干式变压器环氧树脂的电热老化若干问题探讨
发表时间：2020-10-10T08:46:27.022Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第14期 作者： 梁海峰
[导读] 近年来在中低压配网中树脂浇注式干式变压器的应用越来越广泛，其绝缘强度高，环境性能优越，以及安装维护简单等优点，给电力系统的稳定运行带来一定的保障。环氧树脂作为干式变压器的重要绝缘材料，长期承受着变压器内部热和电的作用，容易电热老化的问题备受关注，也是电力行业相关从业人士比较注重的一大课题。梁海峰
顺特电气设备有限公司 广东顺德 528300
摘要：近年来在中低压配网中树脂浇注式干式变压器的应用越来越广泛，其绝缘强度高，环境性能优越，以及安装维护简单等优点，给电力系统的稳定运行带来一定的保障。环氧树脂作为干式变压器的重要绝缘材料，长期承受着变压器内部热和电的作用，容易电热老化的问题备受关注，也是电力行业相关从业人士比较注重的一大课题。 关键词：干式变压器；环氧树脂；电热老化；状态评估
随着目前城市大规模的输电网建设，干式变压器在现代电力系统网络中的应用不断提高，在城市配网系统中发挥着越来越重要的作用。然而环氧浇注式干式变压器绝缘材料主要为环氧树脂，在长期电热的作用下，干式变压器绝缘材料逐渐发生老化，直接影响了干式变压器的可靠性。在现有标准中将质量损失作为环氧老化的参考量，而在实际运行变压器中测量其绝缘材料的质量损失缺乏实际操作性，因此有必要利用新的特征参量来评估该材料的老化状态，继而实现对干式变压器的绝缘老化状态评估。因此，本文将结合试验对干式变压器环氧树脂的电热老化相关问题进行分析和探究。 一、材料与试样制备
（1）材料：双酚A型环氧树脂E51：环氧值0.48~0.54；酸酐类固化剂：4-甲基四氢苯酐，分子量166.17；促进剂：咪唑（R706）；增韧剂：邻苯二甲酸二丁酯，分子量278.35。
（2）试样制备：称取一定量的环氧树脂E-51加入到三口烧瓶中，搅拌升温至60℃，再按质量比为100∶90∶10∶1的比例加入环氧树脂(E-51)、固化剂、增韧剂与促进剂。采用搅拌机搅拌1h，再用超声波振荡器振荡0.5h，最后放入真空罐中抽真空除气泡。将模具采用超声波振荡0.5h，除去模具表面的杂质，然后在80℃恒温箱中烘干1h，待模具冷却到室温，在模具试样槽内涂抹脱模剂。为增强脱模效果，在模具试样槽上平整覆盖一层PVA水溶膜。将配置好的环氧树脂用玻璃棒引流倒入模具试样槽内，放入恒温箱中在90℃和110℃分别固化2h。待试样冷却后，取出试样，放入热水中除去试样表面覆盖的PVA水溶膜，并对试样进行打磨、清洗，最后放入恒温箱中烘干，得到直径30mm、厚度1mm的圆片试样。
（3）测试方法：将300个试样平均分成3份，每份100个，然后将3份试样分别放入设定温度为100、130、160℃的3个烘箱，试样暴露于空气中。根据IEC60811-1-2:1985第1-2部分：通用试验方法-热老化试验方法的规定，采用等比级数确定老化试验的取样周期。本研究选择的老化时间点为0、72、168、336、696、838、1154h。每次老化周期结束后，取出试样进行介电性能测试。 二、测试分析和结论 2.1介电性能测试
当到达设定的老化时间后，在100、130、160℃下各自取出6个试样进行介电性能测试。利用宽频介电谱测试系统，选用直径20mm的电极，在100~106Hz频率范围内进行测试，得到环氧树脂试样的介电特性图谱。对每个温度下的6个介电特性图谱进行分析，选出走向及数值均一致的几条曲线，选择这几条曲线中居中的那条曲线作为该温度下环氧树脂的介电特性曲线。
2.2电气强度测试
