面向干式電抗器的環氧樹脂熱解機理與檢測技術研究

國網天津市電力公司電力科學研究院、天津市電力物聯網企業重點實驗室 董艷唯 李 琳 李蘇雅 趙 琦 何 金

國網天津市電力公司 方 瓊

1 研究背景

國家電網有限公司關于干式電抗器的故障分析報告和現場工作總結表明：匝間絕緣缺陷是誘發干式電抗器故障的主要原因，其占比為故障總量的90%以上。從絕緣結構上看，干式電抗器不存在主絕緣問題，導線多層纏繞在同一軸向高度，其電勢基本相同，對層間絕緣的要求也不高。目前，電網中大部分干式電抗器運行在35kV電壓等級以下，正常運行時并聯電抗器承受相電壓，匝電勢在幾十伏以下，造成匝間絕緣事故的可能性較小。但對于無功補償用電抗器，其運行過程中會頻繁投切，此時將造成較大的操作過電壓和合閘涌流，這就會對其匝間絕緣造成損傷。微納智能傳感技術可通過檢測干式電抗器內環氧樹脂固體絕緣材料的過熱分解組分，反饋電抗器過熱故障嚴重程度。該方法作為一種非電檢測手段，能有效避免傳統紅外熱成像技術對溫度檢測區域不全面、超聲和特高頻等電磁參量檢測法易受干擾等問題。

有關環氧樹脂固體絕緣材料的分解機理，部分學者采用分子動力學軟件對該過程進行模擬，并對分解產物進行了一定程度的分析。Diao Z等人[1]采用ReaxFF力場研究電路板中環氧樹脂的熱分解過程，發現最早生成的氣體產物為HCHO，其他主要的小分子產物有H2O、CO和H2等；Zhang Y等人[2]模擬了微波加熱條件下環氧樹脂的分解機理，并探究了H2O和H2產生速率的影響因素。張曉星課題組[3]采用分子動力學仿真手段對酸酐固化的環氧樹脂熱分解機理進行研究，發現其分解產生小分子產物的最終含量依次為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產物。

這些研究表明，環氧樹脂在實際過熱分解時還可能存在乙烯、乙醛、丙烯、丙醛等小分子氣體產物。該課題組還研究了氧氣對酸酐固化環氧樹脂熱分解的影響，發現氧氣會通過在與氧相連的叔碳上引入碳氧雙鍵來影響環氧樹脂主鏈的斷裂，所有小分子氣體產物的初始生成時間均會提前，CO2生成量增加，H2O生成量增幅更大，HCHO的生成量基本不變，同時C2和C3產物的種類和數量均明顯增加。

此外，張曉星課題組還研究了SF6氛圍下環氧樹脂的熱分解過程，發現在325℃下環氧樹脂和SF6開始劇烈反應，氣體產物中檢測到CO2、SO2、H2S、SOF2等。高乃奎等人對全環氧樹脂澆注母線的熱老化過程進行了研究，老化溫度分別選取145℃、160℃和175℃，發現老化過程中均存在質量損失，最大的質量損失為1.19%，推斷為環氧樹脂分解產生的小分子氣體產物逸出所致。

上述研究表明，有關環氧樹脂固體絕緣材料過熱分解機理和分解特性的研究仍停留在起步階段，研究方法也主要停留在理論仿真層面，有待系統性研究以揭示該類絕緣材料在應用過程中的熱分解過程。

2 環氧樹脂熱老化機理分析

本文采用ReaxFF力場，構建酸酐固化的環氧樹脂絕緣材料結構模型，通過不同角度模擬絕緣材料在各溫度下的分解過程，得出相應的氣體產物組分與含量，結合絕緣材料模型斷鍵活化能綜合分析絕緣材料的分解過程及產物的生成路徑，構建絕緣材料的熱分解模型；通過構建絕緣材料/O2和絕緣材料/H2O的復合模型，進一步探究氧氣和水蒸氣對絕緣材料熱解過程的影響機理，為電氣設備中固體絕緣老化機理和進程的研究提供理論依據。

本文首先建立了三維周期性模型，初始密度均設定為0.5g/cm3，經過退火、幾何優化等步驟處理，得到最終模型1的密度為1.13g/cm3，模型2的密度為1.13g/cm3，模型3的密度為1.14g/cm3，見表1。分別對模型1、2和3進行高溫分解模擬，選用ReaxFF力場，NVT系綜，仿真溫度選取真實局部放電時的最高溫度1300K，反應時間設定為1000ps，步長為0.1fs。

表1 模型構建的詳細參數

對3個模型進行幾何結構優化。模型1用于模擬純環氧樹脂在高溫下的斷鍵過程，與前人的研究成果進行對比，以驗證本試驗方案的準確性；模型2用于模擬酸酐固化環氧樹脂的斷鍵過程，模型3用于觀察酸酐固化環氧樹脂在加熱過程中的分解產物，結合模型2和3分析酸酐固化環氧樹脂的分解機理以及相應產物的生成過程。

2.1 純環氧樹脂的熱解結果分析

純環氧樹脂中最容易斷開的是碳氧鍵，根據休克爾規則，具有芳香性的結構有更好的熱穩定性，其斷裂所需活化能更高，如圖1（a）所示，斷裂以后形成了基團A等不穩定中間產物，最終基團A會分解生成乙烯自由基和甲醛分子。

