廖瑞金　柳海濱　周年榮　夏桓桓　林元棣　郭　沛

絕緣紙熱老化對(duì)油浸絕緣紙空間電荷 生成及遷移特性的影響

廖瑞金1柳海濱1周年榮2夏桓桓2林元棣1郭沛1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司電力研究院 昆明 650217）

油紙絕緣介質(zhì)在高壓直流電場(chǎng)的作用下容易在其內(nèi)部積聚空間電荷，造成電場(chǎng)畸變進(jìn)而引發(fā)材料絕緣性能的下降，為了深入探索油紙絕緣系統(tǒng)空間電荷的生成機(jī)理，研究區(qū)分絕緣紙老化和絕緣油老化對(duì)油紙絕緣介質(zhì)空間電荷生成及遷移的影響具有重要意義。首先將纖維素絕緣紙?jiān)?30℃下進(jìn)行加速熱老化，然后將不同老化狀態(tài)絕緣紙浸漬新絕緣油，得到不同老化狀態(tài)的油紙?jiān)嚻?，最后運(yùn)用電聲脈沖（PEA）法研究油紙?jiān)嚻返目臻g電荷注入、遷移和消散特性，并分析單純絕緣紙老化對(duì)油紙絕緣試品在加壓和去壓過(guò)程中的空間電荷總量變化規(guī)律的影響，以及對(duì)油紙?jiān)嚻繁砻嫦葳迥芗?jí)密度分布的影響。結(jié)果表明：隨著絕緣紙老化程度的加深，加壓過(guò)程中陽(yáng)極處的正電荷密度峰值以及試品內(nèi)部負(fù)電荷密度峰值逐漸增大，去壓后空間電荷衰減速率減??；絕緣紙老化越嚴(yán)重，試品內(nèi)部積聚的空間電荷總量、試品的表面陷阱能級(jí)密度也越大。與絕緣油老化對(duì)油浸絕緣紙空間電荷特性的影響相比發(fā)現(xiàn)，絕緣油與絕緣紙的老化均會(huì)改變油紙絕緣介質(zhì)空間電荷分布，增大空間電荷注入總量，從而對(duì)材料絕緣性能造成巨大影響。

絕緣紙 油紙絕緣 熱老化 空間電荷 電荷總量 電聲脈沖法 表面陷阱能級(jí) 密度

0　引言

隨著我國(guó)能源需求總量的增長(zhǎng)以及對(duì)綠色清潔能源應(yīng)用的重視，特高壓直流輸電系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展［1，2］。特高壓直流輸電具備超遠(yuǎn)距離、超大容量和低損耗的送電能力，其系統(tǒng)核心換流變壓器的絕緣狀態(tài)將直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性［3］。油紙絕緣是構(gòu)成換流變壓器內(nèi)絕緣的主要形式，而油紙絕緣在直流條件下容易產(chǎn)生空間電荷［4］。油紙絕緣介質(zhì)內(nèi)部空間電荷的積聚、遷移和輸運(yùn)將會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而加速材料的老化，降低材料的絕緣性能，尤其在換流變壓器電壓突變與極性反轉(zhuǎn)的情況下，容易造成絕緣損壞從而引發(fā)事故［5，6］。因此研究直流電場(chǎng)條件下，油紙絕緣系統(tǒng)空間電荷的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工程電介質(zhì)領(lǐng)域開(kāi)展的空間電荷特性的研究工作，主要集中于聚乙烯等材料。油紙復(fù)合絕緣是由絕緣紙和絕緣油相互組合，共同組成了具有良好絕緣性能的系統(tǒng)，其構(gòu)成成分及絕緣結(jié)構(gòu)較純聚合物材料更為復(fù)雜，因此受限于測(cè)量的條件與技術(shù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)油紙絕緣材料空間電荷特性的研究起步較晚，目前取得的成果較為有限。1997年，Morshuis P和Jeroense M首次采用電聲脈沖（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）法對(duì)高壓直流電場(chǎng)中油紙絕緣材料的空間電荷進(jìn)行了測(cè)試，分析了油紙絕緣材料內(nèi)部的空間電荷對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生的影響［7，8］。Mas P和Touchard G在不同溫度下對(duì)油浸絕緣紙空間電荷特性進(jìn)行了測(cè)量，討論了溫度對(duì)于油紙絕緣材料空間電荷特性的作用［9］。周遠(yuǎn)翔等學(xué)者利用PEA法測(cè)試對(duì)不同直流電場(chǎng)下油紙材料的空間電荷的注入和積聚特性進(jìn)行了研究，指出了空間電 荷對(duì)于油紙絕緣擊穿強(qiáng)度以及沿面閃絡(luò)具有一定影響［10，11］。廖瑞金等學(xué)者也采用PEA法，分析了不同熱老化狀態(tài)以及不同水分和溫度條件下油紙絕緣材料的空間電荷特性［12-14］。吳鍇等學(xué)者測(cè)量了在各個(gè)電壓等級(jí)下不同溫度梯度的油紙材料空間電荷特性以及場(chǎng)強(qiáng)分布，分析了材料中可電離物質(zhì)以及溫差對(duì)于空間電荷分布的影響［15，16］。

