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耐电晕耐电痕化绝缘材料研究进展

浏览次数: 日期:2018-09-27 14:17

北京交通大学电气工程学院的研究人员田付强、彭潇,在2017年第16期《电工技术学报》上撰文指出,先进电工绝缘材料对电力装备的发展具有基础性、支撑性、先导性的作用,它决定着电力装备制造业的技术水平。耐电晕耐电痕化绝缘材料的发展对保障电力设备持久安全运行具有重要意义。

从基础研究、应用研究以及产业现状等方面对耐电晕耐电痕化绝缘材料发展动态进行综述,对耐电晕耐电痕化绝缘材料发展趋势和未来研究方向进行了展望,对我国耐电晕耐电痕化绝缘材料的发展战略提出了建议。

电工绝缘材料作为电工装备制造的基础材料,对电力、轨道交通、新能源、微电子、航空航天、国防军工等领域的电工装备的革新换代具有基础性、支撑性、先导性的作用,它决定着电工装备制造业的技术水平。

电工装备一般都是由导体材料、磁性材料、绝缘材料和结构材料构成的。电工装备在运行中,不可避免地要受到温度、电、机械的应力和振动,有害气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等各种因素的作用,聚合物绝缘材料对这些因素更为敏感。

随着运行时间的延续,绝缘材料必然发生老化,并且其老化速度远快于其他材料,容易引发绝缘失效,致使电工装备损坏。统计表明,高压电力设备的故障中,绝缘故障占一半以上。因此,绝缘材料是决定电工装备使用寿命的关键材料,也是电工装备能否持久安全运行的关键因素。

近年来,随着电工技术的快速发展和电子技术的革新以及各种新技术在电工装备中的应用,电气绝缘材料的工作环境更加苛刻,绝缘材料特别是聚合物绝缘材料在复杂环境中多因素长期作用下极易发生老化,导致电气绝缘性能的降解,对电工装备的运行可靠性构成威胁。

电老化是所有高压电工装备绝缘材料不可避免的一种老化形式。放电老化是电老化的主要形式,放电老化又因放电强度和环境因素差异而不同。电晕老化和电痕化老化是最常见的两种绝缘材料放电老化形式。

电晕老化主要发生在变频电机绝缘,包括轨道交通用变频牵引电机,陆地和海上风力发电机,冶金和矿用变频电机,空调、洗衣机、电冰箱等家用电器用变频电机等。

电痕化老化主要发生在户外或严酷环境中工作的电气设备绝缘,受盐雾、水分、灰尘等污秽物的污染,在绝缘表面形成电解质,在电场作用下,在聚合物表面出现漏电起痕破坏现象。

目前,提高绝缘绝缘材料耐电晕和耐电痕化老化的方法主要包括两个方面:一是优化设备绝缘结构设计;二是改进绝缘材料性能。

优化绝缘结构设计方面,对变频电机绝缘来说,主要是改善电机绝缘中的电压分布,如通过阻抗匹配设计减少牵引变流器、连接电缆与牵引电机三者之间电压波的折反射,进而降低牵引电机端过电压幅值。通过改善高频条件下牵引电机绕组匝间电感与电容的匹配,从而改善电压分布,避免牵引电机绕组匝间绝缘出现严重的电场畸变。对大容量高压发电机来说,主要是采用非线性导电材料改善电场分布。为抑制输电线路绝缘子的电痕化老化,可对绝缘子伞套结构进行设计优化,尽量减少污秽的积聚。

相比而言,优化电工设备绝缘结构设计对提高其耐电晕和耐电痕化性能的作用十分有限;而对传统绝缘材料进行改性或研发新型绝缘材料,增强绝缘材料自身的耐电晕和耐电痕化能力是提高电工设备绝缘可靠性的根本途径。

1 电晕老化与电痕化老化的机理理论

1.1 电晕老化机理理论

对电晕放电来说,其对聚合物绝缘材料的老化作用主要有带电粒子的直接碰撞作用、局部高温、活性产物的老化作用三个方面。绝缘材料在这些因素的作用下,首先材料表面慢慢变白、变脆,接着在表面发生粗化甚至出现凹坑,然后放电集中于凹坑并向绝缘材料内部发展,通过树枝化老化发展阶段直到材料击穿。

变频电机绝缘的电晕老化。20世纪90年代以来,国际上针对变频调速电机发生过早绝缘破坏这一问题进行了研究,德国、法国、美国、加拿大等国的学者已发表了一些重要研究成果。

韩国电力科学研究院Hwang D.等人[1]通过对25种变频电机电磁线的脉冲击穿场强、电晕放电起始电压、介质损耗的研究得出,电晕放电起始电压和放电脉冲幅值对变频电机绝缘材料的破坏具有重要影响。

