王俊浩，李永軍，李小虎，劉井東，程泉棟，張世豪，張煒寬

（1.華北水利水電大學(xué) 鄭州 450045；2.中建七局 安裝工程有限公司 鄭州 450045）

0 引言

由于盆式絕緣子在氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，GIS）內(nèi)起到支撐各種器件、對(duì)不同電位的設(shè)備進(jìn)行隔離以及絕緣的作用，所以盆式絕緣子作為GIS 的重要絕緣結(jié)構(gòu)，其絕緣性能將直接決定GIS 的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性［1-2］。目前GIS 內(nèi)類(lèi)型常見(jiàn)的故障類(lèi)型主要是由盆式絕緣子的絕緣問(wèn)題引起的，因此提高盆式絕緣子的整體絕緣性能有助于保證GIS 安全可靠運(yùn)行。

現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂材料的絕緣性能和穩(wěn)定性能等方面提出了更高的要求，原有的環(huán)氧樹(shù)脂材料已無(wú)法滿足需求。并且GIS 內(nèi)盆式絕緣子在惡劣工況條件下產(chǎn)生絕緣失效的問(wèn)題仍存在［3］，因此專(zhuān)家們?cè)噲D從源頭上解決這些問(wèn)題。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，將無(wú)機(jī)微米、納米粒子添加到環(huán)氧樹(shù)脂中，可以從本質(zhì)上有效得地提升環(huán)氧樹(shù)脂材料的絕緣性能，能在一定程度上解決環(huán)氧樹(shù)脂材料在極端電場(chǎng)作用下存在的問(wèn)題。

Zhou［4］等學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在使用物理方法對(duì)微米Al2O3粒子進(jìn)行改性與環(huán)氧樹(shù)脂共混填充后，當(dāng)微米Al2O3粒子添加含量較高時(shí)，由于微米Al2O3粒子具有良好的熱傳導(dǎo)性能，能促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂的內(nèi)部熱量向外擴(kuò)散的過(guò)程，減小了因環(huán)氧樹(shù)脂熱老化等作用而對(duì)材料帶來(lái)的不良影響。龔瑾［5］等學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在低于10 kV/mm 的高壓直流電場(chǎng)作用下，微米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料能夠聚集空間電荷，且其聚集能力隨Al2O3含量的增多而增強(qiáng)，通過(guò)對(duì)材料發(fā)生老化前后的空間電荷分布進(jìn)行測(cè)量，表明微米Al2O3粒子的添加可以增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的抗老化能力。劉煦平［6］等學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)微/納米Al2O3粒子都能提高環(huán)氧樹(shù)脂材料的耐局部放電能力，而納米Al2O3粒子的提升效果優(yōu)于微米Al2O3粒子。復(fù)合材料的耐局部放電能力會(huì)隨著納米Al2O3粒子添加量的增加而逐漸增強(qiáng)；當(dāng)微米Al2O3粒子的添加量逐漸增加時(shí)，復(fù)合材料的耐局部放電能力呈先升高后降低的趨勢(shì)［7-8］。當(dāng)微米Al2O3粒子的添加量為40%時(shí)，微米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料耐局部放電的能力達(dá)到最大值［9-10］。

本文首先使用SolidWorks 建立盆式絕緣子的三維模型，使用Comsol 仿真軟件分別對(duì)完好以及有氣隙缺陷的盆式絕緣子模型施加110 kV、220 kV、330 kV 電壓，研究其內(nèi)部電勢(shì)及場(chǎng)強(qiáng)分布；之后，向環(huán)氧樹(shù)脂顆粒內(nèi)填充不同含量的納米Al2O3，制備納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，測(cè)量不同填充比例下的復(fù)合材料絕緣特性參數(shù)。最終得到納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的最優(yōu)填充比例，為提升環(huán)氧樹(shù)脂材料絕緣特性提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 復(fù)合材料試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備為：CY 5824 CI（CH）［11-12］｛雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙二醇（增韌劑）｝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CY）、HY 5824 CI（CH）｛甲基四氫基鄰苯二甲酸酐（固化劑）｝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)HY）、硅烷偶聯(lián)劑KH550、球狀納米Al2O3粒子、DF-101S 型磁力攪拌器、KQ-500DE 型超聲分散機(jī)、DZF-6050 真空干燥箱、聚四氟乙烯模具。

1.2 試樣制備及填充比例

試樣制備流程如下所示，納米粒子摻雜量如表1 所示。

表1 納米粒子摻雜含量Tab.1 Nanoparticle doping content

（1）加入環(huán)氧樹(shù)脂，在60 ℃下磁力攪拌10 min，去除環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)多余水分及氣隙；

