温度对套管环氧胶浸纸绝缘频域介电响应的影响研究

翟春雨,刘泰蔚,田晓云,岳永刚,霍 峰,王 剑,叶 涛

(1.内蒙古超高压供电公司,呼和浩特 010080;2.中国电力科学研究院有限公司电网环境保护全国重点实验室,武汉 430074;3.国家电网有限公司,北京 100031;4.内蒙古电力(集团)有限责任公司,呼和浩特 010020)

0 引言

干式套管是特高压换站直流输电设备的关键设备之一,因具有绝缘性能好、抗污闪能力强、重量轻和载流能力强等优点而逐步取代传统油浸纸套管,在换流变阀侧套管和穿墙套管中得到了日益广泛的应用[1-3]。相比于传统油纸绝缘套管,干式套管电容芯子绝缘通过皱纹纸和铝箔卷制,再在环氧树脂中固化制成[4]。在长期运行过程中,干式套管电容芯子受到电场、温度和机械等因素作用。当负荷电流以及外界环境温度的变化时,干式套管内部的绝缘材料也会处于温度变化的环境中,甚至出现明显的高低温环境。对此,准确掌握干式套管电容芯子绝缘材料在高低温环境下的绝缘性能是保证套管安全可靠运行基础。

目前,变电设备的绝缘材料性能检测手段广泛采用局部放电和介电响应技术。局部放电技术只能检测出绝缘材料局部的缺陷,无法全方位反应绝缘材料的整体性能。而介电响应技术是在时域和频域上多方面检测油纸绝缘材料和环氧胶浸纸绝缘材料整体状态,主要包括基于时域的回复电压(Recovery Voltage Method,RVM) 法[5-6],极化/去极化电流(Polariza-tion and Depolarization Current,PDC)法[7-14]和基于频域的频域谱(Frequency Domain Dielectric Spectroscopy,FDS) 法[15-23]。RAM测量在极性电压消失后残余电荷在绝缘材料表面建立的电势差。PDC测量绝缘材料内部偶极子从无序到定向排列的再到无序状态的微弱电流[24]。因此,RAM和PDC时域测试时间较长且测量精度易受到外部环境影响,而FDS技术是在频域中测试绝缘复合电容和介质损耗因数,具有抗干扰能力强和测量结果信息丰富的优点[25]。

研究温度对油纸绝缘材料的频域介电特性影响已取得较多成果。文献[26]开展温度对油纸绝缘材料的绝缘性能机理性研究,提出油纸中的水分和酸值是加速绝缘材料劣化的主要原因。文献[27]在90 ℃、100 ℃和130 ℃下进行了160天的变压器油中的绝缘纸热老化试验,分析了绝缘纸的聚合度在不同温度和老化时间下的变化规律,解释和分析了电阻率随老化时间变化的原因。从现有的研究基础来看,对环氧胶浸纸材料的绝缘特性的研究较少。文献[28]用空间电荷理论研究了不同温度下环氧胶浸纸样片的介质损耗频谱曲线变化规律,无更深层次的机理性分析。但总的来说,当前研究更多在不同温度下绝缘材料的介电性能研究,缺乏系统性模拟现场实际应用的套管用环氧胶浸纸绝缘材料温差试验,难以有效获取在该环境下的介电性能变化规律。

本研究开展了套管用环氧胶浸纸绝缘材料样片在高低温循环(10 ℃～120 ℃)下的频域介电响应试验,在10 ℃和120 ℃下进行了FDS测试和分析,研究了不同循环次数对介损和复合电容的频域介电谱变化规律。随着高低温循环次数的增加,在120 ℃测量获取的介损和复合电容频域曲线整体往上和高频方向移动;在10 ℃测量获取的介损和复合电容虚部的频域曲线只是在高频部分向上移动,而复合电容虚部频域曲线基本保持不变。在不同温度下测量获取的频域介电谱曲线变化差异性是由于高低温环境限制了环氧胶浸纸单位体积内带电粒子响应速度而造成电导损耗不同导致的,具体表现在低频区域介电曲线变化的差异性。其内部的极化损耗作用加强,针对在两个温度下的介电高频域频谱曲线都向上移动趋势,这是由于高低温循环环境使得皱纹纸的纤维素长链裂解和环氧胶的环氧分子分解,致使绝缘材料损耗增加导致的。

1 基于频域的频域谱测量方法

在交变电场 作用下,环氧胶浸纸绝缘介质极化类型主要是位移极化、松弛极化和电导极化[29],则单位体积介质损耗,表示如下:

(1)

则介质损耗因数(tanδ)可以表示:

(2)

式中:ε∞为光频介电常数;εs为静态介电常数;εo为真空介电常数;τ为弛豫时间常数;γ为直流电导率。由于tanδ=ε″/ε′则复合电容公式为

(3)

