國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院、天津市電力物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 董艷唯 李 琳 李蘇雅 趙 琦 何 金

國(guó)網(wǎng)天津市電力公司 方 瓊

1 研究背景

國(guó)家電網(wǎng)有限公司關(guān)于干式電抗器的故障分析報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)工作總結(jié)表明：匝間絕緣缺陷是誘發(fā)干式電抗器故障的主要原因，其占比為故障總量的90%以上。從絕緣結(jié)構(gòu)上看，干式電抗器不存在主絕緣問題，導(dǎo)線多層纏繞在同一軸向高度，其電勢(shì)基本相同，對(duì)層間絕緣的要求也不高。目前，電網(wǎng)中大部分干式電抗器運(yùn)行在35kV電壓等級(jí)以下，正常運(yùn)行時(shí)并聯(lián)電抗器承受相電壓，匝電勢(shì)在幾十伏以下，造成匝間絕緣事故的可能性較小。但對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償用電抗器，其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)頻繁投切，此時(shí)將造成較大的操作過(guò)電壓和合閘涌流，這就會(huì)對(duì)其匝間絕緣造成損傷。微納智能傳感技術(shù)可通過(guò)檢測(cè)干式電抗器內(nèi)環(huán)氧樹脂固體絕緣材料的過(guò)熱分解組分，反饋電抗器過(guò)熱故障嚴(yán)重程度。該方法作為一種非電檢測(cè)手段，能有效避免傳統(tǒng)紅外熱成像技術(shù)對(duì)溫度檢測(cè)區(qū)域不全面、超聲和特高頻等電磁參量檢測(cè)法易受干擾等問題。

有關(guān)環(huán)氧樹脂固體絕緣材料的分解機(jī)理，部分學(xué)者采用分子動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行了一定程度的分析。Diao Z等人[1]采用ReaxFF力場(chǎng)研究電路板中環(huán)氧樹脂的熱分解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)最早生成的氣體產(chǎn)物為HCHO，其他主要的小分子產(chǎn)物有H2O、CO和H2等；Zhang Y等人[2]模擬了微波加熱條件下環(huán)氧樹脂的分解機(jī)理，并探究了H2O和H2產(chǎn)生速率的影響因素。張曉星課題組[3]采用分子動(dòng)力學(xué)仿真手段對(duì)酸酐固化的環(huán)氧樹脂熱分解機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其分解產(chǎn)生小分子產(chǎn)物的最終含量依次為CO2、HCHO、H2O、CO，而且存在乙烯自由基、乙醛自由基、丙烯自由基、丙酮自由基、丙烯醛自由基等C2和C3產(chǎn)物。

這些研究表明，環(huán)氧樹脂在實(shí)際過(guò)熱分解時(shí)還可能存在乙烯、乙醛、丙烯、丙醛等小分子氣體產(chǎn)物。該課題組還研究了氧氣對(duì)酸酐固化環(huán)氧樹脂熱分解的影響，發(fā)現(xiàn)氧氣會(huì)通過(guò)在與氧相連的叔碳上引入碳氧雙鍵來(lái)影響環(huán)氧樹脂主鏈的斷裂，所有小分子氣體產(chǎn)物的初始生成時(shí)間均會(huì)提前，CO2生成量增加，H2O生成量增幅更大，HCHO的生成量基本不變，同時(shí)C2和C3產(chǎn)物的種類和數(shù)量均明顯增加。

此外，張曉星課題組還研究了SF6氛圍下環(huán)氧樹脂的熱分解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在325℃下環(huán)氧樹脂和SF6開始劇烈反應(yīng)，氣體產(chǎn)物中檢測(cè)到CO2、SO2、H2S、SOF2等。高乃奎等人對(duì)全環(huán)氧樹脂澆注母線的熱老化過(guò)程進(jìn)行了研究，老化溫度分別選取145℃、160℃和175℃，發(fā)現(xiàn)老化過(guò)程中均存在質(zhì)量損失，最大的質(zhì)量損失為1.19%，推斷為環(huán)氧樹脂分解產(chǎn)生的小分子氣體產(chǎn)物逸出所致。

上述研究表明，有關(guān)環(huán)氧樹脂固體絕緣材料過(guò)熱分解機(jī)理和分解特性的研究仍停留在起步階段，研究方法也主要停留在理論仿真層面，有待系統(tǒng)性研究以揭示該類絕緣材料在應(yīng)用過(guò)程中的熱分解過(guò)程。