上述研究在分析老化狀態(tài)對(duì)于油紙材料空間電荷特性的影響時(shí)，主要針對(duì)油紙復(fù)合絕緣的不同老化程度，而構(gòu)成油紙復(fù)合絕緣的絕緣油和絕緣紙單獨(dú)的老化對(duì)空間電荷特性的影響則鮮有研究。根據(jù)本課題組之前的研究，絕緣油老化對(duì)油紙絕緣介質(zhì)空間電荷形成及輸運(yùn)特性具有很大影響。絕緣油老化程度越深，相應(yīng)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻穬?nèi)部越容易注入和積聚空間電荷，絕緣油的老化還增大了油紙?jiān)嚻繁砻嫦葳迥芗?jí)密度，從而使得油紙?jiān)嚻穬?nèi)部積聚的慢速運(yùn)動(dòng)電荷的量隨著絕緣油老化程度的加重而增大［17，18］。

在此基礎(chǔ)上，本文利用PEA法，對(duì)新絕緣油浸漬的不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻返目臻g電荷特性進(jìn)行測(cè)量，分析了不同老化試品在加壓、去壓過(guò)程中的電荷總量變化規(guī)律，并計(jì)算得到了單純絕緣紙的老化狀態(tài)對(duì)于油浸絕緣紙?jiān)嚻繁砻嫦葳迥芗?jí)分布的影響，最后根據(jù)已有研究，對(duì)比分析絕緣油、絕緣紙的老化對(duì)油紙絕緣介質(zhì)空間電荷特性的影響。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料和測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)中所用絕緣油為新疆克拉瑪依產(chǎn)25#環(huán)烷基礦物變壓器油，所用絕緣紙為國(guó)產(chǎn)普通纖維素絕緣紙，厚度為50μm。本實(shí)驗(yàn)采用PEA法測(cè)量油浸紙?jiān)嚻房臻g電荷特性，測(cè)量裝置如圖1所示［13］。

圖1　PEA法空間電荷測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖1—電極（銅） 2—半導(dǎo)體層 3—油紙?jiān)嚻?4—鋁電極 5—PVDF 6—PMMA 7—鋁電極 8—電容 9—脈沖源 10—高壓直流源 11—電阻 12—前置放大器 13—示波器 14—計(jì)算機(jī)Fig.1　Measurement equipment used in PEA

測(cè)量時(shí)，試樣內(nèi)部的空間電荷在外加高壓窄脈沖的作用下發(fā)生微小位移，該位移以壓力脈沖波的形式被位于測(cè)量系統(tǒng)一極的壓電傳感器接收，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理之后便可以得到該試驗(yàn)內(nèi)部電荷密度的分布情況。該系統(tǒng)中脈沖源（ACIR-1-C型，加拿大AVTECH公司）脈沖寬度為2～5ns，脈沖電壓幅值為200V；高壓直流電源（AU-20R3-LC，日本MAT-SUSADA公司）輸出電壓為0～±20kV可調(diào)，該系統(tǒng)使用硅油作為聲耦合劑。