到达设定的老化时间后，在130℃老化温度下取出6个试样进行常温交流击穿试验。在交流击穿强度测试时，将试样置于针-板电极之间，针-板电极由黄铜磨制，针电极头部呈半球状，其曲率半径为0.1mm，针尖长度为5mm，板电极直径为60mm。为了防止沿面放电，测量时将电极和试样浸入28#矿物绝缘油中，电压采用逐级加压方式，上升速率为0.4kV/s，直至试样击穿。试验结果取6个试样电气强度的平均值。在老化温度130℃下，经历不同老化时间的环氧树脂介电常数频谱如图1所示：
在100、130、160℃下经历不同老化时间的环氧树脂试样在工频下的介电常数。由图1可以看出，在频率100~106Hz范围内，所有试样的介电常数随着频率的增加而降低，且随频率变化的趋势大致相同。这是由于随着频率的增加，松弛极化损耗减少，而位移极化增加，导致介电常数随频率增加而降低。在相同频率下，随着老化时间的增加，试样的介电常数呈先增大后减小再增大的趋势。老化336h时，环氧树脂的介电常数最小，老化1154h时，介电常数最大。这是因为在老化初期（0~168h），聚合物中残余固化剂发生降解会产生游离酸，致使材料内部偶极子数目增多，所以介电常数增大；在老化336h时，残余固化剂降解产生的游离酸挥发，偶极子数目减少，使得介电常数降低；但随着老化时间的继续增加，环氧树脂绝缘材料分子链上的薄弱点受热断裂，偶极子浓度增加，转向极化加强，导致介电常数增大。当老化时间为838h时，不同老化温度下的介电常数频谱如图2所示：
由图2可以看出，随着热老化温度的升高，试样在相同电场频率下的介电常数增大。这是由于随着老化温度的升高，环氧树脂劣化更加严重，分子链发生断裂使偶极子浓度增加更加明显，转向极化加强，3.3介质损耗频谱在老化温度130℃下，经历不同老化时间的环氧树脂介质损耗频谱如图3所示：
由上图可知，在频率100~106Hz范围内，随着电场频率的增加，试样介质损耗因数呈先降低后增大最后再降低的趋势，并在105Hz频率附近出现损耗峰值。这是由于在低频区，介质损耗全由电导损耗贡献，介质损耗与频率成反比；在102~105Hz频率区间，随着频率增大，松弛损耗增加，介质损耗也随之增大；当频率大于105Hz时，松弛损耗逐渐降低，介质损耗也随之降低，因此在105Hz频率附近出现松弛损耗峰值。另外，在100~104Hz频率区间，随着老化时间增加，介质损耗呈先增大后减小最后再增大的趋势。这是因为在老化初期（0~168h），聚合物中残余固化剂发生降解致使材料内部自由基增多，极化损耗增加，所以介质损耗增大；在老化336h时，残余固化剂降解产生的游离酸挥发，自由基数目减少，极化损耗减小，使得介电常数降低；随着老化继续进行，环氧树脂发生劣化，极性基团转向更加容易，松弛极化损耗增加，导致介质损耗增大。 2.3交流电气强度
为研究介质损耗变化对环氧树脂绝缘性能的影响，对在130℃下的老化试样进行常温交流击穿试验，结果不同老化时间下的电气强度如图4所示：
由上图可以看出，随着老化时间的增加，环氧树脂试样的电气强度降低。这是由于试样分子链发生断裂导致材料劣化，同时材料内部还出现热膨胀、软化等物理变化，使得材料内部气隙、杂质聚集在一起形成缺陷，导致材料的电气强度降低。随着介质损耗因数的增加，
环氧树脂试样的电气强度降低。因此，在干式变压器长期的运行过程中，环氧树脂因为发生热老化会导致其介质损耗增大，绝缘性能降低。 参考文献
[1]干式变压器绝缘状态检测方法.陈晓聪.电力系统及自动化, 2019(01)
[2]环氧树脂浇注干式变压器局部放电原因分析和控制.冯宝发.建筑设计及理论,2019(11) [3]浅谈环氧树脂浇注干式变压器CEF试验.王秋莉.建筑设计及理论,2019(12)
