温度对换流变压器胶囊涂覆织物的老化影响研究

王新兵 王明胜 冯宇 郝娜 王怡

摘 要： 为改善换流变压器胶囊在不同应用环境中的安全性，制备换流变压器胶囊用涂覆织物材料，每种材料添加不同纤维布，获得EW200、SW110、T300-3K 3种涂覆织物试件，测试温度对每种涂覆织物材料的老化影响。结果表明：添加无碱玻璃纤维平纹布的EW200试件与添加无碱玻璃纤维平纹布的SW110试件在烧蚀测试过程中的抗烧蚀能力与阻燃能力均要弱于添加碳纤维布的T300-3K试件;而T300-3K试件在湿热、高低温交变老化试验时的断裂强力与断裂伸长率均保持最佳效果。当进行升温老化测试时，T300-3K试件的储能模量、损耗因子与力学性能均要强于其他2种试件，在较高的测试温度下，T300-3K试件还能够维持较低的热失重现象，温度对其老化性能影响较小。

关键词： 温度循环老化；变压器胶囊；涂覆织物；老化性能；断裂强力；纤维布

中图分类号： TQ336

文献标志码： A  文章编号： 1001-5922（2023）08-0066-05

Effect of temperature on coated fabric aging for

converter transformer capsules

WANG Xinbing1，WANG Mingsheng1，FENG Yu2，HAO Na1，WANG Yi3

（1.Shandong Electrical Engineering & Equipment Group Co.，Ltd.，Jinan 250000，China；

2.Nantong Shire Electric Technology Co.，Ltd.，Nantong 226500，Jiangsu China;

3.Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu China）

Abstract： In order to improve the safety of converter transformer capsule in different application environments，the coated fabric material for the capsule of converter transformer was prepared，each material was added with different fiber cloth，and three coated fabric samples of EW200，SW110 and T300-3K were obtained，and the aging effect of temperature on each coated fabric material was tested.The experimental analysis showed that the ablation resistance and flame retardance of the EW200 test piece added with alkali-free glass fiber plain cloth and the SW110 test piece added with alkali-free glass fiber plain cloth were weaker than those of the T300-3K test piece added with carbon fiber cloth during the ablation test，while the breaking strength and elongation at break of the T300-3K test piece maintained the best effect during the humid heat，high and low temperature alternating aging test;The storage modulus，loss factor and mechanical properties of T300-3K specimen were stronger than those of the other two specimens.At a higher test temperature，T300-3K specimen can also maintained a lower thermal weight loss phenomenon，and the temperature had a small impact on its aging properties.

Key words： temperature cycling aging; transformer capsule; coated fabric; aging performance; breaking strength; fiber cloth

換流变压器是一种电力系统直流输电工程的关键设备，该设备通常用于大型充油工作，在换流变压器中的油枕胶囊负责存储绝缘油，由于长时间的应用以及外部环境的影响[1]，换流变压器胶囊常常会出现破损问题，导致换流变压器出现故障[2]，为设备带来严重影响，因此，采用有效的材料制作换流变压器胶囊，可以增强该设备的安全性[3]。

涂覆织物是以织物作为骨架材料，以橡胶、塑料或者热塑性弹性体作为涂覆层的一类材料，但由于涂覆织物中原材料多种多样[4-5]，导致制备得到的涂覆织物也存在较大差别，如何选用一种合理、安全的涂覆织物，是目前较多电力企业关注的问题[6-7]。

有学者对涂覆织物材料进行研究，例如：研究相变微胶囊涂层织物在热防护服中的应用[8-9]，该方法将涂覆织物材料应用在防护服中，并测试了该材料的应用效果；研究持久疏水涂层织物的制备及其油水分离性能研究[10-13]，该方法不仅制备了防水涂覆织物材料，还对其隔离性能进行了测试。

为此，本研究基于温度对换流变压器胶囊用涂覆织物老化的影响，通过不同温度的试验测试，获取换流变压器胶囊用涂覆织物的变化。

1 换流变压器胶囊涂覆织物性能

1.1 换流变压器胶囊

换流变压器胶囊是一种装置在换流变压器储油柜内部的部件，其可以通过气压的膨胀实现油量补偿，所以，通过换流变压器胶囊可以保障绝缘油不受到外部环境污染[14-16]，保持与外界的隔离。同时，换流变压器胶囊的外部涂覆织物通常为橡胶涂层制造[17]，可以使换流变压器抵抗大气中的多种气体[18-19]。

1.2 换流变压器胶囊用涂覆织物材料

1.2.1 试验材料

本文制作换流变压器胶囊用涂覆织物橡胶材料，并添加不同种类的纤维织物作为胶囊骨架增强材料。试验所用主要材料：

高温硫化硅橡胶：自制；EW200无碱玻璃纤维平纹布，河南昶宇新材料科技有限公司；SW110高强玻璃纤维布，中材科技股份有限公司；T300-3K碳纤维布，日本东丽;酚醛纤维，中国科学院山西煤炭化学研究所;中空石英纤维，