（2）加入固化劑及接枝處理后的納米Al2O3在40 ℃下磁力攪拌30 min；

（3）40 ℃下超聲分散30 min，使納米粒子在環(huán)氧基體內(nèi)達(dá)到均勻分散；

（4）60 ℃下真空抽氣20 min，除去攪拌過(guò)程中混入環(huán)氧基體內(nèi)的空氣，降低固化過(guò)程中產(chǎn)生氣隙類(lèi)缺陷的概率；

（5）模具80 ℃下預(yù)熱并均勻噴涂脫模劑，先按照80 ℃、2 h 制備，之后再120 ℃、2 h 的固化曲線進(jìn)行固化后脫模。

表1 所示為納米Al2O3粒子摻雜含量，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%及2.0%。通過(guò)向環(huán)氧樹(shù)脂顆粒內(nèi)填充不同含量的納米Al2O3，制備出納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，測(cè)量不同填充比例下的復(fù)合材料絕緣特性參數(shù)。圖1 和圖2 為試樣制備的反應(yīng)機(jī)理。

圖1 偶聯(lián)劑KH550 與Al2O3的接枝反應(yīng)Fig.1 Coupling agent KH550 and Al2O3 grafting reaction

圖2 環(huán)氧分子與接枝后的Al2O3的反應(yīng)機(jī)理Fig.2 The reaction mechanism of epoxy molecules and grafted Al2O3

圖1 所示為偶聯(lián)劑KH550 與納米Al2O3的接枝反應(yīng)方程式，其中左側(cè)第一個(gè)反應(yīng)物為偶聯(lián)劑KH550，左側(cè)第二個(gè)球狀分子為納米Al2O3分子示意圖；右側(cè)第一個(gè)生成物為偶聯(lián)劑接枝至納米Al2O3分子表面后的分子。圖2 所示為環(huán)氧分子與接枝后的納米Al2O3分子反應(yīng)方程，其中左側(cè)第一個(gè)反應(yīng)物為環(huán)氧分子，左側(cè)第二個(gè)反應(yīng)物為偶聯(lián)劑接枝至納米Al2O3分子表面后的分子；右側(cè)產(chǎn)物為環(huán)氧分子鏈通過(guò)化學(xué)鍵與納米Al2O3分子連接起來(lái)的大分子物質(zhì)。

2 盆式絕緣子電場(chǎng)仿真分析

2.1 盆式絕緣子三維模型搭建

使用SolidWorks 建模軟件建立了兩種盆式絕緣子的三維模型，分別是完整的盆式絕緣子模型和含有氣隙缺陷的盆式絕緣子模型，如圖3 所示。設(shè)置氣隙缺陷的半徑為1 mm，并分別調(diào)整其位置在絕緣子靠近軸心處和絕緣子內(nèi)部。

圖3 盆式絕緣子三維模型Fig.3 Three-dimensional model of basin insulator

在模型中引入氣隙缺陷是因?yàn)榕枋浇^緣子在制作過(guò)程中由于工藝的差異的可能會(huì)產(chǎn)生氣隙類(lèi)缺陷，原因主要分為兩種。一是在攪拌過(guò)程中帶入的空氣或是由于攪拌速度過(guò)快，環(huán)氧液體產(chǎn)生“空泡效應(yīng)”而產(chǎn)生的氣泡；二是在固化反應(yīng)過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂體系中的微小氣泡（或溶解在環(huán)氧樹(shù)脂中的氣體物質(zhì)）受熱膨脹（同時(shí)氣體與環(huán)氧體系不再相容）會(huì)發(fā)生遷移從而聚合在一起形成較大的氣泡。

2.2 電場(chǎng)仿真設(shè)置

在Comsol 軟件中建立盆式絕緣子有限元分析模型，利用此模型對(duì)靜電作用下絕緣子電場(chǎng)變化進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最終得出對(duì)盆式絕緣子加壓時(shí)的電勢(shì)以及電場(chǎng)強(qiáng)度分布。物理場(chǎng)僅選擇一個(gè)靜電場(chǎng)，其中的公式為穩(wěn)態(tài)形式，最終結(jié)果也為穩(wěn)態(tài)形式［7-8］。物理場(chǎng)中的公式設(shè)置如下。

