徐以標(biāo)

（連云港開(kāi)放大學(xué)，江蘇 連云港 222000）

固體絕緣材料熱老化電氣特性的研究

徐以標(biāo)

（連云港開(kāi)放大學(xué)，江蘇 連云港 222000）

影響油浸式變壓器容量和尺寸大小的重要因素是其所用固體絕緣材料的電介質(zhì)大小以及耐高溫的能力。筆者在本文中以聚酯薄膜、聚碳酸酯、聚苯硫醚為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，在130 ℃下進(jìn)行熱老化實(shí)驗(yàn)，對(duì)這三種耐高溫材料老化前后各個(gè)階段的介電譜和擊穿強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

固體；絕緣材料；熱老化電氣特性；研究

絕緣紙是當(dāng)前油浸式變壓器使用的主要絕緣材料，其原料為天然纖維，耐高溫性能較差，一旦變壓器在運(yùn)行的過(guò)程中溫度超過(guò)絕緣紙的耐高溫閥值，其就會(huì)發(fā)生高分子裂變，讓絕緣紙的性能大受影響，降低聚合度，讓絕緣紙老化速度加快，降低變壓器使用的年限。

1 電氣特性測(cè)試方法

表征絕緣材料耐電強(qiáng)度的電氣參數(shù)是擊穿場(chǎng)強(qiáng)。就變壓器而言，其中的絕緣材料介電常數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致主絕緣電廠分布發(fā)生改變，同時(shí)還會(huì)引起高低壓繞組對(duì)地電容和匝間電容發(fā)生改變，讓繞組波過(guò)程受到影響。所以，對(duì)變壓器來(lái)講，絕緣材料介電常數(shù)的大小以及其熱穩(wěn)定性極為重要。除此之外，變壓器上使用絕緣材料的介質(zhì)損耗要求比較嚴(yán)格，要是材料介質(zhì)有較大的損耗，會(huì)導(dǎo)致局部高溫，致使材料被擊穿。

在外電場(chǎng)作用下描述電介質(zhì)極化和損耗的重要參數(shù)有介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，外電場(chǎng)溫度被二者影響可以說(shuō)明電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的極化和松弛機(jī)制以及其之間相互作用的規(guī)律。

所以，對(duì)熱老化之前和之后進(jìn)行試樣的測(cè)試，主要是進(jìn)行介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，查看這三個(gè)參數(shù)隨老化時(shí)間的變化情況。我們觀察更重要的目的是確定材料在老化時(shí)間內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)急劇變化的情況以及隨著時(shí)間的推移找出變化的規(guī)律，對(duì)這些材料的老化壽命進(jìn)行推測(cè)。

2 電氣特性測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 聚酯薄膜

在室溫下，隨著時(shí)間的增加， 聚酯薄膜的ε在初期會(huì)不斷變大，240 h為節(jié)點(diǎn)，達(dá)到最大值，其后老化時(shí)間雖然在增加，但是ε值卻與之前相反，不斷減小。也就是說(shuō)在不同的老化階段內(nèi)ε值隨溫度的變化趨勢(shì)并不固定，不能籠統(tǒng)的說(shuō)成隨著老化時(shí)間的增加ε值增加或者減小，但是不可否認(rèn)在聚酯薄膜玻璃化溫度附近有一個(gè)快速上升的過(guò)程。

究其原因，筆者認(rèn)為這不僅是化學(xué)老化或者是物理老化，而是兩者共同作用的結(jié)果。在老化初始階段，由于溫度在不斷增加，材料的分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由于分子長(zhǎng)鏈的支化導(dǎo)致極性基團(tuán)不斷增加，所以介電常數(shù)中取向極化的貢獻(xiàn)不斷增加，其外在表現(xiàn)就是介電常數(shù)增加。

由于老化在不斷加劇，化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，材料的分子鏈不斷支化、斷裂，階段常數(shù)也在繼續(xù)變大。同時(shí)，也出現(xiàn)了物理老化，通過(guò)鏈段的運(yùn)動(dòng)物理老化導(dǎo)致自由體積減少，其的減少讓材料的密度不斷升高，這讓取向極化變得更加困難，在介電常數(shù)中取向極化的貢獻(xiàn)不斷減少，所以，這就出現(xiàn)了介電常數(shù)在出現(xiàn)增加后變小的原因。

