李 進(jìn) 趙仁勇,2 陳 允 李天輝 杜伯學(xué)

水分含量影響玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂電樹枝生長特性研究

李 進(jìn)1趙仁勇1,2陳 允1李天輝3杜伯學(xué)1

（1. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 天津 300072 2. 國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司 淄博 255032 3. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院 石家莊 050021）

絕緣拉桿是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）斷路器和隔離開關(guān)的關(guān)鍵部件，用于將運(yùn)動(dòng)從接地部分傳送到高電位部分，以實(shí)現(xiàn)電氣連接的通斷。但在出廠試驗(yàn)、運(yùn)輸和安裝過程中，絕緣拉桿容易吸收空氣中的水分，造成局部受潮，影響其絕緣可靠性。該文以GIS絕緣拉桿用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（GFRP）為對(duì)象，研究了水分含量對(duì)GFRP電樹枝生長特性的作用規(guī)律。結(jié)果表明，GFRP受潮后，電樹枝通道數(shù)量增多，生長速度先減小后增大，電樹枝會(huì)沿著垂直電場方向的界面發(fā)展。分析認(rèn)為GFRP中水分侵入會(huì)導(dǎo)致界面處產(chǎn)生離子交換，破壞界面化學(xué)鍵，加之界面處存在較大的濕失配應(yīng)力，造成界面脫粘、開裂等現(xiàn)象，降低界面的擊穿場強(qiáng)；同時(shí)水分會(huì)提高界面處相對(duì)介電常數(shù)，在工頻電壓下造成局部電場畸變，使電樹枝劣化加劇。

絕緣拉桿 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（GFRP） 電樹枝 水分含量

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、維護(hù)工作量小等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于超/特高壓輸變電系統(tǒng)[1-3]。絕緣拉桿是GIS中斷路器、隔離開關(guān)等本體單元和操動(dòng)機(jī)構(gòu)之間用于機(jī)械連接的傳動(dòng)部件，起著絕緣、操作開斷的作用[4]。絕緣拉桿在電氣操作過程中會(huì)承受很高的電場及機(jī)械載荷，并且合閘、分閘操作頻繁，是GIS絕緣系統(tǒng)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[5]。絕緣拉桿擊穿和炸裂的事故時(shí)有發(fā)生，且能觀察到內(nèi)部有樹枝狀放電通道，嚴(yán)重影響了GIS設(shè)備的安全運(yùn)行[6-7]。目前，絕緣拉桿一般采用真空壓力浸漬方法生產(chǎn)，制作完成后需要進(jìn)行外觀檢查、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)、工頻耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)等一系列型式試驗(yàn)，試驗(yàn)通過后經(jīng)運(yùn)輸并安裝到GIS設(shè)備中方可應(yīng)用[8]。在這些過程中，絕緣拉桿極有可能吸收空氣中的水分，造成局部受潮，導(dǎo)致絕緣拉桿帶“病”入網(wǎng)，影響電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin, GFRP）復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能優(yōu)異及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，成為制作絕緣拉桿的主絕緣材料之一。已有研究表明，GFRP中不僅強(qiáng)極性的環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin, EP）具有吸水性，其內(nèi)部存在大量的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂界面也會(huì)通過“毛細(xì)管效應(yīng)”吸收水分[11-12]。GFRP一旦暴露在潮濕環(huán)境中，水分子就會(huì)通過纖維-樹脂界面逐漸擴(kuò)散進(jìn)入GFRP內(nèi)部[13]。一方面，水分在界面處發(fā)生水解反應(yīng)，破壞纖維與樹脂之間的化學(xué)鍵，同時(shí)在吸水過程中，由于纖維與樹脂基體的吸濕膨脹系數(shù)不同，使得其界面處產(chǎn)生剪應(yīng)力，二者共同作用使界面易發(fā)生脫粘開裂[14-15]；另一方面，界面吸收了大量極性較高的水分子，在電場的作用下這些水分子會(huì)發(fā)生Maxwell-Wagner界面極化或偶極子極化，使得復(fù)合材料局部介電常數(shù)大幅度增加，導(dǎo)致GFRP內(nèi)部電場畸變程度進(jìn)一步加劇[16-17]。文獻(xiàn)[18]表明水分滲透到樹脂和纖維-樹脂界面內(nèi)部會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料中形成孔洞和裂紋，擊穿電壓隨處理時(shí)間的延長而降低。文獻(xiàn)[19]指出GFRP吸水后電導(dǎo)、極化損耗、局部放電等特征均會(huì)增大，玻璃纖維-環(huán)氧樹脂界面水解失效形成氣隙，在局部高場作用下引發(fā)電樹枝，并沿著界面生長。綜上所述，吸水受潮會(huì)影響GFRP復(fù)合材料的絕緣性能，然而目前水分影響下GFRP復(fù)合材料中電樹枝的生長特性和劣化機(jī)理尚不清楚。