2 環(huán)氧樹脂熱老化機(jī)理分析

本文采用ReaxFF力場(chǎng)，構(gòu)建酸酐固化的環(huán)氧樹脂絕緣材料結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)不同角度模擬絕緣材料在各溫度下的分解過(guò)程，得出相應(yīng)的氣體產(chǎn)物組分與含量，結(jié)合絕緣材料模型斷鍵活化能綜合分析絕緣材料的分解過(guò)程及產(chǎn)物的生成路徑，構(gòu)建絕緣材料的熱分解模型；通過(guò)構(gòu)建絕緣材料/O2和絕緣材料/H2O的復(fù)合模型，進(jìn)一步探究氧氣和水蒸氣對(duì)絕緣材料熱解過(guò)程的影響機(jī)理，為電氣設(shè)備中固體絕緣老化機(jī)理和進(jìn)程的研究提供理論依據(jù)。

本文首先建立了三維周期性模型，初始密度均設(shè)定為0.5g/cm3，經(jīng)過(guò)退火、幾何優(yōu)化等步驟處理，得到最終模型1的密度為1.13g/cm3，模型2的密度為1.13g/cm3，模型3的密度為1.14g/cm3，見表1。分別對(duì)模型1、2和3進(jìn)行高溫分解模擬，選用ReaxFF力場(chǎng)，NVT系綜，仿真溫度選取真實(shí)局部放電時(shí)的最高溫度1300K，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為1000ps，步長(zhǎng)為0.1fs。

表1 模型構(gòu)建的詳細(xì)參數(shù)

對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。模型1用于模擬純環(huán)氧樹脂在高溫下的斷鍵過(guò)程，與前人的研究成果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本試驗(yàn)方案的準(zhǔn)確性；模型2用于模擬酸酐固化環(huán)氧樹脂的斷鍵過(guò)程，模型3用于觀察酸酐固化環(huán)氧樹脂在加熱過(guò)程中的分解產(chǎn)物，結(jié)合模型2和3分析酸酐固化環(huán)氧樹脂的分解機(jī)理以及相應(yīng)產(chǎn)物的生成過(guò)程。

2.1 純環(huán)氧樹脂的熱解結(jié)果分析

純環(huán)氧樹脂中最容易斷開的是碳氧鍵，根據(jù)休克爾規(guī)則，具有芳香性的結(jié)構(gòu)有更好的熱穩(wěn)定性，其斷裂所需活化能更高，如圖1（a）所示，斷裂以后形成了基團(tuán)A等不穩(wěn)定中間產(chǎn)物，最終基團(tuán)A會(huì)分解生成乙烯自由基和甲醛分子。

圖1 純環(huán)氧樹脂分解過(guò)程

2.2 酸酐固化環(huán)氧樹脂分析

從圖2（b）中可以看出，酸酐固化的環(huán)氧樹脂分解是從碳氧鍵的斷裂開始的。如圖2（c）中所示，最早的分解產(chǎn)物是CO2。隨后乙烯自由基以及CH2O生成，如圖2（d）所示。如圖2（e）所示，隨著分解反應(yīng)的繼續(xù)，體系中出現(xiàn)了游離態(tài)的羥基，其和氫的結(jié)合是產(chǎn)物H2O的主要生成方式之一。從圖2（f）中可以看出，在模擬反應(yīng)的最后，體系中出現(xiàn)了丙烯自由基以及雙酚結(jié)構(gòu)的基團(tuán)。由于模擬溫度與模擬時(shí)間的限制，環(huán)氧樹脂分子沒有徹底分解，因此沒有觀測(cè)到酸酐開環(huán)產(chǎn)生的烴類物質(zhì)。

2.3 特征氣體檢測(cè)技術(shù)

基于上述研究，本文以甲醛檢測(cè)技術(shù)作為環(huán)氧樹脂熱老化程度的感知方法并研發(fā)氣體檢測(cè)裝置。其檢測(cè)原理是通過(guò)四路不同類型的氣體傳感器收集檢測(cè)環(huán)境中混合氣體的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到芯片，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)會(huì)輸入到訓(xùn)練好的模型中，模型會(huì)返回環(huán)境中甲醛數(shù)值，根據(jù)甲醛含量進(jìn)行故障定位和報(bào)警。

本檢測(cè)裝置針對(duì)氣體捕獲過(guò)程中的交叉敏感問題，提出了如下解決方法：首先研究環(huán)氧樹脂熱解過(guò)程中可能產(chǎn)生的特征氣體，明確干擾氣體種類；其次，由于每種傳感器對(duì)不同氣體的響應(yīng)特性不同，通過(guò)選取合適的傳感器，在傳感陣列的響應(yīng)中剔除具有冗余和相互補(bǔ)充的氣體信息；最后，使用信息更加豐富的傳感器陣列相應(yīng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，有效抑制交叉干擾的問題。本檢測(cè)裝置的電路設(shè)計(jì)遵循以下原則（軟硬件科學(xué)規(guī)劃、流程式配置）。