1.2樣品處理流程

1.2.1 絕緣紙老化狀態(tài)的表征和加速熱老化實(shí)驗(yàn)

聚合度（Degree of Polymerisation， DP）是指纖維素分子鏈中葡萄糖單體的平均個(gè)數(shù)，是目前最能有效表征絕緣紙老化程度的指標(biāo)，絕緣紙的聚合度越低，其機(jī)械強(qiáng)度越差，老化程度越嚴(yán)重［19］。因此在制備不同老化狀態(tài)絕緣紙?jiān)嚻愤^(guò)程中，對(duì)所取得試品的聚合度進(jìn)行測(cè)量，以表征其老化狀態(tài)。不同老化狀態(tài)的絕緣紙?jiān)嚻分苽淞鞒倘缦拢?/p>

（1）將厚度為50μm的絕緣紙裁剪成直徑3.5cm的圓片并放入燒杯中，然后放入90℃、50Pa真空浸油箱真空干燥24h。

（2）將干燥好的絕緣紙片裝入容量為1L的磨口燒瓶中，此時(shí)未向其中加入礦物油，再置于真空氮?dú)獠僮飨渲?，先抽真空，然后充入氮?dú)庵?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，密封燒瓶后置于130℃熱老化箱中進(jìn)行加速熱老化。

（3）定期對(duì)老化的試品進(jìn)行取樣，并進(jìn)行聚合度的測(cè)量，取樣時(shí)間點(diǎn)及所測(cè)聚合度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　不同老化狀態(tài)絕緣紙取樣時(shí)間及其聚合度Tab.1 Sampling time and DP of paper samples aged for different time

1.2.2 油浸絕緣紙?jiān)嚻返闹苽渑c空間電荷測(cè)試

油紙復(fù)合絕緣中水分含量將對(duì)空間電荷的分布產(chǎn)生很大影響［20］，因此為了盡可能地排除水分的干擾，確保絕緣紙不同老化狀態(tài)作為實(shí)驗(yàn)的單一變量，在測(cè)試前對(duì)油紙材料進(jìn)行如下預(yù)處理：

（1）將未使用過(guò)的礦物絕緣油倒入燒杯中，放入90℃、50Pa真空浸油箱進(jìn)行脫氣、脫水處理24h。

（2）將不同老化狀態(tài)的絕緣紙放入處理好的絕緣油中，置于40℃真空浸油箱中浸漬24h（利用卡爾費(fèi)休水分儀測(cè)試處理好的不同老化狀態(tài)油紙水分，所測(cè)得水分含量均在0.4%～0.6%之間）。

（3）對(duì)每個(gè)樣品在加壓60min和去壓30min內(nèi)的空間電荷密度分布進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)，環(huán)境溫度（28±1）℃，相對(duì)濕度為（40±2）%，對(duì)試品所加場(chǎng)強(qiáng)為30kV/mm。

2　測(cè)試結(jié)果

2.1油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻返目臻g電荷特性

2.1.1 加壓實(shí)驗(yàn)

圖2為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩?0kV/mm外施直流電場(chǎng)作用60min內(nèi)的空間電荷特性。圖中兩條豎直虛線處表示兩個(gè)電極的位置，左側(cè)表示陽(yáng)極，右側(cè)表示陰極，兩極之間則為介質(zhì)內(nèi)部。圖2a為絕緣油浸漬老化0天（d）絕緣紙油紙?jiān)嚻罚ㄒ韵潞?jiǎn)稱老化0天（d）試品，以此類推）加壓空間電荷特性。加壓一開(kāi)始，在試樣內(nèi)部就可以觀測(cè)到負(fù)電荷的注入，并且隨著加壓的進(jìn)行，由于負(fù)電荷的注入和正電荷的遷移，電荷密度曲線不斷向陽(yáng)極方向移動(dòng)，試樣內(nèi)部負(fù)電荷的電荷密度逐漸增加，積聚更加明顯，陽(yáng)極處電荷密度不斷增大。在加壓進(jìn)行到30min時(shí)，陽(yáng)極處電荷密度達(dá)到峰值，試樣內(nèi)部負(fù)電荷密度也達(dá)到最大值，此后正電荷向試樣內(nèi)部移動(dòng)，陽(yáng)極處正電荷密度以及試樣內(nèi)部負(fù)電荷密度均減小。