2.2 聚碳酸酯

在聚碳酸酯老化前后ε的變化不是很大，這也可以看出在高分子主鏈斷裂的過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)對(duì)聚碳酸酯老化的影響很小。在溫度較低的時(shí)候，隨著老化時(shí)間的推移，聚碳酸酯的介電常數(shù)呈現(xiàn)減小后再增加；在溫度較高的時(shí)候和未老化之前相比，老化后材料的ε較小。同時(shí)沒(méi)有老化和老化剛開(kāi)始時(shí)候材料的ε隨著溫度的增加而增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的老化后，ε隨著溫度的升高而下降。

聚碳酸酯材料的介電損耗隨老化時(shí)間的增加而降低，筆者認(rèn)為這是受到物理老化的影響。在物理老化后，介質(zhì)損耗稍微增加，但隨著老化時(shí)間的持續(xù)進(jìn)行，介電損耗不斷降低。其主要原因如下：第一，老化時(shí)間加大，材料的雜質(zhì)不斷降低，相應(yīng)的在電導(dǎo)上的損耗就會(huì)不斷降低。第二，在側(cè)鏈中，聚碳酸酯的極性鍵較多，當(dāng)主鏈斷裂之后，極性基團(tuán)更容易極化，所以讓介電常數(shù)變大，介質(zhì)損耗自然會(huì)減少。

2.3 聚苯硫醚

在老化后，聚苯硫醚介質(zhì)損耗因數(shù)與溫度的關(guān)系出現(xiàn)較大的變化。其一在高溫區(qū)tan最大值有所降低，其二出現(xiàn)最大值的溫度上升了。介質(zhì)損耗隨著老化時(shí)間的變化和介電常數(shù)相似，在溫度較高的時(shí)候，介質(zhì)消耗最小對(duì)應(yīng)的是老化時(shí)間最長(zhǎng)，當(dāng)經(jīng)過(guò)480 h的老化時(shí)間后其介質(zhì)損耗最大，同時(shí)老化時(shí)間最長(zhǎng)的材料峰值只有一個(gè)，在130 ℃的時(shí)候，其介質(zhì)損耗保持穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

絕緣紙?jiān)跊](méi)有經(jīng)過(guò)熱老化前，隨著溫度的升高其相對(duì)電介常數(shù)以及介質(zhì)損耗因數(shù)持續(xù)增加，在溫度比較低的情況下聚苯硫醚和聚酯薄膜的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)比較穩(wěn)定，在溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，增大較明顯，對(duì)聚碳酸酯來(lái)講其相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗和溫度關(guān)系較小，幾乎保持不變。熱老化之后，和未老化前相比聚酯薄膜、聚苯硫醚材料的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)相似，超過(guò)90 ℃后介質(zhì)損耗因數(shù)不斷變小，而聚碳酸酯的介電常數(shù)保持不變其損耗因素略有減小。

［1］ 姚潔，魏曉魏，殷勤儉，等. 絕緣紙耐高溫老化助劑的制備及應(yīng)用［J］. 化學(xué)研究與應(yīng)用，2002，14（5）： 608～610.

［2］ 中華人民共和國(guó)機(jī)械電子工業(yè)部. JB/T 4059—1991聚酯薄膜絕緣紙柔軟復(fù)合材料［S］.

［3］ 中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部.JB/T4061.1—199聚酯薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料［S］.

［4］ 吳廣寧，周力任，郭小霞，等. 采用 tan表征變頻電機(jī)絞線對(duì)絕緣老化特性的研究［J］. 高電壓技術(shù)， 2010， 36（7）：1625～1629.

Electrical characteristics of thermal aging of solid insulating materials

TM85

1009-797X （2015） 20-0082-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.019

徐以標(biāo)（1969-），男，研究生學(xué)歷，講師，工程師，高級(jí)技師。

2015-09-16