蘆竹茂，王天正，俞 華

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

氣隙對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)的影響

蘆竹茂，王天正，俞 華

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

介紹了環(huán)氧樹(shù)脂電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)中絕緣基座和針—板放電模型試樣的制作方法，并引入氣隙進(jìn)行了電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，闡述了氣隙對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂材料絕緣性能的破壞機(jī)理。

氣隙；電樹(shù)枝；環(huán)氧樹(shù)脂

0 引言

環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的電氣性能，廣泛應(yīng)用于變壓器、互感器和GIS組合電氣設(shè)備中。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，環(huán)氧樹(shù)脂普遍存在電樹(shù)枝老化現(xiàn)象，在高電壓長(zhǎng)期作用下，由于材料內(nèi)部雜質(zhì)、氣隙等的影響，容易造成局部放電擊穿，進(jìn)而形成樹(shù)枝狀放電通道，破壞材料的絕緣性能。因此，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂中的電樹(shù)枝研究顯得尤為重要[1-3]。

1 針—板放電模型試樣的制作

1.1 針—板放電模型

在環(huán)氧樹(shù)脂的電樹(shù)枝研究實(shí)驗(yàn)中采用針—板放電模型，如圖1所示。在環(huán)氧樹(shù)脂中插入導(dǎo)電針電極，針電極與高壓相連；環(huán)氧樹(shù)脂試樣底面與地相連，為使試樣與地良好接觸，通常在試樣與地電極之間填充導(dǎo)電膏。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在針電極通入高電壓觀察針尖和地之間的電樹(shù)枝發(fā)展生長(zhǎng)狀況［4］。

圖1 針—板放電模型

1.2 針—板放電模型試樣制作模具

在鋁板上用數(shù)控機(jī)床鉆刻環(huán)氧樹(shù)脂試樣槽和針電極槽，從環(huán)氧樹(shù)脂試樣槽中間線切割模具，切口兩側(cè)用飛刀打磨平整光滑，模具切割成的兩部分用螺絲擰緊固定，如圖2所示。環(huán)氧樹(shù)脂試樣槽為長(zhǎng)方體槽，上表面為正方形，針電極槽的深度為試樣槽深度的一半，在澆注試樣時(shí)放入的針電極可以近似認(rèn)為在試樣中心[4]。

圖2 針—板放電模型試樣制作模具

1.3 針—板放電模型試樣制作

制作針—板放電模型試樣時(shí)，在環(huán)氧樹(shù)脂試樣槽和針電極槽內(nèi)涂脫模劑，放置針電極，針電極放入針電極槽中央，針電極長(zhǎng)度短于針電極槽的長(zhǎng)度，將液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂材料滴滿試樣槽和針電極槽，模具放入恒溫箱加熱固化，等模具在室溫中冷卻后擰開(kāi)螺絲，模具兩部分分離即可從模具中取出針—板放電模型試樣。制作的環(huán)氧樹(shù)脂針—板放電模型試樣如圖3所示。

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂針—板放電模型試樣

實(shí)驗(yàn)時(shí)，去掉針電極尾部包裹的環(huán)氧樹(shù)脂使針電極尾部露出與高壓電源相連，針電極的其余部分都包裹在環(huán)氧樹(shù)脂中，針電極與環(huán)氧樹(shù)脂試樣一起澆注，避免了將針電極直接插入環(huán)氧樹(shù)脂的試樣制作方法中針電極與環(huán)氧樹(shù)脂之間可能存在的氣隙。

2 絕緣基座

在環(huán)氧樹(shù)脂的電樹(shù)枝試驗(yàn)中，采用如圖4所示的絕緣基座。兩塊試驗(yàn)臺(tái)采用聚四氟乙烯材料，通過(guò)耐高溫粘膠固定在絕緣底板上。左側(cè)試驗(yàn)臺(tái)鉆槽，嵌入銅電極，銅電極與高壓電源相連。右側(cè)試驗(yàn)臺(tái)鉆槽，嵌入鋁電極，鋁電極與地相連，作為實(shí)驗(yàn)的地電極。針—板放電模型試樣嵌入右側(cè)試驗(yàn)臺(tái)，試樣的針電極插入銅電極右側(cè)沉孔中，擰緊螺絲使針電極與銅電極壓緊，針—板放電模型試樣底面涂導(dǎo)電膏與鋁電極連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)，絕緣基座浸在變壓器油中。每次實(shí)驗(yàn)完后擰松銅電極上的螺絲將針—板放電模型試樣的針電極從銅電極右側(cè)沉孔中取出，更換新試樣，擰緊銅電極上的螺絲即可進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。

圖4 絕緣基座

3 電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)

3.1 氣隙的產(chǎn)生

環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料中氣隙產(chǎn)生的原因主要有三方面。

a）設(shè)計(jì)原因，在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂澆注在金屬或者陶瓷等模具中，冷卻凝固時(shí)由于不同材料熱脹冷縮效應(yīng)的差異容易在界面處形成空隙。

b）熔融的環(huán)氧樹(shù)脂澆注液中含有的水分、空氣和揮發(fā)性物質(zhì)，如果在攪拌過(guò)程中不能全部揮發(fā)，在澆注時(shí)容易被封閉在澆注件內(nèi)部，就形成了氣孔。

c）在運(yùn)輸安裝過(guò)程中容易因?yàn)闄C(jī)械損傷和應(yīng)力集中造成缺陷而產(chǎn)生氣隙。氣隙的存在會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的機(jī)械強(qiáng)度和電氣絕緣性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3.2 氣隙對(duì)電樹(shù)枝的影響