美国Phelps Dodge公司Yin Weijun等[2]认为,电晕老化产生的热量对变频电机中绝缘材料的破坏起主要作用。变频电机中绝缘材料的破坏主要是脉冲浪涌电压引起的短时间内温度的快速上升而导致的。他们认为,与普通交流电机相比较,变频电机绝缘材料的破坏机理是局部击穿、空间电荷积累和介质发热的综合结果。他们通过对不同电压、频率、波峰上升速度、温度等因素的研究后得出,变频电机中电磁线绝缘材料的破坏并不是传统意义上的电晕作用的结果,而主要是热击穿的结果。传统的工频电晕老化是一种“冷放电”,而在变频电机中,温度对绝缘材料破坏的影响非常大。传统意义上的电晕老化是一个相对较长的老化过程,而变频电机中绝缘材料的破坏可以发生在很短的时间内。

GE公司Saeed等[3]对不同温度和脉冲频率下电磁线电晕老化的研究发现,1kHz脉冲频率下电晕老化区的温度比60Hz情况下高出约10℃(如图1和图2所示)。在室温和高温下,电磁线电晕老化寿命随脉冲频率的增加而急剧减少,在频率3kHz、电压10~20kV/mm脉冲电压作用下电磁线电晕老化寿命为60Hz时的58%,加强冷却散热能够延长脉冲电压下的电晕老化寿命。脉冲电压作用下,绝缘剥层和气孔及裂纹的发展主导着电晕老化过程,这是由脉冲电压下的强电场应力和局部高温导致的。

国内外对电痕化老化的研究始于20世纪50年代末,日本、英国、美国等国家学者对绝缘材料电痕化进行了大量理论和实验研究。空气中灰尘、工业粉尘等污秽累积在固体电介质表面,在雨、露、霜、雾等作用下处于湿润状态,电导迅速增加,导致材料表面的泄漏电流增大,产生较大的热量,使湿润污秽带中的水分蒸发。但是由于热量的分布不均匀,水分蒸发也是不均匀的。

因此,在绝缘材料表面产生了不均匀的干燥带。当干燥带上的电场强度超过空气击穿场强时引发表面火花放电,生成大量热量。当热量累积超过了聚合物绝缘材料分子链的键能时,就会打破分子链,析出碳元素。碳元素有可能在热量作用下生成气体,使绝缘材料表面生成很多小坑,造成材料机械强度下降。也有可能积累在材料表面,直接形成炭化导电通路,使放电更加剧烈,最终使绝缘材料表面发生电痕破坏。

电痕破坏的过程一般在有机绝缘电痕破坏过程中分解生成的物质有气体和残留物。分解生成的气体主要是一氧化碳和二氧化碳。有机材料中含有大量的碳元素,通过放电热分解过程碳与氧结合生成气体放出,多余的碳残留在材料表面。因此,越容易气化的材料,炭化导电通路越难形成,其电痕破坏越难发生。研究表明,碳氢键高分子材料电痕化的重要原因是放电产生的高温和氧化作用及诱发的紫外线的联合作用导致绝缘材料表面形成炭层,最终使绝缘材料发生破坏。

英国曼彻斯特大学Billings M.等[4]研究发现,高分子绝缘材料的电痕化与其分子结构有密切关系。各种芳香族化合物都固有活性电子结构,它们易于生成自由基,特别是在氧的存在下,电痕化后形成具有类似石墨结构共轭体系的导电或半导电黑色残留物。由此推论,例如酚醛树脂、聚苯醚、双酚A环氧树脂、聚碳酸醋等属于含苯环的聚合物绝缘材料,聚氯乙烯、聚乙酸乙烯醋等属于产生共轭结构的聚合物绝缘材料,含氮聚合物如聚酰亚胺等则属于容易生成炭化物以外其他导电痕迹的材料,都是易于电痕化的材料。

此外,绝缘材料表面憎水性和湿润状态对电痕化老化有影响。不同接触角的材料的放电起始电压不同,在相同电压作用下放电的起始时间也不同,越是亲水性材料越容易放电。长期暴露在日光下的绝缘材料其接触角逐渐减小,是因为在紫外线照射下材料表面分子发生降解反应而使其疏水基减少。

耐电痕试验时使用的污秽溶液种类不同,电痕破坏的时间也相应变化。当电解液中含有界面活性剂时材料表面的口变小,易放电导致电痕破坏。因此,在研究耐电痕性时须考虑其憎水性及使用的电解液等因素。

日本学者Noto F.等[5,6]研究指出,电气设备发生的绝缘破坏现象是由介质表面放电形成炭化导电通道所致。外界环境因素,如污秽、场强、温度和气压等都会影响有机绝缘材料表面破坏。电极材质对电痕化老化也有一定影响,测试相同高分子绝缘材料的电痕化,在AC条件下,白金电极>青铜电极>黄铜电极;而在DC条件下,黄铜电极>青铜电极>白金电极。