電荷守恒公式設(shè)置：

零電荷是指物質(zhì)表面的某個(gè)位置電勢(shì)為零，其可以起到?jīng)Q定電位離子濃度的作用。公式設(shè)置如下：

式中，n為固體某個(gè)位置的法向量，零電荷點(diǎn)處的法向量與電位移矢量點(diǎn)乘積為0，即兩向量相互垂直。

設(shè)置盆式絕緣子各個(gè)部位的初始值均為0 V。在中間嵌件處分別施加110 kV、220 kV、330 kV 電壓，在盆式絕緣子的底部邊界設(shè)置為接地邊界，進(jìn)行接地處理。最后根據(jù)靜電場(chǎng)的作用對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格的原理是將物體連續(xù)分割成許多小物體，并把每一個(gè)分割的部分進(jìn)行線性化，即這個(gè)部分的數(shù)值均相等，結(jié)果是將立體上分布的連續(xù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為離散數(shù)值。當(dāng)分割物體的數(shù)量達(dá)到無(wú)窮大時(shí)，由網(wǎng)格法得到的結(jié)果與真實(shí)值相等。網(wǎng)格法可以有效地減少軟件的運(yùn)算量，同時(shí)保證網(wǎng)格劃分的合理性，即可使最終結(jié)果接近真實(shí)值，誤差較小。

2.3 仿真結(jié)果分析

正常盆式絕緣子模型仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。由圖可知，從中間嵌件位置到接地邊界處，兩個(gè)分布的數(shù)值均呈遞減的趨勢(shì)。而在中間嵌件與環(huán)氧樹(shù)脂澆注件的連接處電勢(shì)以及電場(chǎng)強(qiáng)度均較大，尤其是連接處與空氣接觸的部分，由于此處會(huì)發(fā)生電荷聚集情況，產(chǎn)生畸變電場(chǎng)，易激發(fā)局部放電。根據(jù)仿真結(jié)果，在盆式絕緣子制造過(guò)程中可以改進(jìn)場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大處的制造工藝使其對(duì)電場(chǎng)更加耐受，或者在這些位置使用相對(duì)介電常數(shù)較大的材料，使電場(chǎng)分布更加均勻。

圖4 盆式絕緣子電勢(shì)分布Fig.4 Potential distribution of basin insulator

圖5 盆式絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.5 Electric field intensity distribution of basin insulator

2.4 含氣隙缺陷盆式絕緣子模型仿真結(jié)果

為了便于仿真計(jì)算與分析，由于盆式絕緣子為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)以絕緣子整體軸截面的1/2 為研究對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算［9］。對(duì)截取的部分在其內(nèi)部設(shè)置一個(gè)氣隙缺陷，觀察僅當(dāng)氣隙缺陷存在的位置不同時(shí)，盆式絕緣子的電勢(shì)及電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。材料參數(shù)設(shè)置及電場(chǎng)設(shè)置與無(wú)氣隙缺陷時(shí)相同，氣隙缺陷處的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為1。氣隙缺陷在邊界處的仿真結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 氣隙缺陷在邊界處的電勢(shì)分布Fig.6 Electric potential distribution of bubble defect at the boundary

圖7 氣隙缺陷在邊界處的場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.7 Field intensity distribution of bubble defect at the boundary

由圖6 和圖7 可知，氣隙缺陷在邊界處的電勢(shì)分布從中間嵌件到法蘭處呈逐漸減小的趨勢(shì)，場(chǎng)強(qiáng)分布為環(huán)氧樹(shù)脂材料澆注件與其他部位的連接處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，澆注件的電場(chǎng)強(qiáng)度比較小，中間的電場(chǎng)強(qiáng)度最小。在電壓突變的位置，即加壓與接地位置處電場(chǎng)突變時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度較大。

僅改變氣隙缺陷位置，由原來(lái)的邊界向中間移動(dòng)。仿真過(guò)程設(shè)置仍然保持不變，可得氣隙缺陷在中間處的仿真結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

由圖8 和圖9 可知，氣隙缺陷在中間處的電勢(shì)分布與電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況與氣隙缺陷在邊界處的相似。但是，以電壓等級(jí)為220 kV 為例，氣隙位置在邊界時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為8.52×107V/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣隙在中間時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為6.86×107V/m。這是因?yàn)闅庀堕g隙對(duì)電場(chǎng)的畸變作用，導(dǎo)致氣隙位置在邊界時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度比氣隙在中間時(shí)更大。

圖8 氣隙缺陷在中間處的電勢(shì)分布Fig.8 Potential distribution of bubble defect in the middle

圖9 氣隙缺陷在中間處的場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.9 The field intensity distribution of the bubble defect in the middle

