硬质聚氨酯泡沫的工频介电强度研究

朱勇 ZHU Yong；周曙琛 ZHOU Shu-chen；郁杰 YU Jie

（①泰州学院，泰州 225300；②江苏神马电力股份有限公司，南通 226000）

0 引言

随着电力需求的日益增长，输电电压等级逐渐提高，越来越多的交、直流高/超/特高压工程投入运行。空心支柱绝缘子以及电力设备套管作为输变电工程中的基础部件，不仅应用量大而且其运行的稳定性、经济性将直接关系到整个电网的安全经济运行。内绝缘材料作为套管和空心绝缘子设计过程中的关键，其绝缘强度、密度以及长期运行的可靠性和稳定性受到广泛关注[1-2]。

20 世纪初期，由于电气设备电压等级低，对内绝缘材料强度要求不高，空心绝缘系统中使用惰性气体或压缩空气。随着输电电压等级的提高，对电气设备内绝缘强度的要求随之大为提高，以SF6气体为主的气体绝缘占据主要方式。与空气相比，SF6气体具有绝缘强度高、灭弧性能优异、液化温度低、热稳定性好等优点，与此同时，SF6气体也具有价格昂贵、温室效应指数极高等缺点。SF6气体温室效应指数是CO2的23900 倍，且在大气中极难分解，已被列为6 种受限制使用气体之一。此外，无论是压缩空气、惰性气体以及SF6等气体绝缘系统中，普遍面临如何密封的技术难题，一旦密封失效内绝缘材料极易受到外界环境的影响，将成为电力设备及电网安全稳定运行的极大风险[3-4]。

随着化学合成技术以及近代材料科学研究的飞速发展，聚合物介质已成为各种绝缘介质的主体，硬质聚氨酯泡沫以其优异的绝缘性能受到电力行业的广泛关注，将逐步成为取代SF6、N2等气体绝缘材料的新型内绝缘材料之一。与气体绝缘介质相比，使用聚氨酯泡沫绝缘材料作为空心绝缘系统中的绝缘介质，其封装工艺简单，避免了气体泄漏所带来的潜在风险。从国内外聚氨酯泡沫填充式低压绝缘系统的运行经验来看，泡沫类绝缘材料具有优良的耐候性，较好的耐老化特性。此外，与气体绝缘介质一样，聚氨酯泡沫绝缘材料也具有质轻的特点，更加推进了聚氨酯泡沫绝缘材料在高压设备中的应用[5-8]。但作为一种应用于高压系统的新型绝缘材料，有必要对聚氨酯泡沫的介电性能进行深入系统的研究。

在水稻生长后期还重点观察了10个品种的抗倒性和抗病性。在抗倒性方面，10个品种两季均未出现明显倒伏情况。在抗病性方面，10个品种中黄广油占高抗和黄科香2号达中抗水平，其他品种为中感或者高感；所有品种再生季田间均未发生稻瘟病。由于抽穗期采取两次药剂防治，因此纹枯病和稻曲病均发生较轻。

应用SPSS 21.0统计学软件进行数据处理与统计分析。服从正态分布的计量资料统计描述采用均数±标准差（±s）表示，统计分析采用两独立样本t检验。计数资料统计描述以百分率表示，统计分析采用χ2检验。危险因素多因素分析采用Cox比例风险回归模型。以P＜0.05为差异有统计学意义。

1 硬质聚氨酯泡沫的基本特性

1.1 成型工艺

从艺术上看，《牡丹亭》较之《西厢记》也更有独到的地方。拿各自最精彩的《酬简》和《惊梦》来说，《酬简》是从一个青年男子张生的角度，半欣赏半得意，叙述两人结合的整个过程；《惊梦》却凭借着梦，给这个爱情场面蒙上一层亲切、自然、朦胧的面纱，“这是景上缘，想内成，因中见”。它着重在心理行为上的表达，所以，具有更高的艺术美和人性美，意境也更深邃，情操上也显得更高洁。

