摘要: 盆式绝缘子的绝缘缺陷一直是造成GIS设备故障的主要原因之一，而目前基于电气特征量的绝缘状态评估方法尚不能提供足够的准确度与可靠性，特别是针对GIS盆式绝缘子潜伏性及发展性绝缘缺陷的可靠探测和剩余寿命评估，迫切需要探索更有效的检测与表征方... 展开 盆式绝缘子的绝缘缺陷一直是造成GIS设备故障的主要原因之一，而目前基于电气特征量的绝缘状态评估方法尚不能提供足够的准确度与可靠性，特别是针对GIS盆式绝缘子潜伏性及发展性绝缘缺陷的可靠探测和剩余寿命评估，迫切需要探索更有效的检测与表征方法，这给科学研究提出了实际应用需求和新的技术挑战。作为现有电气检测技术手段的拓展，基于绝缘材料热动力学本征属性的活化能研究，为上述问题提供了可能的解决方法与技术途径。然而，GIS盆式绝缘子采用的环氧树脂复合材料本身存在固化不彻底、热解反应复杂和反应机理函数多元不易求解等问题，这一定程度上制约了活化能方法在盆式绝缘子状态评估中的应用，还须在进一步厘清盆式绝缘子环氧树脂材料老化裂解微观机制的基础上，构建热解动力学参量的计算模型，进而建立绝缘失效判据与寿命评估模型。为突破这些技术瓶颈，本文综合利用微观仿真和实验研究手段，针对盆式绝缘子环氧树脂材料的裂解反应机制、热动力学参数求解方法以及绝缘寿命预测模型等开展系统性研究，可为实现基于热解动力学参量的GIS盆式绝缘子状态评估与寿命预测提供理论基础和技术方法。 采用MS(Materialstudio)平台构建了交联环氧树脂的分子体系，并基于ADF(Amsterdamdensityfunction)的ReaxFF模块开展电热裂解的反应分子动力学模拟，研究了裂解产物的动态变化过程，并追踪到CO2、H2O、H2等小分子产物的生成路径，发现在裂解过程中热应力是影响裂解产物生成的主要因素，且表现为多种反应过程。同时利用自主搭建的电热加速老化实验平台，对环氧树脂试样开展电热老化实验，并由扫描电镜观测其微观形貌，结果表明环氧树脂复合材料出现了凸起、孔洞、裂纹等多种形貌特征，指出老化过程中存在多种反应机制，进一步通过热重光谱和质谱测试分析手段，对环氧树脂试样进行热动力学特性研究，并分析其热解特征温度和逸出气体，发现其热解过程具有多种反应并行、附加产物复杂、双台阶明显的特征。为定量表征环氧树脂试样复杂热解过程的反应机理，本文提出了热解机理函数的四参数通用表征模型，该模型适于表征包含多种反应的复杂热解过程。 针对盆式绝缘子环氧树脂复合材料的多元反应过程和双台阶效应，研究提出了热解活化能的求解方法。热解反应台阶Ⅰ中的初始反应温度较低，结合积分中值点的渐近性质构建了中值近似函数，继而纳入低温效应影响，提出针对热解反应台阶Ⅰ的积分中值活化能计算方法，使得因低温近似带来的活化能计算误差显著降低。热解反应台阶Ⅱ的初始温度较高，低温近似处理不再有效，为此提出改进的指数式活化能求解方法，以温度积分近似为基础，建立了指数式积分变换，应用该方法时无须假定反应机理函数，使得活化能计算误差小于0.03％。融合反应台阶Ⅰ和台阶Ⅱ中的热解活化能求取，推导出可描述整个热解过程的反应机理函数。进一步提出新型的有理式积分变换形式，结合构造的误差函数方程，系统验证了活化能计算方法与反应机理函数的有效性。该计算方法为积分近似的数值逼近提供了新思路以及可推广应用的形式，可进一步减小温度积分近似误差。利用上述方法可对环氧树脂复合材料分阶段热解过程的活化能进行可靠求解，实现环氧树脂热解反应机制的定量数学表征。 为获得热解特性及电气参量与材料老化程度的关联规律，利用电热联合老化实验平台，针对不同类型的环氧树脂复合材料试样，在100℃、130℃、160℃等温度点开展加速老化实验。同时，对不同老化状态的环氧树脂试样，分别开展绝缘击穿和机械拉伸强度实验，获得了试样质量损失率、击穿场强、机械拉伸强度与老化温度以及老化时间的关联关系。结果表明，老化试样可能存在二次固化现象，使得老化初期的击穿场强和机械拉伸强度呈局部增大趋势，而当老化温度高于玻璃化转变温度时，试样的击穿场强和机械拉伸强度随老化时间迅速下降，其中绝缘击穿场强下降最快。为此，以击穿场强降低为初始值的50％作为绝缘寿命终止基准，基于电气参量与热动力学参量之间的关联规律，提出了以质量损失率4.3％（对应热解反应转化率86％）为阈值的环氧树脂复合绝缘失效判据。进一步对全老化周期的绝缘样本开展热失重实验并求取热解台阶Ⅰ和台阶Ⅱ的活化能，建立了活化能与质量损失率的定量关系，由此提出GIS盆式绝缘子环氧树脂复合绝缘的剩余寿命预测模型，并基于已知运行寿命的实际GIS绝缘子验证了寿命评估方法的有效性。上述研究为GIS绝缘子的寿命评估提供了理论依据与有效方法。 收起