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固體絕緣材料介電常數(shù)與介電強(qiáng)度在各行業(yè)的應(yīng)用
閱讀：2237發(fā)布時間：2023-4-7
1、固體絕緣材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
當(dāng)前在油浸式變壓器中普遍使用絕緣紙以及絕緣紙板作為基本絕緣，絕緣紙的主要成分是纖維素。絕緣紙分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及糖苷鍵,，熱穩(wěn)定性比油中的碳?xì)滏I弱,，并能在較低的溫度下重新化合,。聚合物裂解的有效溫度高于105℃聚合物熱解(全裂解和碳化)溫度高于300℃，生成水的同時,，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和糠醛化合物,。
目前在油浸式電力變壓器中常用的固體絕緣有電話紙、皺紋紙和絕緣紙板,。為了提高絕緣紙的耐熱性,，國外在絕緣紙改性方面做了大量研究工作，出現(xiàn)了多種改性的耐熱絕緣紙,。如將紙漿在有堿性觸媒的條件下使纖維素與氰乙烯起化學(xué)反應(yīng)(以及對紙進(jìn)行醋酸處理,，即在紙漿中加入35%左右醋酸)，可得到耐熱性大為提高的絕緣紙,。在普通的纖維分子中,，最容易老化的是第一羥基，而在氰化紙中,，第一羥基被氰乙烯置換了,。研究表明，經(jīng)氰化處理的絕緣紙,，使用溫度可提高20℃,，如果使用溫度不變，則可延長使用壽命,，并且采用這種紙可減輕變壓器的重量,。還有在紙漿中添加一系列安定劑的方法來提高絕緣紙的熱穩(wěn)定性，如用一種或多種含氮化合物改性天然纖維提高纖維中的含氮量,，使天然纖維穿上一層含氮的“隔熱服",，從而防止纖維素氧化降解。
日本還研制了各種改良的絕緣紙板,。考慮到絕緣紙和絕緣紙板的介電常數(shù)εz為4～5左右,，比變壓器油的介電常數(shù)εy=2.2高出一倍以上。在電場作用下,，復(fù)合絕緣中分擔(dān)的場強(qiáng)與介電常數(shù)成反比,，故油中場強(qiáng)比紙板中場強(qiáng)高得多,，而油的電氣強(qiáng)度低于紙板，因此,，易在油中發(fā)生局部放電,，劣化油的品質(zhì)。為了使變壓器油,、紙絕緣的電氣強(qiáng)度得到充分利用,，降低紙板中的介電常數(shù)，可在木質(zhì)纖維中摻合適當(dāng)組分的合成樹脂纖維制成紙板,。目前采用的合成樹脂為聚甲烯戊烷(介電常數(shù)為2.12)纖維與木質(zhì)纖維摻合成原料制成白紙板,，稱為PMP紙板。PMP紙板中摻合樹脂纖維一般在15%左右,，新紙板的介電常數(shù)應(yīng)低于3.5,，而其他電氣、機(jī)械性能均無影響,。
2,、聚合物固體絕緣材料應(yīng)用
2.1聚合物固體絕緣材料簡述
聚合物是指具有非常大的分子量的化合物，分子間由結(jié)構(gòu)單位或單體經(jīng)由共價(jià)鍵連接在一起,。高聚物的分子比低分子有機(jī)化合物的分子大得多,。一般有機(jī)化合物的相對分子質(zhì)量不超過1000，而高聚物的相對分子質(zhì)量可高達(dá)104～106,。由于高聚物的相對分子質(zhì)量很大,，所以在物理、化學(xué)和力學(xué)性能上與低分子化合物有很大差異,。常用的6種聚合物是聚乙烯,、聚丙烯、聚氯乙烯,、聚對苯二甲酸乙二酯,、聚苯乙烯和聚碳酸酯。這6種材料占了聚合物與塑膠材料98%的比例,。聚合物材料還沒有在油浸式變壓器中廣泛應(yīng)用,，研究分析表明，以下幾種聚合物有良好的應(yīng)用前景:
聚四氟乙烯:由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物,，有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性,，電絕緣性良好，抗老化,，能在－180℃～250℃的溫度下長期工作,，在較寬頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介電損耗都很低，而且擊穿電壓,、體積電阻率和耐電弧性都較高,。不溶于強(qiáng)酸,、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑，能耐強(qiáng)氧化劑的腐蝕,。