Yoshimura N.等[7]通过光谱分析发现,在漏电起痕过程中有三种放电形式。当滴加氯化铵时,电极间会出现微弱的电流,使水分挥发,形成干带。在干带上可以观察到紫色的电晕放电,使绝缘材料表面出现碳沉积。电晕放电的光谱主要集中在紫外区域,紫外线产生的能量较大,其产生的高温足以使材料炭化。

在电晕放电中,放电电流由电极流出,但不能到达对面的电极,电流由较慢的离子传递,放电电流较低。随着碳的沉积,绝缘材料表面出现红色或黄色的闪络放电。不断地闪络放电使电极间的高分子绝缘材料碳树枝化,同时炭化区域膨胀。

大量闪络放电出现的同时,会伴随电弧放电现象。闪络放电基本出现在靠近绝缘材料的表面,而电弧放电和电晕放电则远离绝缘材料表面。

2 耐电晕耐电痕老化绝缘材料的发展

在对电晕和电痕化老化机理研究的基础上,近年来国际上在提高绝缘材料耐电晕和耐电痕化老化能力方面进行了大量的研究,尤其是纳米复合绝缘材料的兴起极大地促进了这方面的研究。

2.1 耐电晕绝缘材料的发展现状

国内外大量研究表明,无机纳米复合改性是提高聚合物耐电晕能力的重要途径。1988年美国GE公司Johnston D. R.等[8]指出在聚合物中加入一定量纳米尺度的氧化硅或氧化铝可以大幅度提高聚合物基体的耐电晕老化特性,该电绝缘材料可以广泛用作模绕发电机的对地绝缘。

1997年前后,美国杜邦公司DuPont与ABB、Siemens联合研制出耐电晕(CoronaResistant, CR)聚酰亚胺薄膜KaptonCR和KaptonFCR,并在欧洲高速电力机车上得到了广泛的应用,其耐电晕能力比原始聚酰亚胺提高了500倍以上,以其作为匝间绝缘和对地绝缘,为提高牵引电机的功率、减轻质量开辟了新的道路,也为变频电机的进一步发展奠定了基础[9,10]。

CR薄膜具有三明治结构,中间层为聚酰亚胺,上、下两层为聚酰亚胺基纳米复合薄膜。纳米复合薄膜是杜邦基于对4 000多种物质进行试验,选择能够抵抗电晕产生的腐蚀性物质的无机物与聚酰亚胺体系杂化制成的。沿100CR薄膜厚度方向的SEM图像及能谱图及各层成分分析如图3和图4所示[11]。杜邦专利表明,该复合薄膜是采用50~500nm的10%~30%(质量分数)气相氧化铝作为填料。

美国Phelps Dodge Industries和GE[12,13]也发表了类似的专利并指出,在聚酰亚胺、聚酰胺、尼龙、环氧树脂等聚合物中加入5~1 000nm的金属或非金属氧化物纳米颗粒,如TiO2、SiO2、Al2O3、ZrO2、ZnO等,可以大幅度提高聚合物的耐PWM变频器输出的脉冲过电压老化的能力。Phelps Dodge公司生产具有三层漆膜耐电晕漆包线,中间层采用纳米TiO2与耐高温聚合物的复合材料,使耐电晕性能提高100倍。

美国的REA和Essex电磁线公司、瑞士Isola公司等也先后推出耐电晕电磁线产品。尽管这些发明都是通过大量实验得出的结果,缺少理论支持,但已经初步显示出了纳米复合改性在电气绝缘中的潜在应用价值。自从Kapton 100CR薄膜投放市场以来,通过纳米复合改性提高聚合物绝缘材料的耐电晕性能成为国内外研究的热点。

无机纳米掺杂能够大幅度提高聚合物电介质的耐电晕老化性能已经得到很多实验证实,但纳米复合电介质的耐电晕机理并不确定。印度理工学院学者Maity等人[14]研究了纳米掺杂前后Epoxy的耐电晕老化性能。研究发现,电晕老化过程中,纳米颗粒及其周围的界面上基本上没有发生变化(呈现为亮点,形状像孤岛),而在颗粒之间则形成了相对较多的比较窄的沟壑。纳米复合物老化后表面粗糙度和老化损失的体积变化远小于纯聚合物;而微米复合物形成了少而宽的沟壑,未掺杂的聚合物形成了大块的老化区域。从而说明聚合物纳米复合电介质具有更加优异的耐电晕性能。

日本学者Fuse N.等[15]研究了聚酰胺/合成云母(PA/Mica)纳米复合电介质的耐电晕老化特性及其机理。研究发现,纳米掺杂提高了聚酰胺的结晶度,对其分子运动产生位阻作用,有助于抑制放电老化;而且在电晕老化早期阶段,纳米颗粒堆积到了纳米复合物的表面,形成了一个阻挡层,该结构能够阻挡高能载流子对聚合物分子的撞击和抑制氧气向材料内部的扩散,并能抑制局部放电作用下复合物表面空洞的产生,直接或间接地提高了纳米复合物的耐电晕老化能力。

