李泉浩， 張大寧， 王謙， 任志剛， 吳明， 張冠軍

(1.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049； 2.國(guó)網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075)

0 引 言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，SF6氣體絕緣變壓器(gas insulated transformer，GIT)由于卓越的不可燃性廣泛應(yīng)用于大中城市地下變電站、商業(yè)中心和醫(yī)院等人口密集區(qū)域。依據(jù)Markets and Markets報(bào)告[1]，從2016年到2023年，氣體變壓器年復(fù)合增長(zhǎng)率為4.61%，未來老舊氣體變壓器將日益增多，發(fā)生故障的概率大幅提升。氣體變壓器主要應(yīng)用于人口密集的中心城鎮(zhèn)區(qū)域，一旦出現(xiàn)生產(chǎn)事故，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)與財(cái)產(chǎn)損失，甚至?xí)?dǎo)致區(qū)域停電風(fēng)險(xiǎn)。

氣體絕緣變壓器使用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，由于在潮濕的環(huán)境下，氣固復(fù)合絕緣的性能會(huì)大幅下降，因此采用吸水性較差的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯[2](polyethylene terephthalate，PET)作為其繞組絕緣。

SF6氣體絕緣變壓器中的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)采用PET材料包裹繞組，絕緣紙材料作為絕緣隔板以及撐條，聚四氟乙烯為繞組墊片作為匝間絕緣，因此SF6氣體絕緣變壓器中的內(nèi)部絕緣為PET薄膜、絕緣紙、聚四氟乙烯以及SF6氣體構(gòu)成的氣固復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)[3]。而在復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中，PET薄膜作為繞組絕緣有著至關(guān)重要的作用。在變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，繞組部位溫度很高，PET材料應(yīng)用環(huán)境最為惡劣，承受著很高的熱應(yīng)力與電應(yīng)力。因此，準(zhǔn)確有效的評(píng)估SF6氣體絕緣變壓器中繞組絕緣PET薄膜材料的老化狀態(tài)具有重要的工程意義。

SF6氣體變壓器現(xiàn)有的檢測(cè)手段主要包括紅外測(cè)溫成像、繞組與氣體溫度、超聲局放檢測(cè)、介損、電容量、絕緣電阻、外觀巡檢和氣體成分檢測(cè)等等[4-5]?，F(xiàn)有的檢測(cè)手段難以定量評(píng)估GIT老化程度，不夠靈敏有效，很難準(zhǔn)確的反應(yīng)SF6氣體絕緣變壓器內(nèi)部絕緣的狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)聚酯材料不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)其絕緣老化特性進(jìn)行了一系列的研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者趙義焜[6]針對(duì)PET薄膜、Nomex絕緣紙等材料，分析了放電間距對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律，并對(duì)高頻沿面放電下材料的沿面絕緣特性進(jìn)行評(píng)估；李茜茜[7]針對(duì)PET材料在光伏背板的應(yīng)用，對(duì)PET薄膜進(jìn)行濕熱老化與光氧老化，并分別測(cè)量不同老化時(shí)間聚酯薄膜的張力與拉伸強(qiáng)度等；辛喆[8]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，研究高溫高場(chǎng)強(qiáng)PET材料的裂解過程以及絕緣失效的微觀機(jī)理。國(guó)外學(xué)者M(jìn)orel JF[9]等研究了熱老化引起的PET的結(jié)構(gòu)變化，測(cè)量了其結(jié)晶度、芳香環(huán)取向和斷裂伸長(zhǎng)率的變化；Buxbaum[10]研究了PET分子可能發(fā)生的自由基降解反應(yīng)過程，總結(jié)了PET降解反應(yīng)可能進(jìn)行的幾種方向；Sammon C[11]通過紅外光譜表征了PET薄膜發(fā)生濕熱老化過程中，分子鏈發(fā)生水解引起的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化?？梢钥吹?，目前針對(duì)PET材料老化的研究大多局限于材料在在食品包裝、光伏背板等場(chǎng)景應(yīng)用，關(guān)于PET材料在SF6氣體絕緣變壓器中應(yīng)用的研究鮮有報(bào)道。