则tanδ又可表示为

(4)

tanδ大小只与介质本身的特性、介质温度和电场频率有关,与介质几何尺寸无任何关系。

2 基于FDS的高低温循环环境下环氧胶浸纸样片测试系统

2.1 高低温测试装置

试验开始前,首先,将环氧胶浸纸样片经无水乙醇充分漂洗,清除表面油污。然后,为了避免样片自身水分含量对FDS测试的影响,将漂洗后的环氧胶浸纸样片放在干燥箱中烘干8 h以上。最后,将上述处理好的试样放置于密封袋并保存于黑暗环境中待用。套管用环氧胶浸纸样片是从800 kV干式套管芯子沿导体层径向切割,再用打磨机打磨而成。制作而成的环氧胶浸纸样片为正方体形,长宽为100 mm,厚度为2.5 mm。

参考IEC 60247标准对测试电极进行设计,高、低压电极形状均是圆盘形,材质为纯铜。高电极直径为15 mm,而低压电极直径为10 mm。测试电极系统由高压铜电极、低压铜电极、环氧胶浸纸样片和绝缘瓷筒组成,如图1所示。

图1 基于FDS的测试电极系统

为避免试验过程中局部放电的产生,正负极性必须压紧环氧胶浸纸样片。在恒温箱中放置测试电极,且恒温箱的温度波动范围为±0.5 ℃。高、低压电极引出线接入FDS测试设备。

2.2 FDS测试方法

基于FDS的在不同高低温循环次数下环氧胶浸纸频域测试流程图,见图2。测试设备采用瑞典Megger公司生产的介电响应仪IDX300。测试频率范围为1 mHz～1 kHz。环氧胶浸纸的频率介电响应测试电压设置为2 kV。

图2 高低温循环环境下环氧胶浸纸样片FDS测试流程

文中高低温循环试验条件:试验件在无外加载荷,高低温循环温度上限120±0.5 ℃,温度下限10±0.5 ℃。具体试验过程为:通过冷却系统再将温度降至10 ℃,然后通过加热系统将温度从10 ℃升温至120 ℃,最后通过冷却系统再将温度降至10 ℃,即为10 ℃时的一个高低温循环周期,同时120 ℃时的一个高低温循环周期也一样。考虑到热惯性的影响,当温度达到10 ℃或120 ℃时保持30 min之后再进行相关的测试,保证了试验结果的准确性和可重复性。

环氧胶浸纸样片的绝缘性能检测步骤,主要是包含以下4个步骤,分别是:

步骤1:首先对烘箱进行预热处理,除去烘箱中的水分,再对烘箱设置10 ℃(10 ℃-120 ℃-10 ℃-10 ℃,30 min)循环周期参数和120 ℃(120 ℃-10 ℃-120 ℃-120 ℃,30 min)循环周期参数。

步骤2:在10 ℃时,分别在第2、4、6和8次循环结束后静置30 min,再利用介电响应仪器分别在该循环次数下进行频域介电谱测量,同样在120 ℃进行相同测试,

步骤3:利用FDS测量原理对环氧胶浸纸样片在不同循环次数下的介损和复合电容频域曲线进行分析。

步骤4:比较10 ℃和120 ℃循环周期下介损和复合电容的频域曲线变化的差异性。

3 试验结果与分析

3.1 不同温度下介质损耗因数频域图谱

开展了环氧胶浸纸样片在不同温度下的介质损耗因数FDS试验,绘制了在20 ℃、80 ℃和120 ℃的介质损耗因数频域曲线,见图3。从图中可以看出,随着测试温度的升高,介质损耗因数频域曲线逐渐向右平移。在20 ℃环境中,介质损耗因数频域曲线呈现出“凹”形状,即在测试频段内出现最小值。但随着温度的升高,该形状逐渐消失。在低频段到中频段(10-2Hz～10 Hz)内,随着温度的升高,同一频率下的介质损耗因数显著增大。在中高频段(100 Hz～1 000 Hz)内,20 ℃时的介质损耗因数基本维持不变,而80 ℃和100 ℃的介质损耗因数随着频率的增加而减小,基本呈线性的关系。

图3 不同温度下环氧胶浸纸样片介质损耗因数频域谱曲线

根据环氧胶浸纸绝缘的介电弛豫机理可知,在10 ℃低温的高频区域,环氧胶浸纸中的极性分子热运动很弱,几乎处于冻结状态,则松弛时间很大,来不及随外加交变电场定向,这时介质损耗很小,表现介电频域谱为“凹”形状。当温度升高时,极性分子的定向能力可及时跟上电场变化,与热运动有关的松弛极化得以很快地建立,高频区域松弛极化损耗增大,同时高温导致低频电导损耗增大,故介质损耗随温度的变大而增加,表现介电频域谱为“凸”形状。当温度升高至120 ℃,几乎接近环氧胶的玻璃化转变温度,介电分子热运动加剧反而阻碍其在电场方向的定向,具体表现为随着温度的变大,曲线往上移,其形状变化不明显。