硬质聚氨酯泡沫简称聚氨酯硬泡，具有重量轻、比强度大、耐化学腐蚀、耐候性好等特点，是一类重要的合成树脂材料，在聚氨酯制品中的应用仅次于聚氨酯软泡。硬质聚氨酯泡沫可以根据使用要求的不同，通过改变配方，调整原料规格，分别制成不同密度、硬度、阻燃性的硬泡制品。硬质聚氨酯泡沫的密度可以在很大范围内调整，密度可低至10kg/m3，高至到几乎实心体的1100kg/m3。此外，硬质聚氨酯泡沫具有良好的压缩不变形特点[8-9]。

浇注发泡是硬质聚氨酯泡沫最为常用的成型方法，也就是将各种原料混合均匀后，注入模具或制件空腔内发泡成型。浇注成型工艺不仅要求将发泡温度、发泡压力进行合理控制，而且要与所选用的模具材料特点相互配合。本文中所使用的硬质聚氨酯泡沫测试试样均采用浇注发泡成型工艺，考虑到空心复合绝缘子使用玻璃纤维增强环氧树脂材料作为力学承受主体材料，因而，选用玻璃钢管材料作为浇注发泡成型工艺模具进行工艺参数调试及成型后硬质聚氨酯泡沫材料性能验证[8-14]。

测试结果表明：该种硬质聚氨酯泡沫介电常数介于环氧树脂、玻璃纤维等固体绝缘材料和空气、SF6等气体绝缘材料之间，电阻率较高，具有优异的介电性能；玻璃化转变温度高、低温收缩率小，具有显著的热力学稳定性。

广东省农垦集团宣传处处长王元介绍，广东垦区与地方政府在推进农垦土地开发利用方面加强合作，部分农场被征用的国有土地除获得货币补偿外，还能够获得一定比例的留用地。

1.2 主要性能参数

为研究不同温度条件下硬质聚氨酯泡沫的短时工频击穿特性，准备4 组厚度基本相同的100mm×100mm 硬质聚氨酯泡沫方形试样，并测试每组试样的短时工频击穿强度。4 组试样的厚度均控制在3.7mm～4.2mm 之间，试验温度分别为-40℃、0℃、室温、60℃，测试前试样在相应的温度环境中放置24h。

表1 硬质聚氨酯泡沫主要性能参数

硬质聚氨酯泡沫是由聚醚（或聚酯）多元醇及多异氰酸酯在发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂等助剂的存在下反应制得的。硬质聚氨酯泡沫一般为室温发泡，其成型工艺比较简单。按生产的机械化程度可分为手工发泡和机械发泡，按发泡时的压力可分为高压发泡和低压发泡，按成型方式可分为浇注发泡和喷涂发泡，按是否连续化生产可分为连续法和间歇法[8-10]。

2 硬质聚氨酯泡沫短时工频击穿特性

2.1 测试方法

本文参照GB/T1408.1-2016[15]，构建了试样工频耐压的测试系统，如图1 所示。试验使用等直径电极测试系统，电极实物如图2 所示，电极装置示意图如图3 所示。等直径电极由两个金属圆柱体组成，其边缘倒圆成半径为3.0mm 的圆弧，两电极直径为25mm，误差小于0.2mm；将硬质聚氨酯泡沫置于绝缘油中测试，试样采用不同厚度的100mm×100mm 方形试样；升压方式采用短时（快速）升压法，即连续均匀升压直至试验试样击穿，升压速率为1kV/s。

图1 试样工频击穿试验装置

图2 电极实物图

图3 电极装置示意图

2.2 厚度特性

硬质聚氨酯泡沫短时工频击穿强度随厚度变化曲线如图4 所示，从图中可以看出，当试样厚度在3.00mm～9.00mm 变化时，击穿强度下降较为平缓。当试样厚度约为3mm 时，平均击穿强度为4.91kV/mm，约为相同条件下空气击穿强度的2.3 倍（均匀电场中空气的短时工频击穿强度有效值约为2.12kV/mm）；当试样厚度为9mm 时，平均击穿强度为4.62kV/mm，约为相同条件下空气击穿强度的2.2 倍。

