电力设备绝缘损伤形式及自修复材料研究进展

电力设备绝缘损伤形式及自修复材料研究进展

徐强

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摘要：电力设备绝缘材料在生产、安装、敷设以及服役期间受到各种人为、环境因素的影响，易出现材料本体缺陷、机械损伤以及电力损伤等不同的绝缘损伤形式。自修复材料能通过材料内部分子的物理相互作用或是一定的化学反应识别损伤并对其进行修复

关键词：电力设备；绝缘损伤；自修复材料

引言

在电网运行的过程中，电力设备故障的发生时常会引发电网大面积停电，以至于将给国民经济和社会带来突发性灾难。而在众多的电力设备故障中，绝缘故障是常见的故障类型。因此，有关人员还应该对电力设备的常用绝缘材料特性展开研究，以便通过合理选取绝缘材料确保电力设备的稳定运行。

1绝缘材料

在电力设备服务社会的过程中，绝缘材料无疑是至关重要的一环，关乎人民安全。研究表明，自20世纪末电力首次开始流入商业市场中，在电力设备开始快速发展的同时，绝缘材料也进入了高速发展的轨道。到目前为止，绝缘材料的失效仍然是导致电力设备损坏的主要原因，而除去自然老化和机械损伤破坏绝缘完整性外，冲击电压的累积也是造成绝缘材料的失效的常见原因之一。按照绝缘材料的化学成分，常将绝缘材料分为有机和无机绝缘材料，无机材料常指陶瓷、玻璃、云母粉等金属或非金属的氧化物，共价键的紧密结合使得材料不易发生电子转移达到绝缘的作用，且金属氧化物常常表现出较好的介电性，是电力设备中绝缘材料的优选，但无机绝缘材料的制造成本过高，很难被广泛使用，因而有机绝缘材料是电力设备常见的绝缘材料。常见的有机绝缘材料有链式结构的高分子聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯等典型的热塑性材料，网状分子结构的环氧树脂、酚醛树脂等热固性材料，和橡胶、纤维等。不同的绝缘材料都有其使用范围，如橡胶材料常用于电缆，合成纤维用于电机的绝缘槽，而电力设备最为常见的绝缘材料则是环氧树脂绝缘材料，环氧树脂应用于电力设备不仅在于它优良的绝缘效果，更是由于其强度较高，可以一定程度上承担支撑作用。但环氧树脂的老化和失效都是不可逆的，在长时间经受过电压后，老化速度加快，容易发生绝缘损伤，在雷雨天气下更是会加速累积效应，加快环氧树脂的失效。本文研究恶劣天气（雷雨）下对环氧树脂失效过程的加速，搭建标准雷电冲击实验台，设计了雷电冲击电压对电器设备用环氧树脂的电压累积效应测试，分析恶劣天气下材料的U-N特性以及绝缘参数的变化，为恶劣天气情况下电力设备用环氧树脂材料制备过程的设计参数和选取提供了参考。

2绝缘材料损伤类型

2.1材料本体缺陷

材料本体缺陷主要包括材料在生产加工和使用过程中产生的缺陷。以聚合物基绝缘电介质为例，一方面，聚合物绝缘材料在共混挤出、注塑成型等工艺过程中不可避免地引入气泡、固体颗粒等杂质。电力设备运行时，杂质将在材料中造成局部电场集中，对材料绝缘性能形成一定的威胁。同时，以提高机械强度为主要目的的交联过程中产生的交联副产物、交联不完全产生的不饱和键及原料氧化过程中产生的羰基等不饱和基团将在材料中形成分子级别的缺陷，进而在强电场下发生弱点击穿。另一方面，电力设备在长期服役过程中，绝缘材料由于受到氧化降解或潮湿环境的影响，可形成极性基团、游离小分子、分子链重排，也会产生系列缺陷。针对于材料的本体缺陷，通常通过改善加工工艺及加工环境减少其发生的可能性。