圖2 油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩?0kV/mm 外施直流電場(chǎng)下的空間電荷特性Fig.2 Space charge distribution of oil impregnated insulation paper aged for different time under 30kV/mm

圖2b為老化5d試品空間電荷特性。從圖中可以看出其電荷密度曲線的變化規(guī)律同圖2a基本一致。在加壓0～30min內(nèi)，陽(yáng)極處電荷密度不斷增大，試樣內(nèi)部負(fù)電荷注入不斷加深；在加壓30～60min內(nèi)，由于正電荷向試樣內(nèi)部的注入和正負(fù)電荷復(fù)合的進(jìn)行，陽(yáng)極處正電荷密度和試樣內(nèi)部負(fù)電荷密度均有減小的趨勢(shì)。另外，陽(yáng)極處正電荷密度峰值也較圖2a中有一定程度的增加。

圖2c為老化10d試品空間電荷特性。同圖2a、圖2b相比，其特性曲線存在一定差異，在整個(gè)加壓過(guò)程中，陽(yáng)極處正電荷密度以及試樣內(nèi)部負(fù)電荷密度均不斷增大，在加壓60min時(shí)達(dá)到峰值。造成這種現(xiàn)象的主要原因是新材料內(nèi)部所含可電離雜質(zhì)較少，加壓后電離過(guò)程迅速完成，而老化使材料內(nèi)部可電離雜質(zhì)增加，加壓后完成電離過(guò)程所需時(shí)間增長(zhǎng)［21］。陽(yáng)極處的正電荷密度和試樣內(nèi)部負(fù)電荷密度較圖2a、圖2b有了明顯的增加。

圖2d為老化18d試品空間電荷特性。其注入行為同老化0d、5d、10d試品基本類似。老化越嚴(yán)重，陽(yáng)極處和試樣內(nèi)部的電荷密度峰值越大，未老化油紙樣品陽(yáng)極處的電荷密度峰值為34C/m3，而老化末期18d油紙?jiān)嚻逢?yáng)極處的電荷密度峰值達(dá)到了63C/m3，后者約為前者的1.7倍；試樣內(nèi)部負(fù)電荷密度峰值在老化初期和老化末期的值分別為-5C/m3和-12C/m3，后者約為前者的2.4倍。

聚合物內(nèi)部積聚的空間電荷主要由兩種途徑產(chǎn)生：一是由于電極與試品界面處的勢(shì)壘較低，利于熱電子的發(fā)射，從而由電極向試品內(nèi)部注入同極性電荷；二是由于試樣內(nèi)部中存在的可電離性雜質(zhì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生電離產(chǎn)生的，稱為異極性電荷［15，22］。觀察圖2的結(jié)果可以看出，對(duì)于油浸不同老化階段絕緣紙油紙?jiān)嚻返目臻g電荷加壓特性，在整個(gè)加壓過(guò)程中，均表現(xiàn)為明顯的負(fù)電荷的積聚，試品內(nèi)部負(fù)電荷密度隨著加壓時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增大，但陰極處負(fù)電荷密度并沒(méi)有隨著負(fù)電荷的注入而降低，反而隨之增加，由此可見(jiàn)試品內(nèi)部空間電荷來(lái)源主要是可電離性雜質(zhì)發(fā)生電離產(chǎn)生。

2.1.2 去壓試驗(yàn)

