面向干式电抗器的环氧树脂热解机理与检测技术研究

国网天津市电力公司电力科学研究院、天津市电力物联网企业重点实验室 董艳唯 李 琳 李苏雅 赵 琦 何 金

国网天津市电力公司 方 琼

1 研究背景

国家电网有限公司关于干式电抗器的故障分析报告和现场工作总结表明：匝间绝缘缺陷是诱发干式电抗器故障的主要原因，其占比为故障总量的90%以上。从绝缘结构上看，干式电抗器不存在主绝缘问题，导线多层缠绕在同一轴向高度，其电势基本相同，对层间绝缘的要求也不高。目前，电网中大部分干式电抗器运行在35kV电压等级以下，正常运行时并联电抗器承受相电压，匝电势在几十伏以下，造成匝间绝缘事故的可能性较小。但对于无功补偿用电抗器，其运行过程中会频繁投切，此时将造成较大的操作过电压和合闸涌流，这就会对其匝间绝缘造成损伤。微纳智能传感技术可通过检测干式电抗器内环氧树脂固体绝缘材料的过热分解组分，反馈电抗器过热故障严重程度。该方法作为一种非电检测手段，能有效避免传统红外热成像技术对温度检测区域不全面、超声和特高频等电磁参量检测法易受干扰等问题。

有关环氧树脂固体绝缘材料的分解机理，部分学者采用分子动力学软件对该过程进行模拟，并对分解产物进行了一定程度的分析。Diao Z等人[1]采用ReaxFF力场研究电路板中环氧树脂的热分解过程，发现最早生成的气体产物为HCHO，其他主要的小分子产物有H2O、CO和H2等；Zhang Y等人[2]模拟了微波加热条件下环氧树脂的分解机理，并探究了H2O和H2产生速率的影响因素。张晓星课题组[3]采用分子动力学仿真手段对酸酐固化的环氧树脂热分解机理进行研究，发现其分解产生小分子产物的最终含量依次为CO2、HCHO、H2O、CO，而且存在乙烯自由基、乙醛自由基、丙烯自由基、丙酮自由基、丙烯醛自由基等C2和C3产物。

这些研究表明，环氧树脂在实际过热分解时还可能存在乙烯、乙醛、丙烯、丙醛等小分子气体产物。该课题组还研究了氧气对酸酐固化环氧树脂热分解的影响，发现氧气会通过在与氧相连的叔碳上引入碳氧双键来影响环氧树脂主链的断裂，所有小分子气体产物的初始生成时间均会提前，CO2生成量增加，H2O生成量增幅更大，HCHO的生成量基本不变，同时C2和C3产物的种类和数量均明显增加。

此外，张晓星课题组还研究了SF6氛围下环氧树脂的热分解过程，发现在325℃下环氧树脂和SF6开始剧烈反应，气体产物中检测到CO2、SO2、H2S、SOF2等。高乃奎等人对全环氧树脂浇注母线的热老化过程进行了研究，老化温度分别选取145℃、160℃和175℃，发现老化过程中均存在质量损失，最大的质量损失为1.19%，推断为环氧树脂分解产生的小分子气体产物逸出所致。

上述研究表明，有关环氧树脂固体绝缘材料过热分解机理和分解特性的研究仍停留在起步阶段，研究方法也主要停留在理论仿真层面，有待系统性研究以揭示该类绝缘材料在应用过程中的热分解过程。

2 环氧树脂热老化机理分析

本文采用ReaxFF力场，构建酸酐固化的环氧树脂绝缘材料结构模型，通过不同角度模拟绝缘材料在各温度下的分解过程，得出相应的气体产物组分与含量，结合绝缘材料模型断键活化能综合分析绝缘材料的分解过程及产物的生成路径，构建绝缘材料的热分解模型；通过构建绝缘材料/O2和绝缘材料/H2O的复合模型，进一步探究氧气和水蒸气对绝缘材料热解过程的影响机理，为电气设备中固体绝缘老化机理和进程的研究提供理论依据。

本文首先建立了三维周期性模型，初始密度均设定为0.5g/cm3，经过退火、几何优化等步骤处理，得到最终模型1的密度为1.13g/cm3，模型2的密度为1.13g/cm3，模型3的密度为1.14g/cm3，见表1。分别对模型1、2和3进行高温分解模拟，选用ReaxFF力场，NVT系综，仿真温度选取真实局部放电时的最高温度1300K，反应时间设定为1000ps，步长为0.1fs。

表1 模型构建的详细参数

对3个模型进行几何结构优化。模型1用于模拟纯环氧树脂在高温下的断键过程，与前人的研究成果进行对比，以验证本试验方案的准确性；模型2用于模拟酸酐固化环氧树脂的断键过程，模型3用于观察酸酐固化环氧树脂在加热过程中的分解产物，结合模型2和3分析酸酐固化环氧树脂的分解机理以及相应产物的生成过程。

2.1 纯环氧树脂的热解结果分析

纯环氧树脂中最容易断开的是碳氧键，根据休克尔规则，具有芳香性的结构有更好的热稳定性，其断裂所需活化能更高，如图1（a）所示，断裂以后形成了基团A等不稳定中间产物，最终基团A会分解生成乙烯自由基和甲醛分子。