聚酯薄膜:長期使用溫度可達(dá)120℃,，吸水率很低，電絕緣性能優(yōu)良,，介電常數(shù)在3.3左右,，介電損耗很低，電性能在較寬的頻率范圍內(nèi)比較穩(wěn)定,，有較高的絕緣電阻和擊穿電壓,，擊穿電壓在130℃時為100MV/m，其介電常數(shù)為3.0～4.0,，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.005%,，工作溫度為－60℃～120℃,。
聚碳酸酯可在－100℃～140℃范圍內(nèi)使用,，吸水率低，在較大的溫度范圍內(nèi)電性能良好,，介電常數(shù)約為3.1,，有較高的強(qiáng)度和剛性，抗沖擊和耐蠕變性能優(yōu)異,。
2.2聚合物固體絕緣材料電氣特性試驗(yàn)
變壓器用絕緣材料必須在絕緣電阻、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗及擊穿強(qiáng)度等方面滿足一定的特性,，即有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗,，并且材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗隨著溫度的變化較為穩(wěn)定。本文就介電常數(shù),、介質(zhì)損耗因數(shù)和工頻擊穿強(qiáng)度研究聚合物材料的性能,。實(shí)驗(yàn)材料為直徑15mm，厚度0.5mm的聚酯薄膜,、聚碳酸酯和聚四氟乙烯圓形薄片,。分別測試材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因素結(jié)果見圖1～6所示。
2.2.1介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)測試
(1)聚四氟乙烯
（2)聚酯薄膜
2.2.2擊穿強(qiáng)度測試
擊穿強(qiáng)度表征的是絕緣材料的固有特性,，但是由于在直流、工頻和脈沖電壓下電介質(zhì)擊穿的機(jī)理各不相同,，其相應(yīng)的擊穿強(qiáng)度就存在很多的差異,。一般認(rèn)為工頻電壓對絕緣材料的考驗(yàn)要比直流和脈沖嚴(yán)格，因此在本論文中只研究絕緣材料的工頻擊穿強(qiáng)度,。
在聚合物電老化的過程中，聚合物材料將會發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)變化,，引入更多的缺陷，導(dǎo)致擊穿強(qiáng)度下降,。
考慮到試樣本身性能的分散性和擊穿實(shí)驗(yàn)中各種偶然因素的影響，每一種試樣取了5個,，取5個試樣擊穿強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為材料的擊穿強(qiáng)度值,。
實(shí)驗(yàn)時升壓方式選擇的是逐級升壓法，對于所選的4種聚合物材料,，嚴(yán)格按照《GBT_1408.1-2006_絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法第1部分_工頻下試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,。測試結(jié)果如表1所示，測試溫度為常溫,。
3,、結(jié)論
(1)在常溫下,，聚四氟乙烯,、聚酯薄膜和聚碳酸酯的基本電氣參數(shù)都比絕緣紙好，聚酯薄膜在90°左右介電常數(shù)和介質(zhì)損耗明顯增大,，聚四氟乙烯和聚碳酸酯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗基本不受溫度影響,。
(2)研究發(fā)現(xiàn)，在變壓器油中熱老化后,，聚四氟乙烯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均增大;聚酯薄膜和聚碳酸酯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均減小,。聚四氟乙烯、聚酯薄膜,、的擊穿強(qiáng)度均降低;聚碳酸酯的擊穿強(qiáng)度提高,。
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