圖3為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩诔啡ネ馐┲绷麟妶?chǎng)后30min內(nèi)的空間電荷特性。從圖中可以看出，油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷特性曲線的消散規(guī)律基本類似。在撤去外加電場(chǎng)之后，加壓過(guò)程中積聚于陽(yáng)極處的正電荷迅速消散，并逐步感應(yīng)出一定量的負(fù)電荷。老化程度越深，陽(yáng)極處正電荷消散越緩慢，感應(yīng)出的負(fù)電荷到達(dá)密度峰值所需時(shí)間越長(zhǎng)，其負(fù)電荷密度也越大。老化0d、5d、10d和18d試品陽(yáng)極處感應(yīng)的負(fù)電荷密度峰值分別是：-1.1C/m3、-1.5C/m3、-2.7C/m3和-3.0C/m3。在試樣內(nèi)部，四個(gè)不同老化階段在去壓10s時(shí)試樣內(nèi)部殘留的負(fù)電荷密度呈逐步增大的趨勢(shì)。此外，油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩谌?min內(nèi)，均可以觀察到顯著的負(fù)電荷殘留。而去壓5min之后，負(fù)電荷快速消散，試樣內(nèi)部表現(xiàn)為正電荷的入陷，造成這種現(xiàn)象的可能的原因是：試樣 內(nèi)部負(fù)電荷的入陷以淺陷阱為主，正電荷較多地分布于深陷阱中，使其更難以脫陷，從而使得試品在去壓過(guò)程中，負(fù)電荷消散較快而正電荷消散較為緩慢。

圖3　油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻?去壓空間電荷特性Fig.3　Space charge decay of oil impregnated insulation paper aged for different time

3　分析與討論

3.1油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷

總量變化規(guī)律

根據(jù)式（1）空間電荷密度與電荷總量的積分關(guān)系，可以計(jì)算出試品內(nèi)部空間電荷積聚總量

式中，Q（t）為試品內(nèi)部電荷總量；ρ（t）為空間電荷密度函數(shù)；S為電極面積；d為試品厚度。

圖4為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩诩訅哼^(guò)程中空間電荷總量與時(shí)間的關(guān)系。如圖4所示，老化0d、5d試品其空間電荷總量變化趨勢(shì)基本類似。加壓之后，試品內(nèi)部空間電荷總量迅速增加，并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其增長(zhǎng)的速率有所減緩并在10min左右達(dá)到穩(wěn)定，隨后由于正負(fù)電荷的復(fù)合以及遷移，加壓30min后電荷總量略微減小直至加壓結(jié)束。老化10d試品在加壓0～40min過(guò)程中，空間電荷總量不斷增大，在0～20min增加速率較快，之后增加速率逐漸降低，在40min后出現(xiàn)小幅降低的趨勢(shì)。老化18d試品空間電荷總量在整個(gè)加壓過(guò)程中一直增加。

圖4　油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩诩訅哼^(guò)程中的空間電荷總量Fig.4　Total amount of charge of oil impregnated insulation paper aged for different time under electrical field

從圖4可以看出，隨著絕緣紙老化程度的增加，試品內(nèi)部積聚的空間電荷總量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，老化0d試品和老化18d試品在加壓過(guò)程中電荷總量最大值分別為16.5×10-8C和26.1×10-8C。這主要是由于組成絕緣紙的主要成分纖維素、半纖維素在老化過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱裂解、水解和氧化等一系列物理化學(xué)變化，增加了絕緣紙內(nèi)部陷阱的分布密度和陷阱深度，從而提升了材料容納和束縛電荷的能力，使得積聚的空間電荷總量增大；此外，絕緣紙的老化會(huì)產(chǎn)生許多極性分子以及可電離性雜質(zhì)，這也會(huì)使正負(fù)電荷注入試品內(nèi)部變得更加容易［21，23］。

