溫度對套管環氧膠浸紙絕緣頻域介電響應的影響研究

翟春雨,劉泰蔚,田曉云,岳永剛,霍 峰,王 劍,葉 濤

(1.內蒙古超高壓供電公司,呼和浩特 010080;2.中國電力科學研究院有限公司電網環境保護全國重點實驗室,武漢 430074;3.國家電網有限公司,北京 100031;4.內蒙古電力(集團)有限責任公司,呼和浩特 010020)

0 引言

干式套管是特高壓換站直流輸電設備的關鍵設備之一,因具有絕緣性能好、抗污閃能力強、重量輕和載流能力強等優點而逐步取代傳統油浸紙套管,在換流變閥側套管和穿墻套管中得到了日益廣泛的應用[1-3]。相比于傳統油紙絕緣套管,干式套管電容芯子絕緣通過皺紋紙和鋁箔卷制,再在環氧樹脂中固化制成[4]。在長期運行過程中,干式套管電容芯子受到電場、溫度和機械等因素作用。當負荷電流以及外界環境溫度的變化時,干式套管內部的絕緣材料也會處于溫度變化的環境中,甚至出現明顯的高低溫環境。對此,準確掌握干式套管電容芯子絕緣材料在高低溫環境下的絕緣性能是保證套管安全可靠運行基礎。

目前,變電設備的絕緣材料性能檢測手段廣泛采用局部放電和介電響應技術。局部放電技術只能檢測出絕緣材料局部的缺陷,無法全方位反應絕緣材料的整體性能。而介電響應技術是在時域和頻域上多方面檢測油紙絕緣材料和環氧膠浸紙絕緣材料整體狀態,主要包括基于時域的回復電壓(Recovery Voltage Method,RVM) 法[5-6],極化/去極化電流(Polariza-tion and Depolarization Current,PDC)法[7-14]和基于頻域的頻域譜(Frequency Domain Dielectric Spectroscopy,FDS) 法[15-23]。RAM測量在極性電壓消失后殘余電荷在絕緣材料表面建立的電勢差。PDC測量絕緣材料內部偶極子從無序到定向排列的再到無序狀態的微弱電流[24]。因此,RAM和PDC時域測試時間較長且測量精度易受到外部環境影響,而FDS技術是在頻域中測試絕緣復合電容和介質損耗因數,具有抗干擾能力強和測量結果信息豐富的優點[25]。

研究溫度對油紙絕緣材料的頻域介電特性影響已取得較多成果。文獻[26]開展溫度對油紙絕緣材料的絕緣性能機理性研究,提出油紙中的水分和酸值是加速絕緣材料劣化的主要原因。文獻[27]在90 ℃、100 ℃和130 ℃下進行了160天的變壓器油中的絕緣紙熱老化試驗,分析了絕緣紙的聚合度在不同溫度和老化時間下的變化規律,解釋和分析了電阻率隨老化時間變化的原因。從現有的研究基礎來看,對環氧膠浸紙材料的絕緣特性的研究較少。文獻[28]用空間電荷理論研究了不同溫度下環氧膠浸紙樣片的介質損耗頻譜曲線變化規律,無更深層次的機理性分析。但總的來說,當前研究更多在不同溫度下絕緣材料的介電性能研究,缺乏系統性模擬現場實際應用的套管用環氧膠浸紙絕緣材料溫差試驗,難以有效獲取在該環境下的介電性能變化規律。

