电气工程学报, 2021, 16(2): 77-85 doi: 10.11985/2021.02.010

特邀专栏：高压电工装备绝缘

复合绝缘管的油相容性及热老化性能研究*

雷雨兴,1, 汪可2, 郁郁1, 杨雁,1, 李刚2, 高波1, 吴广宁1

1.西南交通大学电气工程学院 成都 611756

2.中国电力科学研究院有限公司 北京 100192

Study on Oil Compatibility and Thermal Aging Performance of Composite Insulation Tube

LEI Yuxing,1, WANG Ke2, YU Yu1, YANG Yan,1, LI Gang2, GAO Bo1, WU Guangning1

1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756

2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192

通讯作者: 杨雁,女,1984年生,博士,讲师。主要研究方向为电气设备状态监测、绝缘性能机理分析。E-mail：yangyanyy@home.swjtu.edu.cn

收稿日期: 2021-03-10   修回日期: 2021-04-29  

基金资助: * 国家电网公司科技资助项目.  GY71-17-051

Received: 2021-03-10   Revised: 2021-04-29  

作者简介 About authors

雷雨兴,男,1997年生,硕士研究生。主要研究方向为电气设备状态检测与故障诊断。E-mail： lyx_rain@my.swjtu.edu.cn

摘要

采用复合绝缘外套的油浸式设备中,需要使用玻璃纤维增强环氧树脂绝缘管作为主绝缘容器,复合绝缘管与绝缘油长期接触,并且经受各种运行工况的考验。为研究绝缘管与油的相容性和长期运行稳定性,对三种不同配方绝缘管材料进行油浸热老化处理,针对不同老化时间后的绝缘油进行相容性相关的频域介电谱、气相色谱分析;针对不同老化时间的绝缘管材料进行击穿电压试验、局部放电特性试验、表面微观形貌、频域介电频谱等抗热油老化性能研究。根据试验结果,分析了不同老化时间绝缘管材料的抗热油老化能力,对比了不同配方绝缘管材料的抗热油老化能力及抗老化性能。结果表明,较高的浅陷阱密度有利于电荷消散,减少局放的发生,提高耐电特性。此外,老化过程中较低的环氧树脂分解和玻璃纤维断裂程度最终表现为良好的油相容性。该结果可为提高采用复合绝缘外套油浸式设备的运行寿命和可靠性提供优选配方及理论依据。

关键词： 复合绝缘管 ; 击穿电压 ; 局部放电 ; 频域介电谱

Abstract

In the oil-immersed equipment with composite insulation jacket, glass fiber reinforced epoxy resin insulation tube should be used as the main insulation container. The composite insulation tube has long-term contact with the insulating oil, and has been tested under various operating conditions. In order to study the compatibility and long-term stability of insulating pipe and oil, three kinds of insulating pipe materials with different formulations are treated by oil immersion heat aging, and the frequency domain dielectric spectroscopy and gas chromatography related to the compatibility of insulating oil after different aging time are analyzed. The breakdown voltage test, partial discharge characteristic test, surface morphology, frequency domain dielectric spectrum and other anti-thermal oil aging properties of insulating tube materials with different aging time are studied. According to the test results, the thermal oil aging resistance of insulating pipe materials with different aging time is analyzed, and the thermal oil aging resistance and aging resistance of insulating pipe materials with different formulations are compared. The results show that higher shallow trap density is beneficial to charge dissipation, reduce the occurrence of partial discharge and improve the electrical resistance. In addition, the lower degree of epoxy resin decomposition and glass fiber fracture during aging eventually showed good oil compatibility. The results can provide optimal formula and theoretical basis for improving the operation life and reliability of oil immersion equipment with composite insulation jacket.

Keywords： Insulating tube ; breakdown voltage ; partial discharge ; frequency domain dielectric spectrum

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本文引用格式

雷雨兴, 汪可, 郁郁, 杨雁, 李刚, 高波, 吴广宁. 复合绝缘管的油相容性及热老化性能研究*. 电气工程学报[J], 2021, 16(2): 77-85 doi:10.11985/2021.02.010

LEI Yuxing, WANG Ke, YU Yu, YANG Yan, LI Gang, GAO Bo, WU Guangning. Study on Oil Compatibility and Thermal Aging Performance of Composite Insulation Tube. Journal of Electrical Engineering[J], 2021, 16(2): 77-85 doi:10.11985/2021.02.010

