王新兵 王明勝 馮宇 郝娜 王怡

摘 要： 為改善換流變壓器膠囊在不同應(yīng)用環(huán)境中的安全性，制備換流變壓器膠囊用涂覆織物材料，每種材料添加不同纖維布，獲得EW200、SW110、T300-3K 3種涂覆織物試件，測(cè)試溫度對(duì)每種涂覆織物材料的老化影響。結(jié)果表明：添加無堿玻璃纖維平紋布的EW200試件與添加無堿玻璃纖維平紋布的SW110試件在燒蝕測(cè)試過程中的抗燒蝕能力與阻燃能力均要弱于添加碳纖維布的T300-3K試件;而T300-3K試件在濕熱、高低溫交變老化試驗(yàn)時(shí)的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率均保持最佳效果。當(dāng)進(jìn)行升溫老化測(cè)試時(shí)，T300-3K試件的儲(chǔ)能模量、損耗因子與力學(xué)性能均要強(qiáng)于其他2種試件，在較高的測(cè)試溫度下，T300-3K試件還能夠維持較低的熱失重現(xiàn)象，溫度對(duì)其老化性能影響較小。

關(guān)鍵詞： 溫度循環(huán)老化；變壓器膠囊；涂覆織物；老化性能；斷裂強(qiáng)力；纖維布

中圖分類號(hào)： TQ336

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1001-5922（2023）08-0066-05

Effect of temperature on coated fabric aging for

converter transformer capsules

WANG Xinbing1，WANG Mingsheng1，F(xiàn)ENG Yu2，HAO Na1，WANG Yi3

（1.Shandong Electrical Engineering & Equipment Group Co.，Ltd.，Jinan 250000，China；

2.Nantong Shire Electric Technology Co.，Ltd.，Nantong 226500，Jiangsu China;

3.Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu China）

Abstract： In order to improve the safety of converter transformer capsule in different application environments，the coated fabric material for the capsule of converter transformer was prepared，each material was added with different fiber cloth，and three coated fabric samples of EW200，SW110 and T300-3K were obtained，and the aging effect of temperature on each coated fabric material was tested.The experimental analysis showed that the ablation resistance and flame retardance of the EW200 test piece added with alkali-free glass fiber plain cloth and the SW110 test piece added with alkali-free glass fiber plain cloth were weaker than those of the T300-3K test piece added with carbon fiber cloth during the ablation test，while the breaking strength and elongation at break of the T300-3K test piece maintained the best effect during the humid heat，high and low temperature alternating aging test;The storage modulus，loss factor and mechanical properties of T300-3K specimen were stronger than those of the other two specimens.At a higher test temperature，T300-3K specimen can also maintained a lower thermal weight loss phenomenon，and the temperature had a small impact on its aging properties.

Key words： temperature cycling aging; transformer capsule; coated fabric; aging performance; breaking strength; fiber cloth

換流變壓器是一種電力系統(tǒng)直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備通常用于大型充油工作，在換流變壓器中的油枕膠囊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)絕緣油，由于長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用以及外部環(huán)境的影響[1]，換流變壓器膠囊常常會(huì)出現(xiàn)破損問題，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)故障[2]，為設(shè)備帶來嚴(yán)重影響，因此，采用有效的材料制作換流變壓器膠囊，可以增強(qiáng)該設(shè)備的安全性[3]。

涂覆織物是以織物作為骨架材料，以橡膠、塑料或者熱塑性彈性體作為涂覆層的一類材料，但由于涂覆織物中原材料多種多樣[4-5]，導(dǎo)致制備得到的涂覆織物也存在較大差別，如何選用一種合理、安全的涂覆織物，是目前較多電力企業(yè)關(guān)注的問題[6-7]。

有學(xué)者對(duì)涂覆織物材料進(jìn)行研究，例如：研究相變微膠囊涂層織物在熱防護(hù)服中的應(yīng)用[8-9]，該方法將涂覆織物材料應(yīng)用在防護(hù)服中，并測(cè)試了該材料的應(yīng)用效果；研究持久疏水涂層織物的制備及其油水分離性能研究[10-13]，該方法不僅制備了防水涂覆織物材料，還對(duì)其隔離性能進(jìn)行了測(cè)試。

