范 舟，陳偉根，楊定坤，鄒經(jīng)鑫

(1.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210024; 2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044; 3.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

電力變壓器的油紙絕緣老化會(huì)引起設(shè)備故障，影響電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。由礦物絕緣油和纖維絕緣紙組成的油紙絕緣系統(tǒng)是變壓器等油浸式輸配電設(shè)備內(nèi)部絕緣的主要方式，也決定了變壓器的運(yùn)行壽命[1-2]。目前變壓器老化狀態(tài)分析主要為熱老化進(jìn)行。而變壓器在實(shí)際運(yùn)行中，絕緣系統(tǒng)受溫度、電場(chǎng)、機(jī)械力和環(huán)境因素影響，發(fā)生多因子老化，其中電熱老化是研究最多的應(yīng)力組合方式。Dakin提出了經(jīng)典熱老化模型，解決了10 ℃經(jīng)驗(yàn)規(guī)則在不同運(yùn)行條件下老化速率差異的問題，也為高溫下進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)提供理論支撐[3]。局部放電的累積效應(yīng)[4]使得絕緣表面形成更強(qiáng)烈放電，進(jìn)一步加快固體絕緣的裂解，引發(fā)變壓器油紙絕緣電老化。老化過程中，油和、紙絕緣性能會(huì)有一定程度下降，并通過部分特征量的變化和生成來間接反映。

因此，本文開展了油紙絕緣加速老化實(shí)驗(yàn)，獲取不同老化類型下不同老化程度的代表性油紙樣本。通過場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡[5]（SEM）、X射線光電子能譜[6]（XPS），從絕緣紙表面形貌和電子結(jié)合能的微觀角度，對(duì)比熱應(yīng)力與電熱應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化過程的影響，探討電熱老化時(shí)油紙裂解過程與其化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性，證明基于電場(chǎng)和溫度共同作用下油紙絕緣老化狀態(tài)分析的合理性與必要性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 油紙絕緣實(shí)驗(yàn)材料

如圖1設(shè)計(jì)了模擬變壓器繞組匝間絕緣缺陷模型[7]，將紙包銅繞組加工成Pig-tail形狀，兩側(cè)紙厚3 mm。用尼龍6材料緊密固定，并加工孔洞用于連接高、低電極盤。絕緣紙（重慶南瑞博瑞變壓器廠）和絕緣油（川潤石化公司）的參數(shù)具體如表1所示。

預(yù)處理參照真實(shí)變壓器繞組絕緣的處理過程[8]：1）絕緣油和絕緣紙按照10∶1的比例分開放置于真空干燥箱中，在90 ℃/50 Pa的條件下真空干燥48 h，紙的水分含量控制在0.5%以下；2）將干燥的絕緣紙和Pig-tail繞組迅速放入干燥后的礦物油中浸漬，同樣在90 ℃/50 Pa條件下真空干燥48 h，并充入氮?dú)饷芊狻?/p>

1.2 電熱老化實(shí)驗(yàn)方法

檢測(cè)局部放電信號(hào)評(píng)估電老化的影響程度[9]。

在脈沖電流法基礎(chǔ)上，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60270-2000搭建電熱老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括試驗(yàn)變壓器、老化罐、羅氏線圈、數(shù)字示波器等，如圖2所示。

根據(jù)前期研究：普通絕緣紙、礦物絕緣油組成的絕緣系統(tǒng)在130 ℃下老化25 d，絕緣紙聚合度降低至200左右。在電熱老化的過程中，油紙的老化溫度設(shè)為130 ℃，最長(zhǎng)老化時(shí)間設(shè)為25 d。通過油浴加熱的方式控制罐體內(nèi)油紙樣品老化溫度。罐中可放置6組Pig-tail繞組，銅導(dǎo)線與電極盤相連，繞組與罐壁保持一定的絕緣距離，通過加壓和加熱方式實(shí)現(xiàn)電熱老化。根據(jù)重慶ABB公司對(duì)油浸式變壓器繞組間油紙的耐受電壓值測(cè)試結(jié)果，當(dāng)油紙間所受電場(chǎng)強(qiáng)度大于3 kV/mm時(shí)，繞組間油紙會(huì)發(fā)生加速電老化。本文采用改進(jìn)的階梯升壓法[10]開展電老化試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前，采用標(biāo)準(zhǔn)脈沖校正信號(hào)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行視在放電量的校正，在每次升高電壓前利用數(shù)字示波器采集60組工頻放電信號(hào)，時(shí)域?qū)挾葹?0 ms，采樣頻率設(shè)置為100 MS/s，每隔2 h升高1 kV，直至樣品發(fā)生擊穿。在老化過程中，按照預(yù)先制定的取樣時(shí)間取出一批油紙絕緣樣品，測(cè)試其聚合度以保證所制作樣品的典型性。