圖5為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩谌?0min內(nèi)空間電荷總量同時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，老化0d、5d、10d試品在去壓10min之后，試品內(nèi)部空間電荷總量達(dá)到穩(wěn)定，老化18d試品在去壓10min之后，電荷總量衰減趨勢(shì)趨于平緩，但隨衰減時(shí)間延長(zhǎng)，仍呈現(xiàn)出小幅下降的趨勢(shì)。老化程度越深，去壓結(jié)束時(shí)，樣品內(nèi)部殘留的電荷總量也越大。綜合可知，油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻穬?nèi)部積聚的空間電荷總量均隨去壓時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，并且在去壓初期，電荷總量衰減較為迅速，之后衰減趨勢(shì)趨于平緩。

圖5　油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩?去壓過(guò)程中的空間電荷總量Fig.5　Total amount of charge of oil impregnated insulation paper aged for different time during decay process

表2為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻吩谌?0min內(nèi)空間電荷總量同時(shí)間的關(guān)系的擬合結(jié)果。由表2可見(jiàn)，油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷總量衰減曲線整體呈現(xiàn)指數(shù)衰減的規(guī)律。

表2　油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻啡哼^(guò)程中 空間電荷總量和時(shí)間的關(guān)系Tab.2　Relationship between space charge amount and time for oil impregnated insulation paper aged for different time

3.2油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻繁砻嫦葳迥芗?jí)分布規(guī)律

電介質(zhì)材料在直流電場(chǎng)中的空間電荷動(dòng)態(tài)特性，能夠有效反映其微觀陷阱能級(jí)分布情況，因此根據(jù)文獻(xiàn)［24］提出的方法，可以根據(jù)電介質(zhì)在直流加壓后的去壓過(guò)程中空間電荷總量衰減規(guī)律，推導(dǎo)出材料內(nèi)部陷阱能級(jí)密度分布規(guī)律。當(dāng)加在油紙絕緣介質(zhì)上的直流電壓撤去后，介質(zhì)內(nèi)部被淺能級(jí)陷阱俘獲的載流子先被釋放，入陷在深能級(jí)陷阱中的載流子后釋放，在不同溫度下隨時(shí)間衰減的載流子釋放電流反應(yīng)了試樣內(nèi)部陷阱能級(jí)分布規(guī)律。若假設(shè)已被釋放出的載流子不會(huì)再被陷阱俘獲，則可以得到陷阱能級(jí)Et以及電流密度j和陷阱密度NT的關(guān)系

式中，f0（Et）為介質(zhì)中陷阱的初始占有率；q為電子電量；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；v為電子震動(dòng)頻率；L為樣品厚度；電子陷阱的能量以導(dǎo)帶底為零點(diǎn)計(jì)算，空穴陷阱的能量以價(jià)帶頂為零點(diǎn)計(jì)算。令η1= f0（Et）qLkT/2；η2=r`A/L，其中r`為電荷平均重心，A為常數(shù)，則可以得到

因此，根據(jù)式（4）就可以得到油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻繁砻嫦葳迥芗?jí)分布情況。

圖6 油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻?陷阱能級(jí)密度分布Fig.6　Density distribution of trap energy for oil impregnated insulation paper aged for different time

圖6為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻繁砻嫦葳迥芗?jí)分布圖，四個(gè)階段老化樣品的陷阱能級(jí)均分布在0.75～0.97eV之間。隨著老化程度的增加，試樣表面陷阱能級(jí)密度有逐漸增加的趨勢(shì)，并且陷阱能級(jí)密度分布，從加壓初期的以淺陷阱能級(jí)為主，變?yōu)槔匣┢谝陨钕葳迥芗?jí)為主。老化0d、5d、10d、18d試品的陷阱能級(jí)密度達(dá)到最大值時(shí)，其陷阱能級(jí)分別為：0.87eV、0.88eV、0.90eV和0.91eV。由此可見(jiàn)，絕緣紙的老化加深了油紙絕緣介質(zhì)表面陷阱能級(jí)，這也進(jìn)一步解釋了圖5中隨著老化程度加深，空間電荷衰減速率減慢，內(nèi)部殘留增加。

3.3油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻放c不同老化狀態(tài)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻房臻g電荷特性比較