3.2 不同循环次数下介质损耗因数频域图谱

本研究在每一次循环中的10 ℃处进行了FDS测试,得到了4个周期下的介质损耗频域谱,见图4。从图中可以得知,当频率小于等于0.01 Hz时,介质损耗因数值基本保持不变。当频率大于0.01 Hz时,介质损耗因数随着循环次数的增加而增加。

图4 高低温循环下样片的10 ℃介损-频率特性曲线图

这些变化是因为由于环氧胶浸纸材料中的树脂基体受高低温的循环作用,在材料表面迅速冷却时,材料的外层及内层形成温度的越变膨胀和收缩的不均匀性,导致小分子物质附着在大分子链上,从而引发小分子极性物质减少,极性大分子链增加,极化损耗增加,环氧胶浸纸的绝缘性能下降,从而表现为中高频段的介质损耗因数增大。

在每一次循环中的120 ℃处进行了FDS测试,得到了第2、3、6和8个周期下的介质损耗频域谱,见图5。从图中可以得知,在高温下环氧胶浸纸绝缘材料的介电频域谱曲线变化特性跟低温的还不一样,具体表现为,当频率小于等于10 Hz时,随着循环周期的增加,频谱曲线逐渐往上移动。这是由于在高温情况下,环氧胶浸纸绝缘材料除了膨胀和收缩不均性之外,还出现了开裂、界面脱粘等现象,电导损耗增大,进一步降低了环氧胶浸纸材料的绝缘性能,从而表现为低频段的介质损耗因数增大。10 ℃和120 ℃下环氧胶浸纸绝缘材料在随着高低温循环次数增加下频域谱曲线变化趋势不一样,这是由于温度高低导致低频电导损耗的差异形而出现。

图5 高低温循环下样片的120 ℃介损-频率特性曲线图

3.3 不同循环次数下复合电容量频域图谱

在不同循环次数下,环氧胶浸纸样片的电容实部在10 ℃和120 ℃下的频域谱曲线,见图6。

图6 高低温循环下样片的电容实部-频率特性曲线图

从图中可以得知,在10 ℃循环下,环氧胶浸纸绝缘材料的复合电容实部频域曲线基本不受循环次数的影响,而在120 ℃循环下,环氧胶浸纸绝缘材料的复合电容实部频域曲线呈逐渐往上移的趋势,这是由于绝缘材料表面开裂导致绝缘材料厚度减小,从而电容量增加。随着高低温循环次数的增加,复合电容实部在低频段(0.002 Hz～1 Hz)呈现微小上升趋势,而在高频段(100 Hz～1 000 Hz)则基本保持不变。以10 ℃循环次数为4下FDS测试为例,当频率增加时,电容量实部值由0.002 Hz的387 pF几乎呈直线的趋势下降到1 Hz的78.6 Hz,然后在100 Hz到1 000 Hz之间,电容量实部值为28.4 pF,频率斜率近似为0。

在不同循环次数下,环氧胶浸纸样片的电容虚部在10 ℃和120 ℃下的频域谱曲线,见图7。从图中可以得知,在120 ℃下,环氧胶浸纸绝缘材料的电容虚部随循环次数的变化趋势跟介质损耗因数随循环次数的变化趋势基本一致,而10 ℃下的两者的变化规律不一样。10 ℃下电容虚部几乎随着频率的增加而呈直线下降的趋势,这与环氧胶浸纸自身结构有关,即皱纹纸和环氧胶的界面极化损耗效应导致的。

图7 高低温循环下样片的电容虚部-频率特性曲线图

4 结论

为研究温度对环氧胶浸纸绝缘频域介电响应特性的影响,本研究开展在10 ℃～120 ℃的高低温循环试验,分别在10 ℃和120 ℃下第2、4、6和8次下测量了环氧胶浸纸样片的介质损耗因数、复合电容量的频域响应特性,分析了高低温循环对频域谱曲线变化的影响原因,因此,结论如下:

1)由于温度导致绝缘材料在低频区域中电导损耗和高频区域中松弛极化损耗的差异性,从而表现在10 ℃时环氧胶浸纸绝缘材料的介质损耗因数频域谱曲线变化为“凹”形状、80 ℃和120 ℃下该材料频域谱曲线变为“凸”形状。

2)在10 ℃下随着高低温循环次数的增加,对中高频段(10 Hz～1 000 Hz)的环氧胶浸纸材料介质损耗因数影响较大,而在120 ℃下随着高低温循环次数的增加,对该材料的低频段(0.002 Hz～1 Hz)的介质损耗因数影响较大。

3)在10 ℃下随着高低温循环次数的增加,对环氧胶浸纸材料的电容实部频域谱曲线基本没影响,而在120 ℃下随着高低温循环次数的增加,其电容实部频域谱曲线逐渐往上移。在10 ℃和120 ℃下该材料电容虚部变化趋势与介质损耗因素变化趋势一致。