1、绝缘材料 2023,56(7)江阳等：基于频域介电谱的环氧树脂浸渍皱纹纸绝缘受潮状态评估基于频域介电谱的环氧树脂浸渍皱纹纸绝缘受潮状态评估江阳1，赵贺2，宋一凡2，孙永文3（1.国网北京市电力公司，北京 100031；2.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075；3.北京开元浩海科技发展有限公司，北京 100161）摘要：环氧树脂浸渍皱纹纸（ERICP）绝缘材料被广泛应用于电力设备绝缘，受潮是影响其绝缘状态的重要原因。本文将频域介电谱（FDS）技术用于材料绝缘状态的评估，首先制备不同含水量的ERICP样片并开展FDS测试；然后根据FDS频谱曲线，分析FDS特征参数随含水量的变化规律
2、；最后引入介电模量谱和模量因子，提出ERICP绝缘状态评估方法。结果表明：含水量的变化影响FDS曲线整体变化规律；介电模量能够有效抑制直流电导的影响从而表征内部弛豫过程；ERICP样片的介电模量谱在低频范围内出现了明显的弛豫峰，弛豫峰的特征频率随含水量的增加而升高；介电模量虚部的积分面积可以作为表征ERICP绝缘的特征参量，模量因子与含水量的关系同指数函数具有0.997 5的拟合优度。关键词：环氧树脂浸渍皱纹纸；含水量；频域介电谱；介电模量；模量因子中图分类号：TM215 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.07.010Moisture condition ev
3、aluation of epoxy resin impregnated crepe paper based on frequency domain spectroscopyJIANG Yang1,ZHAO He2,SONG Yifan2,SUN Yongwen3(1.State Grid Beijing Electric Power Company,Beijing 100031,China;2.State Grid Beijing Electric Power Research Institute,Beijing 100075,China;3.Beijing Crehoi Sci&Thch C
4、o.,Ltd.,Beijing 100161,China)Abstract:Epoxy resin impregnated crepe paper(ERICP)insulating materials are widely used in power equipment insulation,and moisture is an important reason affecting their insulation state.In this paper,the frequency domain spectroscopy(FDS)technology was used for insulati
5、on condition evaluation.Firstly,ERICP samples with different moisture content were prepared and carried out FDS tests.Then,according to the FDS spectrum curves,the variation law of FDS characteristic parameters with moisture content was analyzed.Finally,the dielectric modulus spectrum and modulus fa
6、ctor were introduced,and the insulation condition evaluation method of ERICP was proposed.The results show that the change of moisture content affects the overall change law of FDS curves.The dielectric modulus can effectively suppress the influence of DC conductivity to characterize the internal re
7、laxation process.The dielectric modulus spectrum of ERICP samples has obvious relaxation peak in the low-frequency range,and the characteristic frequency of relaxation peak increases with the increase of moisture content.The integral area of the imaginary part of dielectric modulus can be used as a
8、characteristic parameter to characterize the insulation condition of ERICP.The relationship between the modulus factor and moisture content has 0.997 5 of goodness of fit with the exponential function.Key words:epoxy resin impregnated crepe paper;moisture content;frequency domain spectroscopy;dielec