圖1 Pig-tail電極模型示意圖

表1 絕緣油和絕緣紙的參數(shù)

1.3 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

研究中所用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（型號(hào)Mira3 LMH）表征不同老化狀態(tài)的絕緣紙表面微觀形貌，分析在電和熱作用下絕緣紙大分子纖維素降解過程中纖維素緊密度和均勻度的變化情況。采用X射線光電子能譜儀（型號(hào)ESCALAB250Xi）對(duì)絕緣紙表面元素及元素含量進(jìn)行定性定量分析，分析化學(xué)性能的變化情況。各取4種狀態(tài)的絕緣紙作為SEM和XPS的研究對(duì)象：1)未老化絕緣紙；2)老化3 d絕緣紙；3)老化10 d絕緣紙；4)老化25 d絕緣紙。在測(cè)試前，將絕緣紙浸泡在正己烷中，反復(fù)清洗3次，去除表面殘留的絕緣油并干燥真空保存。

圖2 電熱老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合度變化情況

從老化罐中定期取樣，取樣時(shí)間分別選取0，1，3，5，7，10，15，25 d，按照ASTM D4243測(cè)試絕緣紙的聚合度。

圖3表示不同老化時(shí)間的油紙絕緣樣品，可以看出，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，兩組絕緣油均由無色透明變?yōu)樯詈稚?，且電熱老化組顏色更深。

圖3 不同老化程度的油紙絕緣樣品

兩組樣品的絕緣紙聚合度變化如圖4所示，可看出聚合度隨老化時(shí)間的增加均呈明顯下降趨勢(shì)，在油紙絕緣壽命的前中期（聚合度＞500），下降迅速。隨著老化加深，聚合度變化漸緩。相同時(shí)間，電熱老化組聚合度下降速度相對(duì)于熱老化組更快，說明在受到電場(chǎng)和溫度的共同作用下，其老化裂解速度更快。老化25 d時(shí)，聚合度下降至200以內(nèi)，最先滿足聚合度極限閾值理論。并且在老化15 d后兩組樣品的老化速率緩慢，因?yàn)槔w維素降解到一定程度，其裂化降解速度逐漸趨于0，其值不再發(fā)生明顯變化，所獲取的油紙樣品符合油紙老化機(jī)理。

圖4 不同老化狀態(tài)的聚合度大小變化情況

2.2 電熱老化下PRPD圖譜特征

將數(shù)字示波器采集到的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)60組局放信號(hào)經(jīng)Matlab 2015b處理為PRPD圖譜。電熱老化不同老化狀態(tài)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

電熱老化的油紙，匝間放電量從老化初期至末期不斷增大，放電次數(shù)不斷增多，放電相位不斷延伸。老化初期放電脈沖主要集中在45°~120°區(qū)間，最大放電量為150 pC。隨著老化程度加深，正半周起始脈沖的出現(xiàn)時(shí)間縮短，初始相位角變小，且脈沖相位逐漸擴(kuò)寬。老化3 d和10 d，放電相位分別達(dá)到5°~135°和10°~170°。此外，放電脈沖更為密集，放電信號(hào)幅值也有一定程度的增大，達(dá)到250~310 pC。老化后期，脈沖次數(shù)急劇增加，脈沖幅值增大至400 pC及以上，脈沖產(chǎn)生的相位占據(jù)電壓上升階段，在負(fù)半周320°~360°也出現(xiàn)放電脈沖，且放電劇烈，說明局部放電對(duì)絕緣紙累計(jì)損傷過程中，帶電粒子不斷轟擊紙表面，引起電場(chǎng)畸變，加速了絕緣紙的裂化速度。表現(xiàn)為電熱老化聚合度下降更快，另外當(dāng)纖維素降低至一定程度后，由于參與裂解的化學(xué)鍵減少，其降解速度趨近于0，盡管繞組匝間發(fā)生明顯的局部放電現(xiàn)象，聚合度下降緩慢，與前面分析結(jié)果一致，說明樣本具有典型性。

