分析热老化对干式变压器环氧树脂介电性能的影响

分析热老化对干式变压器环氧树脂介电性能的影响

 ,俞天波

杭州钱江电气集团股份有限公司   浙江杭州   311243

摘 要：为了研究热老化对干式变压器环氧树脂介电性能的影响，利用干式变压器环氧树脂配方，选取环氧树脂样本，分别用100、130、160℃温度对环氧树脂样本进行热老化实验，并测试样本的介电性能，分析介电常数和介质的损耗程度与老化时间和温度的规律。研究表明，样本在同样电场频率下，介电常数与介质损耗程度会因老化时间和温度增长而增加。老化时间的变化，样本电气强度会因介质损耗的程度增大而减小，使环氧树脂的绝缘性能减小。

关键词：热老化；干式变压器；环氧树脂；介电性能

干式变压器具有环保性好、装置简单、绝缘性强等优势，目前被我国广泛应用在中、低压的配电网上，但其内部导热效果差，会极大影响其运作。而环氧树脂是干式变压器的主要绝缘材料，由于持续承受变压器内部的热量，直接影响其绝缘性能，进而影响干式变压器工作的稳定。介电性能的好坏是测试绝缘材料性能的重要参考目标。所以环氧树脂的介电性能对干式变压器绝缘性能的评价具有很强的现实意义。目前国内外在对环氧树脂的介电性能研究中，主要把关注焦点放在了改性材料对介电性能影响上。而本文将会从环氧树脂绝缘材料自身的介电性能方面进行研究，利用环氧树脂样本的老热化实验，研究环氧树脂的介电性能与击穿性能的关系[1]。

1环氧树脂样本实验

1.1样本材料选取与制作

取定量的环氧树脂，放入处理后的三口容器中，用搅拌的方法使其温度达到6O℃，后依照质量100：90：10：1 的比例放入环氧树脂、固化剂、增韧剂和促进剂，混合搅拌60分钟，再利用超声波震荡1/2小时，最后真空除气泡。利用同样震荡方法和时间清除模具表面杂质，后恒温烘干60分钟，在其冷却到室温后，覆盖PVA水溶膜。接着将样本引入模具内，以90℃和110℃的恒温分别固化120分钟。冷却后，取出样本，利用热水去除样本表面的水溶膜，通过打磨和清洗，在进行烘干，这样直径3cm，厚度0.1cm的圆片样本就得到了。

1.2介电性能测试方法

1.2.1热老化过程

将三百样本均分三份，分别放入100℃、130℃、160℃的三个烘箱，但样本要暴露在空气中。按照国际保准IEC 60811-1的规定，将老化时间定在0、72、168、336、696、838、1154h。老化过程结束后取出样本进行介电性能测试。

1.2.2介电性能测试过程

取6份老化后的样本，开始介电性能测试，通过宽频介电谱测试系统，取直径0.2cm的电极，用1Hz至100W Hz频率进行测试，获得环氧树脂介电性能图谱。分析6份样本在每个温度下的介电性能图谱，选择几条数值与走向一致的曲线，将居中的曲线作为该温度下环氧树脂介电性能曲线。

1.2.3电气强度测试过程

样本老化后，在130℃温度下选6份样本常温下实施交流击穿实验。在击穿强度测试中，把样本放在针-板电极之间，为了避免沿面放电，将样本和电极均放入28号矿物绝缘油中，逐级增加电压，保持上升速率0.4 kV/s，致击穿样本停止，最后取6份样本电气强度的均值[2]。

2研究结果与论述

通过对环氧树脂样本对比可知：老化时间的增大，样本的颜色会逐渐加深；老化温度的升高，样本的颜色也在加深，在160 ℃温度下老化1154h后，样本最终变为黑色。

2.1环氧树脂介电常数频谱

对比130℃老化环境下环氧树脂介电常数频谱和100、130、160℃环境下历经不同老化时间的样本在工频下的介电常数，可知在频率1Hz至100W Hz之间，所有样本的介电常数都因频率的增加而降低，但频率变化趋势基本相似，主因是频率的增大降低了松弛极化损耗，增加了位移极化，致使介电常数因频率的增加而降低。

2.2环氧树脂介质损耗图谱

对比130℃老化环境下环氧树脂介质损耗图谱和 100、130、160℃环境下历经不同老化时间的样本在工频下的介质消耗角正切值，可知在频率1Hz至100W Hz之间，伴随频率的增加，样本介质损耗因数出现先减小后增加再减小的趋势，在10W Hz频率附近出现最高损耗值。主要因为在低频区域，介质损耗是因电导损耗所致，介质损耗和频率损耗成反比的关系，在1Hz至10W Hz之间，伴随频率加大，松弛损耗增大，介质损耗也在增大；在频率大于10W Hz时，松弛损耗开始降低，介质损耗也在降低，所以在10W Hz附近出现最大松弛损耗值。在1Hz至1W Hz之间，老化时间的增加介质损耗出现先增加后减小又增加的趋势。因为老化初期，聚合物中存在固化剂残余，发生降解后导致材料内部自由基增加，极化损耗加大，介质损耗增加；老化时间在336小时，固化剂残余降解物质挥发，减少自由基数目，减小极化损耗，使介电常数降低；持续进行老化，环氧树脂开始劣化，极性基团转向变得更容易，增加了松弛极化损耗，致使介质损耗增加。

2.3环氧树脂交流电气强度

为了分析介质损耗的改变对环氧树脂绝缘特性的影响，在130℃温度下，对老化样本实施常温交流击穿实验，可知老化时间的加大，环氧树脂电气强度降低。因为样本分子链出现断裂致使材料发生劣化，同时，材料内部发生热膨胀、软化物理性质的改变，导致材料内部杂质与气隙聚集，形成缺陷，从而使材料的电气强度降低；介质数值的升高，环氧树脂样本的电气强度减小。所以在干式变压器持续工作过程中，环氧树脂会因出现热老化从而导致其介质的损耗增加，最终导致环氧树脂绝缘特性降低

[3]。

3结束语

综上所述，在同样频率下，老化时间的增长，环氧树脂样本的介质损耗先增加后减少再增加；老化温度的增大，环氧树脂样本的介电常数增加。在1Hz至1W Hz之间，老化时间增大，环氧树脂样本在同等频率下的介质损耗先增加后减少在增加；老化温度的增加，环氧树脂样本的介质损耗增加。在干式变压器持续工作中，环氧树脂会由热老化致使介质损耗增加，绝缘特性降低。

参考文献

[1]张晓平, 王孜羽. 干式变压器环氧树脂热老化特性研究[J].  2020(01):21-22.

[2]张德君. 电热老化对干式变压器中环氧树脂特性的影响[J]. 中国化工贸易, 2019(08):89-90.

[3]郭永基, 颜寒, 肖飞. 环氧树脂热氧老化实验研究[J]. 清华大学学报：自然科学版, 2000(07):3-4.