9、tric modulus;modulus factor0引 言环氧树脂浸渍皱纹纸（epoxy resin impregnated crepe paper，ERICP）复合材料具有介电性能优异，耐腐蚀性强、机械强度高、可塑性强、防爆阻燃等特点，在电力设备绝缘中得到广泛应用1。与传统的油纸绝缘设备不同，以环氧树脂为代表的干式绝缘设备不存在漏油、产气、爆炸等绝缘失效带来的二次破坏，因此干式绝缘设备在干式变压器、干式套管、复合绝缘子等设备绝缘中得到越来越广泛的应用2。其中特高压干式套管的电容芯子由皱纹纸和铝箔交替卷纸在真空条件下进行干燥，然后经环氧树脂浇注、固化后形成，ERICP 是其主要的绝缘材料3
10、。基金项目：国家自然科学基金资助项目（52077005）；国网北京市电力公司科学技术项目（52022320006D）60绝缘材料 2023,56(7)江阳等：基于频域介电谱的环氧树脂浸渍皱纹纸绝缘受潮状态评估近年来，介电响应法作为一种新型的绝缘状态无损诊断方法，被广泛应用于高压套管绝缘性能检测，其主要包括时域回复电压测量（recovery voltage measurement，RVM）4、极化去极化电流测量（polarization/depolarization current，PDC）5以及频域介电谱 测 量（frequency-domain dielectric spectroscopy
11、，FDS）6。其中FDS现场测试曲线携带信息丰富、测量频带宽、抗干扰能力强，逐渐成为受潮、老化等绝缘状态指标的重要评估手段。目前，利用FDS法研究受潮对油纸绝缘设备的影响已取得显著成果。张大宁等6研究了油纸绝缘在不同受潮类型时的FDS特性参数变化规律，结果表明界面极化损耗对FDS曲线变化贡献最大，且不均匀受潮程度越大，曲线波动越大，并评估了水分分布不均匀对油纸绝缘的影响；杨峰等7在不同温度、不同受潮程度下对油纸电容芯子进行 FDS 测试，并引入扩展德拜模型，获得受潮状态定量评估方法；丁宁等8研究不同含水量的环氧树脂FDS特性，提出了一种分段拟合的方法来减小高低频活化能的影响，并提取 0.01
12、Hz作为受潮诊断的特征频率；郝建等9采用修正Cole-Cole模型分析受潮和老化协同效应对油纸绝缘频域谱的影响，提出了一种基于介电模量分析的绝缘性能评估方法；张涛等10利用分数阶模型对油纸绝缘受潮频域谱进行参数辨识，提出表征受潮的特征参量并与含水量进行量化研究得出含水量评估方法。针对纯环氧树脂材料的研究已有阶段性成果，谢伟等11基于环氧树脂材料开展热氧老化特性研究，得出tan、r呈分段式变化趋势，可用于评估环氧树脂材料的绝缘状态，且热质量损失率的变化规律可用于预测材料的使用寿命；张施令等12测量了环氧树脂频谱和温谱曲线，用H-N模型对频谱拟合获得特征参数，其具有显著的温度依赖性，符合Arrhe
13、nius 公式；宁鑫等13将皱纹纸引入环氧树脂材料，提出基于相对介电常数一阶导数的改进差分优化算法，分析其介电弛豫过程，结果表明皱纹纸的引入使环氧树脂材料的各项性能均发生显著改变。但对环氧树脂复合材料，尤其是用于高压干式套管的ERICP复合材料研究甚少，而套管主绝缘受潮将严重影响电力网络的平稳、安全运行，亟需开展基于FDS测量的ERICP复合材料绝缘性能变化规律研究。因此，本文借鉴上述基于FDS法的绝缘性能研究经验，从真型高压套管上切取 ERICP 绝缘材料，制备不同含水量的试验样品，然后深入研究受潮对 ERICP 绝缘样品介电响应特性的影响，分析FDS特征参数随含水量的变化规律，最后引入介电
14、模量的概念，提出ERICP绝缘状态评估方法。1试验与介电分析理论1.1受潮试验布置受潮试验采用的 ERICP绝缘样品由国内套管厂按特高压干式套管绝缘体实际配比制成，然后径向切割加工成尺寸为8 cm8 cm1 mm的样片。试验开始前，先将样片放入干燥箱内，在100环境下干燥12 h至质量不再减少，通过高精度电子天平测量样片的初始质量m0，之后将样片浸没水中12 h，取出自然晾干至样片表面没有水层并称重m，认为此时的质量为绝缘样片最高含水量对应的质量。再进行不同程度的干燥处理得到不同含水量的样品。根据式（1）计算样片的含水量。c=m-m0m0 100%（1）在实验室搭建如图1所示的FDS测试平台。
15、将样品放入三电极测量系统中并夹紧，保护电极可有效地消除边缘效应。将三电极结构放置于金属容器内，由于较长时间暴露在空气中的ERICP样品很容易二次受潮而影响其介电性能，因此试验中将测试用金属容器放置于温湿度控制箱内，同时将测量线引至温湿度控制箱外部与 FDS 测量设备相连。未消除环境温湿度对试验结果造成较大影响，因此试验时设置温度为25、湿度为30%，通过温湿度传感器控制箱内的温湿度。FDS测量前后各测1次样品质量，取平均值作为样品的m值，最终获得含水量分别为 0.31%、0.56%、0.65%、1.02%、1.36%、1.85%的 ERICP 样片。FDS 测试设备选用奥地利Omicron公司
16、开发的DIRANA介电响应分析仪，激励设置为有效值为200 V的交流变频，频率范围设置为1 mHz1 kHz。实验设备及三电极测试系统接线简图如图1所示。图1实验设备及三电极测试系统接线简图Fig.1Wiring diagram of experimental equipment and three electrode test system6161绝缘材料 2023,56(7)江阳等：基于频域介电谱的环氧树脂浸渍皱纹纸绝缘受潮状态评估1.2电介质理论基础当电介质施加激励时，流过其内部的电流主要由电导电流和位移电流组成，其频域介电响应如式（2）（3）所示14。J(,T)=0E()+iD(,T)（2）J(,T)=0(T)+i01+(,T)-i(,T)E()=i0C(,T)+C(,T)E()（3）式（2）（3）中：C(,T)和 C(,T)分别为电容实部和虚部；(,T)和(,T)分别为介质极化率实部和虚部；为角频率，=2f；0为真空介电常数；0为样品直流电导率；D(,T)为电位移；E()为电场强度；J(,T)为电流密度。在电介质施加交变电场的情况下，当频率相对较低时，自由电荷会在电极周围积聚