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阐述探究固体绝缘材料热老化电气特性的意义

2020-03-13 398 上传者：管理员

摘要：本文从聚苯硫醚、聚脂薄膜、聚碳酸酯三种材料入手，对固体绝缘材料热老化的电气特性进行了分析和总结，并进一步探究了固体绝缘材料热老化后的电气特性，旨在为固体绝缘材料热老化电气特性的相关研究提供参考。

关键词：
介电损耗
固体绝缘材料
热老化
电气特性
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在高温环境下，绝缘材料中的高分子链容易出现断裂、出现聚合物老化的现象，使得绝缘材料的聚合度降低、硬度变低，使用寿命减少。为了有效增加固体绝缘材料，如绝缘纸的耐高温能力，对固体绝缘材料的热老化电气性能进行了分析，以针对性地优化其性能，延长其使用寿命^[1]。

1、固体绝缘材料热老化电气特性表征参数

绝缘材料耐电强度的电气表征参数之一为击穿场强，而介电常数和介电损耗能间接反映出材料的老化状况，并影响电场的分布，进而影响材料的电击穿特性。在外电场及温度的影响下，电介质材料的微观结构发生不同的松弛与极化现象，使得分子内部相互作用方式发生改变，进而影响介电常数^[2]。对变压器来说，其内在绝缘材料介电常数的变化会使得绝缘材料中电场强度的分布发生改变，并引起高低压绕组中匝间电容和对地电容出现变化，进而对绕组波造成影响。因此，对固体绝缘材料来说，绝缘材料介电常数的热稳定性十分重要。此外，变压器绝缘材料的介电损耗也十分关键，如果材料介电损耗过高，电能将部分转化为热能，使得部分区域温度过高，在高温高电场作用下，材料更容易发生击穿。

因此，在材料受热老化后，需着重分析其介电常数、介电损耗、击穿场强等物理特性，并分析以上参数基于老化时间的改变情况。通过建立介电常数、介电损耗和老化时间的对应关系，可分析出材料使用中的老化状况，确定老化时间。

2、试验材料及试样制备

对现代电工绝缘材料来说，聚合物在大部分场合可代替传统的绝缘纸/板，根据油浸变压器对固体绝缘材料的基本要求，初步挑选了三种（聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚酯薄膜）在电工方面使用较多的聚合物固体绝缘材料，并以它们为研究对象，对比分析它们的热老化特性，并建立介电常数、介电损耗与热老化之间的关系。

聚苯硫醚长时间使用温度超过180℃，相对介电常数为3.1，介电损耗很小，并且在较宽频率变化范围内没有明显变化，拥有较好的耐电弧特性，本次使用的聚苯硫醚为通过玻璃纤维改性的聚苯硫醚材料^[3]。聚碳酸酯相对介电常数约为3.1，能够在较宽的温度区间维持较好的电性能，使用温度范围在100℃~125℃，且其拥有较低的吸水率，本次使用的聚碳酸酯为美国杜邦公司生产的0.5mm厚薄膜。聚酯薄膜长时间使用温度超过120℃，它的电绝缘性较好，吸水率很低，相对介电常数约为3.3，介电损耗很小，并且它的相对介电常数和介电损耗在较宽的频率范围内十分稳定。

选取上述三种聚合物绝缘材料及传统的绝缘纸，分别制备成直径为40mm的圆片，作为电气特性与热老化试验的试样。聚苯硫醚圆片厚度为2mm，聚碳酸酯圆片厚度为0.5mm，聚酯薄膜圆片厚度为0.1mm，绝缘纸圆片厚度为0.5mm，准备足够多的试样。

3、固体绝缘材料热老化电气特性的测试结果及其研究

3.1 相对介电常数及介电损耗因素

3.1.1 绝缘纸

对于没有老化的绝缘纸，分析其介电常数与介电损耗随温度之间的关系，可发现，随着绝缘纸的逐步老化，其介电常数与介电损耗因素随着温度的提升逐步变大。在绝缘材料的使用过程中，需要维持较低的介电常数和介电损耗，较低的介电常数能使油纸绝缘中分布的电场得到优化，有利于油浸式变压器正常工作，除此之外，低的介电损耗还能够减缓输变电装置的发热。

