绝缘材料热老化气体梯度分层收集装置设计

绝缘材料热老化气体梯度分层收集装置设计

卜程程 ,樊丽君

深圳市沃尔核材股份有限公司  广东  深圳   518118

摘要：目前还没有应用与开关柜故障气体检测的气体分离系统，因此根据实际检测的需要，设计一种适用于开关柜气体检测的分层特征气体收集装置，为后续开关柜特征气体的检测提供更加贴切的样本。本文主要分析绝缘材料热老化气体梯度分层收集装置设计。

关键词：气体检测；开关柜；气体收集；绝缘材料

引言

随着电网规模的日益扩大以及用电负荷的激增，高压开关柜的故障问题越来越严重[1]。据资料统计，综合国家电网公司和南方电网公司来看，造成开关柜事故的原因主要分为以下几点：①机械故障,占比33.3%；②温升故障,占比8.9%；③绝缘故障,占比37.3%；④其他,占比20.5%。开关柜绝缘组成材料为有机和无机材料，主要在开关柜中起绝缘作用，保证开关柜的稳定运行。开关柜主要故障表征为过热和局部放电，绝缘材料在高温和高电压的情况下会与空气中的氧气发生氧化反应，自身也会产生特征气体，这些气体主要为添加剂、热解气体、氧化反应气体[2]。在实验中，使用本系统分层收集实验气体，与相应实验收集的故障气体含量对应关系数据库进行对比，以此推断当前故障，达到不停电即可分析故障的目的。

1、固体绝缘材料热老化特性测试

击穿场强是表征绝缘材料本身耐电强度的标准参数[3]，在变压器绝缘材料热老化性能测试过程中，绝缘材料本身介电常数的变化对绝缘电场分布有显著影响[4]。此外，高压绕组在线圈电容和接地电容上都有不同程度的变化，会对绕组波产生不利影响。为了有效提高变压器固体绝缘材料的耐热性，必须重点研究变压器固体绝缘材料的介质损耗，绝缘材料出现较大的介质损耗后，变压器局部容易出现高温现象，严重时会穿透材料，影响变压器的使用寿命。对此，为了进一步明确固体绝缘材料的热老化特性，可以通过比较绝缘材料热老化前后的介质损耗、击穿场强、介电常数等各种参数进行科学分析[5]。

2、绝缘材料热老化气体梯度分离收集系统设计方案

根据实际检测的需要，设计一种适用于开关柜气体检测的分层特征气体收集装置。该装置主要包含绝缘材料加热装置、过滤装置、收集装置等主要部件。通过梯度的加热开关柜绝缘材料，经过滤后收集产生的气体。这个过程中主要的变量条件为加热反应时间、加热反应温度，通过控制变量达到不同控制条件的目的。气体收集完成后，使用气相色谱仪对不同条件下产生的气体进行校验性检测，通过与数据库定性定量的对比，验证本装置的可行性。

3、绝缘材料热老化气体梯度分离收集系统实施方式

装置通过以下步骤实现气体的梯度分离和收集。步骤1组装好所有部件，将绝缘样品放置在载物台上，所有开关阀门打开，打开气源进行环境气体清扫；步骤2将电加热管控制在恒定温度对管式炉进行样品加热，打开气源进气及样品收集气阀，空气气源按设定流量进行气体供应，待到预定时间后，关闭管式炉两侧的气阀；步骤3加热到预定时间后，打开管式炉两侧的气阀，排空收集管中气体，暂时关闭两侧的阀门，将铝箔集气袋安装在集气管上，再次打开两侧气阀，将铝箔集气袋收集满，旋紧铝箔集气袋上的关闭旋钮；步骤4上一层集齐完成后，调整加热时间和加热温度，关闭所有的气体进出阀门，重复步骤3，依次实现不同控制条件下（加热反应时间、加热反应温度）气体样本收集；步骤5气相色谱仪定性定量分析，用微量取样针管对铝箔集气袋中的气体样本进行采样，取样后注入气相色谱仪进行分析，根据色谱仪图谱分析出该样本气体的浓度；步骤6将该样本的浓度与对应关系表（不同材质样本在特定条件下分离/反应产物不同）进行对比分析，验证与标准浓度的差异（因生产厂家/批次不同可能带来的差异，本方案界定10%的误差均为正常显现）。

