抽水蓄能發電機定子線棒主絕緣熱老化特性研究

聶靚靚， 劉向東， 王韋玉， 凌 鵬， 楊 浩， 韓佳軒， 黃明浩， 金海云

（1.南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州 511400；2.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000；3.南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東 廣州 510000；4.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710000）

0 引 言

抽水蓄能電站在電力系統的運行中發揮著調峰調頻的重要作用，在系統負荷處于低谷時，將下游的水抽至上游水庫；當系統負荷處于高峰時，將上游水庫中的水放至下游進行發電，具有削峰填谷的重要作用。特別是在我國正式提出“碳達峰、碳中和”的雙碳目標之后，抽水蓄能電站在我國迎來了更為廣闊的發展前景[1-4]。大型抽水蓄能發電機定子線棒在實際的運行過程中，既承受高電壓又通過大電流，絕緣介質在高電壓下的介質損耗以及因大電流產生的熱效應均使得絕緣溫度升高，材料性能在長期運行過程中會發生改變，可能出現裂紋、分層等缺陷，甚至造成絕緣失效[5-7]。因此，對抽水蓄能發電機組定子線棒絕緣的老化特性進行研究具有十分重要的實際意義和工程應用價值。

電機線棒主絕緣材料主要由環氧樹脂、云母片與玻璃絲布構成，其中環氧樹脂由環氧與固化劑、促進劑混合溶液在一定溫度流程下固化而成，云母片與玻璃絲布主要由SiO2構成。

掃描電鏡能譜及紅外光譜作為常見的微觀分析手段，被廣泛應用于材料結構研究中[8-9]。劉凌等[10]對環氧絕緣樣本采用掃描電鏡觀測，并采用交變磁場下金屬研磨實驗對線棒切面絕緣層進行模擬施力驗證。曾浩等[11]先對3 種直流電纜絕緣材料開展潔凈度檢測，然后通過全反射紅外光譜分析了潔凈度檢測出的晶點的化學鍵結構，對比了3 種直流電纜絕緣材料性能。熱重分析（TGA）主要用于研究材料的熱分解和脫水等熱變化過程，具有可重復性高、熱過程控制精確、靈敏度高和試驗操作簡單等優點[12-13]。韓永進等[14]采用熱重分析（TGA）研究了橡膠材料的熱分解特性,并計算出材料的熱分解活化能，同時建立了3種橡膠材料的熱壽命方程。三點彎曲法和動態熱機械分析法是常見的力學性能測試方法，可以得到材料的動態模量和力學損耗等重要參數[15-16]。秦大可等[17]使用動態熱機械分析（DMA）對氰酸酯樹脂及其復合材料在DMA測試前后結構和性能的變化進行研究，考察了DMA 測試對其結構和性能的影響。

目前國內外針對發電機定子線棒主絕緣的老化特性研究多圍繞電學性能展開，較少涉及微觀結構、熱學和力學等其他方面特性研究。本文制備段狀的18 kV 發電機VPI 定子線棒絕緣試樣并設計加速熱老化試驗，對各老化溫度下的試樣進行理化特性、熱學性能及力學性能測量，研究其熱老化前后材料特性的變化規律。

1 試 驗

1.1 熱老化試驗方案

本研究對象為累計工作時長為9 768 h 的某抽水蓄能電站停用線棒。將段狀定子線棒切割后剝離主絕緣，切割加工成尺寸為90 mm×6 mm×4 mm的絕緣試樣，如圖1 所示。電機線棒主絕緣試樣選取的加速熱老化試驗溫度分別為180℃和205℃，即在155級（F）絕緣最高允許工作溫度（155℃）基礎上分別提高25℃和50℃，熱老化試驗周期分別為6 個和4個，具體方案如表1所示。

