水分对套管用环氧树脂浸渍纸材料绝缘性能的影响_张晋寅.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：水分对套管用环氧树脂浸渍纸材料绝缘性能的影响张晋寅，许佐明，张 寒，谢志成，潘志城，邓集瀚，周海滨，梁 晨，刘青松，邓 军（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广州；中国电力科学研究院有限公司电网环境保护国家重点实验室，武汉）摘 要：受潮是环氧树脂浸渍纸套管的常见故障之一。为了研究水分对环氧胶浸纸（，）套管绝缘性能的影响，从实际套管上切取样片，采用精密的水分测试仪测量样片含水率，在三电极系统中测量了不同含水率样片的介质损耗因数（），绝缘电阻，吸收比，频域介电谱等参数。测试结果表明，样片的绝缘电阻和吸收比均随含水率的增加而降低，当含水率小于 时，绝缘吸收比大于 ；样片的介质损耗因数和相对介电常数随含水率的增加呈指数增长。频域介电谱测量结果表明，在 频段内的 对样片的含水率较为敏感，曲线在该频段中呈 形变化趋势，拐点出现在 处，曲线的积分值与含水率之间的关系也可以用指数函数表示。复介电常数的实部随含水率的增加而增加，随频率的增加而减小。研究结果可为 套管绝缘诊断和运行维护提供参考。关键词：水分；环氧树脂浸渍纸套管；介电损耗因数；绝缘电阻；频域介电谱 ，（，；，）：（），（），（），年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）：；引言环氧树脂浸渍纸（，）套管因具有电气性能稳定、防爆阻燃、体积小、重 量 轻 等 优 点 而 在 电 网 中 得 到 了 广 泛 应用，是当前换流变阀侧套管和直流穿墙套管的主流绝缘结构。然而，由于该类套管主绝缘材料皱纹纸和环氧树脂容易吸收潮气，套管在制造、运输和运行过程可能会发生受潮故障。研究表明，环氧树脂与皱纹纸复合材料的吸水性更高，含水率对其介电性能的影响远大于纯环氧树脂与平板纸复合材料。尹小兵研究了湿度对旋转电机用环氧树脂 云母绝缘材料频域介电谱特性的影响。研究了 （）和 （）两种双酚 环氧树脂体系在不同吸水率下的介电响应特性。在 频率范围内测得的介电性能表明，当两种树脂的温度高于玻璃化转变温度时，吸收的水分会导致介电响应的低频分散，这与环氧树脂吸收的水分子簇的形成相一致。张洪亮研究了不同湿度条件下环氧树脂和皱纹纸复合材料的介电谱。结果表明，环氧树脂和皱纹纸复合材料样片不仅具有较低的频散，而且在中频区域也有一定的分散。当相对湿度低于 时，样片的水扩散特性基本符合 定律。当湿度大于 时，扩散特性在初期符合 定律，但在后期会有较大的偏差。因此水扩散模型需要进一步改进。定量研究水分对环氧树脂浸渍纸绝缘性能的影响，有助于完善水分扩散模型。然而，当前套管绝缘材料水分含量测定和水分对绝缘性能的影响研究主要集中于油纸绝缘材料，对于环氧树脂浸渍纸材料的水分含量并无成熟的测定方法。本研究从实际套管中切取薄样片，在不同受潮条件下，通过精密的水分测试仪测量样片含水率并对其绝缘参数进行测试和分析，研究结果可为环氧树脂浸渍纸套管的绝缘诊断和运行维护提供参考。试验原理和方法 试验原理频域介电谱（，）绝缘诊断技术具有无损测量、对绝缘状态信息敏感等优点，在变压器、套管、电缆绝缘受潮、老化状态分析方面得以广泛应用。环氧胶浸纸材料样片的频域介电谱采用瑞典 公司生产的 及与其配套的 电压放大器（最大输出电压 ，峰值）组成的测试系统进行测量。采用三电极体系，可测量频率范围为 ，其基本测量原理为：系统在试品上施加不同频率的正弦波电压，试样中将产生电流，通过精确测量电压和电流的，可以计算试样阻抗，见图。图 测量原理图 在频域内，电介质材料的介电特性可以用复电容和复介电常数来表征，通过计算不同频率下电介质材料的阻抗值，就可以计算出对应的复电容、复介电常数等参数 。