因此，探究水分含量對(duì)GIS絕緣拉桿主絕緣材料GFRP中電樹枝生長的影響規(guī)律，揭示其絕緣劣化機(jī)理有助于充分認(rèn)識(shí)受潮所產(chǎn)生的危害，對(duì)改進(jìn)絕緣拉桿生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等過程中的防潮設(shè)計(jì)具有重要意義。本文以GIS絕緣拉桿用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為對(duì)象，研究了GFRP中水分含量與受潮處理時(shí)間的關(guān)系，獲得了水分含量對(duì)GFRP電樹枝生長特性的影響規(guī)律；并結(jié)合不同水分含量下GFRP的水解特性及環(huán)氧樹脂介電特性，從絕緣劣化和電場分布角度闡釋了水分對(duì)GFRP電樹枝生長特性作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所需的環(huán)氧樹脂、酸酐固化劑、固化促進(jìn)劑和無堿玻璃纖維布均由泰開集團(tuán)有限公司提供。玻璃纖維經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理，用來提高與環(huán)氧樹脂間的界面相容性。采用針-板電極系統(tǒng)模擬實(shí)際絕緣拉桿中出現(xiàn)的由雜質(zhì)、氣隙、分層等缺陷引起的局部電場強(qiáng)度集中。在設(shè)計(jì)好的模具中預(yù)置一個(gè)針電極，電極上方覆蓋一層玻璃纖維布，之后將模具密封并放置在恒溫箱中預(yù)熱；將環(huán)氧樹脂、酸酐固化劑和固化促進(jìn)劑按質(zhì)量比100:85:0.2加入真空壓力浸漬設(shè)備混合罐中，在60℃下攪拌脫氣30min；然后，采用真空壓力浸漬方法將混合物浸漬到模具中；最后，將浸漬完成后的模具置于恒溫箱中，在100℃下固化4h，在120℃下固化4h以達(dá)到完全固化。固化完成后從恒溫箱取出試樣，8h內(nèi)冷卻至室溫，拆除模具獲得GFRP電樹枝試樣，所得樣品尺寸為20mm×20mm×6mm。在本實(shí)驗(yàn)中，制備了兩種試樣，如圖1所示：第一種為純環(huán)氧樹脂（EP）試樣；第二種為GFRP試樣。針電極的直徑為300μm，針尖的曲率半徑為3μm，角度為30°，針-板電極距離嚴(yán)格控制在(1.5±0.1)mm；通過導(dǎo)電銀膠在試樣底端粘貼一層銅片作為地電極。

圖1 試樣示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

1.2.1 電樹枝劣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電樹枝劣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，主要包括高壓交流單元和電樹枝成像系統(tǒng)。高壓交流單元主要由調(diào)壓器和升壓變壓器構(gòu)成，其中調(diào)壓器為50Hz單相電源，輸入電壓為220V，當(dāng)電流超出設(shè)定值后，裝置內(nèi)部的過電流繼電器啟動(dòng)自動(dòng)斷電來保護(hù)實(shí)驗(yàn)電路；升壓變壓器電壓比為1:1 000，輸出電壓可在0～250kV范圍內(nèi)連續(xù)變化，可將輸入的工頻低壓放大為工頻高壓，然后用于電樹枝劣化實(shí)驗(yàn)。電樹枝成像系統(tǒng)由顯微鏡、可控冷光源和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，具有錄像、拍照等多種功能。實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為室溫（25℃±2℃），以1kV/s的升壓速率施加50Hz的交流電壓，在達(dá)到15kV后保持恒定，并開始記錄電樹枝生長過程。為保證電樹枝實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)條件下均重復(fù)十組實(shí)驗(yàn)。

圖2 電樹枝劣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.2.2 恒濕環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了研究水分含量對(duì)GFRP電樹枝生長特性的影響規(guī)律及機(jī)理，本文搭建了可程式恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱來模擬濕度環(huán)境，如圖3所示，主要由調(diào)溫（加熱、冷卻）和增濕兩部分組成。恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱利用溫濕度控制器來設(shè)定溫度和濕度，可以實(shí)現(xiàn)-10～150℃范圍內(nèi)的溫度調(diào)控和20%～98%范圍內(nèi)的相對(duì)濕度調(diào)控，且溫度誤差小于±1.0℃，相對(duì)濕度誤差小于±1.0%。在對(duì)試樣進(jìn)行受潮處理之前，先用無水乙醇將試樣表面清理干凈，然后放入50℃恒溫箱中干燥1h，之后取出試樣冷卻至室溫，在精度為0.1mg的電子天平上測量此時(shí)的質(zhì)量并記錄。記錄完成后，啟動(dòng)恒溫恒濕箱，設(shè)定溫度和濕度，等待0.5h，待溫度和濕度穩(wěn)定后，將試樣放入箱體中，進(jìn)行受潮處理。處理完成后，取出試樣，擦拭干凈，并迅速在電子天平上稱重，即可得到試樣中水分含量為

