直流电场和温度场对环氧绝缘材料表面电气强度的影响

关键词：直流电场；温度场；环氧绝缘材料；表面电气强度；表面电荷

环氧绝缘材料在运行中受到电场、温度场等物理场和外部环境条件的长期共同作用，会出现老化和性能变化等情况，其中以电气性能的变化最为突出。直流条件下，这种老化和性能变化与环氧绝缘材料表面电荷分布有关，最终将导致环氧浇注绝缘子的闪络特性下降。因此，对于直流电场、温度场综合作用下环氧绝缘材料性能的变化需要重点研究。

目前，国内外对绝缘材料老化性能的影响因素和机理研究较多。在湿热老化研究方面，李波等对4种环氧复合材料湿热老化试验前后的性能进行了表征，发现复合材料的介电常数和介电损耗均增加，电阻率出现大幅下降，分析认为湿热老化主要由界面热应力破坏等物理变化引起。在空间电荷对老化作用的影响研究方面，周远翔等对油纸绝缘体系和低密度聚乙烯在直流电场下的击穿强度和沿面闪络特性进行了研究，认为空间电荷导致了油纸绝缘体系和低密度聚乙烯击穿和沿面闪络特性的下降；尹毅等也认为空间电荷分布在绝缘材料电老化时具有加速作用；徐洪等对脉动直流电压下绝缘材料的电老化过程进行研究，发现电老化程度较低时空间电荷以负电荷为主导，电老化程度较高时以正电荷为主导。在表面电荷和闪络特性研究方面，贾志杰等认为直流条件下绝缘子闪络特性与表面电导率和充电时间常数密切相关，提出了基于锥板电极的直流管道母线（GIL）绝缘子表面电导率选取和外形结构原则；FMesserer等则认为绝缘材料表面进行涂层处理有利于表面电荷消散，从而提高开关设备长期运行可靠性。这些研究主要集中在绝缘材料的空间电荷特性和老化机理方面，发现电场、温度场对空间电荷特性和电气性能产生影响，但未将表面电荷特性和引起闪络的表面电气强度变化建立联系。

本研究以环氧浇注绝缘子用绝缘材料为研究对象，采用直流试验装置，加载温度场，进行长期带电试验，在一定时间点取出试样进行表面电气强度测试，绘制电气强度时间曲线，并测试试验前后的玻璃化转变温度。借助电容探头法对表面电荷进行测量，与表面电气强度测试数据相结合，探讨直流电场、温度场综合作用下环氧绝缘材料表面电气强度与表面电荷特性的关系，为评价环氧绝缘材料在直流电场、温度场综合作用下的长期运行特性提供依据。

1试验

1.1原材料

环氧树脂：多官能度环氧树脂。酸酐固化剂：脂环族液态酸酐固化剂甲基四氢苯酐。α-Al2O3：电工填料氧化铝。

1.2浇注材料试样制备

在℃下将环氧树脂、微米级α-Al2O3按质量配比1∶3.3混合均匀，真空脱气2h后，按混合物与酸酐固化剂质量配比2.2∶1加入室温酸酐固化剂，真空混合15min，倒入℃已预热的模具中，固化条件为℃/8h+℃/12h+℃/5h，制备成?50mm×3mm的试样。

1.3测试方法

1.3.1表面电气强度测试

采用?50mm×3mm的环氧绝缘材料圆片试样39组，按照如图1所示直径为3mm的圆电极表面45°倾斜搭接的方式安装电极，电极间距为40mm，试样放置在以电木为主要材质的样品架上。按照图2所示的试验装置进行试验，采用江苏泰兴远航的YUH-小型高压直流稳压电源，最大电压幅值70kV，本试验中采用-40kV进行试验，试验环境为0.4MPaSF6。

在直流条件下对试样分别进行室温（23±2）℃和高温（90±2）℃试验，以不加直流电场的高温（90±2）℃试验作为空白试验，比较其试验结果。分别在1、2、5、10、20、50、、、、0、0、0、00min时停止加压和加温，按照图2长期带电室中39组试样从右至左的顺序在每个时间点各取样3个，对直流表面电气强度进行测试。采用ZGF直流发生器，最大电压幅值kV，测试温度（23±2）℃，测试环境为0.4MPaSF6，电极形状及加载方式与图1相同，电极间距为8mm，升压速率V/s，记录表面闪络电压，计算出表面电气强度，并对时间作图，对曲线进行拟合外推，比较其试验结果。

