一恒鼓风干燥箱对交流沿面闪络的关联性的使用

0 引言

发生于环氧树脂绝缘子与六氟化硫气体界面 处的交流沿面闪络现象(简称交流沿闪)是交流气体 绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear, GIS)或 者气体绝缘金属封闭输电管道(gas insulated transmission line, GIL)中常见的绝缘故障。然而，由 于交流沿闪过程十分复杂，且容易受到气固界面上诸多因素的影响，给交流闪络的分析带来了极大的 困难。而以往关于交流沿闪的研究集中于绝缘材料 表面污染或覆冰情况下的实验与分析，鲜有研究 者直接探索气固界面上不同界面特性与交流沿闪的 关联性。

1 试验准备

1.1 环氧树脂制备

本文采用的环氧树脂绝缘材料为环氧基氧化 铝复合材料，其制备工艺如下： 1）给模具各部件均匀涂抹脱模剂后完成装配。 本文采用的脱模剂(NT-001)主要成分为有机硅类化 合物(35%~55%)与烷烃类溶剂(45%~65%)。 2）将微米氧化铝填充料、环氧树脂与涂好脱 模剂的模具(表面采用镜面抛光技术进行处理)分别 放入鼓风干燥箱（上海一恒9070A台式鼓风干燥箱），在 130℃下充分预热，将预热好 的微米氧化铝填充料(AF-2)、环氧树脂(CT5531)及 固化剂按照质量比 330:100:38 进行称量，并将填充 料与环氧树脂在 130 ℃条件下进行混合，混合充分 后的复合材料放入温箱进行抽真空 1 h。 3）将抽好真空的复合材料取出，混入固化剂 搅拌均匀后，倒入模具，并将模具放入抽真空箱抽 真空约 30 min。 4）样品在 130 ℃条件下进行一次固化 8 h 后， 从模具脱模中取出，并将其用铝箔包裹好后放入温 箱，继续固化 20 h 后取出晾干即可。 基于上述制造流程，制造了如表 1 所示的 4 种 工艺参数与交流沿闪电压的关联性研究试验组。每 个试验组中存在多组样品，用于进行对比分析。

1.2 测试内容

本文选取的气固界面特性及其测试方法如表 2 所示。用于帮助分析界面特征与交流沿闪电压关系 的常规测试如表 3 所示。其中，除表面电致发光以 及交流沿闪测试外，其余均为标准化的测试，因此 不再对这些测试方法进行赘述。表 2、表 3 中展示了每类测试方法采用的每种 样品样片数量，其中水接触角、表面化学成分、表 面化学键合、表面电导率、介电常数及介电损耗、 局部放电量为测量多个样片后求均值作为测试结 果。表面形貌测试为观察多个样片后选出最典型形 貌。表面陷阱密度、沿闪电压为测试多个样片后直 接绘制箱图反映结果分布情况。

1.3 表面电致发光测试

发光现象来源于已处于激发态的原子(或分子) 通过发射光量子来实现去激发的过程。电致发光则 是由电场作用实现原子(或分子)的初始激发。电致 发光反映着电场作用下载流子激发、输运、复合等 过程的强弱，可被用于研究材料表面或内部陷阱特 性以及电荷存贮和输运特性。


2 试验结果与分析

由 SEM 图像可见，不涂脱模剂的 A2 表面存在 着很多碎屑，而其余样品仅存在少量裂纹，说明脱 模剂形成的釉层能够保护样品表面，从而保证材料 表面的致密性。XPS 测得的元素原子比中，A1 的 硅元素比例最高，A2 的硅元素比例最低，这与脱模 剂的涂抹情况相符(脱模剂中含有硅元素)。水接触 角显示 A2 具有最大值，即脱模剂的存在会降低水 接触角，削弱憎水性。红外光谱无明显差异，脱模 剂的使用并未改变材料的化学键合。电学参数方面，3 者的体积电导率并无明显差 异，但表面电导率呈现出 A1>A3>A2 的大小关系， 可见脱模剂的使用会提高表面电导率，涂抹均匀后 该提升效果更为明显。A2 的介电常数最大，损耗角正切也是最大，即涂抹脱模剂能够略微降低介电常 数，同时降低介电损耗。A1 局部放电量略低于其余 两者，即涂抹均匀的脱模剂能够略微削弱局部放电 现象。电致发光结果显示，A1 样品的稳态光子数较 低，即涂抹均匀的脱模剂有助于减少环氧材料表面 的浅陷阱，削弱载流子的复合。SEM 图像无明显差异，说明冷热冲击处理不影 响材料表面的形貌。XPS 测得结果中，各样品的百 分比无明显不同(处于误差范围内)，可认为冷热冲 击处理不影响材料表面元素比。水接触角显示出 B3>B2>B4>B1 的趋势，即冷热冲击处理会略微增 大水接触角，随着热循环的温度从 90°上升至 120°， 水接触角先增大后减小。红外光谱无明显差异，冷 热冲击处理并未改变材料的化学键合。

3 界面特性与交流沿闪的关联性

上述测试结果种类较多，且各类结果表现出的 规律性不强。为了更好地表征界面特性与交流沿闪 的关联性，采用统计学相关系数来进行分析。 将上述 4 组试验组共计 13 种样品统一考虑， 其中每种样品选取以下 8 种参数作为界面参数：(1) 硅元素原子比；(2)水接触角；(3)体电导率；(4)表面 电导率；(5)介电常数；(6)损耗角正切；(7)局部放电 量；(8)稳态光子数。获得了上述 8 个数组后，将交 流沿闪电压视为应变量，进行相关系数的数学计算。 由于试验数据规整性不高，采用 Spearman 相关系数 与 Kendall 相关系数来描述界面参数与交流沿闪电 压的关系。 计算得到各界面参数与交流沿闪电压的 Spearman相关系数与Kendall相关系数如表8所示。 可见两种相关系数的具体数值有所差异，但其绝对 值的大小关系相同，均为：介电常数>稳态光子数> 表面电导率>水接触角>损耗角正切>局部放电量> 体电导率>硅元素原子比。其中水接触角、表面电 导率、介电常数以及局部放电量均为负相关，其余 为正相关。