式中，為試樣中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m0為干燥后試樣的質(zhì)量；mh為吸濕后試樣的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將恒溫恒濕箱溫度設(shè)置為25℃±2℃，相對(duì)濕度設(shè)置為90%±3%，處理時(shí)間為0h、6h、12h和18h。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，減小誤差，每組實(shí)驗(yàn)條件下均重復(fù)進(jìn)行十組實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算平均水分含量。

1.3 電場分布仿真

在交流電場作用下，由于絕緣介質(zhì)局部介電常數(shù)存在差異，介質(zhì)內(nèi)部電場分布也會(huì)發(fā)生變化。此外，由于試樣水分含量不同，受潮區(qū)域的大小也會(huì)不同。受潮后環(huán)氧樹脂中針-板電極系統(tǒng)仿真模型示意圖如圖4所示，用來仿真分析受潮后試樣內(nèi)部電場強(qiáng)度的分布規(guī)律，其中藍(lán)色區(qū)域（陰影區(qū)域）為受潮區(qū)域，其深度及受潮后的相對(duì)介電常數(shù)都與試樣水分含量有關(guān)。針尖的曲率半徑為3μm，針電極與地電極之間的距離為1.5mm。仿真時(shí)對(duì)針電極施加幅值為15kV的交流電壓，空氣的相對(duì)介電常數(shù)取為1，環(huán)氧樹脂基體的相對(duì)介電常數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量獲得。本文中使用的控制方程為

圖4 受潮后針-板電極系統(tǒng)電場仿真模型示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 GFRP水分含量與受潮時(shí)間關(guān)系

EP和GFRP試樣中水分含量隨受潮處理時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)過6h、12h、18h受潮處理后，EP中平均水分含量分別為0.08%、0.11%、0.13%，GFRP中平均水分含量分別為0.1%、0.13%、0.16%，并且水分含量與處理時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系。因此，水分在環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中的擴(kuò)散行為符合Fick模型，水分的自由擴(kuò)散是吸水的主要方式[15]。對(duì)于GFRP而言，其水分含量要略高于EP。這是因?yàn)樵贕FRP中，玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面相中存在大量的孔隙，水分除了通過試樣表面向內(nèi)部擴(kuò)散外，還會(huì)在“毛細(xì)管效應(yīng)”的作用下沿界面迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致水分含量增大[20]。

圖5 試樣中水分含量隨受潮處理時(shí)間的變化規(guī)律

2.2 EP電樹枝生長特性

不同水分含量下EP中電樹枝生長特性是探究絕緣劣化程度的重要形式。不同水分含量下EP中5min和10min時(shí)典型的電樹枝生長形貌特征如圖6所示。由圖6可以看出，電樹枝形態(tài)在受潮處理后會(huì)發(fā)生顯著改變，在不同水分含量下，電樹枝形貌特征存在較大差別。