湖北菲利华石英玻璃股份有限公司;

粘胶基碳纤维，中国科学院山西煤炭化学研究所；莫来石散棉，福斯曼科技（北京）有限公司；氢氧化钠、钛酸四正丁酯、丙酮、盐酸、氨水、亚甲基蓝、P25二氧化钛、 N，N -二甲基甲酰胺，国药集团化学试剂有限公司；聚偏氟乙烯，法国阿科玛。

1.2.2 材料制备

在制备换流变压器胶囊用涂覆织物时，向高温硫化硅橡胶中加入一定含量的酚醛纤维、中空石英纤维、粘胶基纤维以及莫来石散棉，并充分搅匀后静置，并向成型磨具内分别放置3种纤维布，并将搅匀后的硅橡胶基体分别倒入每种模具内，在130 ℃条件下进行10 min固化，完成固化后脱模，依次获取EW200涂覆织物、SW110涂覆织物和T300-3K涂覆织物3种试验材料，每种材料的厚度均为（1.60±0.30）mm。

1.3 试验方法

1.3.1 氧乙炔烧蚀测试

在氧乙炔焰烧蚀装置上测试不同涂覆织物在高温烧蚀下的烧蚀性能，在进行测试时，设定装置峰值热流密度为300 kW/m2，设置燃烧时间为112 s，并对每种涂覆织物进行3层组合，使每种织物均为3层组合件形态。

1.3.2 阻燃测试

根据国家标准GB/T 5454—1997与GB/T 5455—2014指标，测试不同试件的阻燃性能。在试件外侧设置燃烧点，分析试件的阻燃效果。

1.3.3 温度循环老化测试

对不同试件进行湿热老化试验与高低温交变老化试验。其中，湿热试验环境为温度40 ℃、相对湿度85%，在该环境下放置试件1 080 h；高低温交变测试环境温度为-30～65 ℃，在测试时依次在[JP2]-30 ℃与65 ℃环境下进行15 min保温，并设置老化速率为5 ℃/min，测试温度交变循环次数为300次。

当分别完成2种老化试验后，测试不同试件的拉伸性能与撕裂性能。其中，拉伸测试时的拉伸速率为100 mm/min，标距为100 mm；撕裂性能测试时，拉伸速率为100 mm/min，隔距25 mm。每种试件选取5个试样，依次测得试样平均值，获取试件的断裂强力与断裂伸长率。

1.3.4 储能模量与损耗因子测试

对3种试件进行持续的高温老化测试，将试件放置在高温拉力机中，老化温度为190 ℃×30 min，老化完成后，将设备调整为60 ℃恒温，测试试件在每个温度下的储能模量与损耗因子。

1.3.5 力学性能测试

按照高温老化温度190 ℃×30 min进行试件老化，在完成老化后，对试件进行拉伸测试，設置拉伸速率为100 mm/min，测试试件的拉伸强度与100%定伸应力。

1.3.6 热失重测试

将升温速率设置为10 ℃/min，分析不同试件在高温拉力机中的热失重情况，其中老化温度依然为190 ℃×30 min。

2 实验分析

2.1 氧乙炔烧蚀测试

测试每种涂覆织物试件在测试过程中的烧蚀性能，以此评估试件在高温下的状态，测试结果如表1所示。

由表1可知，当试件完成高温烧蚀后，SW110试件的完好层数为0，说明该试件经烧蚀后无法保证材料完好，而其他2种试件在烧蚀完成后均能够保持1层完好；在烧蚀过程中，3种试件的初始背温十分接近，随着烧蚀过程的进行，EW200试件与SW110试件的停车背温、停车温升、最高背温以及最高温升都处于较大水平，T300-3K试件的这些温度指标均低于其他两种试件，由此可以看出，T300-3K试件的抗烧蚀能力更强，随着烧蚀过程可以保持较低的温度。

2.2 不同试件的阻燃性能测试

测试每种试件在外围存在燃烧物时的阻燃性能，测试结果如表2所示。

由表2可知，对每种试件进行阻燃测试后，可以得出不同试件的阻燃效果，其中，EW200与SW110试件的氧指数均保持在30%以下，而T300-3K试件的氧指数明显大于30%，同时，EW200与SW110试件的续燃时间、阴燃时间同样明显高于T300-3K，由此可见，T300-3K具备较高的阻燃能力，可明显抵抗外部环境中的燃烧物。

2.3 湿热、高低温交变老化测试

测试不同试件在湿热条件测试下的材料拉伸性能，测试结果如表3所示。

由表3可知，相比于室温条件下，不同试件的经向与纬向在湿热循环测试下其断裂强力呈现下降趋势，而每种试件的断裂伸长率均存在上升趋势，说明在湿热环境下，会明显影响试件的拉伸性能，但是，T300-3K试件在室温状态下断裂强力与断裂伸长率始终变化最小，说明该试件受湿热环境影响不大，因此还试件具有较好的环境适应能力。