4、固体绝缘材料热老化特性测试结果分析

4.1聚碳酸酯测试结果分析

由于分析了热老化不同阶段聚碳酸酯介质损耗的情况以及相对介电常数与温度变化的关系，与发热前聚碳酸酯相比，老化后聚碳酸酯的相对介电常数变化相对较小。当老化试验区温度相对较低时，固体绝缘材料热老化时间的增加会使聚碳酸酯的介电常数出现先变小后变大的现象。如果在相对高温的区域增加固体绝缘材料的热老化时间，热老化后绝缘材料的介电常数与没有变化前相比会更小。此外，绝缘材料的介电常数在热老化的初始阶段和没有发生热老化的时期随温度的增加先变大后变小。

4.2聚苯硫醚测试结果分析

在相对较低的测试温度下，聚苯硫醚初期的介电常数会随着老化时间的增加而变大，而基于老化的进行，介电常数增加的幅度则会下降。当测试温度相对较高时，温度升高时聚苯硫醚的介电常数会增大，斜率的变化规律是先变大后变小的趋势。在随后的热老化过程中，聚苯硫醚的介质损耗因数和温度之间的联系出现了很大的变化。向高温区转移后聚苯硫醚本身的介质损耗因数的最大值降低。

4.3聚酯薄膜测试结果分析

针对老化时间变化下聚酯薄膜在室温下的相对介电常数、温度变化下热老化时期的介质损耗因数及其与介电常数的关系，测试温度在20℃~140℃之间。在老化初期室温下，聚酯薄膜的介电常数随老化时间的增加而增加，达到最大值后，介电常数的值随老化时间的进一步增加而减少。但是，随着老化期的不同，介电常数受温度的变化而出现变化，与老化时间无关，在快速上升的过程中出现在聚酯薄膜玻璃化温度附近。研究这种情况发生的原因是基于物理和化学老化的一致影响。老化初期，随着温度的升高，聚合物材料的结构出现支化和断裂，支化分子的长链增加了极性基团，从而增加了取向极化对介电常数的贡献，表现出介电常数的增加。在提高老化的基础上，化学反应会持续，聚合物材料的分子结构会持续支化和断裂，从而介电常数增加。此外，还出现了物理老化，通过链段运动的物理老化使自由体积减小，材料密度增大，取向极化的复杂性增加，最终减少了取向极化对介电常数的贡献。为此，如果老化时间持续增加，介电常数就会减少。在老化前后聚酯薄膜的介质损耗因数改变，可以明确的是，老化时间变长，材料的介质损耗减少。在相对较低的温度下，不同老化阶段的介质损耗的差异较小，在较高的温度下差异较大，这一规律也出现在相对介电常数上。这更好地反映了物理老化影响材料的电学性能。物理老化后，取向极化的复杂性增加，减少了介电损耗和介电常数的损耗。即使老化时间不同，聚合物分子链也会断裂，产生含量差异的极性基团。

结束语

本文介绍了开关柜绝缘材料热解气体分层反应收集装置，经实际搭建实验平台进行绝缘材料热解实验，并将实验分离收集的气体经过气相色谱仪定性定量分析后,证明该装置分离、收集的气体种类和浓度符合环氧树脂等绝缘材料热解产生的气体规律，证实了该装置功能的可行性。

参考文献：

［1］李康,郭润睿,张国强.一种SF6替代气体—氟碳气体的故障分解气体产生规律及基于分解物气体的故障判据研究[J]．电工技术学报,2019,34(12):2649-2656.

［2］周文俊,郑宇,高克利,等．环保型绝缘气体电气特性研究进展[J]．高电压技术,2018,44(10):3114-3124.

［3］许蕾.国外推进剂与材料相容性试验方法标准概况[J].化学推进剂与高分子材料,2016,14(3):25-29.

［4］穆娟.固体绝缘材料热老化电气特性的研究［J］.科技资讯，2016，14（13）：45.

［5］徐以标.固体绝缘材料热老化电气特性的研究［J］.橡塑技术与装备，2015，41（20）：82-83.