圖6 不同水分含量下EP中典型的電樹枝形貌特征

圖6a所示是水分含量為0%時(shí)環(huán)氧樹脂中的電樹枝形態(tài)，前5min電樹枝主要沿著電場方向生長，在針尖附近可以看到清晰的電樹枝，但是隨著電樹枝的生長，樹枝通道變得非常細(xì)小，難以區(qū)分，并且在5min之后電樹枝沿電場方向的生長近乎停滯，而電樹枝寬度逐漸增大。圖6b所示為水分含量為0.08%時(shí)EP中的電樹枝形態(tài)，受潮處理改變了電樹枝形貌特征，電樹枝主要沿電場方向生長，生長速度加快，電樹枝通道由細(xì)變粗、分支數(shù)量減少，并且在5min之后電樹枝生長近乎停滯。隨著水分含量進(jìn)一步增大，如圖6c與圖6d所示，電樹枝通道寬度繼續(xù)增大，劣化損傷區(qū)域增大，電樹枝長度增加，電樹枝出現(xiàn)明顯沿著垂直電場方向生長的趨勢。當(dāng)水分含量達(dá)到0.13%時(shí)，EP中的電樹枝劣化變得極為嚴(yán)重，電樹枝從一開始就沿著垂直電場方向生長，電樹枝主通道粗大，并從主通道中延伸出許多細(xì)小分支，電樹枝通道幾乎占據(jù)了圖像的絕大部分。綜上所述，環(huán)氧樹脂受潮初期，電樹枝沿電場方向生長加快、分支減少，而隨著受潮處理時(shí)間的增長，環(huán)氧樹脂中電樹枝通道數(shù)量增多、寬度增大，電樹枝越來越早地呈現(xiàn)出橫向生長趨勢，劣化損傷區(qū)域逐漸增大。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下測量電樹枝在不同生長階段的傳播特性，可以直接評(píng)估絕緣介質(zhì)耐電樹枝劣化的性能。電樹枝長度是表征絕緣劣化的關(guān)鍵參數(shù)，一般來講，電樹枝劣化過程中電樹枝長度會(huì)逐漸增加，當(dāng)電樹枝末端生長到地電極側(cè)時(shí)，就會(huì)引發(fā)絕緣擊穿，導(dǎo)致絕緣失效。本文用電樹枝長度與生長時(shí)間的關(guān)系來表征電樹枝的生長速度。定義電樹枝長度為電樹枝沿電場方向上的最大距離，電樹枝寬度為垂直電場方向上的最大距離。不同水分含量下EP中電樹枝長度和寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。圖7a為電樹枝長度隨時(shí)間的變化，水分含量為0%時(shí)，EP中電樹枝的生長呈現(xiàn)明顯的飽和特征，初期以一個(gè)較慢的速度增長，在5min后基本不再發(fā)生變化。受潮處理后，電樹枝生長速度先加快后降低。水分含量為0.08%和0.11%時(shí)，電樹枝生長速度逐漸加快，而水分含量為0.13%時(shí)電樹枝生長速度下降，但仍然高于水分含量為0的試樣的生長速度。圖7b為電樹枝寬度隨時(shí)間的變化，水分含量為0%時(shí)，EP中電樹枝寬度增長較快，5min后同樣基本不再發(fā)生變化。水分含量為0.08%時(shí)，電樹枝寬度增長速度減小，9min后基本不再發(fā)生變化。水分含量為0.11%時(shí)電樹枝寬度增長速度與水分含量為0%的試樣中電樹枝寬度增長速度相近，但是并不會(huì)停滯，并且在4min后寬度超過未受潮試樣中電樹枝寬度。當(dāng)水分含量達(dá)到0.13%時(shí)，電樹枝寬度增長速度進(jìn)一步加快。綜上所述，受潮程度加重后，GFRP內(nèi)部電樹枝更容易沿著垂直電場方向生長。

圖7 EP中電樹枝長度和寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律

為了直觀地表現(xiàn)電樹枝在橫、縱兩個(gè)方向上的生長長度之間的關(guān)系，引入擴(kuò)展系數(shù)。擴(kuò)展系數(shù)即電樹枝的寬度與長度的比值，用來分析電樹枝橫、縱兩個(gè)方向上的延伸情況。EP中電樹枝在5min時(shí)的擴(kuò)展系數(shù)如圖8所示。水分含量為0時(shí)，擴(kuò)展系數(shù)約為1.9，表明電樹枝更易向著垂直電場方向生長；水分含量為0.08%時(shí)，擴(kuò)展系數(shù)迅速減小，約為0.8，說明此時(shí)電樹枝更易沿著電場方向生長；隨著受潮程度加重，擴(kuò)展系數(shù)逐漸增大，在水分含量為0.13%時(shí)達(dá)到1.8左右。

圖8 EP中電樹枝的擴(kuò)展系數(shù)

由圖6可以看出，受潮后電樹枝越來越早地呈現(xiàn)出橫向生長的趨勢，這可以通過引入電樹枝生長角度來進(jìn)行評(píng)估。EP中電樹枝的生長角度如圖9所示。在圖9a中，以針尖為起點(diǎn)，向兩側(cè)作兩條線，使得兩條線下方為電樹枝劣化區(qū)域，兩條線之間的夾角定義為電樹枝生長角度?？梢钥闯觯瑢?duì)于具有同樣寬度的電樹枝，越早橫向生長的電樹枝其越大。圖9b為受潮10min時(shí)環(huán)氧樹脂中電樹枝的生長角度，受潮后呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在水分含量為0.13%時(shí)，甚至達(dá)到了約200°，也就是說會(huì)出現(xiàn)“反向生長”現(xiàn)象，如圖6d所示。這可能是因?yàn)樗衷诃h(huán)氧樹脂中分布不均勻改變了材料中的電場分布，使電樹枝更早地沿垂直于電場的方向發(fā)展。

