抽水蓄能发电机定子线棒绝缘击穿理化性能分析

刘向东，聂靓靓，金海云

（1.南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东 广州 511400；2.西安交通大学， 陕西 西安 710049）

0 引言

抽水蓄能机组主绝缘的老化可归结为电老化、热老化、机械老化及环境应力老化等过程的联合作用[1-3]。在抽水蓄能机组实际运行过程中，需要进行运行工况的转换以及经受负荷的快速变化[4-5]，使得抽水蓄能机组定子绝缘受力情况更为复杂[6-8]。

针对某电厂18 kV抽水蓄能机组定子线棒内R出槽口处绝缘在直流耐压试验电压升至35 kV时被击穿，本研究将故障线棒击穿点及其附近的绝缘材料逐层剥离，对线棒绝缘材料离散取样，同时进行包括热重分析、红外光谱分析和扫描电镜能谱分析等理化性能分析，探讨故障线棒击穿点及其附近不同绝缘层材料不同位置受到击穿事件的影响以及发生的变化。

1 解剖取样

线棒主绝缘为少胶云母带（VonRoll）5层绕包，线棒直线排间绝缘为F级环氧预浸渍玻璃毡布，端部排间绝缘为上胶玻璃布复合绝缘纸，换位填充物为热固性环氧填充腻子，换位绝缘为F级环氧桐马柔软云母板，浸渍树脂为环氧酸酐VPI浸渍树脂（VonRoll）。VPI工艺采用一模多压成型结构，一模压制12支线棒，端部采用夹板收缩固化工艺。

图1为击穿点的解剖情况。从图1可以看出，将线棒击穿点处表层材料去除，发现绝缘层表面损伤严重，树脂材料缺失，同时有纤维材料暴露在外。进一步将绝缘层整体剥离，发现击穿通道已经贯穿了整个绝缘层，绝缘层与铜导体接触的最内层存在大量黑色痕迹，沿贯穿通道上的绝缘材料均存在一定程度的破坏及炭化痕迹。在逐层解剖的过程中，并未出现层间爬电现象，垂直击穿导致所有绝缘层的击穿点位置相同。另外，黄色线带的颜色从外向内逐层轻微加深，出现这种现象的原因可能是绝缘遭受了较为严重的机械损伤，导致绝缘内层产生微裂纹，绝缘劣化从内层向外层逐步发展，从而造成耐压试验中发生击穿。

图1 击穿点解剖情况Fig.1 Anatomy of breakdown point

把故障线棒击穿点及其附近逐层剥离的绝缘材料分为内层（第五层）、中层（第三层）、外层（第一层），分别在每层材料的击穿点、击穿点近端及击穿点远端选取测试点，共计9个取样点。其中击穿点试样选取击穿通道上黑色部分，击穿点近端试样选取靠近击穿通道黄褐色部分，击穿点远端试样选取最远处几乎不受击穿影响部分。

2 热重分析

热重分析（TGA）可以反映绝缘材料的老化状态[9-11]，TGA曲线记录了测量物质质量与温度的关系，而微商热重分析（DTG）则是TGA曲线对温度T的一阶导数，以物质的质量变化速率对温度T作图。

2.1 同一位置不同绝缘层的热重分析

分别将线棒绝缘击穿点、击穿点近端、击穿点远端内、中、外层的热重曲线进行对比分析，结果如图2～4所示。从图2～4可以看出，无论是击穿点、击穿点近端，还是击穿点远端，热重曲线均表现出相同的规律，即绝缘外层的物质分解速率较慢，其热失重比例最小；绝缘内层的物质分解速率较快，其热失重比例最大。

环氧树脂为绝缘材料在该温度范围内分解的主要成分，这说明绝缘由外层向内层，环氧树脂含量逐渐增大。这是因为在线棒制作阶段的烘焙热压固化过程中，与固化模具接触的绝缘外层胶被挤压流出，导致绝缘层由内向外胶含量逐渐降低，因此线棒的压制工艺是导致不同绝缘层环氧树脂含量差异的根本原因。