测试不同试件在高低温交变试验下的拉伸性能变化，测试结果如表4所示。

由表4可知，相比于室温条件下，在高低温交变测试下，每种试件的拉伸性能出现一定的下降。其中，EW200试件与SW110试件的断裂强力与断裂伸长率下降幅度均要大于湿热环境的下降幅度，说明在高低温环境下，会对这2种试件造成更大的影响。而T300-3K试件的断裂伸长率在高低温交变环境并未发生变化，说明该试件在高低温变化幅度较大的环境下可以维持较高的拉伸性能。

2.4 储能模量与损耗因子测试

当温度逐渐升高，会导致涂覆织物试件抵抗外力变形减弱，引起储能模量发生变化。为此，本文测试不同试件在不同温度下的储能模量情况，测试结果如图1所示。

由图1可知，当温度逐渐升高，会导致每种试件的储能模量出现下降，其中，EW200试件与SW110试件的储能模量下降幅度相对较大，说明温度会导致试件的交联性下降，而T300-3K试件的储能模量下降幅度相对较小，且该试件在60 ℃时储能模量达到1 600 kPa以上，说明该试件始终维持最高的储能模量，且温度对其造成的影响并不大。

测试温度逐渐升高时每种试件的损耗因子变化，测试结果如图2所示。

由图2可知，随着温度的增高，每种试件的损耗因子开始出现上升，其中，SW110试件的损耗因子由0.3左右上升至0.8以上，上升幅度较大，说明该试件受温度影响出现较大损耗，其分子链存在大幅度损失，而EW200试件的损耗因子在初始阶段虽然上升幅度较小，但当试验温度达到110 ℃时，该试件的损耗因子突然变大，说明高温情况时对该试件影响较大，而T300-3K试件的损耗因子上升幅度较小，且最高损耗因子不超过0.3，说明高温对其损耗较弱，使其不会受到较大损坏。

2.5 力学性能测试

测试每种试件在不同测试温度下的拉伸强度变化，测试结果如表5所示。

由表5可知，当测试温度不断上升，每种试件的拉伸强度开始有所下降，而在最初阶段，T300-3K试件的拉伸强度处于最高水平，当温度增高到140 ℃时，该试件的拉伸强度达到16.8 MPa，明显高于其他两种试件，而其他2个试件随着温度上升拉伸强度大幅度下降，导致试件力学性能明显减弱，因此，T30-3K试件具有较好的力学性能。

[JP2]测试每种试件在不同温度下的100%定伸应力，以获取试件的具体力学效果，测试结果如图3所示。

由图3可知，在温度逐渐升高的情况下，试件的100%定伸应力开始出现下降。其中，SW110试件的下降幅度最大，该试件的100%定伸应力从2.5 MPa以上下降至1.2 MPa以下，受温度影响该试件的应用效果出现下降；EW200试件的100%定伸应力虽然下降幅度略小于SW110试件，但依然存在明显下降；T300-3K试件的100%定伸应力虽然出现小幅度下降，但并未影响其实际应用效果。因此，T300-3K试件的力学性能最佳。

2.6 热失重测试

测试每种试件在不同温度下的剩余质量，测试结果如图4所示。

由图4可知，温度的增高会影响试件的剩余质量，导致试件出现热失重现象，在3种试件测试过程中，EW200试件在110 ℃时的剩余质量达到25%左右，在3种试件中保持最小，说明该试件的热失重问题较为严重，而T300-3K试件的剩余质量始终保持最高，且温度几乎并未对其造成较大影响，其剩余质量变化幅度并未超过2%，说明该试件在温度变化下可以保持良好的应用性。

分析3种试件在升温老化测试过程中的开始分解温度与最大失重速率温度情况，测试结果如表6所示。

由表6可知，SW110试件在温度60 ℃以上时，试件就开始出现分解现象以及失重问题，而其他2种试件在该温度下依然保持良好状态。当温度上升至70 ℃以上时，EW200试件开始发生热分解；T300-3K试件在温度达到98 ℃以上时才会发生分解，且其最大失重速率温度也保持最高。因此，T300-3K试件不会在温度较小时出现热失重，可以保持良好的环境适应能力。

3 结语

研究温度对换流变压器胶囊用涂覆织物老化的影响，对比不同材料制备成的换流变压器胶囊用涂覆织物测试每种材料在不同温度下的老化状态，选取最佳涂覆织物材料。结果表明：添加无碱玻璃纤维平纹布的EW200试件与添加无碱玻璃纤维平纹布的SW110试件在烧蚀测试过程中的抗烧蚀能力与阻燃能力均要弱于添加碳纤维布的T300-3K试件；而T300-3K试件在湿热、高低温交变老化试验时的断裂强力与断裂伸长率均保持最佳效果，当进行升温老化测试时，T300-3K试件的储能模量、损耗因子与力学性能均要强于其：2种试件，在较高的测试温度下，T300-3K试件还能够维持较低的热失重现象，温度对其老化性能影响较小。

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