圖9 EP中電樹枝的生長角度

2.3 GFRP電樹枝生長特性

不同水分含量下，GFRP中5min和10min時(shí)典型的電樹枝生長形貌特征如圖10所示。由圖10可知，電樹枝生長形態(tài)在纖維填充后發(fā)生改變，與圖6所示EP中的電樹枝形態(tài)存在較大差異。圖10a所示為水分含量為0%時(shí)GFRP中的電樹枝形態(tài)，電樹枝沿著平行于電場方向的玻璃纖維與環(huán)氧樹脂界面迅速生長，電樹枝通道單一，僅有少量分支，電樹枝劣化區(qū)域較小，在5min時(shí)樹枝通道非常細(xì)小，但在10min時(shí)電樹枝通道寬度增大，表明此時(shí)絕緣進(jìn)一步劣化，有擊穿趨勢。圖10b所示為水分含量為0.1%時(shí)GFRP中的電樹枝形態(tài)，電樹枝通道細(xì)小、分支增多、劣化區(qū)域增大，并且在5min時(shí)電樹枝主要沿著平行于電場方向的玻璃纖維與環(huán)氧樹脂界面生長，在垂直電場方向的界面上電樹枝分支較短，但是在10min時(shí)可以明顯地觀察到電樹枝向兩側(cè)延伸，沿著垂直電場方向界面生長的電樹枝分支長度增大。當(dāng)水分含量為0.13%時(shí)，如圖10c所示，此時(shí)電樹枝沿著電場方向迅速生長，分支數(shù)量進(jìn)一步增多，劣化區(qū)域擴(kuò)大，且在5min時(shí)就已經(jīng)開始沿著垂直電場方向的界面生長，電樹枝通道極為密集，而在5～10min之間電樹枝主要在垂直電場方向的界面上生長。當(dāng)試樣水分含量進(jìn)一步增大時(shí)，電樹枝形態(tài)變得更為復(fù)雜，如圖10d所示，在水分含量為0.16%時(shí)，GFRP中一開始就會(huì)出現(xiàn)較粗的電樹枝通道并且交錯(cuò)重疊，電樹枝更明顯地沿著玻璃纖維與環(huán)氧樹脂界面生長，電樹枝劣化損傷區(qū)域進(jìn)一步增大。電樹枝在前5min內(nèi)生長迅速，主要沿著平行于電場方向的界面生長，在垂直電場方向界面上的電樹枝通道數(shù)量較少，但是在10min時(shí)可以觀測到大量沿著垂直電場方向界面上生長的電樹枝，并且樹枝通道更加密集，甚至出現(xiàn)先沿著平行電場方向界面生長、再沿著垂直電場方向界面生長、再轉(zhuǎn)向平行電場方向界面生長這種多次轉(zhuǎn)向的電樹枝通道，如圖10d中紅色箭頭所示。

圖10 不同水分含量下GFRP中典型的電樹枝形貌特征

綜上所述，隨著試樣中水分含量的增加，GFRP中電樹枝通道數(shù)量會(huì)逐漸增多，電樹枝除了沿著平行于電場方向的玻璃纖維與環(huán)氧樹脂界面生長外，還會(huì)沿著垂直電場方向的界面生長，甚至出現(xiàn)電樹枝通道多次轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，并且劣化損傷區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大[21]。

GFRP中電樹枝長度和寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖11所示，與EP不同的是，GFRP電樹枝的生長沒有飽和特性。圖11a為電樹枝長度隨時(shí)間的變化，水分含量為0%時(shí)GFRP中電樹枝生長速度較快，在120s左右時(shí)已經(jīng)生長至顯微鏡視野范圍之外。受潮處理后，GFRP中的電樹枝生長速度先降低后加快。在水分含量為0.1%時(shí)，GFRP中電樹枝的生長速度降到了最低，需要大約330s才能生長至顯微鏡視野底部；之后電樹枝生長速度逐漸加快，在水分含量為0.16%時(shí)，電樹枝生長速度已經(jīng)超過水分含量為0%的試樣中電樹枝生長速度，在僅僅30s左右就已經(jīng)生長到顯微鏡視野范圍之外。圖11b為GFRP中電樹枝寬度隨時(shí)間的變化，可以看出水分含量為0%和0.1%時(shí)，電樹枝寬度增長速度相近，而隨著試樣水分含量的繼續(xù)增多，電樹枝寬度增長速度逐漸增大，這就表明GFRP中的電樹枝出現(xiàn)更明顯沿著垂直電場方向生長的趨勢。