為此，本研究基于溫度對(duì)換流變壓器膠囊用涂覆織物老化的影響，通過不同溫度的試驗(yàn)測(cè)試，獲取換流變壓器膠囊用涂覆織物的變化。

1 換流變壓器膠囊涂覆織物性能

1.1 換流變壓器膠囊

換流變壓器膠囊是一種裝置在換流變壓器儲(chǔ)油柜內(nèi)部的部件，其可以通過氣壓的膨脹實(shí)現(xiàn)油量補(bǔ)償，所以，通過換流變壓器膠囊可以保障絕緣油不受到外部環(huán)境污染[14-16]，保持與外界的隔離。同時(shí)，換流變壓器膠囊的外部涂覆織物通常為橡膠涂層制造[17]，可以使換流變壓器抵抗大氣中的多種氣體[18-19]。

1.2 換流變壓器膠囊用涂覆織物材料

1.2.1 試驗(yàn)材料

本文制作換流變壓器膠囊用涂覆織物橡膠材料，并添加不同種類的纖維織物作為膠囊骨架增強(qiáng)材料。試驗(yàn)所用主要材料：

高溫硫化硅橡膠：自制；EW200無堿玻璃纖維平紋布，河南昶宇新材料科技有限公司；SW110高強(qiáng)玻璃纖維布，中材科技股份有限公司；T300-3K碳纖維布，日本東麗;酚醛纖維，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所;中空石英纖維，

湖北菲利華石英玻璃股份有限公司;

粘膠基碳纖維，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所；莫來石散棉，福斯曼科技（北京）有限公司；氫氧化鈉、鈦酸四正丁酯、丙酮、鹽酸、氨水、亞甲基藍(lán)、P25二氧化鈦、 N，N -二甲基甲酰胺，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚偏氟乙烯，法國(guó)阿科瑪。

1.2.2 材料制備

在制備換流變壓器膠囊用涂覆織物時(shí)，向高溫硫化硅橡膠中加入一定含量的酚醛纖維、中空石英纖維、粘膠基纖維以及莫來石散棉，并充分?jǐn)噭蚝箪o置，并向成型磨具內(nèi)分別放置3種纖維布，并將攪勻后的硅橡膠基體分別倒入每種模具內(nèi)，在130 ℃條件下進(jìn)行10 min固化，完成固化后脫模，依次獲取EW200涂覆織物、SW110涂覆織物和T300-3K涂覆織物3種試驗(yàn)材料，每種材料的厚度均為（1.60±0.30）mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 氧乙炔燒蝕測(cè)試

在氧乙炔焰燒蝕裝置上測(cè)試不同涂覆織物在高溫?zé)g下的燒蝕性能，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，設(shè)定裝置峰值熱流密度為300 kW/m2，設(shè)置燃燒時(shí)間為112 s，并對(duì)每種涂覆織物進(jìn)行3層組合，使每種織物均為3層組合件形態(tài)。

1.3.2 阻燃測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5454—1997與GB/T 5455—2014指標(biāo)，測(cè)試不同試件的阻燃性能。在試件外側(cè)設(shè)置燃燒點(diǎn)，分析試件的阻燃效果。

1.3.3 溫度循環(huán)老化測(cè)試

對(duì)不同試件進(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)與高低溫交變老化試驗(yàn)。其中，濕熱試驗(yàn)環(huán)境為溫度40 ℃、相對(duì)濕度85%，在該環(huán)境下放置試件1 080 h；高低溫交變測(cè)試環(huán)境溫度為-30～65 ℃，在測(cè)試時(shí)依次在[JP2]-30 ℃與65 ℃環(huán)境下進(jìn)行15 min保溫，并設(shè)置老化速率為5 ℃/min，測(cè)試溫度交變循環(huán)次數(shù)為300次。

當(dāng)分別完成2種老化試驗(yàn)后，測(cè)試不同試件的拉伸性能與撕裂性能。其中，拉伸測(cè)試時(shí)的拉伸速率為100 mm/min，標(biāo)距為100 mm；撕裂性能測(cè)試時(shí)，拉伸速率為100 mm/min，隔距25 mm。每種試件選取5個(gè)試樣，依次測(cè)得試樣平均值，獲取試件的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率。

1.3.4 儲(chǔ)能模量與損耗因子測(cè)試

對(duì)3種試件進(jìn)行持續(xù)的高溫老化測(cè)試，將試件放置在高溫拉力機(jī)中，老化溫度為190 ℃×30 min，老化完成后，將設(shè)備調(diào)整為60 ℃恒溫，測(cè)試試件在每個(gè)溫度下的儲(chǔ)能模量與損耗因子。