假定电介质材料是线性、各向同性的均匀介质，则频域介电谱测量结果取决于电介质响应函数，电介质响应函数（）表示电场的激励和极化作用，代表介质材料的脉冲响应，满足如下关系：（），且（）（）对于各向同性的介质，存在如下关系：（）（）（）（）在任意电场强度（）下，极化效应（）与介质响应的关系用卷积形式表示为 年第 期水分对套管用环氧树脂浸渍纸材料绝缘性能的影响（总第 期）（）（）（）（）（）（）根据 方程，在 时刻，电场（）在介质上产生的电流密度 可以表示为传导电流与位移电流之和，其中 表达式如下：（）（）（）（）（）（）（）（）其中，为介质材料的直流电导率。频域中极化率（）为介质响应函数的傅里叶变换：（）（）（）（）（）（）将电流密度（）进行傅里叶变换，得：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）从式（）可以得到相对介电常数为（）（）（）（）（）（）所以介质损耗因数 可以表示为（）（）（）（）（）（）然而在实际测量过程中，通常无法将电导损耗和极化损耗区分开来，这就意味着所测的相对介电常数（）与式中所定义的有所不同。实际测量的有效相对介电常数为（）（）（）（）（）（）（）（）由此可得介质损耗因数 为 （）（）（）（）（）（）（）试验方法从 套管上切取样片，将它们研磨成光滑的样片。样片尺寸为 。样片含水量采用具有自动干燥功能的精密水分测试仪测量，仪器测量精度为 ，见图。图 精密水分测定仪 实验前用酒精擦拭样片并自然干燥后将其放入水分测定仪中，设置干燥温度为 ，在干燥过程中实时显示样片重量。干燥 后，样片的重量不再减少，认为样片已经完全干燥，并且将此重量作为计算含水率的参考重量。干燥后，将样片放入恒温恒湿试验箱中，在 湿度下使样片受潮。然后将其取出并自然晾干以去除表面水分，并通过水分测试仪测量样片的重量。将三电极和 绝缘诊断系统相连（见图），测量样片的频域介电谱（）曲线，工频介电损耗因数（），电容量，绝缘电阻（），吸收比（）等绝缘参数。其中，三电极系统内电极直径为 ，外电极内径为 ，外径为 。图 样片的绝缘测试系统 测试过程中，保持实验室温度在 范围内，相对湿度保持为 。初次测试频率范围为 ，用时约 ，其他绝缘参数测试用时约 。为了确定环境湿度是否对样片含水率产生影响，在完成一次测试后将复测样片 曲线和重量，复测频率范围为 ，时间约 。如果两次测试的 曲线重合且重量增加小于 ，则认为环境湿度未影响样片的含水率。完成初始状态测量后，将样片放入水分测定仪中并连续干燥 ，为避免在空气中受潮以及温 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）度对测量的影响，样片从水分测试仪中取出后迅速放入密封袋中并冷却至室温。样片重量和绝缘参数按照与初始状态测量相同的方法和过程重复进行，重复停止条件为样片重量降至参考重量 并趋于稳定。每次测量样片的含水率可以通过以下公式计算：（）式中：为测试时的样片重量，为完全干燥时样片重量即参考重量。测试结果与讨论 样片的常规绝缘参数绝缘电阻，介电损耗因数，相对介电常数和吸收比是与样片含水率有关的基本绝缘参数。样片在不同含水率条件下的绝缘电阻测试结果见图。可以看出，随着含水率的增加，样片的绝缘电阻测量值呈负指数规律递减。样片完全干燥时的绝缘电阻高达到 ，但当样片水含率增加至 时，绝缘电阻降低至 。图 试样的绝缘电阻 绝缘吸收比（）是 和 时测得的绝缘电阻之比，是衡量绝缘材料是否受潮的重要参数。测试结果表明，含水率小于 时，吸收比大于 ，含水率越低，吸收比变化越缓慢。随着含水率的增加，吸收比降低速率增大，当含水率增加到 时，吸收比降低到 ，见图。图 不同含水率下样片的吸收比 吸收比 与含水率 的关系可以通过指数函数拟合，见式（）。（）通过三电极系统测量样片电容量，根据电容量与相对介电常数含量的关系计算样片材料相对介电常数。（）式中：为三电极系统中测得的样片电容，为样片厚度，为电极面积，为真空介电常数。相对介电常数和样片的含水率之间的关系见图。可以看出，随着含水率的增加，样片的介电常数呈指数规律增长。图 与水分含量的关系 由测试结果可知，完全干燥后，样片的 为 ，含水率对 的影响非常明显，见图。