图1 纯环氧树脂分解过程

2.2 酸酐固化环氧树脂分析

从图2（b）中可以看出，酸酐固化的环氧树脂分解是从碳氧键的断裂开始的。如图2（c）中所示，最早的分解产物是CO2。随后乙烯自由基以及CH2O生成，如图2（d）所示。如图2（e）所示，随着分解反应的继续，体系中出现了游离态的羟基，其和氢的结合是产物H2O的主要生成方式之一。从图2（f）中可以看出，在模拟反应的最后，体系中出现了丙烯自由基以及双酚结构的基团。由于模拟温度与模拟时间的限制，环氧树脂分子没有彻底分解，因此没有观测到酸酐开环产生的烃类物质。

2.3 特征气体检测技术

基于上述研究，本文以甲醛检测技术作为环氧树脂热老化程度的感知方法并研发气体检测装置。其检测原理是通过四路不同类型的气体传感器收集检测环境中混合气体的数据，然后对数据进行模数转换后发送到芯片，转换后的数据会输入到训练好的模型中，模型会返回环境中甲醛数值，根据甲醛含量进行故障定位和报警。

本检测装置针对气体捕获过程中的交叉敏感问题，提出了如下解决方法：首先研究环氧树脂热解过程中可能产生的特征气体，明确干扰气体种类；其次，由于每种传感器对不同气体的响应特性不同，通过选取合适的传感器，在传感阵列的响应中剔除具有冗余和相互补充的气体信息；最后，使用信息更加丰富的传感器阵列相应数据训练模型，有效抑制交叉干扰的问题。本检测装置的电路设计遵循以下原则（软硬件科学规划、流程式配置）。

软硬件科学规划：本装置中的软件和硬件均具有各自独特的作用，针对一个具体的电路系统，硬件部分比例提升，能够显著减弱软件部分的设计压力，但硬件部分的工作量也将得到大幅增加，这将带来初始阶段资金的大量投入；与此类似，提升软件部分的占有量，能够弱化硬件部分的设计压力，降低初始阶段资金投入，但会扩大软件部分的设计压力，因此对硬件部分的规划，需要理性设置软件和硬件的占有量，挖掘两部分的优点，起到相辅相成的作用。

流程式配置：硬件部分需要满足检测装置最基础的功能，并力求实现高稳定、低成本和强运算效率，在硬件内部彰显流程式配置原则，这不仅体现在内部各体系能够独立存在，而且各体系之间应具有标准化接口，实现硬件内部体系之间的交叉互联。

集成化电路构建：硬件部分需提高集成效果，降低独立体系的配置比例，同时大幅提高成熟技术的融入程度，最终实现整个装置的稳定和可靠运行。

检测装置的硬件电路包括四路传感器模块、AD转换模块、K210主控模块、智能液晶屏、电源模块和蜂鸣器，其中主控芯片为嘉楠K210芯片，AD转换芯片为ANALOG公司生产的8位双极性输入的PCF8951。装置用到了不同型号的气体传感器，通过捕获甲醛和二氧化碳两种特征气体来收集环境中的气体数据。通过AD转换芯片将收集到的气体数据，由模拟信号变成数字信号，再传递到K210芯片。通过K210芯片的处理和分析，一方面判断其中的甲醛含量是否超标，若数据超过规定值，则控制装置发出蜂鸣报警音；另一方面通过传送处理后的数据，使液晶屏动态显示并发布特征气体的实时浓度值。

以待测干式电抗器为中心，1m为半径，平均选取8个点放置该气体检测装置各3min，检测结果如图3所示。可以发现，8个点位均检测到甲醛气体，其中点位1处检测的甲醛含量最高，达到15ppm，点位2和3的检测结果次之，点位8的检测结果最低，甲醛含量为2ppm，说明干式电抗器面向点位1侧出现较为严重的绝缘热老化。

图3 干式电抗器的特征气体检测位点（左）和甲醛含量检测结果（右）

针对干式电抗器过热故障，可采取以下针对性措施：优选高耐热等级的绝缘材料制作电抗器，避免其过早出现热老化现象；结合红外、紫外、可视化超声和本文提出的特征气体检测新技术，加强运行维护工作，特别对运行时间超过5年的电抗器，应定期观察表面是否存在龟裂和爬电痕迹，及时评估发热情况，确定发热部位；在运维过程中重点关注电抗器包封之间的清理，减少异物附着，阻断由异物导致的放电过程。电抗器内层风道应及时清理，可采用空气压产生高压风，使其从绕组上部经各风道吹至下部，需提高污染程度大的风道处理效果。若高压风难以消除内部异物，建议使用长棉布并蘸酒精清理。

本文通过采用ReaxFF力场对多个环氧树脂模型进行仿真模拟，分析得到了酸酐固化环氧树脂的分解过程以及主要气体产物的生成路径，其中酸酐固化的环氧树脂的分解反应从酸酐与环氧树脂相连的酯键断裂开始；CO2是最早产生同时也是含量最多的小分子气体产物，其他特征产物生成的顺序依次为CH2O、CO、H2O。基于8个点位的甲醛含量检测结果，可实现干式电抗器绝缘热老化严重位置和程度的有效评估。