表1 加速熱老化試驗方案Tab.1 Test scheme of accelerated thermal ageing

圖1 VPI定子線棒絕緣試樣Fig.1 Insulation sample of VPI stator bar

1.2 設備和儀器

Phenom ProX 型掃描電鏡能譜一體機，FEI 公司，最大放大倍數130 000 倍，分辨率小于14 nm。Nicolet iN10型傅里葉變換紅外光譜儀，Thermo Scientific 公司。TGA/SDTA 851e 型熱重分析儀，瑞士METTLER TOLEDO 公司，溫度范圍為25～1 600℃，冷卻方式為恒溫水浴，采用氮氣作為動態平衡氣體。CMT4503型微機控制電子萬能拉伸機，美特斯工業系統公司。DMA/SDTA861e 型動態熱力學分析儀，Mettler 公司，采用雙梁臂彎曲模式，支架跨距為30 mm，試驗溫度范圍為30～200℃，升溫速度為3℃/min，最大振幅為10 μm，施加應力幅度為10 N，試驗頻率為1 Hz。

1.3 理化性能測試

對不同老化周期試樣進行理化性能測試，包括掃描電子顯微鏡（SEM）和傅里葉紅外光譜（FTIR）分析，分別觀測試樣表面、內部形貌以及老化前后試樣的分子結構變化，為試樣老化過程提供初步判斷與定性分析。

1.3.1 線棒主絕緣SEM分析

線棒絕緣在老化過程中，其表面形貌會發生細微變化。將不同老化周期的試樣做表面噴金處理后進行SEM 掃描電鏡分析，電壓選取5 kV，對試樣放大100倍進行觀察。180℃和205℃下熱老化不同周期試樣的SEM圖分別如圖2和圖3所示。

近年來，江蘇省鹽城市鹽都區連續9年實施了中央財政小型農田水利重點縣項目。小型農田水利工程的建設主要是為了更好地幫助農業種植預防水災和旱災，對糧食的增產以及改善廣大農村農業種植條件也有重要的促進作用。基于此,針對小型農田水利工程建設管理中存在的問題及完善措施進行深入研究具有重要的現實意義。

圖3 205℃熱老化不同周期試樣SEM圖Fig.3 SEM diagrams of samples aged at 205℃ for different periods

從圖2 可以看出，180℃下熱老化第1 周期試樣表面較為平整，無明顯的缺陷和間隙。第2 周期試樣表面開始出現裂紋，至第4 周期時試樣表面的裂紋與分層較為明顯。經過長時間高溫熱老化后，第5 周期試樣表面的環氧、云母已經無法完全覆蓋其內部的網狀纖維材料玻璃絲帶。到第6 周期時，玻璃絲帶進一步暴露在空氣中，網格中間的環氧、云母也開始發生破損。

從圖3 可以看出，試樣在205℃下經歷1 個老化周期后表面已開始出現破損，到第2 周期時情況加劇。第3 周期時環氧、云母已無法完全覆蓋玻璃絲帶，在第4 周期時可以清晰地看到玻璃絲帶內部縱橫交錯的形貌。

對比180℃老化試樣與205℃老化試樣可以看出，溫度對絕緣材料的老化有較大影響，在205℃下老化4 個周期后試樣中的玻纖結構已清晰可見，材料的損傷將成為電機絕緣的薄弱點。

1.3.2 傅里葉紅外光譜分析

紅外光譜分析法是一種根據有機物中分子轉動和分子內原子相對振動等信息來分析物質結構的方法。試樣中組成基團的原子處于不斷振動或轉動的狀態，當用紅外光照射有機物材料時，分子中的基團可發生振動并吸收與其具有相同振動頻率的紅外光。不同基團的振動頻率不同，在紅外光譜上的位置也不同。

