基于k型热电偶的测温系统设计（基于热重红外联用的复合绝缘子芯棒热解特性研究）
基于k型热电偶的测温系统设计（基于热重红外联用的复合绝缘子芯棒热解特性研究）异常发热产生的高温会加速芯棒中树脂基体的分解，进而导致芯棒机械性能下降、甚至引发异常断裂。因此亟需对复合绝缘子芯棒的受热分解机理进行深入研究，为预防复合绝缘子发热提供理论依据。近年来，我国多个地区的500kV输电线路复合绝缘子发生了异常断裂事故，部分断裂在事故发生前曾出现显著异常发热现象[4 5]。此外，解剖发现大部分异常发热与异常断裂绝缘子的高温区域都存在芯棒/护套粘接不良、芯棒严重劣化等现象[6-8]。由此可见，复合绝缘子的异常发热与异常断裂密切相关。第一阶段（270~470℃）样品的热失重主要由环氧树脂基体发生热分解所致，气体产物主要为醛类、酮类、酸类和CH4；第二阶段（470~620℃）样品的热失重则是由于环氧树脂基体热解生成的残渣进一步发生氧化反应所致，气体产物主要为H2O、CO2及CO等；芯棒热解过程中的表观活化能在104~524kJ/mol范围内变化，并且活化能上升对应热解第
摘要
华南理工大学电力学院、南方电网科学研究院有限责任公司的研究人员谢从珍、曾磊磊等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，近年来我国交流500kV输电线路复合绝缘子异常发热故障时有发生，给输电线路安全运行带来隐患。
为了研究复合绝缘子芯棒的受热分解机理，该文采用热重红外联用技术（TG-FTIR）和分布式活化能模型（DAEM）探讨不同升温速率下芯棒的热解过程及气体产出规律。
结果表明：不同升温速率下的热重和微分热重曲线形状基本一致，且随着升温速率的增大，热解起始和终止温度均向高温侧移动；芯棒材料的热失重主要发生在270~620℃温度范围内，并分为两个阶段：
第一阶段（270~470℃）样品的热失重主要由环氧树脂基体发生热分解所致，气体产物主要为醛类、酮类、酸类和CH4；第二阶段（470~620℃）样品的热失重则是由于环氧树脂基体热解生成的残渣进一步发生氧化反应所致，气体产物主要为H2O、CO2及CO等；芯棒热解过程中的表观活化能在104~524kJ/mol范围内变化，并且活化能上升对应热解第一阶段，活化能下降对应热解第二阶段。
研究结果可为进一步探讨芯棒材料的热老化机理提供理论参考。
复合绝缘子的芯棒以合成树脂为基体、玻璃纤维为增强材料制成，又称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastic，FRP），是复合绝缘子中承担机械负荷和内绝缘的主体，其性能优劣决定复合绝缘子的使用寿命[1-3]。
近年来，我国多个地区的500kV输电线路复合绝缘子发生了异常断裂事故，部分断裂在事故发生前曾出现显著异常发热现象[4 5]。此外，解剖发现大部分异常发热与异常断裂绝缘子的高温区域都存在芯棒/护套粘接不良、芯棒严重劣化等现象[6-8]。由此可见，复合绝缘子的异常发热与异常断裂密切相关。
异常发热产生的高温会加速芯棒中树脂基体的分解，进而导致芯棒机械性能下降、甚至引发异常断裂。因此亟需对复合绝缘子芯棒的受热分解机理进行深入研究，为预防复合绝缘子发热提供理论依据。
热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）是研究物质热分解机理的有效手段，目前，已有国内外学者采用热重分析对复合绝缘子的芯棒或其同类材料的热解过程进行了研究[9-11]。
热重红外联用（Thermogravimetric Infrared，TG-FTIR）是一种结合热重分析和红外光谱分析的检测技术，除了可研究物质在受热过程中的失重规律外，还可对热解过程中生成气体的成分进行鉴定并实时检测其相对含量的变化规律[12]，具有准确、灵敏、在线分析等优点，更适用于芯棒材料的热解机理研究。
多年来，国内外学者相继将TG-FTIR技术运用于煤、生物质、塑料垃圾等复杂物质的热解研究[13-18]，而目前尚未见到将TG-FTIR技术应用于复合绝缘子芯棒热解特性研究的相关报道。
热解动力学是研究物质热解特性的重要方法[18]，针对动力学参数的计算，研究人员提出了动力学模式函数法、成核与生长法以及N维扩散法等方法，对同一样品采用上述不同方法的计算结果往往具有较大的差距。
复合绝缘子芯棒由合成树脂基体及纤维增强材料等多组分构成，热解过程涉及的反应较多，不同反应所需的活化能不同，而采用传统单一模式函数法（如Kissinger法、Friedman法和Flynn-Wall-Ozawa法等）仅能获得某个温度区间内的单一活化能，不能准确反映芯棒在热解过程中活化能随反应的加深而产生变化的规律，具有一定的局限性[19-21]。
分布活化能模型（Distributed Activation Energy Model，DAEM）认为物质的热解由无穷多个相互独立的一级反应组成，且反应活化能呈连续函数分布（如Gaussian分布），利用该模型可对物料热解过程中的反应特性变化进行研究，从而有效弥补传统动力学模型的不足[16]。
DAEM主要应用于复杂固体的热解活化能和转化率关系的研究，目前已广泛用于解析一些复杂反应体系（如煤、油页岩、聚合物及木炭等）的热解反应。
本文采用TG-FTIR技术研究复合绝缘子芯棒样品的热失重特性及热解产物生成规律，结合分布活化能模型研究了芯棒的热解反应机理，为进一步探讨芯棒材料的热老化机理提供理论参考。
结论
本文利用TG-FTIR联用技术对复合绝缘子芯棒的热解过程及产出气体组分进行研究，得到以下结论：
1）芯棒材料的热失重主要发生在270~620℃温度范围内，并且其热失重过程可分为两个阶段。在第一阶段（270~470℃），芯棒样品的热失重主要是环氧树脂基体发生热分解所致；在第二阶段（470~ 620℃），样品的热失重则是由于树脂基体热解生成的残渣进一步发生氧化反应；在620℃之后，芯棒样品的质量不再发生变化。
2）不同升温速率下，芯棒样品的TG、DTG曲线形状基本一致，但随着升温速率的增大，各热解阶段的起始和终止温度向高温侧移动。
3）芯棒样品在热分解过程中的气态产物主要为醛类、酮类、酸类、CH4、H2O、CO2及CO等小分子气体。其中，在热解的第一阶段，芯棒样品生成的气体主要为醛类、酮类、酸类和CH4；在热解的第二阶段，芯棒样品中的树脂基体热解残渣进一步发生氧化反应，生成H2O、CO2及CO等气体。
4）对芯棒样品热分解过程进行动力学分析，发现在热解过程中，芯棒样品的活化能呈先增加后降低趋势，其表观活化能在104~524kJ/mol范围内变化，并且活化能上升阶段对应热解的第一阶段，活化能下降阶段对应热解的第二阶段。
本文从热重分析、热解气相产物特性分析和热解动力学分析三个方面出发，分别得到了热解过程可分为两个阶段的相同结论，研究结论可相互验证。本文的研究结果可为进一步探讨芯棒材料的热老化机理提供理论参考。
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