圖1 純環氧樹脂分解過程

2.2 酸酐固化環氧樹脂分析

從圖2（b）中可以看出，酸酐固化的環氧樹脂分解是從碳氧鍵的斷裂開始的。如圖2（c）中所示，最早的分解產物是CO2。隨后乙烯自由基以及CH2O生成，如圖2（d）所示。如圖2（e）所示，隨著分解反應的繼續，體系中出現了游離態的羥基，其和氫的結合是產物H2O的主要生成方式之一。從圖2（f）中可以看出，在模擬反應的最后，體系中出現了丙烯自由基以及雙酚結構的基團。由于模擬溫度與模擬時間的限制，環氧樹脂分子沒有徹底分解，因此沒有觀測到酸酐開環產生的烴類物質。

2.3 特征氣體檢測技術

基于上述研究，本文以甲醛檢測技術作為環氧樹脂熱老化程度的感知方法并研發氣體檢測裝置。其檢測原理是通過四路不同類型的氣體傳感器收集檢測環境中混合氣體的數據，然后對數據進行模數轉換后發送到芯片，轉換后的數據會輸入到訓練好的模型中，模型會返回環境中甲醛數值，根據甲醛含量進行故障定位和報警。

本檢測裝置針對氣體捕獲過程中的交叉敏感問題，提出了如下解決方法：首先研究環氧樹脂熱解過程中可能產生的特征氣體，明確干擾氣體種類；其次，由于每種傳感器對不同氣體的響應特性不同，通過選取合適的傳感器，在傳感陣列的響應中剔除具有冗余和相互補充的氣體信息；最后，使用信息更加豐富的傳感器陣列相應數據訓練模型，有效抑制交叉干擾的問題。本檢測裝置的電路設計遵循以下原則（軟硬件科學規劃、流程式配置）。

軟硬件科學規劃：本裝置中的軟件和硬件均具有各自獨特的作用，針對一個具體的電路系統，硬件部分比例提升，能夠顯著減弱軟件部分的設計壓力，但硬件部分的工作量也將得到大幅增加，這將帶來初始階段資金的大量投入；與此類似，提升軟件部分的占有量，能夠弱化硬件部分的設計壓力，降低初始階段資金投入，但會擴大軟件部分的設計壓力，因此對硬件部分的規劃，需要理性設置軟件和硬件的占有量，挖掘兩部分的優點，起到相輔相成的作用。

流程式配置：硬件部分需要滿足檢測裝置最基礎的功能，并力求實現高穩定、低成本和強運算效率，在硬件內部彰顯流程式配置原則，這不僅體現在內部各體系能夠獨立存在，而且各體系之間應具有標準化接口，實現硬件內部體系之間的交叉互聯。

集成化電路構建：硬件部分需提高集成效果，降低獨立體系的配置比例，同時大幅提高成熟技術的融入程度，最終實現整個裝置的穩定和可靠運行。

檢測裝置的硬件電路包括四路傳感器模塊、AD轉換模塊、K210主控模塊、智能液晶屏、電源模塊和蜂鳴器，其中主控芯片為嘉楠K210芯片，AD轉換芯片為ANALOG公司生產的8位雙極性輸入的PCF8951。裝置用到了不同型號的氣體傳感器，通過捕獲甲醛和二氧化碳兩種特征氣體來收集環境中的氣體數據。通過AD轉換芯片將收集到的氣體數據，由模擬信號變成數字信號，再傳遞到K210芯片。通過K210芯片的處理和分析，一方面判斷其中的甲醛含量是否超標，若數據超過規定值，則控制裝置發出蜂鳴報警音；另一方面通過傳送處理后的數據，使液晶屏動態顯示并發布特征氣體的實時濃度值。

以待測干式電抗器為中心，1m為半徑，平均選取8個點放置該氣體檢測裝置各3min，檢測結果如圖3所示。可以發現，8個點位均檢測到甲醛氣體，其中點位1處檢測的甲醛含量最高，達到15ppm，點位2和3的檢測結果次之，點位8的檢測結果最低，甲醛含量為2ppm，說明干式電抗器面向點位1側出現較為嚴重的絕緣熱老化。

圖3 干式電抗器的特征氣體檢測位點（左）和甲醛含量檢測結果（右）

針對干式電抗器過熱故障，可采取以下針對性措施：優選高耐熱等級的絕緣材料制作電抗器，避免其過早出現熱老化現象；結合紅外、紫外、可視化超聲和本文提出的特征氣體檢測新技術，加強運行維護工作，特別對運行時間超過5年的電抗器，應定期觀察表面是否存在龜裂和爬電痕跡，及時評估發熱情況，確定發熱部位；在運維過程中重點關注電抗器包封之間的清理，減少異物附著，阻斷由異物導致的放電過程。電抗器內層風道應及時清理，可采用空氣壓產生高壓風，使其從繞組上部經各風道吹至下部，需提高污染程度大的風道處理效果。若高壓風難以消除內部異物，建議使用長棉布并蘸酒精清理。

本文通過采用ReaxFF力場對多個環氧樹脂模型進行仿真模擬，分析得到了酸酐固化環氧樹脂的分解過程以及主要氣體產物的生成路徑，其中酸酐固化的環氧樹脂的分解反應從酸酐與環氧樹脂相連的酯鍵斷裂開始；CO2是最早產生同時也是含量最多的小分子氣體產物，其他特征產物生成的順序依次為CH2O、CO、H2O。基于8個點位的甲醛含量檢測結果，可實現干式電抗器絕緣熱老化嚴重位置和程度的有效評估。