環氧樹脂、云母片及玻璃絲布3 種材料的主要紅外光譜吸收峰如下：環氧樹脂中主要為甲基基團對應的2 960 cm-1和2 860 cm-1處的吸收峰，苯環對應的1 604 cm-1和1 510 cm-1處的吸收峰，苯環對位取代對應的831～835 cm-1處的吸收峰；云母片中主要為羥基對應的3 630 cm-1處的吸收峰，Si-O 基團對應的998cm-1處的吸收峰，以及羥基對應的550 cm-1和480 cm-1處的吸收峰；玻璃絲布無明確IR譜，與無定型二氧化硅類似。未老化的電機線棒主絕緣材料的紅外圖譜如圖4 所示，從圖4 可以看出，上述基團在圖上都有明顯的體現，在1 000 cm-1附近可觀測到明顯的特征峰，對應云母與玻璃絲布中Si-O的吸收峰；1 500 cm-1附近可觀測到環氧樹脂中苯環特征峰，1 750 cm-1附近考慮為環氧樹脂固化反應后生成的C=O基團特征峰，3 600 cm-1處對應云母中羥基的特征峰。

圖4 未老化試樣紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of unaged sample

不同老化周期電機線棒主絕緣材料的紅外吸收光譜如圖5所示，試樣的紅外圖譜變化情況如表2所示。從圖5 和表2 可以看出，隨著老化周期的增加，1 200 cm-1附近的吸收峰變得愈發明顯，考慮為老化過程中生成了亞硝基化合物。線棒絕緣在老化過程中與環境中的雜質接觸可能造成局部放電，生成的臭氧與含氮化合物容易和水或環氧樹脂中的-CH3反應，從而生成亞硝基化合物。1 733 cm-1處的環氧樹脂相關特征峰峰值增大，這是因為在初始熱老化過程中部分未反應完全的環氧樹脂與固化劑在高溫下繼續反應并二次固化。此外，隨著熱老化的進行，環氧側鏈可能發生熱氧老化過程，生成包含C=O 基團的酸。在3 629 cm-1處也出現了很強的吸收峰，對應-OH 特征峰，且隨著老化周期的增加峰值逐漸增大，這可能是由于云母與玻璃絲布中包含-OH 基團，隨著老化試驗的推進，材料中的環氧鏈段發生了氧化反應，生成更多的-OH基團。

表2 試樣紅外圖譜變化Tab.2 Change of infrared spectra of sample

圖5 180℃和205℃熱老化不同周期試樣紅外光譜Fig.5 Infrared spectra of samples aged at 180℃ and 205℃ for different periods

1.4 熱學性能分析

線棒主絕緣材料在熱老化過程中會發生一系列的物理及化學反應，出現化學鍵斷裂和分子重構等微觀現象，試樣質量可能發生變化。測試不同老化周期下試樣熱失重率可間接反映線棒絕緣內部結構的變化情況。選取試樣加熱到600℃時的質量流失率（失重率）和試樣質量減少5%時所對應的溫度（T95%）這兩個參數來表征線棒絕緣的熱穩定性能。圖6 為分別在180℃和205℃下老化不同周期的線棒絕緣試樣失重率及T95%的變化規律。

圖6 不同熱老化周期試樣的失重率和T95%Fig.6 Weight loss rate and T95% of samples in different thermal ageing periods

從圖6 可以看出，不同熱老化溫度條件下絕緣試樣的失重率隨老化周期的增加而降低，降低速率呈現先快后慢的趨勢。180℃溫度下，線棒主絕緣的失重率在第1 老化周期下降較為迅速，從未老化狀態時的30.3%降低至24.44%；在第1 周期至第4周期失重率的變化速率變緩，到第4 周期時降低至14.12%；在第5周期之后，線棒主絕緣的失重率變化較小，第6 周期結束后達到13.49%。205℃溫度下，線棒主絕緣的失重率在前3個周期下降速度較為均勻，在第3周期后趨于穩定，老化結束后的失重率為10.74%。與之相對應，不同熱老化溫度條件下絕緣試樣的T95%隨老化周期的增加而升高。在180℃時，試樣的T95%在第1 周期升高較快，隨后升高速率逐步放緩。在205℃時，試樣的T95%穩步升高，在第3周期時趨于穩定。