日本学者Kozako M.等人[16,17]研究了Polyamide/Silicate层状纳米复合物的耐电晕老化特性,他们认为纳米复合物耐电晕老化在于无机纳米填料的放电阻挡效应。电晕老化区主要是表面非晶态区,无机纳米或微米颗粒的耐电晕性能相对非晶态的聚合物要高很多。所以,电晕老化时,非晶态区的聚合物高分子变成小分子而挥发掉,表面粗糙度降低,露出无机颗粒。

由于纳米颗粒体积小,与聚合物接触的表面积大,故当与其作用的周围聚合物被侵蚀掉后就立即暴露出来,形成一层无机纳米颗粒层以抵挡电晕的进一步侵蚀。而微米掺杂则不一样,一方面是其与聚合物之间的作用较弱,致使周围聚合物高分子易被侵蚀;另一方面是其与聚合物的接触面积较小,周围聚合物分子挥发后,其对电晕老化进一步的侵蚀的阻挡十分有限,使得其周围没有被无机微米颗粒覆盖的聚合物继续受到老化侵蚀,故其耐老化性能没有纳米掺杂的聚合物复合介质好。

实验还发现,纳米掺杂引入了大量小球晶,提高了聚酰亚胺的结晶度,他们认为纳米复合物耐电晕能力的提高来自纳米掺杂对其结晶结构的改变和纳米颗粒形成的放电阻挡层。

日本学者Okamoto T.等[18]研究发现PI/Fe3O4体系的局部放电量远小于纯聚酰亚胺,他们认为填料的加入造成聚酰亚胺电阻率的降低,使局部放电能量降低,从而延缓了材料的电晕老化速度。

加拿大滑铁卢大学Haq S. U.等[19]研究了高频脉冲作用下聚酰亚胺及其纳米复合物绝缘电磁线的耐电晕老化特性发现,纯聚酰亚胺电晕老化引起的表面侵蚀深度为1 200nm左右,而1%气相氧化硅填充的纳米复合电介质的侵蚀深度仅为250nm左右。纳米复合物的耐高频脉冲电晕老化寿命是纯聚酰亚胺的两倍,纳米复合物电晕老化后的电场强度也高于纯聚酰亚胺。

日本早稻田大学Tanaka T.等[20]基于三核模型对PA/Silicate层状纳米复合物的耐电晕机理进行了解释。该理论认为Silicate与PA所形成的界面区域的第一层存在离子键合;第二层具有一定程度的结构有序性,存在包裹第一层的球晶,而且与纳米颗粒之间存在较强的相互作用,具有较强的耐电晕能力;第三层较薄,且与相邻纳米颗粒界面的第三层相交叠。电晕老化应该从界面的第三层逐渐向里发展。由于第三层相对体积小,所以电晕老化很快就发展到第二层,而第二层的球晶结构可以抵挡电晕的进一步侵蚀,从而保护了该区域的聚合物分子[21]。

国内张沛红等[22]研究了无机纳米氧化物复合聚酰亚胺薄膜,随SiO2含量的增加,电导电流增加,电老化阈值减小,耐电晕时间增加,电晕老化后复合薄膜的热激电流峰值减小,峰位向低温区移动。

何明鹏等人[23]用溶胶-凝胶法制得纳米氧化铝溶胶,然后将其掺入到聚酰亚胺酸基体中而得到一系列不同掺杂量的PI/Al2O3薄膜。他们研究发现,随着掺杂量的提高复合薄膜耐电晕时间增大,当掺杂量为(质量分数为30%)时复合薄膜的耐电晕寿命是原始薄膜的15倍以上。随着掺杂量的提高杂化薄膜电气强度先增大后减小,但都比未掺杂的低。査俊伟等[24]研究发现,PI/ZnO纳米复合物的耐电晕性能随着纳米ZnO含量的增加而得到了较大幅度的提高。

2.2 耐电痕化绝缘材料的发展现状

国际上对耐电痕绝缘材料的研究大致经历了以下阶段:

(1)国际电工委员会创建并且修订了耐电痕试验方法,2003年发布了现在的IEC 60112试验法。

(2)20世纪80年代,国际上主要采用化学、光谱分析法和现象学方法等研究和分析耐电痕劣化现象的原理,其中现象学研究方法主要考虑材料表面污秽和放电方式,而光谱分析方法主要研究材料表面的火花放电光谱。

(3)20世纪90年代,众多学者把兴趣放在复合条件下聚合物耐电痕性的研究上,这一时期研究人员在高温、高海拔和辐射等条件下,测试了环氧树脂、聚乙烯、聚苯醚树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸脂、聚耐酸丁醇酯等聚合物绝缘材料的漏电痕迹劣化特性。

(4)20世纪初,随着聚合物绝缘材料在电气绝缘领域的应用范围逐步扩大,IEC 60112试验方法急需进一步修改,以满足聚合物绝缘材料在各种复合环境下使用安全可靠。