文獻(xiàn)［16］為本課題組針對(duì)絕緣油老化對(duì)油紙絕緣介質(zhì)空間電荷特性的影響所做的研究。這里為了進(jìn)一步研究絕緣紙與絕緣油的老化分別對(duì)油紙?jiān)嚻房臻g電荷特性所產(chǎn)生的影響，將圖2和圖3所測(cè)得結(jié)果同文獻(xiàn)［16］研究的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不同老化狀態(tài)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻?，其空間電荷特性變化十分明顯。與老化0d絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻废啾龋匣?2d絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻房臻g電荷在陽(yáng)極處的電荷密度峰值一直向試品內(nèi)部移動(dòng)，并且絕緣紙-絕緣紙界面處積聚的電荷密度增長(zhǎng)顯著，在中間層絕緣紙和貼近陰極側(cè)的絕緣紙內(nèi)均發(fā)現(xiàn)新的正負(fù)電荷密度峰值。同油浸老化0d絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷特性相比，油浸老化18d絕緣紙油紙?jiān)嚻吩陉?yáng)極處的正電荷密度以及在試樣內(nèi)部的負(fù)電荷密度峰值均明顯增大；隨絕緣紙老化程度加深，試品中的陷阱分布密度增大，陷阱深度加深，造成試品在加壓后電荷密度達(dá)到極值所需時(shí)間隨之增長(zhǎng)。

圖7為油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻泛筒煌匣癄顟B(tài)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻返睦匣┢谂c未老化樣品在加壓過(guò)程中電荷總量之比。由圖7可知，對(duì)于油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻泛筒煌匣?狀態(tài)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻?，加壓時(shí)間越長(zhǎng)，老化末期與未老化樣品的空間電荷總量的比值越大；在加壓5min之后，不同老化狀態(tài)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻返睦匣┢谂c未老化樣品的空間電荷總量的比值開(kāi)始大于油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻罚⑶以诩訅?0min時(shí)，其比值均達(dá)到最大值，分別為330%和170%。

圖7　油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻泛筒煌匣癄顟B(tài)絕緣油浸漬油紙?jiān)嚻返睦匣┢诩訅弘娏颗c 老化初期加壓電量之比Fig.7　Oil impregnated insulation paper aged for different time's and paper impregnated with oil aged for different time's total amount ratio of last aging state to initial aging state

絕緣紙?jiān)诶匣^(guò)程中，受到溫度、水分和氧氣的聯(lián)合作用，其主要特征基團(tuán)均會(huì)受到一定程度的破壞，絕緣紙纖維素分子內(nèi)或分子間氫鍵在老化應(yīng)力作用下斷裂，氫鍵數(shù)目減小，纖維素分子鏈間作用力減小，分子鏈排列的有序程度下降，結(jié)晶區(qū)域遭到了破壞，結(jié)晶區(qū)域的缺陷在直流電場(chǎng)的作用下能夠俘獲電荷，從而形成具有俘獲電荷能力的陷阱；絕緣紙的老化生成的產(chǎn)物中包含具有羰基基團(tuán)的呋喃化合物、丙酮等，而含有羰基的雜質(zhì)將導(dǎo)致絕緣材料的空間電荷注入更容易，使其更加難以脫陷，從而增大絕緣紙內(nèi)部空間電荷的注入總量以及去壓后的空間電荷殘余。

因此可以看出，不論是絕緣油的老化還是絕緣紙的老化，均會(huì)對(duì)油紙絕緣介質(zhì)空間電荷注入和遷移特性造成顯著影響。熱老化增大了絕緣材料容納電荷以及束縛電荷的能力，使空間電荷更易注入試品內(nèi)部，積聚在材料內(nèi)部的空間電荷總量增加，同時(shí)入陷在陷阱中的載流子將更加難以脫陷，從而使去壓后材料內(nèi)部空間電荷消散速率變慢。

4　結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)量絕緣油浸漬不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷特性，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