軟硬件科學(xué)規(guī)劃：本裝置中的軟件和硬件均具有各自獨(dú)特的作用，針對(duì)一個(gè)具體的電路系統(tǒng)，硬件部分比例提升，能夠顯著減弱軟件部分的設(shè)計(jì)壓力，但硬件部分的工作量也將得到大幅增加，這將帶來(lái)初始階段資金的大量投入；與此類似，提升軟件部分的占有量，能夠弱化硬件部分的設(shè)計(jì)壓力，降低初始階段資金投入，但會(huì)擴(kuò)大軟件部分的設(shè)計(jì)壓力，因此對(duì)硬件部分的規(guī)劃，需要理性設(shè)置軟件和硬件的占有量，挖掘兩部分的優(yōu)點(diǎn)，起到相輔相成的作用。

流程式配置：硬件部分需要滿足檢測(cè)裝置最基礎(chǔ)的功能，并力求實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、低成本和強(qiáng)運(yùn)算效率，在硬件內(nèi)部彰顯流程式配置原則，這不僅體現(xiàn)在內(nèi)部各體系能夠獨(dú)立存在，而且各體系之間應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)硬件內(nèi)部體系之間的交叉互聯(lián)。

集成化電路構(gòu)建：硬件部分需提高集成效果，降低獨(dú)立體系的配置比例，同時(shí)大幅提高成熟技術(shù)的融入程度，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。

檢測(cè)裝置的硬件電路包括四路傳感器模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、K210主控模塊、智能液晶屏、電源模塊和蜂鳴器，其中主控芯片為嘉楠K210芯片，AD轉(zhuǎn)換芯片為ANALOG公司生產(chǎn)的8位雙極性輸入的PCF8951。裝置用到了不同型號(hào)的氣體傳感器，通過(guò)捕獲甲醛和二氧化碳兩種特征氣體來(lái)收集環(huán)境中的氣體數(shù)據(jù)。通過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片將收集到的氣體數(shù)據(jù)，由模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，再傳遞到K210芯片。通過(guò)K210芯片的處理和分析，一方面判斷其中的甲醛含量是否超標(biāo)，若數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定值，則控制裝置發(fā)出蜂鳴報(bào)警音；另一方面通過(guò)傳送處理后的數(shù)據(jù)，使液晶屏動(dòng)態(tài)顯示并發(fā)布特征氣體的實(shí)時(shí)濃度值。

以待測(cè)干式電抗器為中心，1m為半徑，平均選取8個(gè)點(diǎn)放置該氣體檢測(cè)裝置各3min，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，8個(gè)點(diǎn)位均檢測(cè)到甲醛氣體，其中點(diǎn)位1處檢測(cè)的甲醛含量最高，達(dá)到15ppm，點(diǎn)位2和3的檢測(cè)結(jié)果次之，點(diǎn)位8的檢測(cè)結(jié)果最低，甲醛含量為2ppm，說(shuō)明干式電抗器面向點(diǎn)位1側(cè)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的絕緣熱老化。

圖3 干式電抗器的特征氣體檢測(cè)位點(diǎn)（左）和甲醛含量檢測(cè)結(jié)果（右）

針對(duì)干式電抗器過(guò)熱故障，可采取以下針對(duì)性措施：優(yōu)選高耐熱等級(jí)的絕緣材料制作電抗器，避免其過(guò)早出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象；結(jié)合紅外、紫外、可視化超聲和本文提出的特征氣體檢測(cè)新技術(shù)，加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)工作，特別對(duì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5年的電抗器，應(yīng)定期觀察表面是否存在龜裂和爬電痕跡，及時(shí)評(píng)估發(fā)熱情況，確定發(fā)熱部位；在運(yùn)維過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注電抗器包封之間的清理，減少異物附著，阻斷由異物導(dǎo)致的放電過(guò)程。電抗器內(nèi)層風(fēng)道應(yīng)及時(shí)清理，可采用空氣壓產(chǎn)生高壓風(fēng)，使其從繞組上部經(jīng)各風(fēng)道吹至下部，需提高污染程度大的風(fēng)道處理效果。若高壓風(fēng)難以消除內(nèi)部異物，建議使用長(zhǎng)棉布并蘸酒精清理。

本文通過(guò)采用ReaxFF力場(chǎng)對(duì)多個(gè)環(huán)氧樹脂模型進(jìn)行仿真模擬，分析得到了酸酐固化環(huán)氧樹脂的分解過(guò)程以及主要?dú)怏w產(chǎn)物的生成路徑，其中酸酐固化的環(huán)氧樹脂的分解反應(yīng)從酸酐與環(huán)氧樹脂相連的酯鍵斷裂開始；CO2是最早產(chǎn)生同時(shí)也是含量最多的小分子氣體產(chǎn)物，其他特征產(chǎn)物生成的順序依次為CH2O、CO、H2O?；?個(gè)點(diǎn)位的甲醛含量檢測(cè)結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)干式電抗器絕緣熱老化嚴(yán)重位置和程度的有效評(píng)估。