本研究開展了套管用環氧膠浸紙絕緣材料樣片在高低溫循環(10 ℃～120 ℃)下的頻域介電響應試驗,在10 ℃和120 ℃下進行了FDS測試和分析,研究了不同循環次數對介損和復合電容的頻域介電譜變化規律。隨著高低溫循環次數的增加,在120 ℃測量獲取的介損和復合電容頻域曲線整體往上和高頻方向移動;在10 ℃測量獲取的介損和復合電容虛部的頻域曲線只是在高頻部分向上移動,而復合電容虛部頻域曲線基本保持不變。在不同溫度下測量獲取的頻域介電譜曲線變化差異性是由于高低溫環境限制了環氧膠浸紙單位體積內帶電粒子響應速度而造成電導損耗不同導致的,具體表現在低頻區域介電曲線變化的差異性。其內部的極化損耗作用加強,針對在兩個溫度下的介電高頻域頻譜曲線都向上移動趨勢,這是由于高低溫循環環境使得皺紋紙的纖維素長鏈裂解和環氧膠的環氧分子分解,致使絕緣材料損耗增加導致的。

1 基于頻域的頻域譜測量方法

在交變電場 作用下,環氧膠浸紙絕緣介質極化類型主要是位移極化、松弛極化和電導極化[29],則單位體積介質損耗,表示如下:

(1)

則介質損耗因數(tanδ)可以表示:

(2)

式中:ε∞為光頻介電常數;εs為靜態介電常數;εo為真空介電常數;τ為弛豫時間常數;γ為直流電導率。由于tanδ=ε″/ε′則復合電容公式為

(3)

則tanδ又可表示為

(4)

tanδ大小只與介質本身的特性、介質溫度和電場頻率有關,與介質幾何尺寸無任何關系。

2 基于FDS的高低溫循環環境下環氧膠浸紙樣片測試系統

2.1 高低溫測試裝置

試驗開始前,首先,將環氧膠浸紙樣片經無水乙醇充分漂洗,清除表面油污。然后,為了避免樣片自身水分含量對FDS測試的影響,將漂洗后的環氧膠浸紙樣片放在干燥箱中烘干8 h以上。最后,將上述處理好的試樣放置于密封袋并保存于黑暗環境中待用。套管用環氧膠浸紙樣片是從800 kV干式套管芯子沿導體層徑向切割,再用打磨機打磨而成。制作而成的環氧膠浸紙樣片為正方體形,長寬為100 mm,厚度為2.5 mm。

參考IEC 60247標準對測試電極進行設計,高、低壓電極形狀均是圓盤形,材質為純銅。高電極直徑為15 mm,而低壓電極直徑為10 mm。測試電極系統由高壓銅電極、低壓銅電極、環氧膠浸紙樣片和絕緣瓷筒組成,如圖1所示。

圖1 基于FDS的測試電極系統

為避免試驗過程中局部放電的產生,正負極性必須壓緊環氧膠浸紙樣片。在恒溫箱中放置測試電極,且恒溫箱的溫度波動范圍為±0.5 ℃。高、低壓電極引出線接入FDS測試設備。

2.2 FDS測試方法

基于FDS的在不同高低溫循環次數下環氧膠浸紙頻域測試流程圖,見圖2。測試設備采用瑞典Megger公司生產的介電響應儀IDX300。測試頻率范圍為1 mHz～1 kHz。環氧膠浸紙的頻率介電響應測試電壓設置為2 kV。

圖2 高低溫循環環境下環氧膠浸紙樣片FDS測試流程

文中高低溫循環試驗條件:試驗件在無外加載荷,高低溫循環溫度上限120±0.5 ℃,溫度下限10±0.5 ℃。具體試驗過程為:通過冷卻系統再將溫度降至10 ℃,然后通過加熱系統將溫度從10 ℃升溫至120 ℃,最后通過冷卻系統再將溫度降至10 ℃,即為10 ℃時的一個高低溫循環周期,同時120 ℃時的一個高低溫循環周期也一樣?？紤]到熱慣性的影響,當溫度達到10 ℃或120 ℃時保持30 min之后再進行相關的測試,保證了試驗結果的準確性和可重復性。

環氧膠浸紙樣片的絕緣性能檢測步驟,主要是包含以下4個步驟,分別是:

步驟1:首先對烘箱進行預熱處理,除去烘箱中的水分,再對烘箱設置10 ℃(10 ℃-120 ℃-10 ℃-10 ℃,30 min)循環周期參數和120 ℃(120 ℃-10 ℃-120 ℃-120 ℃,30 min)循環周期參數。

步驟2:在10 ℃時,分別在第2、4、6和8次循環結束后靜置30 min,再利用介電響應儀器分別在該循環次數下進行頻域介電譜測量,同樣在120 ℃進行相同測試,

步驟3:利用FDS測量原理對環氧膠浸紙樣片在不同循環次數下的介損和復合電容頻域曲線進行分析。

步驟4:比較10 ℃和120 ℃循環周期下介損和復合電容的頻域曲線變化的差異性。

3 試驗結果與分析

3.1 不同溫度下介質損耗因數頻域圖譜

開展了環氧膠浸紙樣片在不同溫度下的介質損耗因數FDS試驗,繪制了在20 ℃、80 ℃和120 ℃的介質損耗因數頻域曲線,見圖3。從圖中可以看出,隨著測試溫度的升高,介質損耗因數頻域曲線逐漸向右平移。在20 ℃環境中,介質損耗因數頻域曲線呈現出“凹”形狀,即在測試頻段內出現最小值。但隨著溫度的升高,該形狀逐漸消失。在低頻段到中頻段(10-2Hz～10 Hz)內,隨著溫度的升高,同一頻率下的介質損耗因數顯著增大。在中高頻段(100 Hz～1 000 Hz)內,20 ℃時的介質損耗因數基本維持不變,而80 ℃和100 ℃的介質損耗因數隨著頻率的增加而減小,基本呈線性的關系。

圖3 不同溫度下環氧膠浸紙樣片介質損耗因數頻域譜曲線

根據環氧膠浸紙絕緣的介電弛豫機理可知,在10 ℃低溫的高頻區域,環氧膠浸紙中的極性分子熱運動很弱,幾乎處于凍結狀態,則松弛時間很大,來不及隨外加交變電場定向,這時介質損耗很小,表現介電頻域譜為“凹”形狀。當溫度升高時,極性分子的定向能力可及時跟上電場變化,與熱運動有關的松弛極化得以很快地建立,高頻區域松弛極化損耗增大,同時高溫導致低頻電導損耗增大,故介質損耗隨溫度的變大而增加,表現介電頻域譜為“凸”形狀。當溫度升高至120 ℃,幾乎接近環氧膠的玻璃化轉變溫度,介電分子熱運動加劇反而阻礙其在電場方向的定向,具體表現為隨著溫度的變大,曲線往上移,其形狀變化不明顯。

3.2 不同循環次數下介質損耗因數頻域圖譜

本研究在每一次循環中的10 ℃處進行了FDS測試,得到了4個周期下的介質損耗頻域譜,見圖4。從圖中可以得知,當頻率小于等于0.01 Hz時,介質損耗因數值基本保持不變。當頻率大于0.01 Hz時,介質損耗因數隨著循環次數的增加而增加。

圖4 高低溫循環下樣片的10 ℃介損-頻率特性曲線圖

這些變化是因為由于環氧膠浸紙材料中的樹脂基體受高低溫的循環作用,在材料表面迅速冷卻時,材料的外層及內層形成溫度的越變膨脹和收縮的不均勻性,導致小分子物質附著在大分子鏈上,從而引發小分子極性物質減少,極性大分子鏈增加,極化損耗增加,環氧膠浸紙的絕緣性能下降,從而表現為中高頻段的介質損耗因數增大。