1.3.5 力學(xué)性能測(cè)試

按照高溫老化溫度190 ℃×30 min進(jìn)行試件老化，在完成老化后，對(duì)試件進(jìn)行拉伸測(cè)試，設(shè)置拉伸速率為100 mm/min，測(cè)試試件的拉伸強(qiáng)度與100%定伸應(yīng)力。

1.3.6 熱失重測(cè)試

將升溫速率設(shè)置為10 ℃/min，分析不同試件在高溫拉力機(jī)中的熱失重情況，其中老化溫度依然為190 ℃×30 min。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 氧乙炔燒蝕測(cè)試

測(cè)試每種涂覆織物試件在測(cè)試過程中的燒蝕性能，以此評(píng)估試件在高溫下的狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)試件完成高溫?zé)g后，SW110試件的完好層數(shù)為0，說明該試件經(jīng)燒蝕后無法保證材料完好，而其他2種試件在燒蝕完成后均能夠保持1層完好；在燒蝕過程中，3種試件的初始背溫十分接近，隨著燒蝕過程的進(jìn)行，EW200試件與SW110試件的停車背溫、停車溫升、最高背溫以及最高溫升都處于較大水平，T300-3K試件的這些溫度指標(biāo)均低于其他兩種試件，由此可以看出，T300-3K試件的抗燒蝕能力更強(qiáng)，隨著燒蝕過程可以保持較低的溫度。

2.2 不同試件的阻燃性能測(cè)試

測(cè)試每種試件在外圍存在燃燒物時(shí)的阻燃性能，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，對(duì)每種試件進(jìn)行阻燃測(cè)試后，可以得出不同試件的阻燃效果，其中，EW200與SW110試件的氧指數(shù)均保持在30%以下，而T300-3K試件的氧指數(shù)明顯大于30%，同時(shí)，EW200與SW110試件的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間同樣明顯高于T300-3K，由此可見，T300-3K具備較高的阻燃能力，可明顯抵抗外部環(huán)境中的燃燒物。

2.3 濕熱、高低溫交變老化測(cè)試

測(cè)試不同試件在濕熱條件測(cè)試下的材料拉伸性能，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，相比于室溫條件下，不同試件的經(jīng)向與緯向在濕熱循環(huán)測(cè)試下其斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而每種試件的斷裂伸長(zhǎng)率均存在上升趨勢(shì)，說明在濕熱環(huán)境下，會(huì)明顯影響試件的拉伸性能，但是，T300-3K試件在室溫狀態(tài)下斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率始終變化最小，說明該試件受濕熱環(huán)境影響不大，因此還試件具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。

測(cè)試不同試件在高低溫交變?cè)囼?yàn)下的拉伸性能變化，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4可知，相比于室溫條件下，在高低溫交變測(cè)試下，每種試件的拉伸性能出現(xiàn)一定的下降。其中，EW200試件與SW110試件的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率下降幅度均要大于濕熱環(huán)境的下降幅度，說明在高低溫環(huán)境下，會(huì)對(duì)這2種試件造成更大的影響。而T300-3K試件的斷裂伸長(zhǎng)率在高低溫交變環(huán)境并未發(fā)生變化，說明該試件在高低溫變化幅度較大的環(huán)境下可以維持較高的拉伸性能。

2.4 儲(chǔ)能模量與損耗因子測(cè)試

當(dāng)溫度逐漸升高，會(huì)導(dǎo)致涂覆織物試件抵抗外力變形減弱，引起儲(chǔ)能模量發(fā)生變化。為此，本文測(cè)試不同試件在不同溫度下的儲(chǔ)能模量情況，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)溫度逐漸升高，會(huì)導(dǎo)致每種試件的儲(chǔ)能模量出現(xiàn)下降，其中，EW200試件與SW110試件的儲(chǔ)能模量下降幅度相對(duì)較大，說明溫度會(huì)導(dǎo)致試件的交聯(lián)性下降，而T300-3K試件的儲(chǔ)能模量下降幅度相對(duì)較小，且該試件在60 ℃時(shí)儲(chǔ)能模量達(dá)到1 600 kPa以上，說明該試件始終維持最高的儲(chǔ)能模量，且溫度對(duì)其造成的影響并不大。

