吸水性对中压绝缘用尼龙66电气性能的影响.pdf

第4 3 卷 第1 l 期 工程塑料应用 V o 1 4 3 N o 1 1 R 7 2 0 1 5年 1 1 月 E NGI NE E R I NGP L AS T I CS AP P L I CA T I O N No v 2 0 1 5 d o i l O 3 9 6 9 is s n 1 0 0 1 3 5 3 9 2 0 1 5 1 1 0 2 9 吸水性对中压绝缘用尼龙 6 6电气性能的影响 古 蔡凡一 薛健 周柏杰 陆德鹏 f 南京南瑞集 团公司智能电气装备事业部 南京2 1 1 0 0 0 摘要 针对电力电网行业对中压用绝缘材料的性能要求 考察了吸水性对尼龙 6 6 P A6 6 电气性能的影响情况 将 P A6 6样品在不同条件下进行吸水处理后 分别对材料进行了介电强度 介 电常数 介电损耗 电阻率等进行测试 获得 了吸水率对 P A6 6电气性能影响的规律 结果表明 P A6 6的电气性能随着吸水率的增加而相应降低 但仍保持 一 定的绝缘能力 该结果将为 P A等热塑性材料替代传统高性能环氧树脂绝缘材料 实现电力绝缘材料的环保化提供 依 据 关键词 吸水性 尼 龙 6 6 电气性能 中图分类号 T Q3 2 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 5 3 9 2 0 1 5 1 1 0 0 8 7 0 4 I nflue nce o f M o is t ur e o n El e ct r ica l Pr o pe r t ie s o f M e dium Vo l t a g e I ns ul at io n Ny l o n 6 6 Ca i F a n y i X u e j ia n Z h o u B a i j i e L u De p e n g De p a r t me n t o f I n t e l l i g e n t E l e ct r i ca l E q u i p me n t Na r iGr o u pC o r p o r a t i o n Na n j i n g 2 1 1 0 0 0 C h i n a Ab s t r a ct Acco r d in g t o t h e e s s e n t i a l r e q u ir e me n t s o n t h e me id u m v o l t a g e i n s u l a t i o n ma t e r i a l s u s e d i n t h e p o we r i n d u s t r y t h e v a r io u s s t a n d a r d a n d e x p e r i me n t a l mo is t u r e co n d i t io n i n g me t h o d s o n e l e ct r i ca l p e r f o r ma n ce o f n y l o n 6 6 P A6 6 s u ch a s d ie l e ctr i c s t r e n g t h d ie l e ct ri c co n s t a n t d ie l e ct r ic l o s s a n d v o l u me r e s is t iv it y we r e s t u d ie d T h e e f f e ct o f wa t e r a b s o r p t io n o n th e e l e ct r ica l p r o p e r t ie s o f P A6 6 wa s o b t a in e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t e l e ct r ica l p e r f o r m a n ce o f P A6 6 d e cr e a s e s wit h t h e in cr e a s e o f wa t e r a b s o r p t io n b u t s t i l l ma in t a i n s a ce r t a in in s u l a t i o n ca p a b i l i t y T h is r e s u l t s s h o w t h a t t r a d it io n a l e p o x y r e s in in s u l a t i o n ma t e ri a l s ca r l b e r e p l a ce d b y P A wh ich ca n p r o v id e r e f e r e n ce f o r t h e e n v ir o n me n t a l p r o t e ct io n o f e l e ct r ic in s u l a t io n ma t e ri a 1 Ke y wo r d s mo is t u r e P A6 6 e l e ct r ica l p e