王新兵 王明勝 馮宇 郝娜 王怡

摘 要： 為改善換流變壓器膠囊在不同應用環(huán)境中的安全性，制備換流變壓器膠囊用涂覆織物材料，每種材料添加不同纖維布，獲得EW200、SW110、T300-3K 3種涂覆織物試件，測試溫度對每種涂覆織物材料的老化影響。結果表明：添加無堿玻璃纖維平紋布的EW200試件與添加無堿玻璃纖維平紋布的SW110試件在燒蝕測試過程中的抗燒蝕能力與阻燃能力均要弱于添加碳纖維布的T300-3K試件;而T300-3K試件在濕熱、高低溫交變老化試驗時的斷裂強力與斷裂伸長率均保持最佳效果。當進行升溫老化測試時，T300-3K試件的儲能模量、損耗因子與力學性能均要強于其他2種試件，在較高的測試溫度下，T300-3K試件還能夠維持較低的熱失重現(xiàn)象，溫度對其老化性能影響較小。

關鍵詞： 溫度循環(huán)老化；變壓器膠囊；涂覆織物；老化性能；斷裂強力；纖維布

中圖分類號： TQ336

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0066-05

Effect of temperature on coated fabric aging for

converter transformer capsules

WANG Xinbing1，WANG Mingsheng1，F(xiàn)ENG Yu2，HAO Na1，WANG Yi3

（1.Shandong Electrical Engineering & Equipment Group Co.，Ltd.，Jinan 250000，China；

2.Nantong Shire Electric Technology Co.，Ltd.，Nantong 226500，Jiangsu China;

3.Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu China）

Abstract： In order to improve the safety of converter transformer capsule in different application environments，the coated fabric material for the capsule of converter transformer was prepared，each material was added with different fiber cloth，and three coated fabric samples of EW200，SW110 and T300-3K were obtained，and the aging effect of temperature on each coated fabric material was tested.The experimental analysis showed that the ablation resistance and flame retardance of the EW200 test piece added with alkali-free glass fiber plain cloth and the SW110 test piece added with alkali-free glass fiber plain cloth were weaker than those of the T300-3K test piece added with carbon fiber cloth during the ablation test，while the breaking strength and elongation at break of the T300-3K test piece maintained the best effect during the humid heat，high and low temperature alternating aging test;The storage modulus，loss factor and mechanical properties of T300-3K specimen were stronger than those of the other two specimens.At a higher test temperature，T300-3K specimen can also maintained a lower thermal weight loss phenomenon，and the temperature had a small impact on its aging properties.

Key words： temperature cycling aging; transformer capsule; coated fabric; aging performance; breaking strength; fiber cloth

換流變壓器是一種電力系統(tǒng)直流輸電工程的關鍵設備，該設備通常用于大型充油工作，在換流變壓器中的油枕膠囊負責存儲絕緣油，由于長時間的應用以及外部環(huán)境的影響[1]，換流變壓器膠囊常常會出現(xiàn)破損問題，導致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)故障[2]，為設備帶來嚴重影響，因此，采用有效的材料制作換流變壓器膠囊，可以增強該設備的安全性[3]。

涂覆織物是以織物作為骨架材料，以橡膠、塑料或者熱塑性彈性體作為涂覆層的一類材料，但由于涂覆織物中原材料多種多樣[4-5]，導致制備得到的涂覆織物也存在較大差別，如何選用一種合理、安全的涂覆織物，是目前較多電力企業(yè)關注的問題[6-7]。

有學者對涂覆織物材料進行研究，例如：研究相變微膠囊涂層織物在熱防護服中的應用[8-9]，該方法將涂覆織物材料應用在防護服中，并測試了該材料的應用效果；研究持久疏水涂層織物的制備及其油水分離性能研究[10-13]，該方法不僅制備了防水涂覆織物材料，還對其隔離性能進行了測試。

