典型有机绝缘材料电痕化过程气体释放规律研究.pdf

Journal of Electrical Engineering 电气工程电气工程,2023,11(2),53-63 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jee https:/doi.org/10.12677/jee.2023.112007 文章引用文章引用:张黎.典型有机绝缘材料电痕化过程气体释放规律研究J.电气工程,2023,11(2):53-63.DOI:10.12677/jee.2023.112007 典型有机绝缘材料电痕化过程气体释放典型有机绝缘材料电痕化过程气体释放 规律研究规律研究 张张 黎黎 云南电网有限责任公司瑞丽供电局，云南 瑞丽 收稿日期：2023年2月21日；录用日期：2023年5月29日；发布日期：2023年6月6日 摘摘 要要 为更好的实现气体组分分析法在中高压开关柜绝缘状态预测评估这一领域的应用，本文对典型有机绝缘为更好的实现气体组分分析法在中高压开关柜绝缘状态预测评估这一领域的应用，本文对典型有机绝缘材料材料(环氧树脂、硅橡胶、环氧树脂、硅橡胶、SMC)电痕化过程气体释放规律进行研究。选取非甲烷总烃、氢气、一氧化碳电痕化过程气体释放规律进行研究。选取非甲烷总烃、氢气、一氧化碳作为监测目标物，重点研究典型有机绝缘材料经过不同温、湿度处理后，在电痕化过程中目标气体浓度作为监测目标物，重点研究典型有机绝缘材料经过不同温、湿度处理后，在电痕化过程中目标气体浓度变化规律。典型有机绝缘材料环氧树脂、硅橡胶、变化规律。典型有机绝缘材料环氧树脂、硅橡胶、SMC电痕化过程会产生非甲烷总烃电痕化过程会产生非甲烷总烃(NMHC)、氢气、氢气、一氧化碳气体，且在电痕化过程中生成气体浓度为氢气一氧化碳气体，且在电痕化过程中生成气体浓度为氢气 非甲烷总烃非甲烷总烃(NMHC)一氧化碳；典型有机一氧化碳；典型有机绝缘材料环氧树脂、硅橡胶、绝缘材料环氧树脂、硅橡胶、SMC在预处理条件温度在预处理条件温度(25150)、湿度、湿度(50%98%)变化范围内，电变化范围内，电痕化过程中气体释放量与样条预处理的温度和湿度呈正相关的关系痕化过程中气体释放量与样条预处理的温度和湿度呈正相关的关系，即预处理温度越高、湿度越大，电，即预处理温度越高、湿度越大，电痕化过程中气体释放量越大；在预处理条件温度痕化过程中气体释放量越大；在预处理条件温度(25150)、湿度、湿度(50%98%)变化范围内，典型有变化范围内，典型有机绝缘材料环氧树脂、硅橡胶、机绝缘材料环氧树脂、硅橡胶、SMC的耐电痕性能与温、湿度不构成简单的正相关或负相关关系，需要的耐电痕性能与温、湿度不构成简单的正相关或负相关关系，需要进一步进行重点研究。进一步进行重点研究。关键词关键词 有机绝缘材料，电痕化，气体分析有机绝缘材料，电痕化，气体分析 Study on Gas Release during Electric Tracking Process of Typical Organic Insulating Materials Li Zhang Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Ruili Power Supply Bureau,Ruili Yunnan Received:Feb.21st,2023;accepted:May 29th,2023;published:Jun.6th,2023 张黎 DOI:10.12677/jee.2023.112007 54 电气工程 Abstract In order to better realize the application of gas component analysis method in the field of insula-tion state prediction and evaluation of medium and high voltage switchgear,this paper studies the gas release law of typical organic insulating materials(epoxy resin,silicone rubber,SMC)during electrical tracking process.Non-methane total hydrocarbon,hydrogen and carbon monoxide were selected as monitoring targets,focusing on the study of the concentration changes of target gas in the process of electrical tracking after typical organic insulating materials were treated with dif-ferent temperature and humidity.Typical organic insulating materials such as epoxy resin,si-licone rubber and SMC electrical tracking process will produce non-methane total hydrocarbon(NMHC),hydrogen and carbon monoxide gas,and the gas