热老化对空心电抗器匝间绝缘材料性能影响

孙勇 陈晓鹏

(中国南方电网超高压输电公司检修实验中心，广东 广州，510663)

对于干式空心电抗器而言，匝间绝缘的热老化对其匝间绝缘击穿电压影响的相关文献较少。下面研究了长期热老化下聚酰亚胺薄膜的力学性能和绝缘性能。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

聚酰亚胺薄膜，Kapton HN，美国杜邦公司；纯铝导线，直径2.0 mm，湖南飘峰电气股份有限公司。

分析天平，FA2204B，济南鑫宇鑫医疗设备有限公司；高温鼓风干燥箱，BPG-9200AH，浙江赛得仪器设备有限公司；万能试验机，CMT5105GL 100kN，莱博特(天津)试验机有限公司；电子扫描显微镜(SEM)，SIGMA 500/VP，瑟奇科技(北京)有限公司；热失重分析(TG)仪，Mettler-Toledo TGA2，上海微川精密仪器有限公司；工频耐压试验装置，YDTCW-1000kV，湖北武高电力新技术有限公司。

1.2 试样热老化处理

将一定量的均苯型聚酰亚胺薄膜(厚度0.025 mm，宽度18.000 mm)和纯铝导线(电阻率不大于0.028 3 Ω·mm2/m，表面半叠包绕一层聚酰亚胺薄膜，并将导线均匀缠绕在直径50 mm的铝棒上，缠绕10圈)分别置于高温鼓风干燥箱中，热老化温度分别选取280，300，320 ℃，老化一定时间。其中，膜包线样品仅用于聚酰亚胺薄膜的绝缘击穿电压试验。

1.3 测试与表征

拉伸强度测试按照GB/T 13542.6—2006进行，拉伸速度5 mm/min，标距200 mm。当薄膜的拉伸强度下降至初始值的50%，该温度下的热老化试验终止。

SEM观察：电压5 kV。

TG分析：氮气气氛，温度50～1 000 ℃，升温速率20 ℃/min。

绝缘击穿电压测试按照GB/T 4074.5—2008进行，采用工频试验装置分别对热老化前后样品施加工频交流电压，铝线一端接高压，相对侧的铝棒接地，升压速率1 kV/s，直至绝缘击穿停止，记录最高击穿电压。

这样的念头在我的脑海里已经有一段日子。尽管这样，我还是很认真地去备课；尽管这样，我还是怀着一颗平和的心去上课。我想，只要自己做好一名老师该做的事，错的就不应该是我。只要我尽力了，我便问心无愧。

2 结果与讨论

2.1 力学性能及寿命计算

图1为聚酰亚胺薄膜的拉伸强度随热老化时间的变化。

由图1可以看出，随着热老化时间延长，聚酰亚胺薄膜的拉伸强度降低。老化温度为280，300，320 ℃时，聚酰亚胺薄膜的热老化终点时间分别为580，410，255 h。热老化温度越高，聚酰亚胺薄膜的使用寿命越短。

利用图1绘制耐热图，并进行一元线性回归分析，如图2所示。可得聚酰亚胺薄膜的寿命线性方程：y=797.640 79x-0.079 7。采用外推法[5]得到聚酰亚胺薄膜在180 ℃(H级)下的使用寿命为22 472 h。若限定使用寿命为20 000 h，聚酰亚胺薄膜的最高长期工作温度为182 ℃。

2.2 微观结构

图3为聚酰亚胺薄膜表面的SEM形貌。

由图3可以看出，热老化前的试样表面较为平整，热老化后其表面出现多个孔洞，孔洞直径为10～20 μm，表明薄膜结构被破坏，在受到拉伸力时，缺陷处发生断裂，薄膜拉伸强度下降。

2.3 TG分析

图4为热老化前后聚酰亚胺薄膜的TG分析。由图4可以看出，未热老化试样的起始分解温度579.55 ℃，热老化后试样起始分解温度下降至569.80 ℃。当温度达到1 000 ℃时，未热老化试样的质量保留率为66.82%，热老化试样的质量保留率为57.72%。在失重区温度范围内聚酰亚胺的分子主链中连接两苯环的C—N键发生断裂。

采用Coast-Redfern积分法[6]计算聚酰亚胺薄膜热老化前后的活化能。聚酰亚胺薄膜的分解速率为：

(1)

式(1)中，α为分解程度，%；E为反应活化能，kJ/mol；R为气体分子常数；T为绝对温度。

(2)

采用Coast-Redfern法，对式(2)进行变量分离积分整理得：

(3)

经计算，热老化前后试样的E分别为151.88，139.92 kJ/mol，热老化后试样的E明显变小，说明热老化后聚酰亚胺薄膜更易发生热裂解反应。

2.4 绝缘击穿电压

经测试，热老化前聚酰亚胺薄膜的平均绝缘击穿电压7 126.8 kV，热老化后聚酰亚胺薄膜平均绝缘击穿电压降至6 249.6 kV，下降了12.3%。这主要是因为热老化后聚酰亚胺薄膜中的缺陷增多，不均匀性增加，导致材料内部电场畸变程度增加[7]，使得聚酰亚胺薄膜的耐击穿电压值降低；其次，聚酰亚胺薄膜在热老化过程中形成小分子基团与自由基，在相同电场下更容易产生热激发载流子，使得自由载流子数密度增大，导致电导率增大[8]，使得热老化后聚酰亚胺薄膜的绝缘击穿电压降低；最后，由于线圈产生热胀冷缩，铝线和聚酰亚胺薄膜在20 ℃时的热膨胀系数分别为23.2×10-6，40.0×10-6K-1，聚酰亚胺薄膜的热膨胀系数大于铝线，因此在冷热变化过程中聚酰亚胺薄膜和铝线之间存在相互作用力，进一步加速了聚酰亚胺薄膜热老化，导致聚酰亚胺薄膜的耐击穿电压值下降。

3 结论

a) 聚酰亚胺薄膜在180 ℃(H级)下的使用寿命为22 472 h。

b) 热老化后聚酰亚胺薄膜热结构遭到破坏，缺陷增多，其拉伸强度、耐热性和反应活化能均下降。

c) 热老化后聚酰亚胺薄膜包绕的电磁线的绝缘性能降低。