3.1.2 聚苯硫醚

对于不同热老化时期聚苯硫醚介电常数与介电损耗基于温度的变化来说，其介电常数随着温度的改变出现明显的变化。在温度较低时，介电常数随着老化时间的延长而变大，但是随着老化的进行，介电常数提升的幅度减少。在温度较高时，介电常数会随着温度的提升而慢慢变大，并且斜率的改变也是先大后小。老化后的聚苯硫醚的介电损耗因素与温度的关系也出现了明显的改变。首先是较高区域温度的介电损耗因素的最大值减少，其次是最大温度值向温度较高区域移动了大约20℃。在温度较高区域，老化时间较长的介电损耗最小，并且480h老化时间的介电损耗最小，老化时间最长的材料损耗出现某个峰值，在温度超过130℃时介电损耗不再加大。

3.1.3 聚碳酸酯

对应介电常数由于温度的变化而变化的关系和不同热老化过程中聚碳酸酯介电损耗的关系来讲，聚碳酸酯在老化过程中很少变化相对介电常数。尤其需要得到关注的是，在聚碳酸酯老化的过程中，化学作用会让高分子主链断裂，但对其影响却很小。由于老化的时间延长，在温度较低时，聚碳酸酯的介电常数就会先降低再增大；如果温度较高，介电常数在老化后就远远小于没有老化前。在没有老化前，材料的介电常数会因为温度的增加而慢慢提升，之后再减小。聚碳酸酯的介电损耗会因为老化时间的越来越长而慢慢提升，这是物理变化所导致的。在物理老化完成后，如果时间越长，那么介电损耗就会越来越小。

3.1.4 聚脂薄膜

如果要分析介电损耗与聚酯薄膜相对介电常数和老化之间的联系，就可以在20℃~130℃间展开试验。在一般情况下，由于老化时间的越来越长，聚酯薄膜的介电常数一般保持在240h的最高值，但如果时间再往后推移，则介电常数就会越来越小。但是，在不同时期的老化过程中，由于温度的越来越高，则介电常数也会慢慢增大，它一般是表现为玻璃化温度左右^[4]。

这种情况是因为化学老化与物力老化所造成的综合影响。在刚开始老化的过程中，因为温度的逐步增加，材料中有的高分子结构就会形成断裂与支化，后者的分子长链十分容易十分极性基团数量提升，从而使得介电常数提升。由于老化的程度越来越严重，而材料中内部分子慢慢的断裂和支化，让介电常数越来越大。并且，物理的老化也更加严重，因为材料密度的提升、自由体积越来越小以及链段运动，使得取向极化更加困难，并最终成为取向极化对介电常数的贡献降低。

3.2 工频击穿场强

三种聚合物材料在老化刚开始的过程中，其击穿场强没有明显的变化，具体为：聚酯薄膜和聚苯硫醚都明显减小，聚碳酸酯的击穿场强则开始增大。在通过720h代热老化后，击穿场强就显著减小，而如果时间超过1440h，那么就会具有回升的情况。

4、结语

综上所述，在未进行热老化试验时，绝缘材料的相对介电常数及介电损耗因数，随温度的上升而逐渐变大，其中聚苯硫醚与聚酯薄膜的介电损耗在低温环境下变化不大，当温度超过90℃时聚碳酸酯的相对介电常数与介电损耗因数变化相对较小。而经过热老化之后，聚酯薄膜与聚苯硫醚的相对介电常数以及介电损耗因数与老化之前相似，聚碳酸酯介电损耗因数所有下降。

参考文献：

[1]屠幼萍,孙伟忠,岳彩鹏,等.固体绝缘材料热老化电气特性的研究[J].电工技术学报,2013(1):7-13.

[2]徐以标.固体绝缘材料热老化电气特性的研究[J].橡塑技术与装备,2015(20):82-83.

[3]陈井玉.关于固体绝缘材料热老化电气特性的分析[J].时代农机,2018,45,308(6):240.

[4]孙启林,江沄,王倩倩.固体绝缘老化诊断技术研究现状[J].低碳世界,2016(36).

刘飞华,虞成城,宋喆.固体绝缘材料热老化电气特性的研究[J].通讯世界,2019,26(11):252-253.