图2 击穿点不同分层的热重曲线Fig.2 Thermogravimetric curves of different layers at breakdown point

图3 击穿点附近不同分层的热重曲线Fig.3 Thermogravimetric curves of different layers near breakdown point

图4 击穿点远端不同分层的热重曲线Fig.4 Thermogravimetric curves of different layers at the far end of breakdown point

2.2 同一绝缘层不同位置的热重分析

分别将线棒绝缘内、中、外层的击穿点、击穿点近端、击穿点远端的热重曲线进行对比分析，结果如图5～7所示。从图5～7可以看出，无论是绝缘内层、中层，还是外层，击穿点与击穿点近端的热重曲线较为接近，分解速率较慢，残留率较大，即热失重比例较小，其中击穿点比击穿点近端的残留率略大，即热失重比例略小；而击穿点远端的试样分解速率较快，残留率明显更小，即热失重比例明显更大。

图5 内层绝缘不同位置的热重曲线Fig.5 Thermogravimetric curves at different positions of inner insulation

图6 中层绝缘不同位置的热重曲线Fig.6 Thermogravimetric curves at different positions of intermediate insulation

图7 外层绝缘不同位置的热重曲线Fig.7 Thermogravimetric curves at different positions of outer insulation

以上现象说明击穿点的绝缘材料受击穿通道发展过程以及击穿发生时的放电与热量影响，其中的大部分环氧树脂已经发生了分解，所以在热重分析中热失重比例较小；击穿点近端虽然没有明显炭化痕迹，但是也受到了较为严重的影响，所以热失重比例仅略大于击穿点；而击穿点远端几乎没有受到击穿事件的影响，环氧树脂的比例相对较大，因此热失重比例最大，残留率最小。

从不同试样点的DTG曲线可以看出，线棒复合材料的分解过程较为复杂，DTG曲线中大致存在3个主要的热失重峰，分别出现在200℃左右、300～350℃以及350～450℃，其中350～450℃热失重峰是试样分解的最主要过程。对不同试样统一选取350～450℃处的最主要分解过程，并在其中截取宽度为20℃下降最快的数据进行热裂解活化能计算，这样得到的拟合结果最接近直线且具有可比性。为了更加直观地展示9个试样点的热裂解活化能对比差异，将计算结果绘制成柱状图，如图8所示。

图8 不同试样点的热裂解活化能Fig.8 Activation energy of pyrolysis at different points of sample

热裂解活化能表征了每摩尔物质在受热分解时断开化学键所需要的能量，从图8可以看出，线棒绝缘发生击穿后，相比击穿点远端，击穿点及其附近的绝缘材料热裂解活化能都大幅降低，进一步证明了击穿点及其附近的绝缘材料在击穿过程中已经发生了严重的分解，所以试样在热重分析过程中所需要的热裂解活化能显著减小。而击穿点远端的绝缘材料基本没有受到影响，因此热裂解活化能仍然处于较高水平。

3 红外光谱分析

红外光谱测试技术是一种确定物质分子结构与官能团的有效手段[12]。样品特征吸收曲线的横坐标为波长或波数，纵坐标为透过率或吸光度。

3.1 同一位置不同绝缘层的红外光谱分析

分别将线棒绝缘击穿点、击穿点近端、击穿点远端每个位置的内、中、外层的红外光谱进行对比分析，结果如图9～11所示。从图9～11可以看出，线棒绝缘击穿点近端和远端内、中、外层的红外光谱吸收峰的位置和强度基本一致，而绝缘击穿点的内层与中层、外层之间差异明显。结合前文解剖情况可知，造成绝缘击穿点处不同绝缘层之间红外光谱差异的主要原因在于不同绝缘层炭化程度不同，其中，炭化最严重的位置为击穿点内层。

图9 击穿点不同层红外光谱Fig.9 Infrared spectra of different layers at breakdown point

图10 击穿点近端不同层红外光谱Fig.10 Infrared spectra of different layers near breakdown point

图11 击穿点远端不同分层红外光谱Fig.11 Different layered infrared spectra at distant breakdown point