(5)近十年来,国际上在聚合物绝缘材料改性以提高其耐电痕化老化性能方面进行了大量研究,特别是随着纳米电介质的快速发展,通过纳米复合改性提高聚合物耐电痕化性能成为近年来研究的热点。

随着新能源和高压输电的快速发展,户外绝缘的耐电痕化老化成为电气绝缘领域研究的热点问题之一。耐漏电起痕性能是户外绝缘子的一项重要性能,由于其长期工作在户外环境,容易受环境污染而在表面沉降污秽,在电场的作用下材料表面会产生漏电电流进而导致放电,这会对绝缘子介电性能产生影响,威胁电网的正常运行。

通过提高材料的抗污能力、抑制放电、提高耐放电侵蚀能力、阻碍碳层形成、改善绝缘电场分布等手段都可提高绝缘材料的耐电痕化老化能力。通过无机复合改性可以明显改善高分子材料在交直流电场下的耐漏电起痕性能,而且纳米级填料比微米级填料在改善硅橡胶耐漏电起痕性能方面效果更好,随着填料含量的增加效果愈加显著。高温硫化硅橡胶中加入氢氧化铝可以抑制不稳定的硅循环低聚物的形成,减弱材料的热降解,从而使得耐漏电起痕性能得以改善。

此外,提高材料的导热性能有助于阻止高温热点的形成,从而改善耐电痕化老化性能。绝缘材料对于交流电压的耐电痕化能力远高于直流电压,这是因为直流电压有较高的电应力,其漏电电流比交流电压高一个数量级。

通过纳米复合改性提高聚合物绝缘材料的耐电痕化老化性能已引起国际上的高度关注,目前用于改善聚合物耐电痕性能的纳米填料主要有氢氧化铝、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化镁等。

日本秋田大学Kumagai S.等[25,26]研究了氢氧化铝对硅橡胶介电性能得影响,他们将氢氧化铝加入到硅橡胶中制备了质量分数为0~60%氢氧化铝/硅橡胶复合材料,并用耐漏电起痕斜板试验测试了其耐漏电起痕性能,通过红外热视仪捕捉试验过程中超过400℃的热点。他们还利用热重(Thermogravimetric,TG)-差热分析(Differential Thermal Analysis, DTA)- 质谱分析(MassSpectrometry, MS)分析了各种试样在空气或氩气中的热解。

研究表明,质量分数为40%的氢氧化铝/硅橡胶复合材料是其耐漏电起痕性能的分水岭。当低于这一含量时,试验过程中会有较大的泄漏电流和高温热点(>400℃)出现,这些现象能直接导致材料的电痕迹化和腐蚀;当含量高于40%,这些现象就不会直接引起材料的电痕迹化和腐蚀。他们利用TGDTAMS分析高温硫化硅橡胶因干带放电而生成不稳定的硅循环低聚物,这些低聚物能激活材料的热降解,这样会生成更多的不稳定的硅循环低聚物,导致炭化。

干带放电集中并导致炭化区域的热降解,最终形成电痕迹和腐蚀。而在这一过程中氢氧化铝扮演的是一个抑制角色,TG DTA MS结果显示,氢氧化铝受热会与硅橡胶中支链官能团反应,含氢氧化铝的硅橡胶其热降解时会产生甲烷、二氧化碳气体和二氧化硅,这会使低聚物生成变少,减少残余碳,抑制炭化,这样就会使得聚合物耐漏电起痕性能得以改善。

印度科学院Vas J. V.等[27]为了改善硅橡胶的耐漏电起痕性能,分别将微米和纳米级别的氢氧化铝加入硅橡胶中,对复合硅橡胶试样进行了直流下、交流下的耐漏电起痕斜板试验。试验结果表明,在同等电压水平下,直流耐漏电起痕斜板试验较交流更严酷;同微米级别的氢氧化铝/硅橡胶复合材料相比,纳米氢氧化铝/硅橡胶复合材料性能更好,而且随着硅橡胶中氢氧化铝含量的增加,其性能越好;同微米复合材料相比,纳米复合材料即使在填充很少的氢氧化铝情况下也能表现出优异的性能。

从扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)上看,纳米复合材料的腐蚀区域较非纳米复合材料有更平整的结构,这说明纳米材料使得复合材料有更紧密的结构。

印度学者Loganathan N.等人研究了纳米二氧化硅对硅橡胶介电性能的影响[28]。他们将二氧化硅加入硅橡胶中,再将一部分进行老化处理,并对这些试样进行耐漏电起痕性能测试,通过耐受时间、质量损失、腐蚀深度等数据对比分析了两种纯硅橡胶与两种纳米二氧化硅/硅橡胶复合材料的耐漏电起痕性能,同时他们借助了SEM、能量色散X-射线(EDAX)以及傅里叶红外光谱(FourierTransform Infrared, FTIR)等技术对这两种试样的物理和化学性能进行了测试。

