聚合物固体绝缘材料应用研究.pdf

第27卷第9期
电力科学与工程
Vol 27. No 9
8
2011年9月
Electric Power Science and Engineering
Sep.2011
聚合物固体绝缘材料应用研究
陈广辉,岳彩鹏,王伟
(华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206
摘要:变压器的性能受其绝缘系统的限制,目前在油浸式变压器中普遍使用绝缘纸以及绝缘纸板作为基
本绝缘,而纤维素在高温下易发生水解,导致绝缘劣化。旨在提出实用的新型绝缘材料,论述并分析了
若千种固体材料的绝性能,最后对各种聚合物固体绝缘材的性能进行了比较。
关纏词:油浸式变压器;固体绝缘材料;聚合物
中图分类号:TM211文献标识码:A
研究有非常重要的意义。
0引言
1固体绝缘材料的应用现状
运行经验表明,变压器的寿命取决于其绝缘
结构的寿命。油浸式变压器的固体绝缘材料主要
当前在油浸式变压器中普遍使用绝缘纸以及
是绝缘纸,而绝缘纸的主要成份是纤维素。在电绝缘纸板作为基本绝缘,绝缘纸的主要成分是纤
力系统中,高温、火灾是影响其安全运行的常见维素。绝缘纸分子内含有大量的无水右旋糖环和
事故り。在变压器运行中,受温度、水分、氧及弱的C一0键及糖苷键,热稳定性比油中的碳氢
油中的酸性化合物的共同作用,纤维素发生降解。键弱,并能在较低的温度下重新化合。聚合物裂
试验表明,绝缘纸的热稳定性很差,在温度解的有效温度高于105℃聚合物热解(完全裂解
100℃以上,其中的纤维素会分解出水、一氧化和碳化)温度高于300℃,生成水的同时,生成大
碳和二氧化碳。在变压器长期运行中,纤维素发生量的C0和CO2及少量烃类气体和糠醛化合物。
解聚,导致绝缘纸和纸板逐渐老化,丧失大部分机
目前在油浸式电力变压器中常用的固体绝绿有
械性能和电气性能。纤维素耐热老化性很差,这是电话纸、皱纹纸和绝缘纸板。为了提高绝缘纸的耐
绝缘纸最大的缺点。变压器主要是A级绝缘,规定热性,国外在绝缘纸改性方面做了大量研究工作,
最高使用温度为105°。温度过高会加快绝缘油的劣出现了多种改性的耐热绝缘纸。如将纸浆在有碱性
化,影响使用寿命。在105℃时设计使用寿命20~触媒的条件下使纤维素与氰乙烯起化学反应(以
30年的变压器,当温度升高6~7℃后,使用寿命及对纸进行醋酸处理,即在纸浆中加入35%左右
大大降低,将只有几年的使用寿命。
醋酸),可得到耐热性大为提高的绝缘纸。在普通
绝缘纸不耐高温的缺点影响了变压器向小型的纤维分子中,最容易老化的是第一羟基,而在
化、大容量发展的前景。近年来,人工合成绝缘氯化纸中,第一羟基被氰乙烯置换了。研究表
材料性能优越,在电工技术领域得到许多应用。明,经氯化处理的绝缘纸,使用温度可提高
特别是耐热性能远远高出电工纸板,大大提高了20℃,如果使用温度不变,则可延长使用寿命,
绝缘耐高温,耐老化性能。高分子聚合物材料经并且采用这种纸可减轻变压器的重量。还有在纸
过多年的发展,在电力系统已经有了很多应用,浆中添加一系列安定剂的方法来提高绝缘纸的热
很多聚合物材料的基本机械,电气性能都比绝缘稳定性,如用一种或多种含氮化合物改性天然纤
纸优异。因此,新型聚合物固体绝缘材料的应用维提高纤维中的含氮量,使天然纤维穿上一层含
收稿日期:2011-06-20
基金项目:国家自然科学基金项目(50977025)。
作者简介:陈广辉(1988-)男,硕士,研究方向为电气设备在线监测与故障诊断,从事课题为聚合物绝缘材料在油中
高温高压双因子作用下的老化特性试验研究,E-mail:ncepu20)lichen@163.com。
万方数据