圖11 GFRP中電樹枝長度和寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖11可知，GFRP中電樹枝很快就生長到顯微鏡視野范圍之外，因此無法統(tǒng)計(jì)電樹枝擴(kuò)展系數(shù)。本文直接測量了10min時(shí)GFRP中電樹枝的生長角度，如圖12所示。水分含量為0%時(shí)，電樹枝生長角度最小，只有約60°；隨著試樣中水分含量的增多，電樹枝生長角度逐漸增大，在水分含量為0.16%時(shí)，電樹枝生長角度達(dá)到了約150°。GFRP試樣中水分含量較少時(shí)，水分的不均勻分布導(dǎo)致材料中電場分布發(fā)生變化，使電樹枝分枝數(shù)量增多，寬度增大，形成“屏障”效果而阻礙電樹枝沿著平行電場方向生長；而當(dāng)GFRP試樣中水分含量增多時(shí)，侵入試樣的水分會(huì)破環(huán)玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間形成缺陷，更容易引發(fā)局部放電，加快電樹枝生長，使電樹枝在長度和寬度上都迅速增大。

圖12 GFRP中電樹枝的生長角度

3 分析及討論

3.1 水分?jǐn)U散形成環(huán)氧樹脂-玻璃纖維界面缺陷

在環(huán)氧樹脂中，水分會(huì)通過試樣表面向內(nèi)部逐漸擴(kuò)散，水分含量會(huì)逐漸增加。環(huán)氧樹脂中水分子的存在形式如圖13所示。吸收的水分主要以結(jié)合水和自由水兩種形式存在于試樣內(nèi)部，其中結(jié)合水通常通過氫鍵與環(huán)氧樹脂中的羥基等極性基團(tuán)相結(jié)合；自由水則多存在于分子鏈之間的空隙中。水分進(jìn)入環(huán)氧樹脂試樣會(huì)使其整體質(zhì)量增加，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂產(chǎn)生溶脹、塑化[22]。

圖13 環(huán)氧樹脂中水分子存在形式示意圖

在GFRP中，玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面相中存在大量的孔隙，水分除了通過試樣表面向內(nèi)部擴(kuò)散外，還會(huì)在“毛細(xì)管效應(yīng)”的作用下沿界面迅速擴(kuò)散[20]。在玻璃纖維-環(huán)氧樹脂界面水分子的影響下，玻璃纖維中的Na+等金屬陽離子會(huì)向界面移動(dòng)并交換氫離子（H+），反應(yīng)式（5），其中氫離子（H+）是由水的解離（見式（6））產(chǎn)生的[23]。因此，在界面處會(huì)發(fā)生離子交換，從電學(xué)的角度來看，增加了載流子的數(shù)量和遷移率，增大了內(nèi)部界面的導(dǎo)電性；從化學(xué)角度來看，形成了堿性介質(zhì)，能夠通過催化水解破壞環(huán)氧樹脂基體和玻璃纖維之間的結(jié)合鍵（“硅腐蝕”，見式（7））。在堿性介質(zhì)的存在下，例如由式（6）得到的OH-，反應(yīng)式（7）被加速為式（8）。

除此之外，環(huán)氧樹脂基體因含有大量極性基團(tuán)而吸水膨脹，同時(shí)玻璃纖維和環(huán)氧樹脂基體的彈性模量相差較大，其中玻璃纖維彈性模量約為75GPa，環(huán)氧樹脂基體彈性模量約為4GPa，前者約為后者的19倍，所以玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體會(huì)產(chǎn)生膨脹不匹配性，進(jìn)而在玻璃纖維-環(huán)氧樹脂基體界面處產(chǎn)生濕失配應(yīng)力[24]。GFRP中水分含量越高，玻璃纖維-環(huán)氧樹脂基體界面處所承受的濕失配應(yīng)力就越大，當(dāng)濕失配應(yīng)力大于其所能承受的最大強(qiáng)度時(shí)，界面易出現(xiàn)損傷，發(fā)生脫粘開裂。

將GFRP試樣沿著垂直針電極方向拉斷，在顯微鏡下觀測針電極下方區(qū)域的斷口形貌，如圖14所示?？梢钥闯鯣FRP試樣在不同水分含量下，玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的粘接程度不同。玻璃纖維表面越光滑，纖維與樹脂之間的界面狀態(tài)越差。當(dāng)試樣中水分含量較低時(shí)，玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面粘接良好，因此GFRP試樣斷口處纖維表面上仍會(huì)有大量殘留的樹脂，并且纖維會(huì)成簇?cái)嗔?，較為整齊，如圖14a和圖14b所示。當(dāng)GFRP中水分含量較高時(shí)，界面處的水分子會(huì)破壞環(huán)氧樹脂基體和玻璃纖維之間的結(jié)合鍵，加之纖維-基體界面處存在較大的濕失配應(yīng)力，易造成界面脫粘、開裂等現(xiàn)象，在基體及界面處產(chǎn)生微裂紋、微孔洞，因此GFRP試樣斷口處拔出纖維的表面非常光滑，并且纖維斷裂參差不齊，如圖14c和圖14d所示。