r f o rm a n ce 中压开关 配电绝缘子是配电网中广泛应用的 电气设备 其电压等级一般在 1 2 4 O 5 k v 随着 电网及终端电力用户对开关设备小型化 维护成本 耐用性等要求的提高 1 采用环氧树脂 酚醛树脂 等作为绝缘介质的紧凑型 小型化电气设备的应用 日渐广泛 但上述产 品制件厚度大 产 品笨重以及 抗开裂性较差 同时以上材料均为热固性材料 在成 型固化后无法回收并重新利用 形成的固体废料在 正常条件下难以降解成对环境无害的产物或可重复 利用的化工原料 将对环境造成累积型污染 与环 保型 可持续发展型社会的建设与发展需求相悖 同 时也严重降低产品技术优势和生命周期 国外知名 电气厂家 已纷纷开展利用轻质高强尼龙 P A 作为 环氧绝缘制件的替代材料的研究工作 并陆续推出 相关产品 这项技术革新在提高产 品性能 降低制 品成本和重量的同时 亦可解决绝缘产品的回收问 题 同时 将大大降低 C O 的排放量 仅固封极柱 一 项产品 即可减少约 5 0 多的 C O 排放 每年约 为 3 0 0 0t t 一 P A及其复合材料具有强度高 耐冲击 耐高温 优异的加工特性以及绝缘性能好等诸多优点 是 一 种综合性能优异的绝缘材料 P A材料用于交流 绝缘电器实例包括交流接触器 8 继电器 小型断 路器 l明等 但 目前 国内电气厂家的产品 除了绝 缘拉杆外 P A制 品主要用于低 压 电器领域 低于 1 0 k V 其原因在于P A具有较高的吸水性 通常认 为 P A材料不适合作为高频和在湿态下工作的电绝 缘材料 所 以 P A材料在 中高压领域的应用受到 很多限制 笔者 主要考察 了尼龙 6 6 P A6 6 在不 同条件下 的吸水情况 以及在不同吸水率情况下包括击穿强 度 介 电常数 介电损耗等 电气性 能指标变化情况 为 P A材料在 中压 电气领域 中的产 品设计 和应用提 供实验依据 国家电网公司 2 0 1 4年科技项 目 可循环利用环保 型固体绝缘 材料研究 联系人 蔡凡一 博士 主要从事绝缘材料的开发与应用研究 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 0 1 8 8 工程塑料应用 2 0 1 5年 第 4 3卷 第 1 1 期 1 实验部分 1 1 主要原材料 P A6 6 E P R 2 7 平顶山神 马工程塑料有 限责任 公司 1 2 主要设备及仪 器 双螺杆挤出机 C T E 3 5 型 科倍隆 南京 机械 有限公司 高速混合机 Z H L 1 0 0型 震龙塑料机械有限 公司 注塑机 S A9 0 0 l I 2 6 0型 宁波海天塑机集 团 有限公司 工频高 电压设备 定制 北京冠测仪器有限公 司 漏电起痕试验仪 N L D B I I 型 北京冠测仪器 有限公司 高精密高压电容电桥 B R 3 4型 上海精密科学 仪器有限公司 1 3 性 能 测试 介电强度 采用等直径电极 按照 I E C 6 0 2 4 3 测试标准 样品尺寸为 O1 0 0 mm 1 I l l r n 升压速率 设为 2 0 k V S 进行测试 介 电常数 介 电损 耗 采用 圆盘状 电极 按 照 I E C 6 0 2 5 0 1 9 6 9测 试 标 准 样 品 尺 寸 为 01 0 0 mm 1 m m进行测试 体积电阻率 表面电阻 采用高精密高压电容 电桥 按照 I E C 6 0 0 9 3 1 9 8 0测试标准 样 品尺寸为 1 0 0l n n l 1 m l l 电化时间 2min进行测试 吸水性 采用自然敞口放置 恒温恒湿箱调节 水煮 烘箱烘干的方法 按照 I S O 6 2 2 0 0 8 标准 得 到不同吸水率的试样 1 4吸 水处理 通过真空干燥 室温水浴 沸水浴 恒温恒湿调 节等方法获得了不同吸水率的试样 处理条件见图 1 不同方式处理后的样品分别标记为 l 2 3 4 5 广 23 50 R H 1 L s 3 5 0 R H 2 注塑样条 一 7 5 6 2 R H 3 真 空 干 燥 2 4 h l 2 3 C H2 0 4 一 1 0 0 3 H 2 0 5 样品 i的相对吸水率 C f 由下式可得 C i m 广m m 1 0 0 1 式 中 m 为不 同处理方式后样条的质量 m为 在 9 5 真空干燥 2 4 h后注塑样条的质量 2 结果与讨论 2 1 吸水 性测试 图 2为不 同测试方法下 P A6 6吸水率 的变化 在相同时间内 P A 6 6的吸水率会随着环境湿度以 及温度的增加而增大 在沸水中浸煮 1 0 h 样品的 吸水 率 即可达 到 7 以上 而在 2 3 5 0 R H条 件下 自 然吸水 1 0 0 0 h 吸水率仅为1 2 由此可见 不同的测试方法对 P A 6 6 吸水率的影响非常大 斟 时同 h 一5 叫 一 3 一2 一I 图2 不同测试方法下 P A吸水率的变化 2 2 不 同吸水性 对 P A6 6介 电强度 的影 响 介 电强度 是指物质能抗击穿 材料结构遭 到破坏 和放 电的最高 电压梯度 定义为击穿 电压 与绝缘体厚度 的比值 即E U d 对于不同 厚度的试样 其工频交流击穿强度和试样厚度之间 存在指数衰减的相关关系 