此外，几乎所有试样的红外光谱在2 340 cm-1左右存在两个微弱的吸收峰，这两个吸收峰从内层到外层强度略微增大。该吸收峰为二氧化碳的特征峰，是由于试样空隙造成的。实际上在绝缘层的解剖过程中也发现，内侧绝缘层颜色更深更为致密，而外侧绝缘层颜色更浅，并且更容易露出带有空隙的纤维材料。

3.2 同一绝缘层不同位置的红外光谱分析

为了更加清晰地观察红外光谱中吸收峰的变化情况，将红外光谱以波数2 250 cm-1为界分为两部分并分别放大，将绝缘内、中、外层的击穿点、击穿点近端、击穿点远端的红外光谱进行对比分析，并标注出主要的吸收峰，结果如图12～14所示。从图12～14可以看出，线棒绝缘内、中、外层试样表现出相同的规律，相对于击穿点远端，击穿点和击穿点附近的红外光谱吸收峰的强度出现了明显降低，部分吸收峰被弱化甚至消失。这一结果说明击穿一定程度上改变了绝缘击穿点及其附近材料的化学结构，某些官能团或基团在击穿过程中由于放电和高温而分解、减少甚至消失，使得对应的吸收峰强度显著下降。下面对试样3层不同位置的红外光谱逐一分析。

图12 内层不同位置红外光谱放大图Fig.12 Amplified infrared spectra at different positions of inner layer

图13 中层不同位置红外光谱放大图Fig.13 Amplified infrared spectra at different positions of middle layer

图14 外层不同位置红外光谱放大图Fig.14 Amplification of infrared spectra at different positions of outer layer

（1）绝缘内层

从图12可以看出，与绝缘击穿点远端相比，击穿点附近3 620 cm-1处云母的羟基吸收峰明显降低，而击穿点处云母羟基吸收峰几乎消失，说明击穿点经历较高的温度使得云母脱去了表面的羟基和水分子。波数为2 926 cm-1和2 854 cm-1的吸收峰强度也有所下降，说明环氧树脂的-CH2-、-CH3等分子结构受到了一定程度的破坏。波数为971、908、745 cm-1的吸收峰在击穿点附近明显下降，在击穿点几乎消失，说明环氧基团受到了严重破坏。波数827 cm-1和802 cm-1表示苯环上的对位取代，这两个吸收峰也有明显的下降，说明环氧树脂的主链结构受到了破坏。波数 1 736、1 230、1 181 cm-1为苯环C-H的弯曲振动，波数1 508 cm-1和1 456 cm-1为苯环的伸缩振动，这些与苯环本身相关的吸收峰强度并没有变化，说明内层试样击穿点处的环氧树脂虽然环氧基团和主链结构被严重破坏，但是以苯环结构为主的残余物主体被很好地保留了下来。

（2）绝缘中层

从图13可以看出，与绝缘击穿点远端相比，击穿点和击穿点附近3 620 cm-1云母的羟基吸收峰出现明显降低，但是没有完全消失，说明击穿产生的高温使得云母脱去了表面的大部分羟基和水分子。波数为2 926 cm-1和2 854 cm-1的吸收峰强度也有所下降，说明环氧树脂的-CH2-、-CH3等分子结构受到了一定程度的破坏。而波数为1750～500 cm-1的环氧树脂特征峰均出现了相同程度的显著下降，说明中层试样击穿点及击穿点附近的环氧树脂也受到了比较严重的破坏。

（3）绝缘外层

从图14可以看出，与绝缘击穿点远端相比，击穿点和击穿点附近3 620 cm-1处云母的羟基吸收峰明显降低，但是没有完全消失，说明击穿产生的高温使得云母脱去了表面的大部分羟基和水分子。对比击穿点远端和击穿点附近的红外光谱可以发现，波数为2 926、2 854、1 736、1 230、1 181、1 508、1 456、827、802 cm-1的吸收峰几乎都没有变化，下降的吸收峰只有971、908、745 cm-1处环氧基团的特征峰。说明相对于击穿点远端，击穿点附近的环氧树脂只是端部的环氧基团受到了一定程度的破坏。然而对比击穿点附近和击穿点的红外光谱发现，所有与环氧树脂相关的吸收峰都大幅下降甚至几乎消失，说明击穿点的环氧树脂已经被严重破坏甚至消失。

