干式变压器环氧树脂的电热老化若干问题探讨

干式变压器环氧树脂的电热老化若干问题探讨
摘要：近年来在中低压配网中树脂浇注式干式变压器的应用越来越广泛，其绝
缘强度高，环境性能优越，以及安装维护简单等优点，给电力系统的稳定运行带
来一定的保障。

环氧树脂作为干式变压器的重要绝缘材料，长期承受着变压器内
部热和电的作用，容易电热老化的问题备受关注，也是电力行业相关从业人士比
较注重的一大课题。

关键词：干式变压器；环氧树脂；电热老化；状态评估
随着目前城市大规模的输电网建设，干式变压器在现代电力系统网络中的应用不断提高，在城市配网系统中发挥着越来越重要的作用。

然而环氧浇注式干式变压器绝缘材料主要为环
氧树脂，在长期电热的作用下，干式变压器绝缘材料逐渐发生老化，直接影响了干式变压器
的可靠性。

在现有标准中将质量损失作为环氧老化的参考量，而在实际运行变压器中测量其
绝缘材料的质量损失缺乏实际操作性，因此有必要利用新的特征参量来评估该材料的老化状态，继而实现对干式变压器的绝缘老化状态评估。

因此，本文将结合试验对干式变压器环氧
树脂的电热老化相关问题进行分析和探究。

一、材料与试样制备
（1）材料：双酚A型环氧树脂E51：环氧值0.48~0.54；酸酐类固化剂：4-甲基四氢苯酐，分子量166.17；促进剂：咪唑（R706）；增韧剂：邻苯二甲酸二丁酯，分子量278.35。

（2）试样制备：称取一定量的环氧树脂E-51加入到三口烧瓶中，搅拌升温至60℃，再
按质量比为100∶90∶10∶1的比例加入环氧树脂(E-51)、固化剂、增韧剂与促进剂。