本文在借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)變壓器絕緣老化研究所提供的理論與方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)聚酯薄膜材料在SF6氣體絕緣變壓器中的應(yīng)用，模擬實(shí)際運(yùn)行的SF6變壓器環(huán)境，在SF6氣體氛圍中對(duì)聚酯薄膜進(jìn)行加速熱老化處理，并分別檢測(cè)不同老化時(shí)間下聚酯薄膜材料的頻域介電譜(frequency domain dielectric spectrum，F(xiàn)DS)、拉伸性能、差示掃描量熱特性(differential scanning calorimetry，DSC)以及近紅外光譜(near infrared spectrum，NIRS)特性，探究在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的氣體變壓器中絕緣材料性能的變化特征，進(jìn)一步建立有效的狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料選擇與預(yù)處理

研究采用6020型雙軸平面拉伸PET薄膜，其厚度為0.05 mm，將薄膜裁剪成100 mm×100 mm的正方形作為熱老化以及其他測(cè)試實(shí)驗(yàn)的試樣，樣品數(shù)量充足。加速熱老化實(shí)驗(yàn)前將式樣放入真空烘箱中，在90 ℃下干燥24 h。圖1為PET化學(xué)結(jié)構(gòu)式。

圖1 PET化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure formula of PET

1.2 加速熱老化實(shí)驗(yàn)

PET薄膜加速熱老化實(shí)驗(yàn)是參考GB/T 11026-2003進(jìn)行，選定150 ℃為老化溫度，老化時(shí)間設(shè)置為96、192、288、384 h。實(shí)驗(yàn)所采用的容器為不銹鋼腔體，可以承受0.4 MPa壓強(qiáng)，密閉性良好。為了模擬變壓器的運(yùn)行環(huán)境，在放入干燥處理的試樣后，在常溫下向腔體中充入0.14 MPa SF6氣體，溫度在150 ℃時(shí)腔體達(dá)到0.2 MPa的氣壓。由于變壓器實(shí)際運(yùn)行中微水含量較少，控制水分含量為8 μg/g以下。

1.3 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1)差式掃描量熱檢測(cè)。

DSC測(cè)量?jī)x器選用瑞士METTLER TOLEDO 公司生產(chǎn)的Mettler DSC 822e型差式掃描量熱儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)稱取7～9 mg PET材料，保證樣品質(zhì)量接近。DSC實(shí)驗(yàn)在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行，氣體流速為50 mL/min，測(cè)試溫度為50～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2)拉伸測(cè)試。

本測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13542.2-2009中拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試方法進(jìn)行，拉伸速率為10 mm/min，每組試樣測(cè)量3組，組內(nèi)誤差小于1%時(shí)記為有效測(cè)量結(jié)果，最終結(jié)果取平均值。

3)近紅外光譜測(cè)試。

采用近紅外光譜儀對(duì)不同老化程度的PET薄膜材料進(jìn)行測(cè)量。由于PET薄膜透光度較好，在測(cè)量時(shí)為了結(jié)果對(duì)比更加明顯，將8層PET薄膜重疊后再測(cè)量。實(shí)驗(yàn)儀器使用NIR-DP10A型近紅外光譜儀，包括光譜檢測(cè)器(含10 m光纖)、近紅外光源和安裝有對(duì)應(yīng)采集軟件的筆記本電腦。

4)頻域介電譜測(cè)量。

依據(jù)GB/T 1410-2006中規(guī)定的測(cè)試電極，介電測(cè)試采用三電極結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 介電響應(yīng)測(cè)試電極Fig.2 Dielectric response test electrodes

將不同老化程度的PET薄膜加裝電極進(jìn)行介電響應(yīng)，介電響應(yīng)測(cè)試平臺(tái)中，F(xiàn)DS測(cè)試儀器采用歐米克朗公司生產(chǎn)的DIRANA。

2 理化試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣表面形貌

圖3為不同老化時(shí)間下PET薄膜的對(duì)比照片，每組照片從左到右分別為0、96、192、288、384 h的試樣。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，隨著老化的加深，試樣顏色由透明逐漸變白，再到顏色略微發(fā)黃，試樣表面出現(xiàn)顆粒狀物質(zhì)。