這個(gè)仿真部分主要對(duì)盆式絕緣子內(nèi)部存在不同位置氣隙缺陷時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。當(dāng)缺陷的形狀大小相同時(shí)，對(duì)場(chǎng)強(qiáng)畸變的主要影響因素表現(xiàn)為缺陷的位置，并且若盆式絕緣子內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度較大的位置存在氣隙缺陷時(shí)，電場(chǎng)畸變比較容易達(dá)到空氣電離所需的電場(chǎng)強(qiáng)度（3 kV/mm）。

3 復(fù)合材料介電性能測(cè)試

3.1 復(fù)合材料介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果

復(fù)合材料介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合樣板的介電常數(shù)均低于純環(huán)氧樹(shù)脂試樣，納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)隨著納米Al2O3粒子摻雜含量的增加呈先降低再升高的趨勢(shì)。當(dāng)納米Al2O3粒子摻雜含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.5%時(shí)，復(fù)合樣板各項(xiàng)介電性能均為最佳，介電常數(shù)減小了17.1%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因：一是在納米粒子含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0%～1.5%時(shí)，納米Al2O3能夠在環(huán)氧樹(shù)脂中均勻分布，使復(fù)合材料交聯(lián)密度大幅增加，分子間作用更加緊密；二是當(dāng)納米粒子含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到1.5%～2%及2%以上時(shí)，由于納米粒子含量增加，分子間出現(xiàn)團(tuán)聚，導(dǎo)致界面層發(fā)生重疊，使界面效應(yīng)減弱，進(jìn)而使介電常數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)［10］。

圖10 改性前后復(fù)合材料介電性能變化趨勢(shì)圖Fig.10 Trend chart of dielectric properties of composite materials before and after modification

3.2 復(fù)合材料介質(zhì)損耗角正切值測(cè)量結(jié)果

復(fù)合材料介質(zhì)損耗角正切值測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11 可知，納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合樣板的介質(zhì)損耗角正切值均低于純環(huán)氧樹(shù)脂試樣，納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的介質(zhì)損耗角正切值隨著納米Al2O3粒子摻雜含量的增加呈先降低再升高的趨勢(shì)。當(dāng)納米Al2O3粒子摻雜含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.5%時(shí)，復(fù)合樣板損耗性能為最佳，介質(zhì)損耗角正切值減小了47.6%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因：一是在納米粒子含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0%～1.5%時(shí)，納米Al2O3能夠在環(huán)氧樹(shù)脂中均勻分布，使復(fù)合材料交聯(lián)密度大幅增加，分子間作用更加緊密，泄漏電流減少，從而使電導(dǎo)損耗減少；二是當(dāng)納米粒子含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.5%～2%及2%以上時(shí)，由于納米粒子含量增加，分子間出現(xiàn)團(tuán)聚，導(dǎo)致界面層發(fā)生重疊，使界面效應(yīng)減弱，進(jìn)而使介電常數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，極化損耗增大，從而導(dǎo)致介質(zhì)損耗增加。

圖11 改性前后復(fù)合材料tanδ 變化表趨勢(shì)Fig.11 Trend of tanδ change table of composite materials before and after modification

4 結(jié)論

（1）由仿真結(jié)果可知，在中間嵌件與環(huán)氧樹(shù)脂澆注件的連接處電勢(shì)以及電場(chǎng)強(qiáng)度均較大，尤其是連接處與空氣接觸部分，由于此處較尖銳，會(huì)發(fā)生電荷聚集情況，使得這個(gè)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致材料的老化過(guò)程加速。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以根據(jù)此仿真結(jié)果對(duì)不同材料交界的邊角處處理的更加光滑或使用電導(dǎo)率較大的絕緣材料，促進(jìn)電荷的遷移，從而實(shí)現(xiàn)弱化電場(chǎng)畸變程度的目的。

（2）向純環(huán)氧樹(shù)脂材料中添加經(jīng)過(guò)改性的納米氧化鋁粒子可以有效地提升其絕緣性能。當(dāng)納米Al2O3粒子填充含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.5%時(shí)，復(fù)合試樣的相對(duì)介電常數(shù)、介損值相較于純環(huán)氧樹(shù)脂均顯著降低，其中介電常數(shù)減小了17.1%，介質(zhì)損耗角正切值減小了47.6%。由此可知，所提方法顯著增強(qiáng)了環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的介電性能，可使絕緣壽命得到提升。