concentration is hydrogen non-methane total hydrocarbon(NMHC)carbon monoxide.In the range of temperature(25C150C)and hu-midity(50%98%)of the pretreatment conditions,the gas release in the process of electric trac-ing is positively correlated with the temperature and humidity of the spline pretreatment,that is,the higher the temperature and humidity of the pretreatment,the greater the gas release in the process of electric tracking.In the range of temperature(25C150C)and humidity(50%98%)under pretreatment conditions,the electric tracking resistance of typical organic insulating mate-rials such as epoxy resin,silicone rubber and SMC does not form a simple positive or negative corre-lation with temperature and humidity,which requires further focus research.Keywords Organic Insulating Materials,Electric Tracking,Gas Analysis Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 高压开关柜因其占地面积小、设计紧凑、维护量小等优点被大量应用于变电站低压侧和城区配网。开关柜内高温高湿的运行环境，易使其中的高分子绝缘材料(环氧树脂、硅橡胶、SMC 等)内部的环氧链发生不可逆的断裂和阻燃剂吸湿形成腐蚀性磷酸化合物等过程，使其材料内部形成孔洞、裂纹等劣化缺陷，易导致老化样品的阻燃性能和绝缘性能下降而发生击穿着火等事故1 2。在电力电子技术高速发展的同时，有机绝缘材料的使用环境也趋于多样化，不仅在普通环境下，还在低气压，室外全天候，海岸等沿海地区，放射线辐射等环境下大量使用。在这些环境下使用的有机绝缘材料有着无机绝缘所没有的特殊现象，即发生在材料表面的电痕破坏现象3。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，析出碳元素同时生成有机与无机气体。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4。近年来，国内 1240.5 kV 中高压开关柜由于绝缘缺陷而导致的绝缘事故时有发生5 6 7。Open AccessOpen Access张黎 DOI:10.12677/jee.2023.112007 55 电气工程 有机高分子绝缘材料在柜内湿度大、凝露严重的情况下会产生绝缘缺陷，绝缘缺陷在 1240.5 kV 中高压开关柜的运行过程中容易引起电场畸变，从而发生局部放电(PD)8。现有的局部放电检测手段主要有：脉冲电流法、特高频法、暂态地电压法、超声波检测法、光学检测法、气体组分分析法9 10。其中气体组分分析法由于是检测气体，不存在电磁干扰问题。当开关柜发生局部放电时，绝缘部件在电子碰撞和高温的作用下发生复杂的化学反应，产生一些特定的气体成份11 12。通过检测绝缘部件分解后气体浓度、产气速率等分解特性，从而可判断设备内部绝缘状态。为更好的实现气体组分分析法在中高压开关柜绝缘状态预测评估这一领域的应用，本文对典型有机绝缘材料(环氧树脂、硅橡胶、SMC)电痕化过程气体释放规律进行研究。选取非甲烷总烃、氢气、一氧化碳作为监测目标物，重点研究典型有机绝缘材料经过不同温、湿度处理后，在电痕化过程中目标气体浓度变化规律。研究结论可为气体组分分析法在中高压开关柜绝缘状态预测评估这一领域的应用提供理论依据与应用基础。2.实验物料与装置实验物料与装置 2.1.实验物料实验物料 选用某厂生产的二氧化硅填料双酚 A 缩水甘油醚/乙二胺环氧树脂(DGEBA/EDA)样条进行实验，样条基本性能参数如表 1 所示。对实验样条进行红外光谱测试，测试结果如图 1 所示。由图可见，有如下特征峰：3026.77 cm1处的宽峰是饱和 C-H 伸缩振动，2965.46 cm1和 2874.30 cm1处的吸收峰是 O-H 伸缩振动，1738.69 cm1处的吸收峰是 R-CHO，为支链部分的端醛基。1607.50 cm1和 1509.86 cm1处的吸收峰是单核芳烃上的 C=C 伸缩振动。1178.70 cm1处的吸收峰是 HO-C-OH 基团伸缩振动，1085.4 cm1处的吸收峰是 Si-O 键伸缩振动和 C-OH 键伸缩振动。797.82 cm1和 778.70 cm1处的吸收峰是 C-Cl 键伸缩振动，693.57 cm1、555.55 cm1和 512.02 cm1处的吸收峰是 C-Br 键伸缩振动。由以上结果可知，该谱图特征吸收峰符合双酚 A 环氧树脂红外谱图相关特征，并可推断出该样条中含有卤族阻燃剂。Table 1.Bas