聚氨酯于20 世纪由德国化学家O.Bayer 发明以来，由于其配方灵活、产品形式多样、制品性能优良，在各行各业中的应用越来越广泛。随着聚氨酯化学研究、产品制造和应用工艺技术的进步以及应用领域的不断拓宽，逐渐成为世界6 大合成材料工业体系之一[8]。

为研究不同厚度硬质聚氨酯泡沫的短时工频击穿特性，准备3 组不同厚度的100mm×100mm 硬质聚氨酯泡沫方形试样，并测试每组试样的短时工频击穿强度。其中：第一组试样厚度约为3mm，厚度误差控制在3.00mm～3.35mm；第二组试样厚度约为6mm，厚度误差控制在6.00mm～6.25mm；第三组试样厚度约为9mm，厚度误差控制在9.00mm～9.15mm。

图4 厚度特性

2.3 温度特性

参照GB/T1408.1、GB/T8811 等相关测试标准[15-18]，针对所研制硬质聚氨酯泡沫的主要介电性能、热力学性能进行测试，测试结果如表1 所示。

硬质聚氨酯泡沫短时工频击穿强度随温度变化曲线如图5 所示。从图中可以看出，当试验温度条件分别为-40℃、0℃、室温、60℃，试样击穿强度平均值分别为4.50 kV/mm、4.85kV/mm、4.33kV/mm、4.46kV/mm，变化较小。

图5 温度特性

2.4 浸水特性

硬质聚氨酯泡沫填充于空心绝缘子并应用于输变电工程中时，考虑到外部环境中潮湿空气或水分侵入[5-7]，因而研究硬质聚氨酯泡沫在不同蒸馏水浸润时间条件后的短时工频击穿特性。

准备4 组厚度基本相同的100mm×100mm 硬质聚氨酯泡沫方形试样，并测试每组试样的短时工频击穿强度。4组试样的厚度均控制在4.7mm～5.2mm 之间，测试前试样分别在III 级蒸馏水中浸泡0h、1h、3h、5h。

硬质聚氨酯泡沫短时工频击穿强度随蒸馏水浸泡时间的变化曲线如图6 所示。从图中可以看出，当蒸馏水浸泡时间分别为0h、1h、3h、5h 时，试样击穿强度平均值分别为4.25kV/mm、4.22kV/mm、4.03kV/mm、4.12kV/mm，变化较小。

（2）分别以Y为因变量，A，B两组分别建立两个Logistic回归模型（modelA，modelB）。将所有患者的协变量信息分别带入这两个模型中，每个患者均获得两个治愈概率：PiA,PiB（i=1,2,3,…,2n），共2n对。令Zi=PiAPiB，求，计算的95%CI。若Zi值大于0，且大于-Z的95%CI上限或Zi值小于0，且小于-Z的95%CI下限，则发生错误。发生错误的次数除以2n即为一次模拟得到的错误率。

3 结论

本文参照GB/T1408.1 等测试标准，取硬质聚氨酯泡沫材料的试样，测试其主要介电、热力学性能，并采用等直径电极测试系统，分别测试该材料在不同厚度、不同温度、不同浸水时间条件下的击穿强度，分析研究该种硬质聚氨酯泡沫材料的短时工频击穿特性。研究表明：该种硬质聚氨酯泡沫短时工频击穿特性不仅强度高而且稳定性好，试样厚度为3mm 左右时，平均击穿强度为4.91kV/cm，是相同条件下空气击穿强度的2～3 倍；短时工频击穿强度基本不受温度、蒸馏水浸润影响，当温度变化范围为-40℃～60℃时，平均击穿强度变化范围仅为4.33kV/cm～4.84kV/cm；当蒸馏水浸润时间变化范围为0h～5h 时，平均击穿强度变化范围仅为4.03kV/cm～4.26kV/cm。