这是由材料的边缘效应 热效应 材料缺陷三方面的原 因导致 1 当样品厚 度相同时 绝缘材料介电击穿电压的变化即体现了 其介电强度的变化 对不同含水率的P A 6 6 试样进 行介电强度测试 得到其随吸水率变化的实验数据 见图 3 言 邑 岜 暖 林 厚 度 mm v 一 干燥 一 吸水率 1 o 一吸水率4 吸水率8 图 3 样 品厚度 吸水率对 P A6 6 击穿强度的影响 对于相同厚度的标准样片 I E C 6 0 2 4 3 1 而言 吸水率每增加 1 其介电强度约降低 6 8 这 是 因为当 P A 6 6的吸水率增大 时 材料结 晶度 随之 下降 导致材料的局部缺陷增多 同时由于介电损 蔡凡一 等 吸水性对 中压绝缘用尼龙 6 6电气性能 的影响8 9 一 言 一 姗 岛 蛙 吸水 翠 图 5 吸水率对 P A6 6体积电阻率的影响 对 于 P A 在 干态 至 8 吸水率 的情况下 吸水 率每增加 1 体积电阻率就减小约 1 个数量级 究其原因 P A的分子结构决定了其导电性能 P A 材料为极性高分子 而水分子的存在将会增加极性 高分 子 P A的极化度 同时其极性基 团 酰胺基 在极性水分子的作用下将会导致分子间库仑力降 低 极性基团可能发生本征解离 提供导电离子 故 吸水率的增加将会导致 P A电阻率的降低 类似介 电强度 即使 P A6 6 的吸水率达到 4 其体积电阻 率也在 1 1 0 n cm以上 仍具有一定绝缘性能 而国标对于中压环氧 的电阻率指标也在相 同数量级 参照 I E C 6 0 4 5 5 3 1 2 0 0 3 的系列化标准及 G B T 1 5 0 2 2 1 9 9 4系列化标准 1 2 4 吸水率对介电常数 介 电损耗 的影响 吸水率对 P A 6 6 介电损耗和介电常数的影响分 别见图6和图 7 随着吸水率的增加 这 2 项参数 均随之增加 水在低频条件下 以离子 电导的形式 增加电导电流 从而引起介电损耗 根 据 经 典的 Ma x we l l Ga r n e r理 论 两 相 复 合材 料 的 近似 介 电常 数 可近 似 推算 s s 1 和 分别 为 掺人 相 H O 8 0 和基 体相绝缘材 料 P A g i n 3 4 的介 电常 数 那么随着 P A吸水的增加 其介电常数必然随 之增加 同时从图7中可以看出 不同的吸水方法 会导致水分子与 P A 6 6 材料的结合程度有差别 导 致在相同吸水率的情况下介电常数不一致 犍 吸水率 图 6 吸水率对 P A6 6介 电损耗的影响 目 邑 粑 吸水翠 一5 一 q 图 7 吸水率对 P A6 6介电常数 的影响 3 结论 1 在 不 同 的 吸 水 测 试 方 法 下 P A6 6材 料 的 吸水 程 度 差 别 很 大 在 沸 水 中其 吸水 率 在 2 4 h内 即可达 到 9 而 在 空气 中室温 自然 吸水 5 0 R H 1 0 0 0 h 其 吸水率仅可达到 1 2 同时不 同的吸水测试方法都有相应的缺陷 可根据需要选 择合适的测试方法 2 P A 6 6的介电强度 体积电阻率随吸水率的 升高而降低 介电损耗 介电常数也有相应幅度的 增加 但在一定的吸水率范围内 P A 6 6 仍具有相 工程塑料应用 2 O 1 5年 第 4 3卷 第 1 1 期 当的绝缘性能 在 中压领域仍有一定 的应用潜力 参 考 文 献 1 纪江辉 张杰 王小丽 等 中压开关设备复合绝缘及固体绝缘技 术研究 J 电工电气 2 0 1 5 6 2 3 2 9 J i J ia ng hui Zha ng J ie W a n g X ia ol i e t a 1 Re s e a r ch o n i n s u l a t i o n t e ch n o l e g Y o f me d i u m a n d h i g h v o l t a g e s wi t ch g e a r J E l e ct r o t e ch n ics E l e ct r ic 2 0 1 5 6 2 3 2 9 2 彭蛟 中压 固体绝缘技术的发展 J 电气时代 2 0 1 2 5 7 6 7 7 Pe n g J ia o De v e l o pme n t o f m e d ium vo l t a g e s ol id in s ul a t io n t e ch n o l o g y J E l e ctr i c Ag e 2 0 1 2 5 7 6 7 7 3 3 孙竹森 兰剑 环保型金属封 闭开关设备的技术特点与发展趋势 J l 中国电业 技术版 2 0 1 4 6 5 3 5 6 S u n Zh u s e n La n J ia n T e ch n ica l ch a r a ct e ri s t ics a n d d e v e l o p me nt t e n d e n ci e s o f e n v i r o n me n t f r i e n d l y s wi t ch g e a r s J C h i n a E l e ct r i c P o we r T e chno l o gy E d it i o