试验结果表明,两种纳米二氧化硅/硅橡胶复合材料的耐漏电起痕性能较纯硅橡胶有明显改善,随着氧化硅含量的增加,改善效果越明显;而经过热老化的纳米二氧化硅/硅橡胶耐漏电起痕性能明显低于未处理的纳米二氧化硅/硅橡胶。

国内对不同聚合物绝缘材料的电痕化老化机理及其影响因素和耐电痕性能进行了大量研究。天津大学杜柏学及其团队在耐电痕绝缘材料领域做了大量工作[29,30]。杜柏学等人研究发现,聚合物绝缘材料表面电痕化老化与材料表面憎水角、电极材质、放电能量、材料分子结构等密切相关。表面放电的起始时间与湿润状态、材料固有的憎水性及其使用试验液的种类有关。

电痕化实验测量时,电极材质对电痕化过程有明显影响,电极间施加电压时在试验液与金属电极间将发生电离反应并析出金属离子,如铜或黄铜电极易与污损液发生电解反应,溶解的金属以和电极成分有关的盐化物、氢氧化物等形式析出,使干燥带变窄导致放电快速发生。

当试验液中含有酸或碱性物质时其有机绝缘的强度明显下降。放电与材料炭化在湿润条件下材料表面放电时有如下特征:材料表面在劣化前发生青色或紫色的气体放电;炭化物生成瞬间呈黄白色放电,一般在材料表面放电为微小火花放电。

气体中放电是由试验液蒸发引起干燥带间及微小火花放电发生在干燥带缝隙间的表面放电,两者均促进材料的表面炭化。有机绝缘炭化时放电能量及其放电状态很重要,放电能量与放电次数成正比,放电电流或放电能量越大越易发生电痕破坏。

实际上电痕破坏时放电能量往往并非一定,从放电开始到炭化形成的时间因材料而异,越是憎水性材料炭化所需时间越长,这是因为放电火花与材料表面接近状态不同所致,材料的憎水性越强,放电火花在材料表面悬浮越高,放电对材料表面炭化的影响越小。

因此,湿润条件下,要考虑放电能量的大小与材料表面状态及分子结构所固有特性的影响。分子结构与耐电痕性研究发现耐电痕性取决于化学结构中碳原子与其他原子的比值和放电生成物。

有机绝缘热分解时总能量C= A+B,如果形成碳化合物所需能量A比生成气体所需能量B大时,表示易残留碳化合物即绝缘破坏易发生,一般主链有苯环的聚合物更容易发生电痕破坏。

3 耐电晕耐电痕化绝缘材料的应用要求

聚合物绝缘材料在服役过程中在电、热、机械和环境因素等长期作用下会发生老化,导致电气绝缘性能的退化,对电工装备的运行可靠性构成威胁。工作在电晕老化和电痕化老化较严重的环境中的电工设备必须使用耐电晕和耐电痕化绝缘材料。

3.1 耐电晕绝缘材料的电气应用要求

电机系统节能是当今国际高度关注和重点研究的领域,也是我国实施节能减排既定国策的重点关注领域。据统计,全世界的用电量中约有60%是通过电动机来消耗的。采用变频调速技术可以显著提高电动机运行效率,从而可节省大量电能。变频器在运行中都要产生不同程度的谐波电压、电流,使电动机定子绝缘易发生电晕老化而失效。

高压变频电动机定子绕组对绝缘材料的主要要求为:①较好的耐电晕性;②较好的耐热性和导热性;③较好的电气绝缘性能、机械强度,化学稳定性;④厚度薄,使高压变频电机尽可能增大功率,减小体积和重量,进一步提高功率系数,实现小型轻量化。

变频牵引电机目前广泛使用杜邦耐电晕聚酰亚胺薄膜100CR和耐电晕漆包线。100CR在IEC 343耐电晕老化实验条件下,在50/60Hz、20kV/mm场强下的耐电晕寿命为10000h,而原始薄膜100HN在相同条件下的耐电晕寿命为200h。

100CR和100HN的交流击穿场强分别为270kV/mm和310kV/mm,电阻率分别为2.3×1016·m和1.5×1017·m,介质损耗分别为0.003和0.002,热导率分别为0.385W/(m·K)和0.19W/(m·K),最大拉伸强度分别为152MPa和231MPa。

100CR采用了三明治结构,由于中间层是纯聚酰亚胺,因而其热导率仅比100HN提高了约1倍。随着对变频电机功率密度不断提升的需求日益迫切,现有耐电晕聚酰亚胺材料的导热能力已无法满足要求,需要在保证耐电晕能力和电气绝缘性能及机械性能的条件下大幅度提升耐电晕聚酰亚胺绝缘材料的导热能力。