結合紅外光譜測試結果分析，熱老化過程對線棒主絕緣中的云母片和玻璃絲布無明顯影響，高溫環境主要導致環氧樹脂的成分發生變化，環氧鏈段發生氧化反應，同時自身發生熱分解，導致了不同老化周期環氧失重率的變化。

1.5 力學性能分析

抽水蓄能發電機在生產、運輸、運行等過程中，定子線棒主絕緣受到不斷變化的機械力、電磁力、熱應力等多種力作用，特別是在發電機突發故障時，線棒所受作用力會增至平常的數十倍甚至數百倍，這些應力會使絕緣產生形變和位移，造成線棒損傷和匝間短路。為了保證定子線棒可靠運行，線棒主絕緣需保證足夠的機械強度以應對外部環境應力作用。因此，針對線棒主絕緣的力學特性研究也顯得尤為重要。

1.5.1 三點彎曲測試

彎曲強度是反映材料基本力學性能的重要參數之一，可表征線棒絕緣在機械應力作用下的抗彎曲能力。

測試前用磨砂紙對試樣棱角進行打磨處理，防止棱角過于銳利引起應力分散。

首先對未老化試樣進行三點彎曲測試，其彎曲強度-彎曲應變情況如圖7 所示。從圖7 可以看出，測試初期隨著材料應變量的變化，應力也隨之逐漸增大，其變化趨勢近似呈線性關系。當應變量達到5%左右時，應力隨應變量增加的增速開始降低，當應變量增大至7%時應力達到最大值48.03 MPa，之后驟降至28.17 MPa，此處考慮為線棒絕緣承受壓力達到最大值而斷裂所導致，驟降前的應力最大值48.03 MPa即為該試樣的彎曲強度。

圖7 未老化試樣的彎曲強度-彎曲應變圖Fig.7 Bending strength-bending strain diagram of unaged specimen

之后對各老化試樣分別進行三點彎曲測試，老化后試樣應力隨應變量變化也呈現相似的規律。記錄不同老化周期試樣的彎曲強度，結果如圖8 所示。從圖8可以看出，隨著老化時間的延長，試樣的彎曲強度整體呈下降趨勢。當老化溫度為180℃時，試樣彎曲強度在前2個老化周期下降速率較快，從48.03 MPa 降低至31.77 MPa，在第2 周期后下降速率放緩，到第6 周期時彎曲強度為20.61 MPa；當老化溫度為205℃時，試樣隨老化時間的增加近似呈線性下降，到第4周期時為18.12 MPa。

圖8 老化不同周期試樣的彎曲強度變化Fig.8 Variation of bending strength of samples at different ageing periods

由于線棒主絕緣材料中的云母片和玻璃絲布均為無機材料，環氧樹脂作為有機材料很大程度上影響了材料的力學特性。結合紅外光譜和熱重測試結果分析，高溫下環氧樹脂會發生交聯和降解兩種反應，交聯導致高分子鏈間形成化學鍵，改變材料脆性，降解導致材料中主鏈受到破壞使分子量降低。由于熱老化過程材料中環氧樹脂含量不斷減少，試樣脆性變大，所承受彎曲強度也隨著加速熱老化而減小。

1.5.2 三點彎曲動態熱力學分析

玻璃化轉變溫度（Tg）是材料由較為穩定的玻璃態轉變為形變量較大的高彈態時的溫度，能夠反映試樣分子鏈產生構型變化時的溫度，一般而言玻璃化轉變溫度的高低反映了分子鏈由剛性轉向柔性所需的能量大小。利用動態熱機械分析可以測量玻璃化轉變溫度，如將Tg定義為損耗模量峰值處的溫度，或動態黏度固定為某個數值時的溫度。根據Tg的定義，本文將動態模量（E'）曲線第一個拐點處相連兩直線延長線的交點所在溫度定義為玻璃化轉變起始溫度（Tgs），將第二個拐點處相連兩直線延長線的交點所在溫度定義為玻璃化轉變結束溫度（Tge），整個玻璃化轉變溫度區間寬度△Tg=Tgs-Tge，其示意圖如圖9所示。對比不同老化周期下定子線棒主絕緣試樣的玻璃化轉變溫度即可對其老化狀態以及力學性能的優劣做出判斷。