1.2机械损伤

电力设备的高分子绝缘材料在安装及服役过程中，受到自身内部疲劳和外界应力的作用，会形成不同种类的机械损伤，包括划痕、挤压、形变等形式，进而破坏材料的本体结构，造成相关性能的减弱。其本质是施加到材料表面的机械能不能转化成热能等其他形式，只能通过宏观表现出新的界面进行耗散。电介质承受的各种机械损伤若不经处理，最终将引发严重的电力击穿，影响电力设备的使用寿命。

3绝缘材料自修复方法

3.1可逆化学键

化学键的可逆性是实现材料自修复的重要途径，利用可逆化学键实现材料自修复功能通常包括两种形式，一种是基于分子间的弱相互作用，主要是通过物理交联形成的非共价键；另一种则是基于具有可逆反应的共价键。化学键的可逆性也被称为动态性，动态性的实现主要依赖分子链的流动。通过聚合物体系内的动态相互作用可以进行多次解离和重建，进而实现聚合物基体的自修复性能。常见的动态非共价键包括氢键、π-π堆积、金属配体络合[46]以及主客体相互作用等。动态非共价键通常通过分子间相互作用以物理的形式在聚合物体系中构筑超分子网络体系，一方面增加材料的机械强度，另一方面通过价键的可逆性实现自修复性。氢键的相互作用在合成聚合物中起到非常重要的作用，其动态可逆性有助于实现材料的自修复性能。J.Kang等通过4,4’-亚甲基双（苯基脲）（MPU单元）和异佛尔酮双脲（UI单元）连接低聚物聚二甲基硅氧烷（PDMS），其中MPU连接单元提供了强的氢键，用于增强体系的机械强度；UI连接单元提供了较弱的氢键，可耗散施加到材料上的应力。实验结果表明，该材料可对划痕等机械损伤进行主动自修复，且修复后的材料保持优异的机械性能，文中同时表明，该材料可实现水下的自修复能力，这可能将为绝缘材料水树枝的自修复提供思路。SunHaibin等利用氢键和离子键在硅氧烷介电弹性体中构筑超分子体系，实现了其对机械损伤的自修复。

3.2利用热效应

绝缘材料通常覆盖于电力设备表面起到阻隔电流的作用，由于电流的热效应通常会使得绝缘材料形成温升，尤其当绝缘材料损伤时，会造成局部温度过高，若能合理利用这部分能量，对实现材料自修复将有重大的意义。DA（Diels-Alder）热可逆反应是一种利用热效应实现材料自修复的方法。其本质是一种环加成反应，以共轭二烯和亲双烯体反应生成取代环己烯，通常是具有吸电子取代基的烯烃和炔烃与共轭二烯反应生成环状化合物。DA正反应所形成的基团具有热不稳定性质，在较高温度下可以进行逆反应，重新生成共轭二烯体和亲双烯体，因此DA反应可被用于制备具有自修复性能的聚合物材料，常见的DA反应体系见表2。F.Wudl等最先将DA反应应用于自修复材料，目前，通过DA反应已经可以实现对环氧树脂、聚乙烯、聚氨酯、硅氧烷弹性体等聚合物的自修复。在电力电子设备中，为使得材料通电情况下形成热效应，材料基体中加入碳纳米管将起到传导电流，形成电流焦耳热的作用，进而可以利用电流刺激材料发生DA逆反应实现材料的自修复。PuWuli等在聚氨酯中添加碳纳米管，对其施加直流低电压（小于40V），利用材料产生的焦耳热促进DA的逆反应首次实现修复效率达到98%的效果。

结语

总之，想要确保电网不发生绝缘问题，还要使电缆、电机和电力电子设备等电力产品拥有良好的绝缘性能。所以在选用绝缘材料进行产品设计时，还要加强对绝缘材料的特性研究。因此，相信本文对电力设备常用绝缘材料特性展开的研究，可以为相关工作的开展提供指导。

参考文献

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[2]管兆杰，黄慧洁，康骏.国内电机绝缘材料和工艺及绝缘结构现状及分析[J].电机与控制应用，2011（4）：1-5.

[3]唐炬.防御变电设备内绝缘故障引发电网停电事故的基础研究[J].高电压技术，2012（6）：1281-1291.