測(cè)試溫度逐漸升高時(shí)每種試件的損耗因子變化，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度的增高，每種試件的損耗因子開始出現(xiàn)上升，其中，SW110試件的損耗因子由0.3左右上升至0.8以上，上升幅度較大，說明該試件受溫度影響出現(xiàn)較大損耗，其分子鏈存在大幅度損失，而EW200試件的損耗因子在初始階段雖然上升幅度較小，但當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，該試件的損耗因子突然變大，說明高溫情況時(shí)對(duì)該試件影響較大，而T300-3K試件的損耗因子上升幅度較小，且最高損耗因子不超過0.3，說明高溫對(duì)其損耗較弱，使其不會(huì)受到較大損壞。

2.5 力學(xué)性能測(cè)試

測(cè)試每種試件在不同測(cè)試溫度下的拉伸強(qiáng)度變化，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，當(dāng)測(cè)試溫度不斷上升，每種試件的拉伸強(qiáng)度開始有所下降，而在最初階段，T300-3K試件的拉伸強(qiáng)度處于最高水平，當(dāng)溫度增高到140 ℃時(shí)，該試件的拉伸強(qiáng)度達(dá)到16.8 MPa，明顯高于其他兩種試件，而其他2個(gè)試件隨著溫度上升拉伸強(qiáng)度大幅度下降，導(dǎo)致試件力學(xué)性能明顯減弱，因此，T30-3K試件具有較好的力學(xué)性能。

[JP2]測(cè)試每種試件在不同溫度下的100%定伸應(yīng)力，以獲取試件的具體力學(xué)效果，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在溫度逐漸升高的情況下，試件的100%定伸應(yīng)力開始出現(xiàn)下降。其中，SW110試件的下降幅度最大，該試件的100%定伸應(yīng)力從2.5 MPa以上下降至1.2 MPa以下，受溫度影響該試件的應(yīng)用效果出現(xiàn)下降；EW200試件的100%定伸應(yīng)力雖然下降幅度略小于SW110試件，但依然存在明顯下降；T300-3K試件的100%定伸應(yīng)力雖然出現(xiàn)小幅度下降，但并未影響其實(shí)際應(yīng)用效果。因此，T300-3K試件的力學(xué)性能最佳。

2.6 熱失重測(cè)試

測(cè)試每種試件在不同溫度下的剩余質(zhì)量，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，溫度的增高會(huì)影響試件的剩余質(zhì)量，導(dǎo)致試件出現(xiàn)熱失重現(xiàn)象，在3種試件測(cè)試過程中，EW200試件在110 ℃時(shí)的剩余質(zhì)量達(dá)到25%左右，在3種試件中保持最小，說明該試件的熱失重問題較為嚴(yán)重，而T300-3K試件的剩余質(zhì)量始終保持最高，且溫度幾乎并未對(duì)其造成較大影響，其剩余質(zhì)量變化幅度并未超過2%，說明該試件在溫度變化下可以保持良好的應(yīng)用性。

分析3種試件在升溫老化測(cè)試過程中的開始分解溫度與最大失重速率溫度情況，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

由表6可知，SW110試件在溫度60 ℃以上時(shí)，試件就開始出現(xiàn)分解現(xiàn)象以及失重問題，而其他2種試件在該溫度下依然保持良好狀態(tài)。當(dāng)溫度上升至70 ℃以上時(shí)，EW200試件開始發(fā)生熱分解；T300-3K試件在溫度達(dá)到98 ℃以上時(shí)才會(huì)發(fā)生分解，且其最大失重速率溫度也保持最高。因此，T300-3K試件不會(huì)在溫度較小時(shí)出現(xiàn)熱失重，可以保持良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

研究溫度對(duì)換流變壓器膠囊用涂覆織物老化的影響，對(duì)比不同材料制備成的換流變壓器膠囊用涂覆織物測(cè)試每種材料在不同溫度下的老化狀態(tài)，選取最佳涂覆織物材料。結(jié)果表明：添加無堿玻璃纖維平紋布的EW200試件與添加無堿玻璃纖維平紋布的SW110試件在燒蝕測(cè)試過程中的抗燒蝕能力與阻燃能力均要弱于添加碳纖維布的T300-3K試件；而T300-3K試件在濕熱、高低溫交變老化試驗(yàn)時(shí)的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率均保持最佳效果，當(dāng)進(jìn)行升溫老化測(cè)試時(shí)，T300-3K試件的儲(chǔ)能模量、損耗因子與力學(xué)性能均要強(qiáng)于其：2種試件，在較高的測(cè)試溫度下，T300-3K試件還能夠維持較低的熱失重現(xiàn)象，溫度對(duì)其老化性能影響較小。

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