圖14 不同水分含量下GFRP試樣斷口形貌

為了進(jìn)一步驗(yàn)證受潮對(duì)化學(xué)基團(tuán)的影響，對(duì)受潮時(shí)間分別為0%和12h的GFRP進(jìn)行傅里葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）研究，結(jié)果如圖15所示。3 420cm-1處為O—H伸縮振動(dòng)吸收峰，1 450cm-1處為(—CH2)的彎曲振動(dòng)峰，1 380cm-1處為甲基上C—H的對(duì)稱彎曲吸收峰。受潮后，O—H、—CH2、C—H吸收振動(dòng)峰的強(qiáng)度都出現(xiàn)下降，這是由于樹脂基體和纖維結(jié)合界面被水解，導(dǎo)致部分化學(xué)鍵斷裂減少。

圖15 受潮前后GFRP紅外光譜圖

3.2 水分含量對(duì)GFRP內(nèi)部電場分布的影響

環(huán)氧樹脂復(fù)合材料吸收了大量極性較高的水分子，在電場的作用下水分子發(fā)生取向極化，導(dǎo)致局部介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化[25]。對(duì)環(huán)氧樹脂薄片試樣進(jìn)行不同時(shí)間的受潮處理后測試了其相對(duì)介電常數(shù)，結(jié)果如圖16所示。測試頻率為40～106Hz。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，水分含量的增多對(duì)試樣相對(duì)介電常數(shù)有明顯的提高，環(huán)氧樹脂經(jīng)過0h、6h、12h、18h受潮處理后，在50Hz時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)分別為3.96、4.05、4.12、4.22。

圖16 環(huán)氧樹脂相對(duì)介電常數(shù)

在仿真中，受潮區(qū)域的深度分別設(shè)置為0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm，相對(duì)介電常數(shù)分別設(shè)置為3.96、4.05、4.12、4.22，針尖附近電場分布仿真結(jié)果如圖17所示。由圖17可知，試樣受潮后受潮區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)增大，使得針電極與受潮區(qū)域之間的電場強(qiáng)度增強(qiáng)，因此電樹枝引發(fā)后向地電極的生長速度加快。而當(dāng)試樣中水分含量達(dá)到0.13%時(shí)，受潮區(qū)域擴(kuò)展到針尖附近，使得針尖部位電場發(fā)生嚴(yán)重畸變，如圖17d中橢圓框所示，針尖兩側(cè)電場強(qiáng)度升高，導(dǎo)致電樹枝向針尖兩側(cè)生長加快，增大了針電極的等效半徑，樹枝通道前方電場強(qiáng)度降低，電樹枝向地電極生長速度降低。這就解釋了隨著受潮處理時(shí)間的延長，電樹枝越來越早地出現(xiàn)垂直電場方向生長的現(xiàn)象的原因。

圖17 不同受潮程度針尖附近電場分布仿真結(jié)果

受潮后GFRP中電樹枝劣化過程示意圖如圖18所示。GFRP中環(huán)氧樹脂基體的相對(duì)介電常數(shù)約為4，玻璃纖維相對(duì)介電常數(shù)約為8。因此，未受潮時(shí)，GFRP試樣中針電極和玻璃纖維之間的區(qū)域?qū)⒊惺芨叩碾妶?，電樹枝?huì)向玻璃纖維一側(cè)生長至界面區(qū)域[26]。如圖18a所示，電樹枝會(huì)沿著GFRP中絕緣薄弱的界面生長，電樹枝通道單一，能量集中，因此生長速度較快。但是在受潮吸水之后，水分會(huì)通過“毛細(xì)管效應(yīng)”沿著界面快速深入試樣內(nèi)部，一方面會(huì)提高界面區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)，使針電極和玻璃纖維之間承受的電場進(jìn)一步提高，電樹枝更容易向界面處生長；另一方面會(huì)使玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的化學(xué)鍵發(fā)生水解，形成微孔并增強(qiáng)界面區(qū)域的導(dǎo)電性，如圖18b所示。微孔處容易積聚電荷造成局部場強(qiáng)畸變，超過電場閾值時(shí)容易發(fā)生局部放電侵蝕通道內(nèi)壁形成側(cè)枝通道，因此會(huì)導(dǎo)致電樹枝通道由細(xì)變粗，分支增多，劣化損傷區(qū)域增大[27]。此時(shí)，電樹枝數(shù)量增加增大了針電極的等效半徑，導(dǎo)致每個(gè)分支前方電場強(qiáng)度降低，形成“屏蔽”效應(yīng)，電樹枝生長速度降低[29]。隨著水分含量進(jìn)一步增多，水分對(duì)界面的破壞效果越來越嚴(yán)重，在界面處形成的微孔彼此連接，形成宏觀氣隙，如圖18c所示。氣隙的存在會(huì)降低界面的擊穿強(qiáng)度，并且在電場作用下更容易產(chǎn)生劇烈的局部放電，因此會(huì)導(dǎo)致電樹枝生長速度大幅增大[26]。