1 引言

近年来,瓷质绝缘外套因其具有良好的机械、电气、热性能和耐气候性能,被广泛运用于各级电压的输变电工程[1]。但是,随着电压等级逐渐向超高压、特高压发展,瓷质绝缘外套在运行中也暴露出了许多缺点,如因雷击造成的较高冲击电流或短路电流,可能造成瓷质绝缘外套的瞬间骤热而发生爆炸或断裂[2,3],抗震性能差[4,5]、易脆断[6,7]等,严重威胁了运行人员和电网运行的安全[2,3,4,5,6,7]。因此,为了减少运行故障,降低套管、电流互感器等设备在故障条件下产生爆炸的危害,可采用弹性更好的复合绝缘外套代替刚性瓷套。

对于采用复合绝缘外套的油浸式设备,还需要使用玻璃纤维增强环氧树脂绝缘管作为其主绝缘容 器[8,9]。目前,很多学者也对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料进行了老化研究,南洪尧等[10]研究了复合材料的力学性能和机械老化问题。付晨阳等[11]研究了紫外线对复合材料的老化影响。谭荣等[12]研究了温度对复合绝缘材料的老化影响。冉昭玉等[13]研究了环氧复合材料表面电位衰减与直流电导特性。王国建等[14,15]研究了温度和湿度对绝缘材料的性能影响。在采用复合绝缘外套的油浸式设备中,玻璃纤维增强环氧树脂复合绝缘管长期与绝缘油接触,存在热油老化问题。

本文将研究复合绝缘管的油相容性及在油浸渍条件下的热老化特性。本文将绝缘管浸入绝缘油进行热老化处理,研究了不同老化阶段的绝缘材料和绝缘油,包括绝缘油相容性相关的频域介电谱、气相色谱分析;绝缘管击穿电压、局部放电特性、表面微观形貌、频域介电频谱等。根据试验结果,分析绝缘管与油的相容性和抗老化性能,为提高采用复合绝缘外套油浸式设备的运行寿命和可靠性提供优选配方及理论依据。

2 试验原理及方法

2.1 试验前准备及预处理

将三种配方的绝缘管分别编号为HX-1#、ZJ、WJ,其中HX-1#为经过环氧改性处理、玻璃纱缠绕等特殊工艺加工而成的配方,ZJ和WJ为常规绝缘管配方。每种配方各准备64个50 mm×50 mm×1 mm大小的绝缘片,10个10 mm×10 mm×3 mm大小的绝缘片,15个30 mm×30 mm×10 mm大小的绝缘片,5个内径130 mm,厚度3 mm,高度80 mm的绝缘管。

设置老化周期为0天、10天、20天、30天、40天。将不同热老化周期绝缘管依次编号为 HX-1# 0,HX-1#10,HX-1#20,HX-1#30,HX-1#40;ZJ0,ZJ10,ZJ20,ZJ30,ZJ40;WJ0,WJ10,WJ20,WJ30,WJ40。

2.2 绝缘管与油的相容性

将预处理清洁后的绝缘片和绝缘管试样浸入盛有25#绝缘油的玻璃瓶中密封,使之与油充分接触,并置于恒温烘箱中,烘箱的温度设置为108 ℃。每个周期后取绝缘油试样,观察绝缘油的颜色老化后发生的明显变化。分析绝缘管老化过程,测试不同老化周期绝缘油的介电性能和绝缘油中的油中溶解气体,从而分析各配方绝缘管与绝缘油的相容性。

2.2.1 绝缘油频域介电谱测试

本次试验将不同热老化周期的绝缘油作为试验对象,施加正弦电压,测量流过绝缘油的电流幅值与相位,测量相对介电常数、介质损耗角正切值等。本次电介质响应测试所用仪器为Megger Group Limited公司的IDA300。

2.2.2 绝缘油气相色谱分析

本试验按照 DT/T 722—2014《变压器中溶解气体和分析导则》,采用ZD2000全自动振荡仪和ZF301B气相色谱仪进行测试。

2.3 热老化前后绝缘管电气性能试验

2.3.1 击穿试验

击穿试验电路如图1所示,调压器额定容量为10 kV·A,输入电压380 V,输出0~3 800 V。变压器额定容量为10 kV·A,额定电流为0.1 A,变比为1∶375,输入电压0~380 V,输出0~100 kV。分压器为Gf-200 kV交直流高压阻容分压器,分压比为1∶1 000。