此外,耐电晕聚酰亚胺薄膜的耐水解性能较差,这尽管有助于材料的回收利用(对于杜邦Kapton薄膜,其回收率可达80%~90%),但对工作于潮湿环境中的耐电晕聚酰亚胺薄膜来说,水解降解会极大降低其电气绝缘性能和力学性能。

风力发电机所用绝缘系统及其绝缘材料除要求耐电晕外,还要求抗潮(尤其是海上风电)、防震、耐盐雾及在低压、大电流绝缘系统的机械强度和因力学性能下降引发的绝缘性能衰退以及特殊环境下运行绝缘系统的耐候性问题等。中低压变频电机广泛使用纳米复合耐电晕漆包线,国产漆包线仍存在耐电晕性能分散性大、附着力裕度不大等问题。

这些问题一方面与耐电晕漆包线漆本身的质量有关,如纳米粒子分散不均匀、粒度分布较宽等;另一方面也与生产工艺控制过程有关,如铜材的纯度和表面质量、烘炉温度、工艺洁净度等有关。

3.2 耐电痕化绝缘材料的电气应用要求

耐电痕化绝缘材料主要用于在户外或严酷环境中工作的电气设备绝缘。受盐雾、水分、灰尘等污秽物的污染,在绝缘表面形成电解质,在电场作用下,在聚合物表面出现漏电起痕破坏现象。电痕化老化对于使用在公路边、沿海地区、高原地带和有严重污染场合中的电工设备更为严重,如水轮发电机的定子线棒及户外绝缘子都屡屡发生。

耐漏电起痕性能是户外绝缘子的一项重要性能,其在表面污秽、水分和电场联合作用下的电痕破坏会导致绝缘子污闪,严重威胁电网的正常运行。为提高绝缘子的耐电痕破坏能力,一般采用在绝缘子表面涂覆防污涂料的方法。

根据聚合物绝缘材料电痕破坏机理和耐电痕化绝缘材料耐电痕化老化机理研究,要求户外绝缘子耐电痕化聚合物防污涂层绝缘材料必须满足以下要求:

(1)具有较强的憎水性、憎水迁移性及自洁性,防止表面连续水膜的形成和流过较大的泄漏电流。具有自清洁功能的超疏水表面不仅具有较高的接触角,还需要有较小的滚动角,即液滴在表面要非常容易滚动,在液滴滚动的过程中吸附污染物并将其带离表面,从而达到清洁的目的。此外,憎水性材料炭化所需时间越长,材料的憎水性越强。这是因为放电火花与材料表面接近状态不同所致,放电火花在材料表面悬浮越高,放电对材料表面炭化的影响越小。

(2)具有较好耐热性能且具有较高的导热能力,不易热分解,并能够及时将泄漏电流或放电在局部区域产生的热量扩散或散失,从而降低聚合物绝缘材料的热降解。

(3)具有较高的耐放电侵蚀能力,减少放电引起的聚合物炭化降解。

(4)分子结构中C-H键键能较高,且主链及侧链不能含有苯环等结构,确保聚合物绝缘材料即使发生热分解也只是形成CO2等挥发性气体,而不形成较多残留导电性石墨碳或半导电有机物。

(5)具有较高的机械强度、与绝缘子表面具有足够的粘附力。

(6)涂层在户外长期受紫外线照射、高电场、电晕放电等作用,憎水性和自洁性不易退化。

(7)具有优良的电气绝缘性,不能破坏绝缘子本身的绝缘性,影响电气设备的正常运行。

3.3 电工绝缘材料在电气领域应用中的精确服役特性

耐电晕绝缘材料被广泛用于变频电机绝缘,包括轨道交通用变频牵引电机,陆地和海上风力发电机,冶金和矿用变频电机,空调、洗衣机、电冰箱等家用电器用变频电机等。不同应用领域的变频电机对绝缘材料耐电晕能力和其他性能的要求有所不同。牵引电机和风力发电机一般要求绝缘材料服役寿命在20年以上,因而对绝缘材料耐电晕性能要求较高。

此外,风力发电机由于工作于户外较严苛的环境中,湿度、风沙、污秽、盐雾、辐射、高低温、冷热冲击、机械振动等因素都会加速绝缘材料老化。因而,风力发电机的耐电晕绝缘材料必须同时具有较强的耐环境老化能力,而且在环境因素和电晕老化的共同作用下其耐电晕老化能力不应有明显降低。

变频牵引电机由于安装尺寸受限,其体积较小但功率密度很大,承受场强较高,发热较为严重,且长期受到机械振动的作用,因而牵引电机耐电晕绝缘材料不仅应具备较强的耐电晕能力,而且还应具有高击穿场强、高热导率和较好的耐热性及力学性能。

耐电痕化绝缘材料用于户外绝缘子时,也要经受污秽、雨淋、风沙、盐雾、辐射、高低温、冷热冲击、机械力等的作用,绝缘材料不仅应具备优异的耐电痕化老化能力,而且要具有较强的耐环境老化能力。为了增强其耐污能力,一般要求绝缘子表面涂层绝缘材料具有憎水性、憎水迁移性和自洁性,为了提高其耐放电能力要求其具有较高的热导率和耐热性、耐放电侵蚀能力等。