為此，本研究基于溫度對換流變壓器膠囊用涂覆織物老化的影響，通過不同溫度的試驗測試，獲取換流變壓器膠囊用涂覆織物的變化。

1 換流變壓器膠囊涂覆織物性能

1.1 換流變壓器膠囊

換流變壓器膠囊是一種裝置在換流變壓器儲油柜內部的部件，其可以通過氣壓的膨脹實現(xiàn)油量補償，所以，通過換流變壓器膠囊可以保障絕緣油不受到外部環(huán)境污染[14-16]，保持與外界的隔離。同時，換流變壓器膠囊的外部涂覆織物通常為橡膠涂層制造[17]，可以使換流變壓器抵抗大氣中的多種氣體[18-19]。

1.2 換流變壓器膠囊用涂覆織物材料

1.2.1 試驗材料

本文制作換流變壓器膠囊用涂覆織物橡膠材料，并添加不同種類的纖維織物作為膠囊骨架增強材料。試驗所用主要材料：

高溫硫化硅橡膠：自制；EW200無堿玻璃纖維平紋布，河南昶宇新材料科技有限公司；SW110高強玻璃纖維布，中材科技股份有限公司；T300-3K碳纖維布，日本東麗;酚醛纖維，中國科學院山西煤炭化學研究所;中空石英纖維，

湖北菲利華石英玻璃股份有限公司;

粘膠基碳纖維，中國科學院山西煤炭化學研究所；莫來石散棉，福斯曼科技（北京）有限公司；氫氧化鈉、鈦酸四正丁酯、丙酮、鹽酸、氨水、亞甲基藍、P25二氧化鈦、 N，N -二甲基甲酰胺，國藥集團化學試劑有限公司；聚偏氟乙烯，法國阿科瑪。

1.2.2 材料制備

在制備換流變壓器膠囊用涂覆織物時，向高溫硫化硅橡膠中加入一定含量的酚醛纖維、中空石英纖維、粘膠基纖維以及莫來石散棉，并充分攪勻后靜置，并向成型磨具內分別放置3種纖維布，并將攪勻后的硅橡膠基體分別倒入每種模具內，在130 ℃條件下進行10 min固化，完成固化后脫模，依次獲取EW200涂覆織物、SW110涂覆織物和T300-3K涂覆織物3種試驗材料，每種材料的厚度均為（1.60±0.30）mm。

1.3 試驗方法

1.3.1 氧乙炔燒蝕測試

在氧乙炔焰燒蝕裝置上測試不同涂覆織物在高溫燒蝕下的燒蝕性能，在進行測試時，設定裝置峰值熱流密度為300 kW/m2，設置燃燒時間為112 s，并對每種涂覆織物進行3層組合，使每種織物均為3層組合件形態(tài)。

1.3.2 阻燃測試

根據(jù)國家標準GB/T 5454—1997與GB/T 5455—2014指標，測試不同試件的阻燃性能。在試件外側設置燃燒點，分析試件的阻燃效果。

1.3.3 溫度循環(huán)老化測試

對不同試件進行濕熱老化試驗與高低溫交變老化試驗。其中，濕熱試驗環(huán)境為溫度40 ℃、相對濕度85%，在該環(huán)境下放置試件1 080 h；高低溫交變測試環(huán)境溫度為-30～65 ℃，在測試時依次在[JP2]-30 ℃與65 ℃環(huán)境下進行15 min保溫，并設置老化速率為5 ℃/min，測試溫度交變循環(huán)次數(shù)為300次。

當分別完成2種老化試驗后，測試不同試件的拉伸性能與撕裂性能。其中，拉伸測試時的拉伸速率為100 mm/min，標距為100 mm；撕裂性能測試時，拉伸速率為100 mm/min，隔距25 mm。每種試件選取5個試樣，依次測得試樣平均值，獲取試件的斷裂強力與斷裂伸長率。

1.3.4 儲能模量與損耗因子測試

對3種試件進行持續(xù)的高溫老化測試，將試件放置在高溫拉力機中，老化溫度為190 ℃×30 min，老化完成后，將設備調整為60 ℃恒溫，測試試件在每個溫度下的儲能模量與損耗因子。

