- 頭條武漢大學周文俊團隊：GIL用新型混合氣體與環氧樹脂相容性試驗2020-11-22 作者：袁瑞君, 李涵, 鄭哲宇, 周文俊, 葉三排 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語GIL正常運行條件下，環保絕緣氣體C3F7CN/CO2和SF6相比，與環氧樹脂的氣固相容性相當。但當GIL發生故障導致局部過熱（160℃以上）時，C3F7CN/CO2可能會發生裂解反應產生C3F6和C12F21N3（C3F7CN三聚體），相關化學機理及其對絕緣性能的影響仍有待研究。
團隊介紹
武漢大學電氣與自動化學院“過電壓與絕緣科研團隊”由周文俊教授、中國科學院陳維江院士、英國格拉斯哥大學周承科教授（IET Fellow）、澳大利亞莫納什大學蘇錡教授、喻劍輝教授和李涵等老師組成，現有在讀博士生和碩士生共20余人。課題組在研國家重點研發計劃2項，國家自然科學基金重點項目1項，國家電網公司科技項目若干項，主要涉及：SF6替代氣體研究、GIS和GIL絕緣缺陷故障診斷、GIL中氣固材料相容性研究、雷電防護研究、變電站局部放電遙測與定位、電纜局放檢測與資產管理。
團隊負責人：周文俊，武漢大學電氣與自動化學院二級教授，博士生導師，IEEE高級會員，享受國務院政府特殊津貼。中國電機工程學會高電壓專業委員會委員，中國電工技術學會電工測試專委會副主任委員，全國高電壓測試與絕緣配合標委會委員，湖北省高電壓專委會副主任委員，IEEE多個國際期刊審稿人，《高電壓技術》雜志顧問，武漢大學十大杰出青年，武漢大學師德標兵。
導語
本文提出了C3F7CN/CO2氣體與環氧樹脂相容性的評價方法，搭建了氣固相容性試驗平臺，在不同溫度下進行了C3F7CN/CO2與環氧樹脂的熱加速試驗。并設置惰性氣體He和SF6作為對照試驗組，比較了試驗前后環氧樹脂的沿面絕緣性能、表面形貌與氣體成分，結果表明環氧樹脂和絕緣氣體性能參數均未發生明顯變化。
僅當試驗溫度為160℃時，C3F7CN/CO2中檢測出少量的C3F6和C3F7CN產物，推測高溫條件下C3F7CN發生了化學反應，但并未對環氧樹脂的絕緣性能產生影響。試驗說明在GIL正常運行條件下C3F7CN/CO2與環氧樹脂具有較好相容性，并與目前使用的SF6的氣固相容性相當。
研究背景
氣體絕緣輸電線路（GIL）中氣體與固體絕緣材料的相容性表現為：兩種材料長期接觸后導致的絕緣性能變化以及氣體成分和固體材料的改變。作為目前有潛力替代SF6的環保絕緣氣體，C3F7CN/CO2混合氣體與GIL內使用的環氧樹脂材料之間的相容性亟待研究，因其相容性問題可能引發設備的絕緣故障。
目前GIL中使用的盆式絕緣子等絕緣件的材料為環氧樹脂（Epoxy Resin），當前熱老化試驗大多將樣品暴露在空氣中（熱氧老化），在GIL環境如SF6或C3F7CN/CO2中環氧樹脂的熱加速相容性能鮮有研究。因不同氣體氛圍中環氧樹脂的性能變化規律可能不同，進一步探究GIL氣體環境中環氧樹脂的特性，對準確分析環氧樹脂的絕緣性能變化及狀態評估具有十分重要的意義。
主要內容及創新點
本文提出氣體與環氧樹脂相容性的評價方法：在密封環境下使氣體與環氧樹脂充分接觸，采用環氧樹脂的玻璃化轉變區間內溫度進行熱加速試驗；使環氧分子鏈運動更加活躍，氣固化學反應時間縮短，以測試環氧樹脂材料絕緣性能的變化和生成的氣體雜質判斷材料的相容性。
開展了9%C3F7CN/91%CO2混合氣體與環氧樹脂材料的熱加速相容性試驗，設置相同材料不同溫度及同等試驗條件下SF6和He的對照組，采用介電損耗參數與沿面閃絡電壓表征樣品的絕緣性能，傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析固體樣品表面化學基團，掃描電鏡（SEM）觀察固體樣品的表面形貌，氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）分析混合氣體成分。
進行環氧樹脂樣品在9%C3F7CN/91%CO2環境下的工頻沿面閃絡電壓測試。腔體氣壓每升高0.05MPa，試驗樣品沿面閃絡電壓約升高20kV。當測試氣壓不超過0.25MPa時，閃絡電壓值隨著腔體氣壓的升高而線性增長，當腔體氣壓繼續升高，閃絡電壓分散性增大且存在飽和趨勢。沿面閃絡電壓測試結果如圖1所示，表明經過熱加速試驗后的樣品在高氣壓下的沿面絕緣性能略有下降。
圖1 沿面閃絡電壓試驗結果
良好的環氧樹脂工頻下的介質損耗角正切值不超過0.004，隨著試驗溫度高于環氧樹脂玻璃化轉變溫度（118.2℃），工頻下的tanδ值（表1）具有緩慢上升趨勢，但仍在符合絕緣要求的范圍內。
表1 環氧樹脂樣品工頻下tanδ測量值
圖2所示為最高試驗溫度160℃下的傅里葉紅外光譜圖，發現在不同氣體環境中試驗后的樣品圖譜與原始樣品的出峰時間和吸光度一致，匹配度很高。環氧樹脂的填料為Al2O3粉，Al2O3的四個特征峰分別為826cm-1、642cm-1、601cm-1和453cm-1，與原始樣品的光譜相比，試驗后Al2O3的四個特征峰更加明顯，表明試驗后樣品表面檢測到更多的Al2O3。
原因是熱加速試驗中溫度升高導致Al2O3填料析出，更接近環氧樹脂表面，尚未在環氧表面發現其他產物。同時試驗后的環氧表面未發現明顯的斷層斷面或析出晶體，說明幾種氣體環境的試驗對環氧樹脂表面形貌均未造成影響。
圖2 FTIR測試結果
由圖3可見，試驗后C3F7CN/CO2中檢測出雜質氣體。其中空氣為針采樣取氣時混入，保留時間9~10min區間內為C3F6氣體，保留時間27~28min區間內推測為C12F21N3物質，相同溫度下惰性氣體對照組內均無雜質氣體產生。推測160℃下C3F7CN的碳-氮三鍵斷裂聚合成C12F21N3，同時碳-碳鍵與碳-氟鍵斷裂后生成C3F6。
圖3 GC-MS測試結果
展望
GIL正常運行條件下，環保絕緣氣體C3F7CN/CO2和SF6相比，與環氧樹脂的氣固相容性相當。但當GIL發生故障導致局部過熱（160℃以上）時，C3F7CN/CO2可能會發生裂解反應產生C3F6和C12F21N3（C3F7CN三聚體），相關化學機理及其對絕緣性能的影響仍有待研究。
引用本文
袁瑞君, 李涵, 鄭哲宇, 周文俊, 葉三排. 氣體絕緣輸電線路用C3F7CN/CO2混合氣體與環氧樹脂相容性試驗[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 70-79. Yuan Ruijun, Li Han, Zheng Zheyu, Zhou Wenjun, Ye Sanpai. Experiment on the Compatibility between C3F7CN/CO2 Gas Mixture and Epoxy Resin Used in Gas Insulated Transmission Line. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 70-79.