圖5 油紙樣品不同老化程度的PRPD圖譜

2.3 油紙絕緣表面微觀特征分析

2.3.1 SEM分析結(jié)果

圖6和圖7分別為在熱老化和電熱老化下絕緣紙放大500倍的橫向掃描電鏡結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)：未老化的絕緣紙纖維排布緊密，表面較為光滑，纖維素連接緊密，寬度約45 μm；經(jīng)歷10 d的老化后，在相同的觀測(cè)范圍內(nèi)纖維數(shù)量減少，平均寬度減小，纖維的排布變得稀疏，斷裂現(xiàn)象普遍并發(fā)生位移和變形；熱老化經(jīng)歷25 d后，連接纖維素分子的氫鍵斷裂趨勢(shì)更加明顯，纖維素表面光滑性變差，相鄰纖維之間出現(xiàn)大量空洞和裂紋，長(zhǎng)纖維數(shù)量急劇減少，纖維的平均寬度下降至35 μm左右。加上電應(yīng)力后，材料表面發(fā)生腐蝕或碳化現(xiàn)象，絕緣紙表面出現(xiàn)損傷，損傷造成的凹陷引起電場(chǎng)畸變，促使絕緣紙表面空洞擴(kuò)張，降低絕緣紙的強(qiáng)度；隨著放電時(shí)間的累積，帶電粒子不斷聚集能量轟擊絕緣紙表面，纖維素分子鏈遭到破壞而分解，造成纖維素的剝皮現(xiàn)象更加嚴(yán)重，無法看到完整的纖維壁，表面更加粗糙，碳化現(xiàn)象更加明顯，在宏觀上表現(xiàn)為絕緣紙聚合度更小，與前面所測(cè)的聚合度變化一致，物理化學(xué)性能劣化嚴(yán)重，完全喪失機(jī)械性能。

2.3.2 XPS分析結(jié)果

同樣選取SEM分析中的樣本進(jìn)行XPS分析，絕緣紙表面化學(xué)元素組成及其相對(duì)含量如表2所示，絕緣紙中C元素電子結(jié)合能的差值見圖8。

分析可知：絕緣紙主要由C、O和少量的Si元素組成。油紙熱老化及電熱老化，表面的主要化學(xué)元素沒有變化，所含Si元素結(jié)合能最終降為0，C元素的相對(duì)含量百分比逐漸增加，O元素的相對(duì)含量和RO/RC較未老化時(shí)也降低。另外，纖維素大分子中，C含量最多，且包含多種價(jià)態(tài)形式，其C的1s軌道峰偏移反映碳元素的化學(xué)價(jià)態(tài)信息，通過對(duì)比分析不同樣本的C1s的偏差情況，能定性描述纖維素的狀態(tài)差異，解釋油紙裂解與其所處化學(xué)環(huán)境的關(guān)聯(lián)性。與碳原子結(jié)合原子的電負(fù)性越大，化學(xué)位移也越大。未老化時(shí)C1s結(jié)合能為284.42 eV，纖維素化學(xué)鍵中C1s軌道電子結(jié)合能為C-C＜CO＜C=O＜O-C-O＜O-(C=O)-O，電熱應(yīng)力改變了C元素的化學(xué)環(huán)境，氧原子與碳原子之間形成化學(xué)鍵數(shù)目增加，C1s結(jié)合能增加。在電場(chǎng)作用下，絕緣紙表面發(fā)生局部放電，帶電粒子不斷轟擊碳鏈造成其分裂，使得碳原子吸附更多電負(fù)性電子，一部分碳元素價(jià)態(tài)升高，結(jié)合能向高能處發(fā)生位移，導(dǎo)致電熱作用下C1s的結(jié)合能偏移更加明顯，達(dá)到0.58 eV。溫度電場(chǎng)作用對(duì)絕緣紙狀態(tài)和性質(zhì)的影響與SEM分析的結(jié)果是一致的。電熱老化對(duì)油紙絕緣的影響較為明顯，微觀特征變化情況與油紙老化裂解機(jī)理和化學(xué)性能變化是相同的。驗(yàn)證了電場(chǎng)和溫度共同作用下油紙絕緣老化狀態(tài)分析的必要性。

圖6 樣品在熱老化下不同老化程度的SEM圖

圖7 樣品在電熱老化下不同老化程度的SEM圖

表2 熱老化與電熱老化過程中絕緣紙表面化學(xué)元素組成及其相對(duì)含量

圖8 兩種老化狀態(tài)下絕緣紙中C元素電子結(jié)合能的差值

3 結(jié)束語

為了研究油紙絕緣不同老化的微觀特征，本文開展了油紙絕緣電熱老化實(shí)驗(yàn)，并選定不同時(shí)間點(diǎn)獲取老化程度不同的油紙絕緣樣本，對(duì)其中絕緣紙聚合度、局部放電PRPD圖譜進(jìn)行分析，驗(yàn)證所獲樣本的典型性，并證明電熱老化進(jìn)一步加速了油紙絕緣的裂化。研究通過SEM和XPS等微觀角度，探討電熱老化時(shí)油紙的裂解過程與其微觀特征變化和化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性。研究成果證明了基于電場(chǎng)和溫度共同作用下油紙絕緣老化狀態(tài)分析的合理性，為今后老化狀態(tài)分析提供了一種思路。