第9期
陈广辉,等聚合物固体绝錄材料应用研究
氮的“隔热服”,从而防止纤维素氧化降解0,。
聚碳酸酯可在-100℃~140℃范围内使用,
日本还研制了各种改良的绝缘纸板。考虑到吸水率低,在较大的温度范围内电性能良好,介
绝缘纸和绝缘纸板的介电常数心,为4-5左右,比电常数约为3.1,有较高的强度和刚性,抗冲击
变压器油的介电常数,=2.2高出一倍以上。在和耐变性能优异。
电场作用下,复合绝缘中分担的场强与介电常数2.2聚合物固体绝缘材料电气特性试验
成反比,故油中场强比纸板中场强高得多,而油的
变压器用绝缘材料必须在绝缘电阻、介电常
电气强度低于纸板,因此,易在油中发生局部放数和介质损耗及击穿场强等方面满足一定的特性,
电,劣化油的品质。为了使变压器油、纸绝缘的电即有较低的介电常数和介质损耗,并且材料的介
气强度得到充分利用,降低纸板中的介电常数,可电常数和介质损耗随着温度的变化较为稳定。本
在木质纤维中掺合适当组分的合成树脂纤维制成文就介电常数、介质损耗因数和工频击穿场强研
纸板。目前采用的合成树脂为聚甲烯戊烷(介电究聚合物材料的性能
常数为2.12)纤维与木质纤维掺合成原料制成白
实验材料为直径15m,厚度05mm的聚酯薄
纸板,称为PMP纸板。PMP纸板中掺合树脂纤维膜、聚碳酸酯和聚四氟乙烯圆形薄片。分别测试材
一般在15%左右,新纸板的介电常数应低于35,料介电常数和介质损耗因素结果见图1-6所示。
而其他电气、机械性能均无影响。
2.2.1介电常数与介质损耗因数测试
(1)聚四氟乙烯
2聚合物固体绝缘材料应用
50H
.84
2.1聚合物固体绝缘材料简述
聚合物是指具有非常大的分子量的化合物
?1.80
分子间由结构单位或单体经由共价键连接在一起。
高聚物的分子比低分子有机化合物的分子大得多。
1.76
一般有机化合物的相对分子质量不超过100,而
高聚物的相对分子质量可高达10-~10°。由于高
6080100120140
聚物的相对分子质量很大,所以在物理、化学和
温度/"℃
力学性能上与低分子化合物有很大差异。最常用
图150Hz与10Hz下聚四氯乙烯介电常数
的6种聚合物是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚
随温度的变化情况
对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯和聚碳酸酯。这6
ig. 1 Dielectric constant of PTFE versus temperature
种材料占了聚合物与塑胶材料98%的比例。聚合
under 50 Hz and 10 Hz
物材料还没有在油浸式变压器中广泛应用,研究
分析表明,以下几种聚合物有良好的应用前景
0.00055
50 Hz
聚四氟乙烯:由四氟乙烯经聚合而成的高分子
0.00050
化合物,有优良的化学稳定性,电绝缘性良好,抗老
0.00045
化,能在-180℃~250℃的温度下长期工作,在较
宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低,而且
20.00030
击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。不溶于
0.00025
强酸、强碱和有机溶剂,能耐强氧化剂的腐蚀。
0.00020
0.00015
聚酯薄膜:长期使用温度可达120℃,吸水率
0.0001010
00120140
很低,电绝缘性能优良,介电常数在3.3左右,介电
温度/℃
损耗很低,电性能在较宽的频率范围内比较稳定,
图250Hz与10Hz下聚四氯