0 引言

發(fā)生于環(huán)氧樹脂絕緣子與六氟化硫氣體界面 處的交流沿面閃絡現(xiàn)象(簡稱交流沿閃)是交流氣體 絕緣金屬封閉開關(gas insulated switchgear, GIS)或 者氣體絕緣金屬封閉輸電管道(gas insulated transmission line, GIL)中常見的絕緣故障。然而，由 于交流沿閃過程十分復雜，且容易受到氣固界面上諸多因素的影響，給交流閃絡的分析帶來了極大的 困難。而以往關于交流沿閃的研究集中于絕緣材料 表面污染或覆冰情況下的實驗與分析，鮮有研究 者直接探索氣固界面上不同界面特性與交流沿閃的 關聯(lián)性。

1 試驗準備

1.1 環(huán)氧樹脂制備

本文采用的環(huán)氧樹脂絕緣材料為環(huán)氧基氧化 鋁復合材料，其制備工藝如下： 1）給模具各部件均勻涂抹脫模劑后完成裝配。 本文采用的脫模劑(NT-001)主要成分為有機硅類化 合物(35%~55%)與烷烴類溶劑(45%~65%)。 2）將微米氧化鋁填充料、環(huán)氧樹脂與涂好脫 模劑的模具(表面采用鏡面拋光技術進行處理)分別 放入鼓風干燥箱（上海一恒9070A臺式鼓風干燥箱），在 130℃下充分預熱，將預熱好 的微米氧化鋁填充料(AF-2)、環(huán)氧樹脂(CT5531)及 固化劑按照質(zhì)量比 330:100:38 進行稱量，并將填充 料與環(huán)氧樹脂在 130 ℃條件下進行混合，混合充分 后的復合材料放入溫箱進行抽真空 1 h。 3）將抽好真空的復合材料取出，混入固化劑 攪拌均勻后，倒入模具，并將模具放入抽真空箱抽 真空約 30 min。 4）樣品在 130 ℃條件下進行一次固化 8 h 后， 從模具脫模中取出，并將其用鋁箔包裹好后放入溫 箱，繼續(xù)固化 20 h 后取出晾干即可。 基于上述制造流程，制造了如表 1 所示的 4 種 工藝參數(shù)與交流沿閃電壓的關聯(lián)性研究試驗組。每 個試驗組中存在多組樣品，用于進行對比分析。

1.2 測試內(nèi)容

本文選取的氣固界面特性及其測試方法如表 2 所示。用于幫助分析界面特征與交流沿閃電壓關系 的常規(guī)測試如表 3 所示。其中，除表面電致發(fā)光以 及交流沿閃測試外，其余均為標準化的測試，因此 不再對這些測試方法進行贅述。表 2、表 3 中展示了每類測試方法采用的每種 樣品樣片數(shù)量，其中水接觸角、表面化學成分、表 面化學鍵合、表面電導率、介電常數(shù)及介電損耗、 局部放電量為測量多個樣片后求均值作為測試結(jié) 果。表面形貌測試為觀察多個樣片后選出最典型形 貌。表面陷阱密度、沿閃電壓為測試多個樣片后直 接繪制箱圖反映結(jié)果分布情況。

1.3 表面電致發(fā)光測試

發(fā)光現(xiàn)象來源于已處于激發(fā)態(tài)的原子(或分子) 通過發(fā)射光量子來實現(xiàn)去激發(fā)的過程。電致發(fā)光則 是由電場作用實現(xiàn)原子(或分子)的初始激發(fā)。電致 發(fā)光反映著電場作用下載流子激發(fā)、輸運、復合等 過程的強弱，可被用于研究材料表面或內(nèi)部陷阱特 性以及電荷存貯和輸運特性。


2 試驗結(jié)果與分析

由 SEM 圖像可見，不涂脫模劑的 A2 表面存在 著很多碎屑，而其余樣品僅存在少量裂紋，說明脫 模劑形成的釉層能夠保護樣品表面，從而保證材料 表面的致密性。XPS 測得的元素原子比中，A1 的 硅元素比例最高，A2 的硅元素比例最低，這與脫模 劑的涂抹情況相符(脫模劑中含有硅元素)。水接觸 角顯示 A2 具有最大值，即脫模劑的存在會降低水 接觸角，削弱憎水性。紅外光譜無明顯差異，脫模 劑的使用并未改變材料的化學鍵合。電學參數(shù)方面，3 者的體積電導率并無明顯差 異，但表面電導率呈現(xiàn)出 A1>A3>A2 的大小關系， 可見脫模劑的使用會提高表面電導率，涂抹均勻后 該提升效果更為明顯。A2 的介電常數(shù)最大，損耗角正切也是最大，即涂抹脫模劑能夠略微降低介電常 數(shù)，同時降低介電損耗。A1 局部放電量略低于其余 兩者，即涂抹均勻的脫模劑能夠略微削弱局部放電 現(xiàn)象。電致發(fā)光結(jié)果顯示，A1 樣品的穩(wěn)態(tài)光子數(shù)較 低，即涂抹均勻的脫模劑有助于減少環(huán)氧材料表面 的淺陷阱，削弱載流子的復合。SEM 圖像無明顯差異，說明冷熱沖擊處理不影 響材料表面的形貌。XPS 測得結(jié)果中，各樣品的百 分比無明顯不同(處于誤差范圍內(nèi))，可認為冷熱沖 擊處理不影響材料表面元素比。水接觸角顯示出 B3>B2>B4>B1 的趨勢，即冷熱沖擊處理會略微增 大水接觸角，隨著熱循環(huán)的溫度從 90°上升至 120°， 水接觸角先增大后減小。紅外光譜無明顯差異，冷 熱沖擊處理并未改變材料的化學鍵合。

3 界面特性與交流沿閃的關聯(lián)性

上述測試結(jié)果種類較多，且各類結(jié)果表現(xiàn)出的 規(guī)律性不強。為了更好地表征界面特性與交流沿閃 的關聯(lián)性，采用統(tǒng)計學相關系數(shù)來進行分析。 將上述 4 組試驗組共計 13 種樣品統(tǒng)一考慮， 其中每種樣品選取以下 8 種參數(shù)作為界面參數(shù)：(1) 硅元素原子比；(2)水接觸角；(3)體電導率；(4)表面 電導率；(5)介電常數(shù)；(6)損耗角正切；(7)局部放電 量；(8)穩(wěn)態(tài)光子數(shù)。獲得了上述 8 個數(shù)組后，將交 流沿閃電壓視為應變量，進行相關系數(shù)的數(shù)學計算。 由于試驗數(shù)據(jù)規(guī)整性不高，采用 Spearman 相關系數(shù) 與 Kendall 相關系數(shù)來描述界面參數(shù)與交流沿閃電 壓的關系。 計算得到各界面參數(shù)與交流沿閃電壓的 Spearman相關系數(shù)與Kendall相關系數(shù)如表8所示。 可見兩種相關系數(shù)的具體數(shù)值有所差異，但其絕對 值的大小關系相同，均為：介電常數(shù)>穩(wěn)態(tài)光子數(shù)> 表面電導率>水接觸角>損耗角正切>局部放電量> 體電導率>硅元素原子比。其中水接觸角、表面電 導率、介電常數(shù)以及局部放電量均為負相關，其余 為正相關。