图1

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图1   击穿试验电路图


击穿试验采用球板电极。球电极直径为20 mm,板电极边长为25 mm。升压方法为慢速升压法。先施加40%的预期击穿电压,然后开始均匀升压,使得击穿发生在120~240 s,升压速率为2 V/s。

2.3.2 局部放电试验

试验采用脉冲电流法检测试品局部放电,局放试验平台如图2所示。AC是0~100 kV无局放变压器,RAC=2 MΩ是保护电阻,用于保护试验回路。C1和C2组成分压器,Zm是检测阻抗,与局部放电测试仪MPD600相连,Ck=300 pF为耦合电容。整个试验系统在50 kV时局部放电干扰小于5 pC。

图2

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图2   局部放电电路原理图


试验采用阶梯升压法,每5 min升高1 kV,直至35 kV。根据GB/T 7354—2018,以首次出现大于100 pC的局部放电所对应的交流电压作为起始放电电压。测试整个试验过程中局部放电的平均放电量、最大放电量和起始放电电压。

2.3.3 复合绝缘管频域介电谱测试

将不同热老化周期的绝缘管作为试验对象,施加正弦电压,测量流过绝缘油的电流幅值与相位,计算相对介电常数、介质损耗角正切值等。本次电介质响应测试所用仪器为Megger Group Limited公司的IDA300。

2.3.4 等温表面电位衰减测试

ISPD(等温表面电位衰减)试验系统如图3所示,由高压直流电源、恒温箱、充电模块、表面电位检测模块和数据采集模块几个部分组成。试验步骤如下：① 将绝缘管试样紧贴于充电装置的背电极上,调整电极距栅极和栅极距试样表面各5 mm;② 首先控制高压直流电源对针电极与栅极分别施加+8 kV与+3 kV的直流电压,对老化试样充电10 min,并打开表面电位测试仪器进行高压预热;③ 充电完成后,迅速将试样置于距试样表面3 mm的振动式静电探头之下,打开计算机上的数据采集软件,由采集卡读取电压信号并传输至计算机,采集记录表面电位的衰减数据。将记录好的数据经过计算处理,得到直流充电下老化后的试样表面电位衰减曲线,计算并绘制空穴陷阱分布曲线。

图3

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图3   ISPD试验系统示意图


2.3.5 扫描电镜测试

采用扫描电子显微镜观测绝缘管表面形貌图。本试验采用荷兰FEI公司生产的Quanta 200环境扫描电子显微镜。

3 试验结果分析

3.1 绝缘管与油的相容性

经过不同老化周期绝缘管热油老化试样如图4所示,从左到右依次为老化10天、老化20天、老化30天、老化40天。未老化时,绝缘油呈无色透明状,在整个老化过程中,绝缘油颜色由浅变深。为了分析绝缘管老化过程,测试了不同老化周期绝缘油的介电性能和绝缘油中溶解气体,并以此分析各配方绝缘管与绝缘油的相容性。

图4

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图4   不同老化周期绝缘管热油老化实物图


3.1.1 绝缘油频域介电谱测试分析

绝缘油在不同老化周期的介电常数如图5和图6所示。在同一老化周期,绝缘油的介电常数随频率的增加而降低。对比三种配方的试验结果可得,HX-1#绝缘管老化后绝缘油介电常数较低,介电性能较好。随着老化时间的增加,绝缘油介损在低频段逐渐增加,在高频段介损变化不明显。老化初期HX-1#绝缘管热油老化后绝缘油介损较低,说明ZJ和WJ绝缘管降解更为严重,在和绝缘油的作用下,产生更多的极性小分子。综上可得,HX-1#绝缘管与绝缘油具有较好的相容性。

图5

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图5   绝缘油不同老化周期介电谱


图6

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图6   绝缘油不同老化周期介损


3.1.2 绝缘油气相色谱分析

烃类含量随老化时间变化如图7所示,由图7可知绝缘油中烃类气体随老化时间的增加而增加,最后趋于平稳。对比三种配方的试验结果可得,绝缘管热油老化后,HX-1#材料绝缘管热油老化后绝缘油中烃类气体含量较少。碳氧化物含量随时间变化如图8所示,由图8可知绝缘油中碳氧化物气体随老化时间的增加先快速增加后缓慢增加。说明在绝缘管热油老化过程中,HX-1#绝缘管甲基、亚甲基发生的裂解程度较低,ZJ绝缘管脱酸基和羟基裂解程度较低,HX-1#绝和ZJ绝管老化反应较为缓和,对绝缘油的影响作用较小,与绝缘油具有较好的相容性。