4 耐电晕耐电痕化绝缘材料的发展方向

耐电晕耐电痕化绝缘材料的重点发展方向如下:

(1)发展研究聚合物绝缘电介质电晕老化和电痕化老化的新方法、新理论,对不同种类和特征的聚合物及其纳米复合电介质,采用新的表征手段对其电晕老化和电痕化老化过程中的电、热、声、光等信号及物理化学结构进行深入研究;基于放电老化的物理理论和聚合物材料物理化学理论,采用数值计算和分子模拟方法对电晕老化和电痕化老化过程中的电荷输运、电场分布、热场分布、能量转换与耗散、物理化学反应等进行理论研究。通过实验和理论研究,揭示聚合物绝缘电介质的电晕和电痕化老化规律及老化机理,建立聚合物电介质微观-介观结构与宏观耐电晕和电痕化老化性能的关联关系,为耐电晕和耐电痕化绝缘材料的研究和开发提供理论基础。

(2)在耐电晕和耐电痕化机理理论和结构-性能关联关系的指导下,通过分子化学设计、微观-介观结构(包括多相材料界面结构)设计和调控、合成和制备工艺设计和优化等途径定向制备满足不同需求的新型耐电晕和电痕化绝缘材料,特别是要加强可控结构的纳米复合耐电晕和耐电痕化绝缘材料的研究和开发。在分子结构中引入抗紫外线基团有助于提高聚合物绝缘材料的耐电晕耐电痕化能力。通过分子结构设计提高绝缘材料的疏水性可以显著改善其耐电痕化性能。对纳米填料进行改性处理,增强其与聚合物基体之间的键合能力,有助于提高纳米复合绝缘材料的耐电晕耐电痕化能力。

未来10~20年耐电晕和耐电痕化绝缘材料的发展应从电力、新能源与可再生能源开发及利用、轨道交通、航空航天、国防军工等重大领域实际需求出发,结合绝缘材料发展现状和新材料领域最新试验、理论和技术突破及创新、理化表征技术的最新进展等,系统深入研究多老化因子作用下绝缘材料电晕老化和电痕化老化机理及耐电晕和耐电痕化老化机理,建立并完善聚合物及其纳米复合绝缘材料微观-介观结构与宏观耐电晕和电痕化老化性能的关联关系模型和理论。

以此为指导,实现新型绝缘材料开发从实验探索转向理论计算、分子设计、模拟仿真、结构调控、工艺设计优化的路径,颠覆传统绝缘材料开发的一般思路和流程,从根本上丰富基础绝缘材料的种类和功能,大幅度提高绝缘材料的耐电晕和耐电痕化性能及其他性能。

耐电晕耐电痕化绝缘材料2020年、2025年和2030年的阶段性发展路线建议如下:

(1)近期(现在到2020年)阶段性目标。研究方向为多老化因子作用下电晕和电痕化机理、新表征手段、新研究方法研究,重点项目是基于多参量表征的多老化因子作用下绝缘材料电晕老化和电痕老化机理研究,完成多老化因子联合老化试验平台、结构及性能表征平台、老化机理理论研究平台建设。

(2)中期(2021~2025年)阶段性目标。研究方向为机理模型、结构-性能关联关系、材料设计和结构调控理论及方法的研究,重点项目是纳米复合绝缘材料微观-介观结构与宏观耐电晕和电痕化老化性能的关联关系模型研究,完成纳米复合绝缘材料耐电晕和耐电痕化机理模型研究平台、分子级材料设计和结构调控平台建设。

(3)远期(2026~2030年)阶段性目标。研究方向为制备工艺理论、技术和设备的研发,新材料的规模化生产、应用和推广,重点方向是基于分子设计和结构调控的耐电晕和耐电痕化纳米复合绝缘材料研究,完成生产、装备和应用平台建设。

5 结论

目前我国耐电晕和耐电痕化绝缘材料的发展与国外存在较大差距。国内部分企业的产品只能限于在低端领域的应用,深层次的基础理论研究也比较缺乏。因而,加强与国际学术界和企业界同行的交流与合作对促进我国耐电晕和耐电痕化绝缘材料的发展具有重要作用。

此外,目前我国耐电晕和耐电痕化绝缘材料的研究和应用处于起步阶段,其大规模的发展需要大量的具备电气工程及材料、物理、化学跨学科知识结构的高层次人才。高校的电气工程及化学化工专业应引入耐电晕和耐电痕化绝缘材料的基础理性课程及研究性课程,加强跨学科实验教学和试验及研究条件建设,培养大批具有深厚理论基础,具备跨学科知识结构和国际学术视野的创新型绝缘材料专业人才,为推动我国先进电工绝缘材料的发展提供人才保证。

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