（1）隨著絕緣紙老化程度的加深，油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷加壓特性在陽(yáng)極處的正電荷密度峰值以及試樣內(nèi)部的負(fù)電荷密度峰值均明顯增大。本次試驗(yàn)中，老化18d試品在陽(yáng)極處的正電荷密度以及試品內(nèi)部負(fù)電荷密度分別是未老化試品的1.7倍和2.4倍。絕緣紙老化越嚴(yán)重，材料內(nèi)部所含可電離雜質(zhì)越多，試品在加壓后電荷密度達(dá)到極值所需時(shí)間隨之越長(zhǎng)。

（2）絕緣紙老化程度越嚴(yán)重，在加壓過(guò)程中油紙?jiān)嚻穬?nèi)部積聚的空間電荷總量越大，在本次實(shí)驗(yàn)中，未老化樣品在加壓過(guò)程中電荷總量約為160nC，老化末期樣品的加壓電荷總量約為260nC，后者為前者的1.7倍。隨絕緣紙老化程度加深，去壓過(guò)程電荷總量衰減速率降低，電荷殘留增多，經(jīng)計(jì)算得到相應(yīng)的試品表面陷阱能級(jí)密度增大。

（3）結(jié)合絕緣油老化對(duì)油紙絕緣介質(zhì)空間特性的影響，發(fā)現(xiàn)在絕緣油與絕緣紙老化前后，油紙?jiān)嚻返目臻g電荷特性均發(fā)生顯著變化，老化末期樣品加壓電荷總量均明顯大于未老化樣品加壓電荷總量。熱老化將對(duì)絕緣紙的官能團(tuán)產(chǎn)生破壞作用，同時(shí)生成一系列易于極化的或帶電的老化產(chǎn)物，從而影響油紙?jiān)嚻返目臻g電荷特性。

（4）油浸不同老化狀態(tài)絕緣紙油紙?jiān)嚻房臻g電荷特性還可能受到試品厚度，油紙絕緣介質(zhì)界面效應(yīng)以及電壓極性的影響，仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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廖瑞金 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)與故障診斷研究和高電壓測(cè)試技術(shù)工作。

柳海濱 男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備的運(yùn)行、診斷與維護(hù)。

Influence of Insulation Paper’s Thermal Aging on the Formation and Migration Behavior of Space Charge in Oil-Paper Insulation Dielectrics

Liao Ruijin1Liu Haibin1Zhou Nianrong2Xia Huanhuan2Lin Yuandi1Guo Pei1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Yunnan Electric Power Research Institute （Group） Co. Ltd. Kunming 650217 China）

Space charge is easy to accumulate in oil-paper insulation system under high voltage DC field， which will cause the distortion of internal electric field， thus leading to the degradation of material insulation performance. Therefore， research on the influence of insulation paper aging on the space charge properties in oil-paper insulation dielectrics is of great significance. In this respect， the accelerated thermal aging experiment of insulation paper is conducted under 130℃ and then these papers was impregnated with new insulation oil to get the oil-paper aged for different time. Then the injection， migration and dissipation characteristics in oil-paper insulation system were studied with pulsed electro-acoustic（PEA） method. The influence of insulation paper's thermal aging on the total amount of space charge under voltage on process and decay process， were investigated as well as on the surface trap energy density. The results show that the maximum positive charge density at the anodeand the maximum negative charge density within the samples during voltage on process increase while the decay rates of space charges decrease with the insulation paper aging degree.The more the deterioration of the insulation paper， the larger the total amount of space charge with samples and the surface trap energy density. By investigating the influence of oil aging on space charge properties in oil-paper insulation dielectrics， it turns out the thermal agings of insulation oil and paper both will affect the distribution of space charge in oil-paper insulation dielectrics and increase the total amount of space charge， thus causing a great influence on the insulation performance of materials.

Insulation paper， oil-paper insulation， thermal aging， space charge， total amount of space charge， pulsed electro-acoustic（PEA）method， total amount of space charge， surface trap energy density

TM85

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277187）。

2013-10-14 改稿日期 2013-12-06