采用搅
拌机搅拌1h，再用超声波振荡器振荡0.5h，最后放入真空罐中抽真空除气泡。

将模具采用超
声波振荡0.5h，除去模具表面的杂质，然后在80℃恒温箱中烘干1h，待模具冷却到室温，
在模具试样槽内涂抹脱模剂。

为增强脱模效果，在模具试样槽上平整覆盖一层PVA水溶膜。

将配置好的环氧树脂用玻璃棒引流倒入模具试样槽内，放入恒温箱中在90℃和110℃分别固
化2h。

待试样冷却后，取出试样，放入热水中除去试样表面覆盖的PVA水溶膜，并对试样进行打磨、清洗，最后放入恒温箱中烘干，得到直径30mm、厚度1mm的圆片试样。

（3）测试方法：将300个试样平均分成3份，每份100个，然后将3份试样分别放入
设定温度为100、130、160℃的3个烘箱，试样暴露于空气中。

根据IEC60811-1-2:1985第1-
2部分：通用试验方法-热老化试验方法的规定，采用等比级数确定老化试验的取样周期。

本
研究选择的老化时间点为0、72、168、336、696、838、1154h。

每次老化周期结束后，取出试样进行介电性能测试。

二、测试分析和结论
2.1介电性能测试
当到达设定的老化时间后，在100、130、160℃下各自取出6个试样进行介电性能测试。

利用宽频介电谱测试系统，选用直径20mm的电极，在100~106Hz频率范围内进行测试，得
到环氧树脂试样的介电特性图谱。

对每个温度下的6个介电特性图谱进行分析，选出走向及
数值均一致的几条曲线，选择这几条曲线中居中的那条曲线作为该温度下环氧树脂的介电特
性曲线。

2.2电气强度测试
到达设定的老化时间后，在130℃老化温度下取出6个试样进行常温交流击穿试验。

在
交流击穿强度测试时，将试样置于针-板电极之间，针-板电极由黄铜磨制，针电极头部呈半
球状，其曲率半径为0.1mm，针尖长度为5mm，板电极直径为60mm。

为了防止沿面放电，
测量时将电极和试样浸入28#矿物绝缘油中，电压采用逐级加压方式，上升速率为0.4kV/s，
直至试样击穿。

试验结果取6个试样电气强度的平均值。

在老化温度130℃下，经历不同老
化时间的环氧树脂介电常数频谱如图1所示：
在100、130、160℃下经历不同老化时间的环氧树脂试样在工频下的介电常数。

由图1
可以看出，在频率100~106Hz范围内，所有试样的介电常数随着频率的增加而降低，且随频
率变化的趋势大致相同。

这是由于随着频率的增加，松弛极化损耗减少，而位移极化增加，
导致介电常数随频率增加而降低。

在相同频率下，随着老化时间的增加，试样的介电常数呈
先增大后减小再增大的趋势。

老化336h时，环氧树脂的介电常数最小，老化1154h时，介
电常数最大。

这是因为在老化初期（0~168h），聚合物中残余固化剂发生降解会产生游离酸，致使材料内部偶极子数目增多，所以介电常数增大；在老化336h时，残余固化剂降解产生
的游离酸挥发，偶极子数目减少，使得介电常数降低；但随着老化时间的继续增加，环氧树
脂绝缘材料分子链上的薄弱点受热断裂，偶极子浓度增加，转向极化加强，导致介电常数增大。

当老化时间为838h时，不同老化温度下的介电常数频谱如图2所示：
由图2可以看出，随着热老化温度的升高，试样在相同电场频率下的介电常数增大。

这
是由于随着老化温度的升高，环氧树脂劣化更加严重，分子链发生断裂使偶极子浓度增加更
加明显，转向极化加强，3.3介质损耗频谱在老化温度130℃下，经历不同老化时间的环氧树
脂介质损耗频谱如图3所示：
由上图可知，在频率100~106Hz范围内，随着电场频率的增加，试样介质损耗因数呈先
降低后增大最后再降低的趋势，并在105Hz频率附近出现损耗峰值。

这是由于在低频区，介
质损耗全由电导损耗贡献，介质损耗与频率成反比；在102~105Hz频率区间，随着频率增大，松弛损耗增加，介质损耗也随之增大；当频率大于105Hz时，松弛损耗逐渐降低，介质损耗
也随之降低，因此在105Hz频率附近出现松弛损耗峰值。

另外，在100~104Hz频率区间，随
着老化时间增加，介质损耗呈先增大后减小最后再增大的趋势。

这是因为在老化初期
（0~168h），聚合物中残余固化剂发生降解致使材料内部自由基增多，极化损耗增加，所以
介质损耗增大；在老化336h时，残余固化剂降解产生的游离酸挥发，自由基数目减少，极
化损耗减小，使得介电常数降低；随着老化继续进行，环氧树脂发生劣化，极性基团转向更
加容易，松弛极化损耗增加，导致介质损耗增大。

2.3交流电气强度
为研究介质损耗变化对环氧树脂绝缘性能的影响，对在130℃下的老化试样进行常温交
流击穿试验，结果不同老化时间下的电气强度如图4所示：
由上图可以看出，随着老化时间的增加，环氧树脂试样的电气强度降低。

这是由于试样
分子链发生断裂导致材料劣化，同时材料内部还出现热膨胀、软化等物理变化，使得材料内
部气隙、杂质聚集在一起形成缺陷，导致材料的电气强度降低。

随着介质损耗因数的增加，
环氧树脂试样的电气强度降低。

因此，在干式变压器长期的运行过程中，环氧树脂因为发生
热老化会导致其介质损耗增大，绝缘性能降低。

参考文献
[1]干式变压器绝缘状态检测方法.陈晓聪.电力系统及自动化, 2019(01)
[2]环氧树脂浇注干式变压器局部放电原因分析和控制.冯宝发.建筑设计及理论,2019(11)
[3]浅谈环氧树脂浇注干式变压器CEF试验.王秋莉.建筑设计及理论,2019(12)。