圖3 不同老化程度PET薄膜表面形貌Fig.3 Surface morphology of PET films with different degrees of aging

2.2 DSC試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為DSC分析不同老化時(shí)間試樣的熔融曲線。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著老化程度的加深，熔融峰略微向右移動(dòng)，說明隨著老化程度的增加，熔融溫度略有增大，這是由于老化導(dǎo)致生產(chǎn)過程中的殘留的未完全生長(zhǎng)的球晶更加完善[12]，使晶球尺寸更加均一化，導(dǎo)致熔融溫度上升。

查閱資料得到100%結(jié)晶PET熔融焓為129 J/g。根據(jù)熔融曲線計(jì)算得到熔融焓與結(jié)晶度，結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著老化程度的增加，PET的結(jié)晶度先增大后減小，并在老化192 h時(shí)達(dá)到結(jié)晶度最大值。這是由于在老化前期，PET在重結(jié)晶的作用下，分子鏈運(yùn)動(dòng)并趨向于規(guī)則排布，使得微觀結(jié)構(gòu)趨于完整，導(dǎo)致PET材料中球晶生長(zhǎng)，使得晶區(qū)擴(kuò)大，結(jié)晶度增高。而到了老化后期，在高溫的作用下，材料的分子鏈斷裂，對(duì)晶區(qū)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致材料的結(jié)晶度減小。由于實(shí)驗(yàn)在SF6氣體氛圍中進(jìn)行，處于無氧無水的高溫環(huán)境，材料的結(jié)晶度出現(xiàn)最大值的時(shí)間較晚。

圖4 不同老化時(shí)間試樣熔融曲線Fig.4 Melting curves of samples at different aging times

表1 不同老化時(shí)間下PET薄膜熔融焓與結(jié)晶度的變化

2.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為雙軸平面拉伸PET薄膜隨著老化時(shí)間的升高時(shí)其拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率的變化。

表2 不同老化時(shí)間PET拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化

由表2可知，隨著PET薄膜老化時(shí)間的增大，拉伸強(qiáng)度逐漸減小，由106.72 MPa減小到97.99 MPa。在老化前期斷裂伸長(zhǎng)率增大，在96 h時(shí)達(dá)到65.98%。隨著老化程度的加深，斷裂伸長(zhǎng)率驟減。這是由于老化初期PET材料的重結(jié)晶作用，使得材料中的結(jié)晶度增大，一定程度上改善材料的韌性，因此材料的斷裂伸長(zhǎng)率增大。而到了老化后期，材料的晶區(qū)被破壞，PET試樣的缺陷增多，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率下降，直至老化384 h時(shí)，材料的斷裂伸長(zhǎng)率減小到4.26%。

以圖5中對(duì)照組曲線為例，a點(diǎn)之前的拉伸過程為彈性變形階段，這個(gè)階段在卸除力之后，材料會(huì)沿原曲線回到原點(diǎn)；ab段為微塑性形變階段，此階段內(nèi)出現(xiàn)低能量的位錯(cuò)；bc段為屈服階段，這個(gè)階段應(yīng)力出現(xiàn)輕微的下降，此階段認(rèn)為是作用力達(dá)到臨界切應(yīng)力，使得晶區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)滑移；c段之后塑性應(yīng)變硬化階段，此階段是由于應(yīng)力作用在晶區(qū)，導(dǎo)致晶區(qū)內(nèi)部的分子鏈出現(xiàn)滑移延展的過程。

圖5 PET薄膜對(duì)照組拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curve of PET film