n 2 0 1 4 6 5 3 5 6 4 吴仲伟 热固性塑料机械物理法再生及再资源化研究 D 合肥 合肥工业大学 2 0 1 3 W u Zh o ng w e i Re s e a r ch o n r e ge ne r a t ion a nd r e cy cl in g o f t h e r m o s e t t in g pl a s t ics b a s e d o n me cha n ica l a n d p h ys ica l me t h od s D He f e i Hcf e i Un i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y 2 0 1 3 5 S e k u l a R R u e me n a p p T L j u s l i n d e r M e t a 1 G r e e n f o r 0 wt h r e cy cl i n gma k e s p r o d u ct s g r e e n e r J A B BRe v i e w 2 0 0 9 2 1 0 1 6 6 F u g e l T Ge n t s ch D K l a s k a A e t a 1 B r e a k i n g a h e a d o f e x p e ct a t i o n s J A B B R e v i e w s 2 0 1 0 1 5 7 6 2 7 彭治汉 施祖培 塑料工业手册 聚酰胺 M 化学 工业出版 社 2 0 0 1 Pe n g Zh ih a n S h i Zu p e i Ha n d b o o k o f p l a s t ic in d u s t r y P o l y a r n id e M C h e mi ca l I n d u s t r y P r e s s 2 0 0 1 8 张伟 别群梅 袁锦瑶 高 C T I 值 无 卤阻燃玻纤增强尼龙 6 6的 研究及应用 J 工程塑料应用 2 0 0 6 3 4 8 5 0 5 3 Z h a n g We i B i e Qu n me i Y u a n J i n y a o S t u d y o n h i C T I v a l u e h a l o g e n f r e e fl a me r e t a r d a n t g l a s s fi b r e r e i n f o r ce d n y l o n 6 6 J E n g i n e e r i n g P l a s tics Ap p l i ca t i o n 2 0 0 6 3 4 8 5 0 5 3 9 石建江 陈宪宏 肖鹏 阻燃玻纤增强尼龙 6 6的研制及其 应用 J 工程塑料应用 2 0 0 6 3 4 1 3 5 3 7 S h i J i a n j i a n g C h e n Xia n h o n g Xi a o P e n g De v e l o p me n t a n d a p p l i ca t io n o f fla me r e t a r d a n t g l a s s fib e r r e i n f o r ce d P A6 6 J E n g i n e e ri n g P l a s t i cs Ap p l i ca t i o n 2 0 0 6 3 4 1 3 5 3 7 1 0 陈武荣 钟立松 刘有龙 等 无 卤阻燃增强尼龙塑料的研究 J 绝缘材料 2 0 0 7 4 O 3 1 3 Ch e n Wur o n g Zh o n g Lis o ng Liu Yo u l o n g e t a 1 S t ud y o n h a l o ge n f r e e fla me r e t ard e d n y l o n mo l d ing c o mp o un d wit h h ig h s tr e n g th J I n s u l a t i n g Ma t e r ia l s 2 0 0 7 4 0 3 1 3 1 1 吴博 庞 承焕 吸水 率对 尼龙 6 介 电强度的影 响研究 明 塑 料 工业 2 0 1 0 3 8 6 4 4 4 6 W u Bo P a n g Ch e n g h u a n S t ud y th e in f lue n ce o fwa t e r a b s o r p t io n o n the d i e l e ct r i c s tr e n g t h o f n y l o n 6 J C h i n a P l a s t i cs I n d u s t r y 2 0 1 0 3 8 6 4 4 4 6 陶氏化学推荐易广道T M 水性环保跑道解决方案 陶氏化学公司是国际领先的多元化化学品公司 旗下建 筑用化学品业务部致力于通过建筑化学专业技术 科学及全 球网络 为我国的教育系统提供安全 环保且可持续性的创 新性解决方案 其中首推应用于跑道领域的易广道 水性 环保跑道专用胶粘剂技术 陶氏一直重视青少年的教育