1.3.5 力學性能測試

按照高溫老化溫度190 ℃×30 min進行試件老化，在完成老化后，對試件進行拉伸測試，設置拉伸速率為100 mm/min，測試試件的拉伸強度與100%定伸應力。

1.3.6 熱失重測試

將升溫速率設置為10 ℃/min，分析不同試件在高溫拉力機中的熱失重情況，其中老化溫度依然為190 ℃×30 min。

2 實驗分析

2.1 氧乙炔燒蝕測試

測試每種涂覆織物試件在測試過程中的燒蝕性能，以此評估試件在高溫下的狀態(tài)，測試結果如表1所示。

由表1可知，當試件完成高溫燒蝕后，SW110試件的完好層數(shù)為0，說明該試件經(jīng)燒蝕后無法保證材料完好，而其他2種試件在燒蝕完成后均能夠保持1層完好；在燒蝕過程中，3種試件的初始背溫十分接近，隨著燒蝕過程的進行，EW200試件與SW110試件的停車背溫、停車溫升、最高背溫以及最高溫升都處于較大水平，T300-3K試件的這些溫度指標均低于其他兩種試件，由此可以看出，T300-3K試件的抗燒蝕能力更強，隨著燒蝕過程可以保持較低的溫度。

2.2 不同試件的阻燃性能測試

測試每種試件在外圍存在燃燒物時的阻燃性能，測試結果如表2所示。

由表2可知，對每種試件進行阻燃測試后，可以得出不同試件的阻燃效果，其中，EW200與SW110試件的氧指數(shù)均保持在30%以下，而T300-3K試件的氧指數(shù)明顯大于30%，同時，EW200與SW110試件的續(xù)燃時間、陰燃時間同樣明顯高于T300-3K，由此可見，T300-3K具備較高的阻燃能力，可明顯抵抗外部環(huán)境中的燃燒物。

2.3 濕熱、高低溫交變老化測試

測試不同試件在濕熱條件測試下的材料拉伸性能，測試結果如表3所示。

由表3可知，相比于室溫條件下，不同試件的經(jīng)向與緯向在濕熱循環(huán)測試下其斷裂強力呈現(xiàn)下降趨勢，而每種試件的斷裂伸長率均存在上升趨勢，說明在濕熱環(huán)境下，會明顯影響試件的拉伸性能，但是，T300-3K試件在室溫狀態(tài)下斷裂強力與斷裂伸長率始終變化最小，說明該試件受濕熱環(huán)境影響不大，因此還試件具有較好的環(huán)境適應能力。

測試不同試件在高低溫交變試驗下的拉伸性能變化，測試結果如表4所示。

由表4可知，相比于室溫條件下，在高低溫交變測試下，每種試件的拉伸性能出現(xiàn)一定的下降。其中，EW200試件與SW110試件的斷裂強力與斷裂伸長率下降幅度均要大于濕熱環(huán)境的下降幅度，說明在高低溫環(huán)境下，會對這2種試件造成更大的影響。而T300-3K試件的斷裂伸長率在高低溫交變環(huán)境并未發(fā)生變化，說明該試件在高低溫變化幅度較大的環(huán)境下可以維持較高的拉伸性能。

2.4 儲能模量與損耗因子測試

當溫度逐漸升高，會導致涂覆織物試件抵抗外力變形減弱，引起儲能模量發(fā)生變化。為此，本文測試不同試件在不同溫度下的儲能模量情況，測試結果如圖1所示。

由圖1可知，當溫度逐漸升高，會導致每種試件的儲能模量出現(xiàn)下降，其中，EW200試件與SW110試件的儲能模量下降幅度相對較大，說明溫度會導致試件的交聯(lián)性下降，而T300-3K試件的儲能模量下降幅度相對較小，且該試件在60 ℃時儲能模量達到1 600 kPa以上，說明該試件始終維持最高的儲能模量，且溫度對其造成的影響并不大。