4 扫描电镜及能谱分析

对绝缘内、中、外层材料的击穿点、击穿点近端及击穿点远端共计9个取样点进行扫描电镜观察以及能谱测试分析[13-14]，结合显微形貌与元素分析，判断不同区域中的主要元素组成。不同试样点的扫描电镜照片如图15所示，表1为不同试样点的能谱测试分析数据。

图15 不同试样点的显微照片Fig.15 SEM at different points of sample

结合图15显微形貌和表1元素分析结果可知，图中，白色片状结构为云母（元素Si、Al和O），云母之间的深色部分为环氧树脂（元素C和O），内层绝缘击穿点的炭化痕迹较为严重，黑色物质是环氧树脂分解的残余物或者被炭化痕迹覆盖的云母，而露出的纤维状物质为玻璃纤维（元素O和Si）。

内层击穿点的左上角出现了明显的炭化痕迹，以C元素为主，同时含有大量O元素与少量Si和Al元素，白色的云母已经几乎不可见，但是根据表1元素分析可知云母并未完全消失，而是被黑色物质所覆盖，黑色物质推测为环氧树脂分解的残余物。此外，在内层击穿点处还可以看到较为明显的玻璃纤维痕迹，同时玻璃纤维并未完全暴露，说明还有一定的树脂残余；中层击穿点云母粉碎，部分玻璃纤维暴露在外，并有轻微的断裂破碎现象，只有少量的树脂粘附，玻璃纤维未暴露的部分其环氧树脂也受到了一定程度的破坏；外层击穿点玻璃纤维完全暴露，同时可以看到明显的断裂痕迹，原本附着的环氧树脂已经完全消失。虽然绝缘内层击穿点炭化现象最为严重，但是绝缘外层击穿点环氧树脂受到的破坏却最为明显，这一点与热重分析、红外光谱的结果均有很好的吻合。同时，与击穿点远端位置相比，3层试样的击穿点附近也都受到了不同程度的影响，出现了不同程度的损伤。

表1 不同试样点能谱测试元素分析结果Tab.1 Analysis results of energy spectrum elements of scanning electron microscope at different sample points

5 结论

（1）内层的环氧树脂含量最高，越靠近外层，环氧树脂含量越低，这一点与击穿无关；而相对于远离击穿点的绝缘材料，击穿点及其附近的环氧树脂含量明显减少，热裂解活化能显著下降，这是击穿过程中放电和高温影响的结果。

（2）内层、中层击穿点及其附近的环氧树脂分子结构都受到了严重的破坏，但是内层绝缘主体结构保留较好；外层击穿点附近的环氧树脂受到的影响较小，然而外层击穿点处的环氧树脂破坏最为严重，红外光谱的吸收峰几乎消失，这与绝缘层解剖过程中发现的击穿点外侧树脂严重缺失一致。

（3）通过扫描电镜能谱分析可以看出，虽然绝缘内层击穿点炭化现象最为严重，但是绝缘外层击穿点环氧树脂受到的破坏却最为明显。

结合不同绝缘层不同位置玻璃纤维及环氧树脂分析情况可以判断，线棒主绝缘裂纹是从内向外逐渐发展，理化分析结果与解剖分析结果相吻合。在主绝缘内层微裂纹产生后，线棒绝缘短时间内仍然可以承受一定等级的运行电压，但是伴随机组投产时间的增加，内层微裂纹附近的有机树脂成分在间隙放电产生的带电粒子冲击、热等作用下逐步分解，内层绝缘大面积碳化，随后裂纹由内向外逐渐发展，导致绝缘整体性能明显下降，线棒外层绝缘在耐压试验中被击穿。