圖6為不同老化時(shí)間PET薄膜的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖可以看出，應(yīng)變最大值出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。應(yīng)力最大值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中對(duì)照組與老化96 h的應(yīng)力峰值相差不大。值得注意的是，隨著老化時(shí)間的增加，材料的屈服點(diǎn)的應(yīng)力值逐漸增大，并且屈服之后的應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。對(duì)照組材料的屈服后的曲線斜率最大，而老化288 h的材料屈服后的曲線斜率為負(fù)值。屈服點(diǎn)的應(yīng)力增加是由于材料老化前期結(jié)晶度增大，晶區(qū)變大使得臨界切應(yīng)力增大所致。屈服后應(yīng)力曲線斜率減小是由于老化導(dǎo)致材料的缺陷增多，拉伸時(shí)缺陷空洞微裂紋等擴(kuò)展連接成裂紋[13-14]，試驗(yàn)表面出現(xiàn)縮頸變形，截面積變小，導(dǎo)致拉伸到相同長(zhǎng)度時(shí)的拉力變小。

圖6 不同老化時(shí)間PET拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile stress-strain curves for PET films with different aging times

2.4 近紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為不同老化時(shí)間的PET在1 200～1 900 nm波段的近外光譜圖。可以看見，隨著老化時(shí)間的增大，曲線的吸光度整體減小，老化后位于1 550 nm附近的峰減小幅度較大。對(duì)照組與384 h老化時(shí)間的譜圖與其他譜圖區(qū)別較大，96～288 h老化PET薄膜的譜圖差別較小。為了對(duì)不同老化程度的譜圖進(jìn)行區(qū)分識(shí)別，選取不同波段的譜圖作為特征量。由圖7可得，譜圖在1 300～1 350、1 400～1 450、1 550～1 560、1 750～1 800 nm范圍內(nèi)的譜圖具有較為明顯的特征。因此可以采用以上波段的波峰值、波谷值等將不同老化程度的材料區(qū)分開來。

圖7 不同老化時(shí)間PET薄膜的近紅外光譜圖Fig.7 NIR spectra of PET films at different aging times

由于提取的光譜圖特征量較多，因此采用線性判別分析(linear discriminant analysis algorithm，LDA)算法進(jìn)行降維處理。LDA算法是一種帶有分類特征標(biāo)簽的降維方法，由Belhumeur.P.N等人率先提出[15]，其基本思想為將數(shù)據(jù)從高維特征空間投影到低維特征空間時(shí)，同類數(shù)據(jù)盡可能投影在一起，而不同類數(shù)據(jù)盡可能分散。LDA算法可以將不同類別的信息包含在內(nèi)，最終得到的投影方向是Fisher準(zhǔn)則函數(shù)達(dá)到極值時(shí)的向量方向，在該方向上投影可以使類內(nèi)方差最小，類間方差最大的效果[16]。Fisher準(zhǔn)則函數(shù)為

(1)

式中：Sb為類間散度矩陣；Sw為類內(nèi)散度矩陣；w為空間的一個(gè)投影矩陣。

試驗(yàn)分別對(duì)200個(gè)樣本8個(gè)特征參量進(jìn)行LDA分析處理，將特征參量維度降為二維，并將降維后的兩個(gè)特征參量作為坐標(biāo)軸，得到樣本集的散點(diǎn)圖。由于老化192 h與288 h的樣本特征參量結(jié)果差距較小，因此將兩組樣本并為一組進(jìn)行分析，最終得到圖8所示樣本集的散點(diǎn)圖。

圖8 不同老化時(shí)間PET樣本集散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of PET samples at different aging times

由圖8可知，相同老化時(shí)間的PET樣本聚集在一起，可以通過不同樣本距離中心的坐標(biāo)判斷樣本的老化時(shí)間。但發(fā)現(xiàn)老化192～288 h的樣本特征量難以區(qū)分，這是由于老化進(jìn)行到192～288 h時(shí)，結(jié)晶度出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，192～288 h的PET材料結(jié)晶度差距不大，對(duì)樣本本身的吸光度影響較小，導(dǎo)致近紅外光譜樣本集散點(diǎn)圖無法區(qū)分。

3 頻域介電譜測(cè)量結(jié)果分析

通過測(cè)量在150 ℃下老化0、96、192、288 h和384 h的PET薄膜的頻域介電譜，得到以下介電譜隨老化時(shí)間的變化情況及規(guī)律。