圖18 GFRP中電樹枝劣化過程示意圖

4 結(jié)論

本文以GIS絕緣拉桿用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為對(duì)象，研究了水分含量與受潮處理時(shí)間的關(guān)系，獲得了水分含量對(duì)GFRP電樹枝生長特性的影響規(guī)律和作用機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1）基于水分含量與受潮時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證了EP和GFRP復(fù)合材料中水分?jǐn)U散行為符合自由擴(kuò)散Fick模型。

2）獲得了水分含量對(duì)EP和GFRP介電性能和電樹枝生長特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)EP和GFRP中水分含量分別超過0.08%和0.1%時(shí)，電樹枝劣化程度顯著增加，這為絕緣拉桿試驗(yàn)、運(yùn)輸及裝配過程中的防潮控制提供了依據(jù)。

3）GFRP受潮后的斷口抽絲形貌及傅里葉紅外光譜結(jié)果表明玻璃纖維-環(huán)氧樹脂基體界面可能因水解及濕失配應(yīng)力形成不同程度的缺陷，同時(shí)水分梯度擴(kuò)散進(jìn)一步造成局部電場集中，使得GFRP電樹枝劣化加劇。

致謝：感謝泰開電器絕緣有限公司對(duì)原料供應(yīng)、試樣制備等方面提供的幫助。

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Effects of Moisture Contents on Electrical Treeing Process in Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin

Li Jin1Zhao Renyong1,2Chen Yun1Li Tianhui3Du Boxue1

（1. School of Electrical and Information Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China 2. State Grid Shandong Zibo Power Supply Bureau Zibo 255032 China 3. State Grid Hebei Electric Power Research Institute Shijiazhuang 050021 China）

Insulating pull rod is a key component of circuit breaker and disconnector of gas insulated metal enclosed switchgear (GIS), which is used to transfer movement from the grounding part to the high voltage part. It needs to withstand the recovery overvoltage and frequent mechanical operation, which puts forward high requirements on the comprehensive performance of the glass fiber reinforced epoxy resin (GFRP) composite. However, many internal breakdown and disassembly failures of insulation rods occurred in recent years, which seriously threaten the reliability of power equipment. In this paper, the influence of moisture content on the electrical tree growth characteristics of GFRP was studied. Combined with the dielectric properties and the hydrolysis characteristics of GFRP with different moisture contents, the mechanism of the electrical treeing process of GFRP was explained from the perspective of electric field distortion and insulation degradation.

(1) Based on the relationship between moisture content and exposure time, it is verified that the moisture diffusion behavior in epoxy resin and GFRP composites conforms to the free diffusion Fick model.

(2) When the pure epoxy resin absorbs moisture, the number of electrical tree channels increased and the color gradually deepened. In details, the growth rate of electrical tree length first increased and then decreased. Moreover, the expansion coefficient and the growth angle of electrical tree decreased and then increased, and the deterioration damage area gradually increased, indicating that electrical tree is more likely to grow along the vertical electric field direction with the increase of moisture content in the sample.

(3) When the GFRP absorbs moisture, the number of electrical tree channels increases. In addition, the electrical tree will also grow along the interface perpendicular to the electric field direction. The growth rate of electrical tree length decreases first and then increases, while the growth rate and the growth angle of electrical tree also gradually increases.

(4) It is found that when the moisture content in epoxy resin and GFRP exceeds 0.08% and 0.1% respectively, the deterioration of electrical tree significantly enhanced, which provided a basis for moisture control during the test, transportation and assembly of insulating pull rod. The fiber-epoxy interface may have defects of varying degrees due to hydrolysis and wet mismatch stress, and the moisture gradient diffusion further causes local electric field concentration, which aggravates the deterioration of GFRP.

Insulation pull rod,glass fiber reinforced epoxy resin (GFRP), electrical tree, moisture content

國家自然科學(xué)基金（51807136）和泰安市科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)（2021ZDZX009）資助項(xiàng)目。

2022-07-26

2022-09-22

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221441

TM216

李 進(jìn) 男，1988年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楣δ芴荻炔牧?、絕緣失效機(jī)理和無損檢測技術(shù)。E-mail：lijin@tju.edu.cn（通信作者）

趙仁勇 男，1997年生，碩士，研究方向?yàn)樘馗邏篏IS絕緣拉桿缺陷檢測與絕緣失效機(jī)理分析。E-mail：zhaorenyong@tju.edu.cn

（編輯 李冰）