在每一次循環中的120 ℃處進行了FDS測試,得到了第2、3、6和8個周期下的介質損耗頻域譜,見圖5。從圖中可以得知,在高溫下環氧膠浸紙絕緣材料的介電頻域譜曲線變化特性跟低溫的還不一樣,具體表現為,當頻率小于等于10 Hz時,隨著循環周期的增加,頻譜曲線逐漸往上移動。這是由于在高溫情況下,環氧膠浸紙絕緣材料除了膨脹和收縮不均性之外,還出現了開裂、界面脫粘等現象,電導損耗增大,進一步降低了環氧膠浸紙材料的絕緣性能,從而表現為低頻段的介質損耗因數增大。10 ℃和120 ℃下環氧膠浸紙絕緣材料在隨著高低溫循環次數增加下頻域譜曲線變化趨勢不一樣,這是由于溫度高低導致低頻電導損耗的差異形而出現。

圖5 高低溫循環下樣片的120 ℃介損-頻率特性曲線圖

3.3 不同循環次數下復合電容量頻域圖譜

在不同循環次數下,環氧膠浸紙樣片的電容實部在10 ℃和120 ℃下的頻域譜曲線,見圖6。

圖6 高低溫循環下樣片的電容實部-頻率特性曲線圖

從圖中可以得知,在10 ℃循環下,環氧膠浸紙絕緣材料的復合電容實部頻域曲線基本不受循環次數的影響,而在120 ℃循環下,環氧膠浸紙絕緣材料的復合電容實部頻域曲線呈逐漸往上移的趨勢,這是由于絕緣材料表面開裂導致絕緣材料厚度減小,從而電容量增加。隨著高低溫循環次數的增加,復合電容實部在低頻段(0.002 Hz～1 Hz)呈現微小上升趨勢,而在高頻段(100 Hz～1 000 Hz)則基本保持不變。以10 ℃循環次數為4下FDS測試為例,當頻率增加時,電容量實部值由0.002 Hz的387 pF幾乎呈直線的趨勢下降到1 Hz的78.6 Hz,然后在100 Hz到1 000 Hz之間,電容量實部值為28.4 pF,頻率斜率近似為0。

在不同循環次數下,環氧膠浸紙樣片的電容虛部在10 ℃和120 ℃下的頻域譜曲線,見圖7。從圖中可以得知,在120 ℃下,環氧膠浸紙絕緣材料的電容虛部隨循環次數的變化趨勢跟介質損耗因數隨循環次數的變化趨勢基本一致,而10 ℃下的兩者的變化規律不一樣。10 ℃下電容虛部幾乎隨著頻率的增加而呈直線下降的趨勢,這與環氧膠浸紙自身結構有關,即皺紋紙和環氧膠的界面極化損耗效應導致的。

圖7 高低溫循環下樣片的電容虛部-頻率特性曲線圖

4 結論

為研究溫度對環氧膠浸紙絕緣頻域介電響應特性的影響,本研究開展在10 ℃～120 ℃的高低溫循環試驗,分別在10 ℃和120 ℃下第2、4、6和8次下測量了環氧膠浸紙樣片的介質損耗因數、復合電容量的頻域響應特性,分析了高低溫循環對頻域譜曲線變化的影響原因,因此,結論如下:

1)由于溫度導致絕緣材料在低頻區域中電導損耗和高頻區域中松弛極化損耗的差異性,從而表現在10 ℃時環氧膠浸紙絕緣材料的介質損耗因數頻域譜曲線變化為“凹”形狀、80 ℃和120 ℃下該材料頻域譜曲線變為“凸”形狀。

2)在10 ℃下隨著高低溫循環次數的增加,對中高頻段(10 Hz～1 000 Hz)的環氧膠浸紙材料介質損耗因數影響較大,而在120 ℃下隨著高低溫循環次數的增加,對該材料的低頻段(0.002 Hz～1 Hz)的介質損耗因數影響較大。

3)在10 ℃下隨著高低溫循環次數的增加,對環氧膠浸紙材料的電容實部頻域譜曲線基本沒影響,而在120 ℃下隨著高低溫循環次數的增加,其電容實部頻域譜曲線逐漸往上移。在10 ℃和120 ℃下該材料電容虛部變化趨勢與介質損耗因素變化趨勢一致。