当含水率为 时，值为 ；含水率越大，增长越快；当含水率为 时，样片 值上升至 。这一规律可通过指数函数拟合，见式（）。（）式中：为介质损耗因数，；为样片的含水率，。图 不同含水量样片的 样片的频域介电谱采用 绝缘诊断系统及其配套的放大器，对样片施加 电压测试其频域介电谱（）曲线，测试频率为 。样片在不同含水率下的 曲线见图。年第 期水分对套管用环氧树脂浸渍纸材料绝缘性能的影响（总第 期）图 样片的 曲线 总体来看，随含水率的增加而增加，在 的频率范围内，变化较小。在 频段中，值对含水率 更为敏感。当 低于 时，该频段中的 先减小后增大，在 处出现一个转折点。当频率低于 并且样片含水率低于 时，随频率的降低而增大并趋于稳定。但是，当含水率高于 时，在低频段的增长速度明显加快。通过式（）将 曲线进行积分，积分结果 表示为 曲线和横坐标所包围的面积，此参数可以更为直观的反映受潮或老化对绝缘系统频域特性的影响程度。（）（）与含水率 之间的关系通过数值积分法计算，结果表明，样片含水率越高，值越大，同样可用如式（）的指数函数表示，见图。（）图 和 之间的关系曲线 样片在频域的复介电常数见图 和图。复介电常数的实部 随频率的增加而减小，当频率低于 时，复介电常数对含水率敏感。图 不同含水率下样片的 曲线 复介电常数的虚部 随样片频率和含水率的变化而变化，与 相似。图 不同含水量下样片的 曲线 结论本研究利用从实际套管切取的环氧胶浸纸材料样片，通过干燥和精密测重的方法计算样片的含水率，测试并分析了不同含水率条件下样片的绝缘性能，结论如下：）随着含水率的增加，样片的绝缘电阻和绝缘吸收比呈指数规律下降，工频介损因数和相对介电常数呈指数增长。当含水率小于 时，样片的绝缘电阻大于 ，吸收比大于 ，可以认为样片处于干燥状态。）频域介电谱测量结果表明，当含水率低于 时，样片在 频率范围内的 曲线呈 形变化趋势，拐点频率为 。当含水率高于 时，值在低频范围内明显增加。样片的复介电常数实部 对水分非常敏感。含水率越高，随频率增加而下降越明显。参考文献：，（）：蔡敬毅 变压器高压油浸纸套管与环氧浸纸套管运行情况比较 广东电力，（）：，（）：宁鑫，彭宗仁，冯骅，等 特高压直流干式套管用环氧及环氧 皱纹纸复合材料介电特性研究 中国电机工程学报，（）：，年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），（）：刘鹏，金海云，石惠承，等 特高压直流套管用环氧树脂 皱纹纸复合绝缘体系介电性能的研究 高压电器，（）：，（）：邓威，毛娟 变压器环氧浸渍纸绝缘套管运行情况分析 变压器，（）：，（）：李应文，徐兵，吴力娜 换流变压器套管受潮分析及预防措施 变压器，（）：，（）：何永泉 环氧胶浸纸电容套管在运行中的问题及处理 变压器，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，：董明，刘媛，任明，等 水分含量与分布对油纸绝缘频域介电谱影响的有限元仿真与研究 高电压技术，（）：，（）：杨峰，唐超，周渠，等 基于等效电路的油纸绝缘系统受潮状态分析 电工技术学报，（）：，（）：廖瑞金，杜永永，高竣，等 受潮对油纸电容式套管频域介电响应的影响 电力自动化设备，（）：，（）：张致，董明，彭华东，等 频域介电谱用于高压电流互感器绝缘诊断 高电压技术，（）：，（）：，（）：郝建，廖瑞金，杨丽君，等 变压器油纸绝缘频域介电谱特性仿真与试验研究 中国电机工程学会高电压专业委员会 年学术年会论文集 武汉：中国电机工程学会，：潘志城，邓军，彭翔，等 温度对交流油纸绝缘套管频域介电谱特性的影响研究 变压器，（）：，（）：，（）：（下转第 页）年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），（）：吴兆峰，杨红军，田正波，等 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