3.1 不同老化程度PET頻域介電譜測(cè)量結(jié)果

隨著老化的進(jìn)行，PET材料分子鏈的運(yùn)動(dòng)、重組、斷裂均會(huì)對(duì)頻域介電譜產(chǎn)生影響。不同老化程度的PET材料的頻域介電譜測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 0.5 μm PET介電譜隨老化時(shí)間變化(60 ℃)Fig.9 Variation of dielectric spectrum with aging time for 0.5 μm PET at 60 ℃ measurement temperature

由圖9可得，在老化的前期，老化96 h和192 h時(shí)，中頻段介電損耗出現(xiàn)減小，而在老化時(shí)間達(dá)到288 h與384 h時(shí)，介電損耗出現(xiàn)增大。這是由于老化過程中物理老化與化學(xué)老化共同作用的結(jié)果[17]。在老化前期，物理老化為主要影響因素，隨著溫度的升高，在高分子鏈段運(yùn)動(dòng)的作用下，PET分子鏈的自由體積減小，結(jié)晶度增大，造成材料中偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)能力減少，取向極化的難度增大，對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)減少，導(dǎo)致介電損耗減少。而在老化后期，化學(xué)老化成為主要影響因素。溫度升高導(dǎo)致高分子材料出現(xiàn)斷裂支化，大分子分解形成小的分子集團(tuán)，極性分子增加，取向極化導(dǎo)致?lián)p耗變大，介電損耗曲線整體上升。

因此，PET材料的介電損耗tanδ隨著老化程度增加先減小后增大，若直接采用介電損耗tanδ對(duì)聚酯絕緣材料的絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，可能會(huì)導(dǎo)致誤判。采用Havriliak-Negami弛豫模型(H-N模型)對(duì)介電譜曲線擬合后，選取合適的模型參數(shù)評(píng)估PET材料的老化狀態(tài)。

3.2 老化程度對(duì)H-N模型參數(shù)的影響

介電譜測(cè)量溫度為60 ℃，此溫度下處于與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相關(guān)的α松弛過程階段[18]，α松弛過程中的頻域介電譜滿足H-N模型。為了對(duì)不同老化程度介電譜曲線進(jìn)行量化研究，采用Havriliak-Negami弛豫模型對(duì)頻域介電譜曲線進(jìn)行擬合處理。Havriliak-Negami方程是Havriliak和Negami為解釋高分子材料中的的介電弛豫和機(jī)械弛豫而提出一個(gè)更加普遍的模型函數(shù)，其表達(dá)式為

(2)

式中：τ為弛豫時(shí)間常數(shù)；j為單位虛數(shù)；εs和ε∞分別表示靜態(tài)介電常數(shù)與光頻介電常數(shù)，α、β是與弛豫時(shí)間相關(guān)的形狀參數(shù)，0≤α≤1，0≤β≤1。

從圖9中可以看出在1～10 Hz和100～1 000 Hz有兩個(gè)典型的弛豫過程，但在0.01～0.1 Hz頻段，介電損耗曲線似乎存在一個(gè)新的弛豫過程。由于僅僅通過介電損耗曲線無法明顯的判斷弛豫過程的個(gè)數(shù)，因此采用一種衍生對(duì)導(dǎo)數(shù)法[19]，即采用ε′對(duì)角頻率的對(duì)數(shù)(lnω)求導(dǎo)并除以ε′，從而排除直流電導(dǎo)的影響，將相對(duì)介電常數(shù)臺(tái)階轉(zhuǎn)化為介電松弛峰形式。衍生對(duì)導(dǎo)數(shù)法公式為

(3)

首先采用三次樣條插值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和平滑度，處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同老化時(shí)間PET薄膜的ε′對(duì)導(dǎo)數(shù)處理結(jié)果Fig.10 Derivative results on real part ε′ of FDS of PET materials with different aging times

從圖10中可以看出，PET薄膜在從0.001～5 000 Hz時(shí)大致存在3個(gè)弛豫過程，一個(gè)在0.01 Hz左右，記為1號(hào)弛豫峰，第2個(gè)在20 Hz左右，記為2號(hào)弛豫峰，第3個(gè)在1 000 Hz左右，記為3號(hào)弛豫峰，因此對(duì)PET材料介電譜擬合需要考慮3個(gè)弛豫過程。此時(shí)H-N模型為