1.3.2玻璃化转变温度测试

对初始试样和试验00min后的试样分别取样，取样位置为试样中间位置，每个试样取5个，采用美国TA公司Q20差示扫描量热仪按照GB/T—8第5条进行玻璃化转变温度测试，温度范围～℃，升温速率10℃/min，结果取5个试验值的平均值。

1.3.3表面电荷测试

采用电容探头法对表面电荷进行测量（测量原理见文献），其中静电计和电容探头为TREK公司的TRE-型，通过运动机构可移动探头，最大记录频率1Hz，探头加载位置和移动方式见图3。

采用与图2相同的试验装置，但样品架上仅放置一组试样，用酒精对试样表面进行擦拭，并在空气中室温干燥12h以上。试验开始前，通过运动机构将探头移动至远离样品架的安全位置，设定从0min开始，加载-40kV电压，1、2、5、10、20、50、、、、0、0、0、00min为测量时间点，到达测量时间点时停止加压和加温，通过运动机构将探头移动至试样中间位置，距离试样约5mm的位置，测量试样的表面电位，计算得到表面电荷密度，测量结束后充分接地放电，再进行下一次加压，绘制表面电荷密度随时间的变化曲线，并进行拟合外推，比较其试验结果。

2结果与讨论

2.1表面电气强度

图4、图5分别为室温（23±2）℃和高温（90±2）℃直流电场下的表面电气强度试验结果，不加直流电场的高温（90±2）℃试验结果见图6，其中VS为表面电气强度，t为时间。

由图4、图5中拟合关系式可知，直流电场下，环氧绝缘材料的表面电气强度随时间呈现二次函数关系而非线性关系，不同于交流条件下热电老化试验对于材料内部击穿强度的测试结果，该二次关系可按式（1）表示。

VS=A+B(lgt)+C(lgt)2（1）

式（1）中，A、B、C为常.

由图6可知，无直流电场下，环氧绝缘材料的表面电气强度随时间呈线性关系，与交流条件下的热电老化试验结果类似，只是下降幅度不同，可按照式（2）表示。

VS=A′+B′(lgt)（2）

式（2）中，A′、B′为常数。

对比图4和图5的测试结果可知，高温下常数C的绝对值明显增大，导致环氧绝缘材料表面电气强度下降更快，当外推至40年时，表面电气强度由16.13kV/mm下降至10.14kV/mm，说明温度场作用对直流环氧绝缘材料表面电气强度影响较大。对比高温下有无直流电场的测试结果可知，环氧绝缘材料的表面电气强度与时间的关系由线性变为二次函数关系，环氧绝缘材料的表面电气强度下降更快，当外推至40年时，表面电气强度由22.81kV/mm下降至10.14kV/mm，可见直流电压的存在明显加速了环氧绝缘材料的老化。

2.2玻璃化转变温度

表1为室温带电样品、高温下带电样品和高温下不带电样品的玻璃化转变温度测试结果。

由表1可知，电场、温度场同时存在（高温带电样品）比只存在电场（室温带电样品）和只存在温度场（高温不带电样品）时的玻璃化转变温度降幅略大，即老化作用略有加强，与电气强度的测试结果基本一致。

2.3表面电荷密度

图7为室温(23±2)℃和高温(90±2)℃下两组试样的表面电荷密度测试结果。由图7可知，在直流电场条件下，环氧绝缘材料的表面电荷密度随时间呈现持续增长趋势，对比室温（23±2)℃和高温（90±2)℃下的试验数据可知，高温下表面电荷密度增长速度比低温下的快。可见，直流电场和温度场共同作用加快了表面电荷的增长速度，表面电荷的存在会加速材料表面的物理老化作用，使玻璃化转变温度下降速度更快，并迅速降低材料的表面电气性能，尤其是表面电气强度。直流环氧浇注绝缘子在实际运行过程中，由于表面电气强度的下降，可能导致在运行一段时间后出现表面闪络事故，降低直流环氧浇注绝缘子的运行可靠性和寿命。

3结论

（1）直流电场、温度场作用下环氧绝缘材料的表面电气强度随时间呈现二次函数关系，性能下降速度较快。

（2）相对于只存在直流场或温度场而言，直流电场、温度场共同作用下表面电气强度随时间下降更快，当外推至40年，只存在直流场时表面电气强度为16.13kV/mm，只存在温度场时表面电气强度为22.81kV/mm，而直流电场、温度场共同作用下表面电气强度下降至10.14kV/mm。

（3）与只存在直流电场时相比，直流电场、温度场共同作用时环氧绝缘材料的表面电荷积聚更快。表面电荷的存在加速了环氧绝缘材料的表面物理老化作用，使玻璃化转变温度下降速度更快，并迅速降低材料的表面电气强度。