固體絕緣材料介電常數(shù)與介電強度在各行業(yè)的應(yīng)用

1、固體絕緣材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前在油浸式變壓器中普遍使用絕緣紙以及絕緣紙板作為基本絕緣，絕緣紙的主要成分是纖維素。絕緣紙分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及糖苷鍵，熱穩(wěn)定性比油中的碳?xì)滏I弱，并能在較低的溫度下重新化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃聚合物熱解(全裂解和碳化)溫度高于300℃，生成水的同時，生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和糠醛化合物。

目前在油浸式電力變壓器中常用的固體絕緣有電話紙、皺紋紙和絕緣紙板。為了提高絕緣紙的耐熱性，國外在絕緣紙改性方面做了大量研究工作，出現(xiàn)了多種改性的耐熱絕緣紙。如將紙漿在有堿性觸媒的條件下使纖維素與氰乙烯起化學(xué)反應(yīng)(以及對紙進(jìn)行醋酸處理，即在紙漿中加入35%左右醋酸)，可得到耐熱性大為提高的絕緣紙。在普通的纖維分子中，最容易老化的是第一羥基，而在氰化紙中，第一羥基被氰乙烯置換了。研究表明，經(jīng)氰化處理的絕緣紙，使用溫度可提高20℃，如果使用溫度不變，則可延長使用壽命，并且采用這種紙可減輕變壓器的重量。還有在紙漿中添加一系列安定劑的方法來提高絕緣紙的熱穩(wěn)定性，如用一種或多種含氮化合物改性天然纖維提高纖維中的含氮量，使天然纖維穿上一層含氮的“隔熱服"，從而防止纖維素氧化降解。

日本還研制了各種改良的絕緣紙板。考慮到絕緣紙和絕緣紙板的介電常數(shù)εz為4～5左右，比變壓器油的介電常數(shù)εy=2.2高出一倍以上。在電場作用下，復(fù)合絕緣中分擔(dān)的場強與介電常數(shù)成反比，故油中場強比紙板中場強高得多，而油的電氣強度低于紙板，因此，易在油中發(fā)生局部放電，劣化油的品質(zhì)。為了使變壓器油、紙絕緣的電氣強度得到充分利用，降低紙板中的介電常數(shù)，可在木質(zhì)纖維中摻合適當(dāng)組分的合成樹脂纖維制成紙板。目前采用的合成樹脂為聚甲烯戊烷(介電常數(shù)為2.12)纖維與木質(zhì)纖維摻合成原料制成白紙板，稱為PMP紙板。PMP紙板中摻合樹脂纖維一般在15%左右，新紙板的介電常數(shù)應(yīng)低于3.5，而其他電氣、機械性能均無影響。

2、聚合物固體絕緣材料應(yīng)用

2.1聚合物固體絕緣材料簡述

聚合物是指具有非常大的分子量的化合物，分子間由結(jié)構(gòu)單位或單體經(jīng)由共價鍵連接在一起。高聚物的分子比低分子有機化合物的分子大得多。一般有機化合物的相對分子質(zhì)量不超過1000，而高聚物的相對分子質(zhì)量可高達(dá)10⁴～10⁶。由于高聚物的相對分子質(zhì)量很大，所以在物理、化學(xué)和力學(xué)性能上與低分子化合物有很大差異。常用的6種聚合物是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯和聚碳酸酯。這6種材料占了聚合物與塑膠材料98%的比例。聚合物材料還沒有在油浸式變壓器中廣泛應(yīng)用，研究分析表明，以下幾種聚合物有良好的應(yīng)用前景:

聚四氟乙烯:由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，電絕緣性良好，抗老化，能在－180℃～250℃的溫度下長期工作，在較寬頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介電損耗都很低，而且擊穿電壓、體積電阻率和耐電弧性都較高。不溶于強酸、強堿和有機溶劑，能耐強氧化劑的腐蝕。

聚酯薄膜:長期使用溫度可達(dá)120℃，吸水率很低，電絕緣性能優(yōu)良，介電常數(shù)在3.3左右，介電損耗很低，電性能在較寬的頻率范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，有較高的絕緣電阻和擊穿電壓，擊穿電壓在130℃時為100MV/m，其介電常數(shù)為3.0～4.0，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.005%，工作溫度為－60℃～120℃。

聚碳酸酯可在－100℃～140℃范圍內(nèi)使用，吸水率低，在較大的溫度范圍內(nèi)電性能良好，介電常數(shù)約為3.1，有較高的強度和剛性，抗沖擊和耐蠕變性能優(yōu)異。

2.2聚合物固體絕緣材料電氣特性試驗

變壓器用絕緣材料必須在絕緣電阻、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗及擊穿強度等方面滿足一定的特性，即有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，并且材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗隨著溫度的變化較為穩(wěn)定。本文就介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和工頻擊穿強度研究聚合物材料的性能。實驗材料為直徑15mm，厚度0.5mm的聚酯薄膜、聚碳酸酯和聚四氟乙烯圓形薄片。分別測試材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因素結(jié)果見圖1～6所示。

2.2.1介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)測試

(1)聚四氟乙烯

（2)聚酯薄膜

2.2.2擊穿強度測試

擊穿強度表征的是絕緣材料的固有特性，但是由于在直流、工頻和脈沖電壓下電介質(zhì)擊穿的機理各不相同，其相應(yīng)的擊穿強度就存在很多的差異。一般認(rèn)為工頻電壓對絕緣材料的考驗要比直流和脈沖嚴(yán)格，因此在本論文中只研究絕緣材料的工頻擊穿強度。

在聚合物電老化的過程中，聚合物材料將會發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，引入更多的缺陷，導(dǎo)致擊穿強度下降。

考慮到試樣本身性能的分散性和擊穿實驗中各種偶然因素的影響，每一種試樣取了5個，取5個試樣擊穿強度的算術(shù)平均值作為材料的擊穿強度值。

實驗時升壓方式選擇的是逐級升壓法，對于所選的4種聚合物材料，嚴(yán)格按照《GBT_1408.1-2006_絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分_工頻下試驗》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。測試結(jié)果如表1所示，測試溫度為常溫。

3、結(jié)論

(1)在常溫下，聚四氟乙烯、聚酯薄膜和聚碳酸酯的基本電氣參數(shù)都比絕緣紙好，聚酯薄膜在90°左右介電常數(shù)和介質(zhì)損耗明顯增大，聚四氟乙烯和聚碳酸酯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗基本不受溫度影響。

(2)研究發(fā)現(xiàn)，在變壓器油中熱老化后，聚四氟乙烯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均增大;聚酯薄膜和聚碳酸酯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均減小。聚四氟乙烯、聚酯薄膜、的擊穿強度均降低;聚碳酸酯的擊穿強度提高。