聚合物绝缘材料油中热老化特性分析

聚合物绝缘材料油中热老化特性分析

发表时间：2018-07-05T16:11:20.980Z 来源：《电力设备》2018年第2期作者：张黎峰

[导读] 摘要：为了分析油浸绝缘纸热老化过程中的局部放电能量特性，制作了油浸绝缘纸试样并在130℃下加速热老化，提取不同老化程度试样的局部放电信号，构造工频周期“平均放电能量(Pave)”，并分析了试样的最大放电量(Qmax)、平均放电量(Qave)、放电次数(n)、放电脉冲能量及 Pave随老化程度的变化规律。

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摘要：为了分析油浸绝缘纸热老化过程中的局部放电能量特性，制作了油浸绝缘纸试样并在130℃下加速热老化，提取不同老化程度试样的局部放电信号，构造工频周期“平均放电能量(Pave)”，并分析了试样的最大放电量(Qmax)、平均放电量(Qave)、放电次数(n)、放电脉冲能量及 Pave随老化程度的变化规律。结果表明：老化过程中油浸绝缘纸内部带电粒子的逐渐增多是导致其局部放电剧烈、小放电能量脉冲大量涌现的主要原因；相较于Qmax、Qave、n、放电脉冲能量4个参量，Pave在老化过程中的单调增长特征更加显著；小放电能量脉冲持续增加是导致Pave增长并最终维持高位的主要原因。

关键词：热老化；聚合物；特性

引言

电力变压器作为电力系统中的关键枢纽设备，保障其安全运行至关重要，相关研究表明绝缘老化失效是导致变压器发生故障的主要原因。因此，及时评估电力变压器绝缘老化状态，可有效降低其故障发生概率。

1 试验

1.1 样品处理及热老化试验

将纤维素绝缘纸、两种聚合材料（聚碳酸酯和聚酯薄膜）加工成厚度为0.5mm的切片样品，将样品和变压器油放入真空干燥箱中干燥24h，然后在真空中将样品浸入油中24h，使样品与油充分浸泡，最后在氮气氛围下按10∶1的质量比将油和材料放入热老化试验箱中加速老化，分别在110℃下老化300天、在130℃下老化为130天。

1.2 热分析动力学

热分析动力学对研究高分子聚合物材料稳定性十分有效，其参数对反映材料老化降解等热性能状态变化有一定的参考价值。热重分析法（TGA）和差示扫描量热法（DSC）是热分析动力学的基本方法。

1.3 原子力显微镜

试验通过原子力显微镜试验(AFM)可获得三维表面形貌结构信息及表面粗糙度信息，与其他实验得到的宏观参数结合，可更好地了解材料特性本质，更加高效地探寻油-纸绝缘老化机理。AFM试验所用仪器为德国Bruker AXS 公司生产的AFM.Veeco-icon 型高精度原子力显微镜。

2 结论

2.1 不同老化组合植物油纸绝缘水分平衡曲线

10天、50天、80天的老化阶段四种老化植物油纸绝缘组合的水分平衡关系如图1所示。其中10、50、80天分别表示老化的前期、中期、后期三个阶段。可以看出，第一个老化１０天阶段，未老化纸浸渍未老化油（ＮＯＮＰ）和未老化纸浸渍老化油（ＡＯＮＰ）水分平衡曲线迁移程度较小，老化纸浸渍未老化油（ＮＯＡＰ）和老化纸浸渍老化油（ＡＯＡＰ）水分平衡曲线变化规律基本相同，表明老化前期植物绝缘油对水分的吸引能力几乎未变，对水分在油纸绝缘间的稳态分布影响较小；然而ＮＯＮＰ和ＮＯＡＰ、ＡＯＮＰ和ＡＯＡＰ这两组水分平衡曲线差异明显，表明绝缘纸纤维素在老化初期对水分的吸引能力下降较大，水分会主动从绝缘纸向植物绝缘油纸扩散，因此老化初期水分平衡曲线发生迁移主要是由绝缘纸热老化造成。老化50天时，ＮＯＮＰ和ＡＯＮＰ水分平衡曲线变化较大，可以看出在排除绝缘纸老化的影响，相同纸中水分含量下植物绝缘油水分含量大幅增加。

图1 10天、50天、80天老化植物没纸组合水分平衡曲线

2.2 热老化过程中 XLPE 试样热性能的劣化规律

图2是不同热老化试样的TGA测试。从图2（a）可以看出，未老化试样F的失重主要发生在400～510℃，升温至510℃之后，试样F的残留率约为5%并保持不变。在TGA实验过程中，可以依据试样的失重情况将整个热过程分为3个阶段。其中，从50℃升温至300℃为第一阶段，此阶段中XLPE试样可能发生极轻微的失重，主要对应试样中小分子、交联副产物、水分等物质的挥发。从300℃至510℃为第二阶段，此阶段中 XLPE 试样发生明显的失重，主要对应XLPE试样的热降解过程，XLPE绝缘的热降解遵循无规降解及分子内、分子间转移反应的机理。在降解初期，XLPE中主要发生无规降解，XLPE大分子链在热的作用下从中部弱键处断裂，此时XLPE的相对分子质量迅速下降，但质量基本保持不变；在降解后期，XLPE中主要发生分子内、分子间转移反应，产生乙烯、丙烯、丁烯和分子链更长的烯烃碎片，这些小分子在高温下挥发，引发XLPE的质量快速下降。从510℃继续升温至600℃为第三阶段，此时XLPE试样的质量趋于稳定，残留率基本保持不变。此阶段中原材料中的非碳成分已大部分或全部挥发掉，剩余的部分主要为碳化或者石墨化产物。

（a）100℃老化试样的TGA曲线

3 结束语

在温度梯度的作用下，高温受热对象的DP下降速率大于低温受热对象；在油浸绝缘纸老化后期，DP下降速度变缓；在同一温度等级下，处于温度梯度下的油浸绝缘纸老化更严重，DP下降越快。2)温度梯度变化范围相同时，油浸绝缘纸受热温度升高，其极化/去极化电流均向左上方平移，电导率增大；受热温度相同时，油浸绝缘纸不均匀老化时的极化/去极化电流值比在均匀老化时要大；散热条件不佳会导致局部温度升高，加剧油浸绝缘纸老化。

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