圖9 玻璃化轉變溫度示意圖Fig.9 Schematic diagram of glass transition temperature

對不同老化周期的試樣進行測試，180℃和205℃下熱老化不同周期的試樣動態模量變化情況如圖10所示，具體數據列于表3中。從圖10可以看出，隨著溫度的升高，試樣的儲能模量在初期保持為玻璃態模量狀態，在經歷一個陡降后達到高彈態模量狀態。

表3 老化不同周期試樣的動態模量Tab.3 Dynamic modulus of sample at different ageing periods

圖10 老化不同周期試樣的動態模量隨溫度的變化Fig.10 Variation of dynamic modulus of samples with temperature at different ageing periods

從表3可以看出，180℃下隨著熱老化周期的增加，玻璃態下材料的動態模量有明顯減小的趨勢。

考慮隨著熱老化時間增加，作為粘接劑的環氧樹脂含量不斷下降，試樣中開始出現氣隙與分層缺陷，對試樣施加較小的應力也會產生較大的形變。動態儲能模量定義為施加應力幅值與其產生應變的幅值之比，根據定義可推斷動態模量逐漸降低，與試驗結果相符合。從圖10還可以看出，隨著老化周期的增加，前3 個周期試樣的玻璃化轉變起始溫度逐漸增大，試樣的玻璃化轉變溫度區間有變寬的趨勢。從微觀結構上分析，由于熱老化后環氧樹脂分子的柔性降低，其需要更大的熱能來進行玻璃化轉變過程，因此玻璃化轉變溫度區間整體向高溫移動且區域變寬。后3個周期同一試樣動態模量曲線隨溫度升高不再呈標準曲線狀，而是先上升再下降，或是保持一段平穩后下降，且下降幅度較小。考慮此時已是熱老化后期，試樣中的環氧樹脂含量很少，主要表征為無機物的材料特性，隨著溫度的升高在短期內強度呈小幅度增加，當溫度進一步升高時，無機物中分子斷裂，動態儲能模量開始下降。205℃老化下老化試樣也呈現相似的規律。

對不同老化周期下試樣的損耗模量進行分析，如圖11所示。從圖11可以看出，隨著老化周期的增加，熱老化前期試樣的損耗峰在向高溫側移動，同時損耗峰值呈變小的趨勢。老化后期由于試樣中環氧樹脂含量較少，主要表征為無機物的材料特性，因此損耗峰峰值較低且呈現不明顯。

圖11 老化不同周期試樣的損耗模量隨溫度變化曲線Fig.11 Variation curves of loss modulus of samples with temperature at different ageing peiods

2 結 論

（1）隨著老化周期的增加，定子線棒主絕緣試樣表面開始出現裂紋，環氧、云母也開始發生破損，材料內玻璃絲帶逐漸裸露直至暴露在空氣中；老化試樣的紅外譜圖在3 629、1 733、1 200 cm-1附近的吸收峰變得愈發明顯，考慮是由于環氧側鏈發生了熱氧老化，且老化過程中生成了亞硝基化合物。

（2）不同熱老化溫度下絕緣試樣的失重率隨老化周期的增加而降低，并且降低速率呈現先快后慢的趨勢，這是由于隨著熱老化試驗的進行，試樣中環氧樹脂含量不斷減少。

（3）在熱老化過程中，試樣的彎曲強度整體呈下降趨勢，玻璃態狀態下的材料動態模量明顯有減小的趨勢。試樣的損耗峰向高溫側移動，同時損耗峰值有變小的趨勢。熱老化前期試樣的玻璃化轉變起始溫度逐漸增大，試樣的玻璃化轉變溫度區間有變寬的趨勢。而熱老化后期時動態模量曲線下降幅度較小，考慮為此時試樣中的環氧樹脂含量已很少，主要體現為無機物的材料特性。