測試溫度逐漸升高時每種試件的損耗因子變化，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度的增高，每種試件的損耗因子開始出現(xiàn)上升，其中，SW110試件的損耗因子由0.3左右上升至0.8以上，上升幅度較大，說明該試件受溫度影響出現(xiàn)較大損耗，其分子鏈存在大幅度損失，而EW200試件的損耗因子在初始階段雖然上升幅度較小，但當試驗溫度達到110 ℃時，該試件的損耗因子突然變大，說明高溫情況時對該試件影響較大，而T300-3K試件的損耗因子上升幅度較小，且最高損耗因子不超過0.3，說明高溫對其損耗較弱，使其不會受到較大損壞。

2.5 力學性能測試

測試每種試件在不同測試溫度下的拉伸強度變化，測試結果如表5所示。

由表5可知，當測試溫度不斷上升，每種試件的拉伸強度開始有所下降，而在最初階段，T300-3K試件的拉伸強度處于最高水平，當溫度增高到140 ℃時，該試件的拉伸強度達到16.8 MPa，明顯高于其他兩種試件，而其他2個試件隨著溫度上升拉伸強度大幅度下降，導致試件力學性能明顯減弱，因此，T30-3K試件具有較好的力學性能。

[JP2]測試每種試件在不同溫度下的100%定伸應力，以獲取試件的具體力學效果，測試結果如圖3所示。

由圖3可知，在溫度逐漸升高的情況下，試件的100%定伸應力開始出現(xiàn)下降。其中，SW110試件的下降幅度最大，該試件的100%定伸應力從2.5 MPa以上下降至1.2 MPa以下，受溫度影響該試件的應用效果出現(xiàn)下降；EW200試件的100%定伸應力雖然下降幅度略小于SW110試件，但依然存在明顯下降；T300-3K試件的100%定伸應力雖然出現(xiàn)小幅度下降，但并未影響其實際應用效果。因此，T300-3K試件的力學性能最佳。

2.6 熱失重測試

測試每種試件在不同溫度下的剩余質量，測試結果如圖4所示。

由圖4可知，溫度的增高會影響試件的剩余質量，導致試件出現(xiàn)熱失重現(xiàn)象，在3種試件測試過程中，EW200試件在110 ℃時的剩余質量達到25%左右，在3種試件中保持最小，說明該試件的熱失重問題較為嚴重，而T300-3K試件的剩余質量始終保持最高，且溫度幾乎并未對其造成較大影響，其剩余質量變化幅度并未超過2%，說明該試件在溫度變化下可以保持良好的應用性。

分析3種試件在升溫老化測試過程中的開始分解溫度與最大失重速率溫度情況，測試結果如表6所示。

由表6可知，SW110試件在溫度60 ℃以上時，試件就開始出現(xiàn)分解現(xiàn)象以及失重問題，而其他2種試件在該溫度下依然保持良好狀態(tài)。當溫度上升至70 ℃以上時，EW200試件開始發(fā)生熱分解；T300-3K試件在溫度達到98 ℃以上時才會發(fā)生分解，且其最大失重速率溫度也保持最高。因此，T300-3K試件不會在溫度較小時出現(xiàn)熱失重，可以保持良好的環(huán)境適應能力。

3 結語

研究溫度對換流變壓器膠囊用涂覆織物老化的影響，對比不同材料制備成的換流變壓器膠囊用涂覆織物測試每種材料在不同溫度下的老化狀態(tài)，選取最佳涂覆織物材料。結果表明：添加無堿玻璃纖維平紋布的EW200試件與添加無堿玻璃纖維平紋布的SW110試件在燒蝕測試過程中的抗燒蝕能力與阻燃能力均要弱于添加碳纖維布的T300-3K試件；而T300-3K試件在濕熱、高低溫交變老化試驗時的斷裂強力與斷裂伸長率均保持最佳效果，當進行升溫老化測試時，T300-3K試件的儲能模量、損耗因子與力學性能均要強于其：2種試件，在較高的測試溫度下，T300-3K試件還能夠維持較低的熱失重現(xiàn)象，溫度對其老化性能影響較小。

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