图7

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图7   烃类含量随老化时间变化


图8

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图8   碳氧化物含量随时间变化


3.2 热老化前后绝缘管电气性能分析

3.2.1 击穿试验结果分析

试样在击穿试验后的实物图如图9所示,可以明显地看到击穿后留下的碳化点。对于三种配方的试样,其介电强度均会随着浸油老化时间的增长而逐渐降低,具体介电强度如表1所示。老化40天后,HX-1#材料的介电强度由初始介电强度48.42 kV/mm下降到33.76 kV/mm,即下降至原有的69.72%;ZJ材料的介电强度由初始介电强度38.24 kV/mm下降到27.35 kV/mm,即下降至原有的71.52%;WJ材料的介电强度由44.27 kV/mm下降到31.43 kV/mm,下降至原有的70.99%。经分析可知总结如图10所示,三种不同配方材料中,HX-1#材料介电强度最高,耐击穿能力最强,WJ材料次之,ZJ材料耐击穿能力最低。

图9

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图9   绝缘管试片击穿实物图


表1   绝缘管不同老化时间介电强度 kV/mm

时间/天HX-1#ZJWJ
048.4238.2444.27
1047.8337.6643.01
2044.5835.642.02
3040.0630.0138.62
4033.7627.3531.43

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图10

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图10   绝缘管不同老化周期介电强度


3.2.2 局部放电试验结果分析

老化时间相同的HX-1#、WJ、ZJ试样在35 kV时的局放图谱如图11所示。由图11可知,HX-1#的放电量最小。

图11

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图11   35 kV时绝缘管局放图


三种配方的试样的最大放电量和平均放电量测试结果如表2所示。HX-1#材料局放起始电压较高,最大放电量和平均放电量较WJ材料和ZJ材料稍低。

表2   绝缘管最大、平均放电量 pC

电压/kV最大放电量平均放电量
HX-1#WJZJHX-1WJZJ
1027.3345.1644.8112.8316.6226.45
1126.0649.7542.8812.211.622.58
1239.8760.7350.3516.9320.3326.37
1364.2483.5398.419.365.1929.28
1481.5395.39107.323.0563.1133.07
1591.1111.7128.720.2575.2235.41
16125.8115.3161.829.8989.733.41
17133.8158.3206.331.8590.7336.8
20207.2222.4259.1108.8113.6132.47
259051 1031 246201.55218.47220.4
302 7602 7963 002380.4396.58402.3
354 0134 3365 590529.3544.6611.7

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3.2.3 频域介电谱测试结果分析

绝缘管不同老化周期介电常数如图12所示,随着频率的增加,相对介电常数实部呈下降的趋势。绝缘管是以环氧树脂为基体,通过浸渍无碱玻璃纤维制成的复合材料。纤维以一定的缠绕方式配置,以取得足够的机械和绝缘强度。环氧树脂和玻璃纤维含较多的极化分子,在电场作用下会产生极化。另外环氧树脂和玻璃纤维的分界面在电场作用下会聚集电荷,形成界面极化。由图12可以看出,未老化时绝缘管介电常数实部在3.9~5.4之间。随着老化时间的增加,绝缘管介电常数增加。绝缘管老化后,HX-1#绝缘管有着较好的介电性能。

图12

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图12   绝缘管不同老化周期介电常数


绝缘管不同老化周期介损如图13所示,随着老化时间的增加,绝缘管介质损耗因数随老化时间的增加而增加。综合比较可以得出HX-1#和WJ介损较低。在不同老化周期下,HX-1#材料损耗因数 较小。电介质由于介质损耗,会把电能转化为热量,使得电介质温度升高,引起电介质的热击穿。因此,在绝缘领域中,应尽可能采用介质损耗较低的材料。

图13

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图13   绝缘管不同老化周期介损


3.2.4 等温表面电位衰减测试结果分析

绝缘管正、反表面电位衰减如图14、15所示,正极性和负极性充电后,绝缘管试样片表面电位消散速度均随老化时间的增加而减小。正极性电晕充电后,未老化时WJ绝缘管表面电位消散速度最快,ZJ绝缘管表面电位消散速度最慢。HX-1#、WJ绝缘管正表面电位速度消散较快,HX-1#、ZJ绝缘管负表面电位消散速度较快。