圖5 完好的環(huán)氧樹(shù)脂中電樹(shù)枝發(fā)展照片

將制成的環(huán)氧樹(shù)脂針—板放電模型試樣的針電極向外抽出，使針電極和環(huán)氧樹(shù)脂之間產(chǎn)生氣隙，模擬設(shè)備絕緣材料中存在氣隙的情況。在15 kV工頻交流電壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，升壓采用步長(zhǎng)0.5 kV/s，每階段停留2 s，升壓到15 kV后保持電壓直到試樣擊穿。用顯微鏡記錄環(huán)氧樹(shù)脂試樣中電樹(shù)枝發(fā)展過(guò)程。完好的環(huán)氧樹(shù)脂中電樹(shù)枝發(fā)展照片如圖5所示；引入氣隙的環(huán)氧樹(shù)脂中電樹(shù)枝發(fā)展照片如圖6所示。

圖6 引入氣隙的環(huán)氧樹(shù)脂中電樹(shù)枝發(fā)展照片

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到，引入氣隙的環(huán)氧樹(shù)脂試樣中電樹(shù)枝產(chǎn)生的時(shí)間和從產(chǎn)生電樹(shù)枝到發(fā)生擊穿的時(shí)間明顯小于完好的環(huán)氧樹(shù)脂試樣，并且引入氣隙后電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度快，顏色較深，枝干粗大并旁支出多條分叉樹(shù)枝。

3.3 原因分析

氣隙的存在引起局部電場(chǎng)強(qiáng)度增大，引發(fā)局部放電，使絕緣缺陷逐漸增大，甚至發(fā)生絕緣擊穿。在電樹(shù)枝的發(fā)展初期，局部放電造成的熱效應(yīng)和化學(xué)腐蝕對(duì)絕緣材料產(chǎn)生破壞。當(dāng)氣隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生電子崩，并在通道兩端傳播，電子的速度比氣體電離后離子的速度快得多，受到介質(zhì)壓縮的影響，放電通道內(nèi)離子密度很大并產(chǎn)生了較大的熱量，使絕緣材料表面出現(xiàn)了局部熔化的現(xiàn)象。

在材料絕緣破壞的后期，放電通道內(nèi)氣體膨脹形成的機(jī)械應(yīng)力成為材料斷裂直至擊穿的主要破壞效應(yīng)。試樣施加交流電壓后，圍繞著針尖在垂直電場(chǎng)方向感生麥克斯韋應(yīng)力，當(dāng)針尖處的感生應(yīng)力超過(guò)某一限度時(shí)，在金屬電極和環(huán)氧樹(shù)脂的界面引起裂紋，從而逐漸擴(kuò)展成為可以產(chǎn)生局部放電的氣隙缺陷。氣隙裂紋的存在造成了針尖處的機(jī)械損傷和應(yīng)力集中，電子在裂紋中更容易得到加速，獲得足夠的能量后使聚合物鏈裂解，從而形成低分子產(chǎn)物和氣體，最終形成一個(gè)中空通道，加速電樹(shù)枝的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

在環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料的電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)中，氣隙的引入產(chǎn)生局部放電對(duì)絕緣性能的破壞加劇了材料的老化分解，因此，在電氣設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中要重視交接和預(yù)防性試驗(yàn)，加強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)消缺，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹(shù)枝化［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 俞翔霄，俞贊琪，陸惠英.環(huán)氧樹(shù)脂電絕緣材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］ 陳錚錚，程子霞，周遠(yuǎn)翔，等.氣泡及氣隙裂紋缺陷對(duì)硅橡膠電樹(shù)枝起始特性的影響［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（10）：2416-2420.

［4］ 蘆竹茂.環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料中的電樹(shù)枝研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.

The Influence of Air Gap on Electrical Tree Experiment of Epoxy Resin Insulation M aterial

LU Zhumao，WANG Tianzheng，YU Hua
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

This article introduces the fabricatingmethods of the insulating base and the needle-plate dischargemodel in epoxy electrical tree experiment，and analyses the influence ofair gap on electrical tree experiment.Combiningwith the experiment result，the failuremechanism ofairgap on insulation propertiesofepoxy resinmaterial isexpounded.

airgap；electrical tree；epoxy resin

TM215.1

A

1671-0320（2015）01-0017-03

2014-12-10，

2014-12-23

蘆竹茂（1988），男，山西文水人，2012年畢業(yè)于華北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專(zhuān)業(yè)，碩士，助理工程師，從事電氣設(shè)備的試驗(yàn)研究及技術(shù)監(jiān)督工作；

王天正（1965），男，山西應(yīng)縣人，1987年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，從事高電壓技術(shù)研究及電氣設(shè)備診斷分析工作；

俞 華（1980），男，江西東鄉(xiāng)人，2007年畢業(yè)于湖南大學(xué)電器專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事變電設(shè)備的試驗(yàn)研究及技術(shù)監(jiān)督工作。