(4)

通過采用粒子群數(shù)值擬合算法，分別對(duì)不同老化時(shí)間下PET材料介電譜曲線進(jìn)行擬合處理，模型參數(shù)列于表3中，以老化處理96 h的PET材料為例，其擬合效果如圖11所示。

通過H-N模型擬合，分別得到不同弛豫峰的參數(shù)以及電導(dǎo)的變化過程，由圖11和表3擬合結(jié)果可得以下結(jié)論。隨著老化的進(jìn)行，1號(hào)弛豫過程的τ1出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，弛豫峰向頻率小的方向移動(dòng)，其幅值先增大后減小。隨著老化程度的加深，2號(hào)弛豫過程的τ2處于0.2 s附近波動(dòng)，呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但幅值較未老化時(shí)相比減小。隨著老化時(shí)間增加，3號(hào)弛豫過程中弛豫時(shí)間τ3基本不變，但幅值先減小后增大。電導(dǎo)率隨著老化時(shí)間的增大，出現(xiàn)先減小后增大的情況。PET材料為半結(jié)晶聚合物，在老化前期，物理老化為主要影響因素，增大了結(jié)晶度；而在老化后期，在化學(xué)老化的作用下，其晶區(qū)反而會(huì)受到破壞，分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂，因此其結(jié)晶度會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的狀況[20]，導(dǎo)致其介電常數(shù)發(fā)生變化。通常認(rèn)為PET材料的位于0.01 Hz附近的低頻域弛豫峰來自α極化，α極化主要是與聚合物主鏈擺動(dòng)有關(guān)；發(fā)生在20 Hz以及1 000 Hz附近的弛豫峰是由于偶極子性質(zhì)的影響，即位于結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)偶極子性質(zhì)的差別。在老化之后，結(jié)晶度整體增大使偶極子的轉(zhuǎn)向能力減弱，因此τ2和τ3對(duì)應(yīng)的弛豫過程中，其幅值出現(xiàn)減小。結(jié)晶度增大導(dǎo)致電導(dǎo)活化能升高，使得載流子遷移過勢(shì)壘的高度變大，在老化初期載流子躍遷更難進(jìn)行，而老化后期結(jié)晶度減小使得載流子躍遷能力變強(qiáng)，因此電導(dǎo)出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。

圖11 老化96 h PET薄膜頻域介電譜H-N模型擬合結(jié)果Fig.11 H-N model fitting results of frequency domain dielectric spectrum of aged 96 h PET films

表3 不同老化時(shí)間下PET薄膜復(fù)介電常數(shù)H-N模型參數(shù)

為了評(píng)估變壓器老化狀態(tài)，需要選用合適的特征參量。擬合后發(fā)現(xiàn)Δε1隨著老化的加深先增大后減小，Δε2、Δε3和δ0/ε0隨著老化的加深先減小后增大，而τ3隨老化程度變化規(guī)律不明顯，因此選用以上參數(shù)作為典型特征參量會(huì)導(dǎo)致誤判；而τ1和τ2隨著PET材料的老化呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，所以選用τ1和τ2作為典型特征參量評(píng)估變壓器老化狀態(tài)。

采用最小二乘法對(duì)老化時(shí)間和弛豫時(shí)間的τ1和τ2進(jìn)行擬合和數(shù)值計(jì)算，得到老化時(shí)間與τ1和τ2的經(jīng)驗(yàn)公式：

τ1=-8.258e-t/166.31+21.2399；

(5)

τ2=-0.078 4e-t/187.002+0.272 4。

(6)

式中：t為老化時(shí)間，單位為h；τ1和τ2為弛豫時(shí)間常數(shù)，其中擬合度r1=0.992，r2=0.977。由于所測(cè)數(shù)據(jù)量較少，后續(xù)通過增加測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。

圖12為τ1和τ2在歸一化處理后隨著老化程度加深的擬合曲線。

圖12 τ1和τ2歸一化處理后的隨老化時(shí)間變化Fig.12 Variation with aging time after normalized treatment of τ1 and τ2