图14

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图14   绝缘管正表面电位衰减


图15

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图15   绝缘管反表面电位衰减


绝缘管电子、空穴陷阱密度如图16、17所示,电子陷阱和空穴陷阱的陷阱能级均随老化时间的增加而增加,且浅陷阱的能级增加幅度较大,深陷阱的能级增加幅度较小。电子浅陷阱密度峰值随老化时间的增加而减小,电子深陷阱密度峰值随老化时间的增加而增加。空穴浅陷阱和空穴深陷阱密度峰值均随老化时间的增加而增加。HX-1#和WJ绝缘管电子陷阱密度峰值较小,陷阱能级较低,有利于电子的消散。

图16

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图16   绝缘管电子陷阱


图17

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图17   绝缘管空穴陷阱


未老化时,WJ空穴浅陷阱密度峰值最低,ZJ空穴浅陷阱密度峰值最高。WJ空穴深陷阱密度峰值最高,ZJ空穴深陷阱密度峰值最低。老化40天后,ZJ空穴浅陷阱密度峰值和陷阱能级最低,HX-1#空穴浅陷阱密度峰值最高。WJ空穴深陷阱密度峰值最高,ZJ、HX-1#空穴深陷阱和密度峰值相差不大。HX-1#和ZJ空穴陷阱密度峰值较小,能级较低有利于空穴的消散。综上分析HX-1#绝缘管不利于电荷的积聚,具有较好的电荷消散特性,从而老化后击穿电压较高。

3.2.5 扫描电镜测试结果分析

三种配方绝缘管老化10天和老化40天的微观形貌如图18所示。随着老化时间的增加,绝缘管的环氧树脂基体开始分解老化,玻璃纤维开始出现断裂的现象,且环氧树脂和玻璃纤维界面脱粘开裂。老化40天时,HX-1#绝缘管环氧树脂虽然开始出现裂解,但是纤维断裂较少;ZJ绝缘管环氧树脂分解和玻璃纤维断裂都较为严重,有大量的白色碎屑产生,老化较为严重。

图18

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图18   绝缘管扫描电镜图


4 结论

本文对三种不同配方绝缘管材料进行了油浸热老化及性能测试,结果表明,在油浸热老化后HX-1#配方绝缘管击穿电压较高;起始放电电压较高,平均放电量和最大放电量较低;介电常数和介损较低。电气性能的优异性可以根据陷阱分布特性从机理 上进行解释,该配方绝缘管材料的浅陷阱密度较大,有利于电荷消散,减少局放的发生,提高耐电特性。

此外,HX-1#绝缘管环氧树脂分解和玻璃纤维断裂程度较低,具有较好的抗热油老化性能,与油具有更好的相容性。绝缘油的测试结果也从另一个方面反映了相容性,HX-1#绝缘管所被浸泡的绝缘油介电常数较低,WJ-1#绝缘管介损较低,并且含烃类气体较少。

HX-1#配方通过环氧改性处理、专用玻璃纱缠绕等特殊工艺提高环氧树脂和玻璃纱的结合力,提高其弯曲强度和刚性,提高其机电性能。本文通过一系列试验也验证了该绝缘管配方优越的性能。本文的研究结果可为提高采用复合绝缘外套油浸式设备的运行寿命和可靠性提供优选配方及理论依据。

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冉昭玉, 杜伯学, 李进, 等.

环氧复合材料表面电位衰减与直流电导特性

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[J]. Journal of Electrical Engineering, 2018, 13(11):65-70,78.

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王国建, 孙耀宁, 蒋万乐.

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在温湿和紫外辐照环境中的老化行为

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WANG Guojian, SUN Yaoning, JIANG Wanle.

Aging behavior of glass fiber reinforced epoxy resin matrix composites in warm,humid and ultraviolet radiation environments

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王国建, 孙耀宁, 姜宏, 等.

湿热-高温循环老化对环氧乙烯基酯树脂/玻璃纤维复合材料性能影响

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WANG Guojian, SUN Yaoning, JIANG Hong, et al.

Effect of hygrothermal-high temperature cycle aging on properties of epoxy vinyl ester resin/glass fiber composites

[J]. Engineering Plastics Application, 2020, 48(9):121-126,132.

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