3.3 多手段檢測(cè)綜合分析

通過采用以上不同手段對(duì)PET材料的老化特性進(jìn)行檢測(cè)，按照不同特征量的變化趨勢(shì)以及變化的幅度，對(duì)不同檢測(cè)方法評(píng)估PET材料老化程度的有效性定性的進(jìn)行歸納。

對(duì)不同老化程度的PET材料進(jìn)行理化試驗(yàn)以及FDS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)近紅外光譜、拉伸試驗(yàn)、DSC試驗(yàn)和FDS檢測(cè)可以一定程度上反應(yīng)PET材料的老化狀態(tài)。對(duì)于FDS檢測(cè)，由于PET材料的tanδ隨著老化先減小后增大，因此采用tanδ評(píng)估PET材料的老化狀態(tài)容易導(dǎo)致誤判。在采用H-N介電弛豫模型對(duì)介電譜進(jìn)行解譜后，發(fā)現(xiàn)可以使用位于0.01 Hz和20 Hz附近弛豫過程的弛豫時(shí)間τ1和τ2表征PET材料老化程度。在拉伸試驗(yàn)和DSC試驗(yàn)測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)聚酯薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率和結(jié)晶度隨著老化時(shí)間增加均出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，因此斷裂伸長(zhǎng)率和結(jié)晶度不適用于評(píng)估PET材料的老化程度；而拉伸強(qiáng)度和近紅外光譜所測(cè)得的吸光度隨著老化時(shí)間出現(xiàn)減小，因此可以采用拉伸強(qiáng)度和吸光度評(píng)估PET的老化特性。各檢測(cè)手段相關(guān)參量在歸一化后隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖13所示，并將不同檢測(cè)手段與PET材料老化程度的相關(guān)度在表4中列出。

表4 各檢測(cè)手段與PET材料老化程度的相關(guān)程度

圖13 特征參量歸一化后隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.13 Trend of the normalized feature parameters with aging time

4 結(jié) 論

對(duì)6020型PET薄膜在150 ℃下進(jìn)行加速熱老化處理，并進(jìn)行了FDS、DSC、拉伸以及近紅外光譜實(shí)驗(yàn)，獲得了電氣理化參量的演變規(guī)律，提取了典型特征量，為氣體變壓器的老化狀態(tài)評(píng)估提供了理論基礎(chǔ)，所得結(jié)論如下：

1)通過DSC檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)PET薄膜結(jié)晶度隨老化先增加后減小，并且老化前期重結(jié)晶導(dǎo)致PET薄膜表面顏色從透明到變白再到逐漸發(fā)黃。通過拉伸試驗(yàn)，PET薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率同樣出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，這是由于老化前期結(jié)晶度增大化導(dǎo)致的材料韌性的略微提高，PET材料拉伸強(qiáng)度逐漸減小。

2)采用近紅外光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量PET材料在不同波長(zhǎng)吸光度的變化，發(fā)現(xiàn)隨著老化的加深，其吸光度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。提取特征參量，并采用LDA算法進(jìn)行降維處理，可以區(qū)分不同老化時(shí)間的PET薄膜，因此近紅外光譜可以用于PET薄膜老化評(píng)估技術(shù)。

3)通過FDS試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其介電損耗隨著老化程度增大呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。采用H-N弛豫模型擬合處理后，介電譜3個(gè)不同頻段的弛豫峰隨著老化峰值與弛豫時(shí)間變化趨勢(shì)各不相同，電導(dǎo)率出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。最終選用τ1和τ2作為典型特征參量評(píng)估變壓器老化狀態(tài)，并通過擬合得到其經(jīng)驗(yàn)公式。

4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以采用頻域介電譜檢測(cè)中的弛豫時(shí)間τ1和τ2、近紅外光譜中的吸光度參量和拉伸強(qiáng)度可以較好的反應(yīng)PET材料的老化狀態(tài)，從而為SF6變壓器老化狀態(tài)評(píng)估奠定了理論基礎(chǔ)。