律方成，王雙雙，阮浩鷗，呂 品，張亞輝，謝 慶

（華北電力大學(xué)a. 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；b. 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引言

間位芳綸（聚間苯二甲酰間苯二胺，又稱芳綸1313）具有優(yōu)異的電絕緣性能、良好的熱穩(wěn)定性、阻燃性和耐腐蝕性[1-2]，是世界三大特種纖維之一。20世紀(jì)下半葉至21世紀(jì)初，我國的芳綸產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，美國杜邦、日本帝人等企業(yè)的芳綸產(chǎn)量超過了全球的90%。隨著“十二五”政策刺激，我國芳綸制備技術(shù)不斷發(fā)展，間位芳綸制造成本不斷合理化，產(chǎn)量急速增長。間位芳綸的應(yīng)用也由軍事、航天、消防等精尖領(lǐng)域，向電網(wǎng)、建筑等軍民兩用領(lǐng)域過渡[3]。

間位芳綸紙適用于各種各樣的絕緣場景，如干式變壓器的繞組層間、匝間絕緣；電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的槽間、相間、匝間和終端絕緣；甚至電纜和套管等設(shè)備中，傳統(tǒng)油紙絕緣結(jié)構(gòu)的纖維素紙也可以被間位芳綸所替代[4-7]。目前，部分型號的干式礦用變壓器、干式配電變壓器、油浸式牽引變壓器等，正在進(jìn)行芳綸紙的應(yīng)用試點(diǎn)[8]。

局部放電是引發(fā)絕緣故障和絕緣老化的主要原因，局部放電的嚴(yán)重程度影響著絕緣紙的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和剩余絕緣強(qiáng)度。目前，國內(nèi)外對傳統(tǒng)纖維素紙的局部放電特性開展了大量研究。P M MITCHINSON 等[9]在針板電極下結(jié)合局部放電的起始電壓、擊穿電壓等參數(shù)對油紙絕緣局部放電過程進(jìn)行了劃分，分析了絕緣紙表面炭化痕跡的演變情況，發(fā)現(xiàn)外加場強(qiáng)和加壓時間是影響放電的關(guān)鍵因素。A CAVALLINI 等[10]在不同電極結(jié)構(gòu)下進(jìn)行了油紙絕緣局部放電測量，通過放電特性來識別油紙絕緣系統(tǒng)中局部放電產(chǎn)生缺陷的基本性質(zhì)，并將分析結(jié)果作為風(fēng)險評估依據(jù)。廖瑞金等[11]采集了油紙絕緣針板模型局部放電信號，對局部放電整個過程的相位分布譜圖進(jìn)行了總結(jié)。這些研究為芳綸紙的局部放電特性研究提供了參考。

迄今已有部分學(xué)者對特定絕緣場景下的芳綸紙適用性進(jìn)行了研究。廖瑞金等[12-13]研究了植物油與間位芳綸紙組成的油紙絕緣系統(tǒng)熱老化特性和空間電荷特性；LI X 等[14]研究了應(yīng)用于高鐵牽引變壓器的單層芳綸紙-油絕緣體系的局部放電特性。間位芳綸紙具有與纖維素紙完全不同的結(jié)構(gòu)與性能水平，兩者的放電特性與材料劣化機(jī)理勢必存在較大差別，有必要針對常見的干式、疊層工況下間位芳綸紙的局部放電特性及其材料劣化機(jī)制展開充分研究。

本文選用錐-板電極構(gòu)建常見的極不均勻電場，研究干式變壓器絕緣用間位芳綸疊層紙?jiān)阱F-板電極下的局部放電發(fā)展特性，探究多疊層芳綸紙?jiān)陂L時間加壓下的絕緣失效現(xiàn)象，評估疊層芳綸紙的逐層失效特性，并對其局放參數(shù)、微觀形貌、官能團(tuán)分解情況、陷阱特性和剩余絕緣強(qiáng)度進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及樣品制備

在典型的干式變壓器應(yīng)用場景中，芳綸疊層數(shù)和單層厚度的變化范圍較大，匝間絕緣等狹小區(qū)域常用2～4 層的0.05 mm 絕緣紙，層間絕緣常用4～6層的0.18 mm 絕緣紙，相間絕緣則常用數(shù)十層的總厚度達(dá)10～15 mm 的絕緣紙板，而在電力套管等具備均壓電極的數(shù)十厘米厚的縱向絕緣結(jié)構(gòu)中，常使用單層厚度為0.08～0.25 mm 的絕緣紙疊成約1 mm厚的絕緣單元。相較于其他厚度的芳綸紙，厚度為0.18 mm 的芳綸紙電氣強(qiáng)度較高，因此選用電力設(shè)備常用的厚度為0.18 mm 的Nomex T410 芳綸紙作為研究對象（購自美國E.I.杜邦有限公司）。最高設(shè)定6層疊層數(shù)，厚度達(dá)1.08 mm。為防止芳綸紙?jiān)跍y試中發(fā)生沿面閃絡(luò)，需將芳綸紙裁剪為面積足夠大的150 mm×150 mm正方形。按層數(shù)疊壓后，采用歐佰佳試驗(yàn)儀器公司生產(chǎn)的QLB-25T 型平板硫化機(jī)在260℃、10 MPa下壓3次，每次30 s，以保證其表面平整度和層間的緊密度，同時該溫度下芳綸紙層間不會發(fā)生粘接，便于后續(xù)逐層表征。

1.2 擊穿與局部放電測試平臺

局部放電測試平臺如圖1 所示[15]。為模擬實(shí)際工況中毛刺產(chǎn)生的極不均勻電場，選用錐-板電極，錐電極高度為25 mm，頂角為30°，電極尖端曲率半徑為50 μm，電極側(cè)面邊緣倒角半徑為3 mm。板電極的底徑和高度分別為75 mm 和15 mm，電極角半徑為3 mm。試驗(yàn)開始前，將芳綸紙放置于熱風(fēng)干燥箱中，在120℃下干燥24 h，除去樣品中的水分，調(diào)節(jié)錐電極高度，使其尖端與樣品表面輕微接觸。局部放電實(shí)驗(yàn)線路按照高電壓試驗(yàn)局部放電測量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7354—2018搭建，試驗(yàn)時，將錐形電極通過保護(hù)電阻與江都市華宇高壓電氣有限公司生產(chǎn)的無局放工頻電源（YDTW-10/120）連接，將平板電極接地。隔離變壓器可有效地抑制電網(wǎng)的高次諧波，改善供電電源的品質(zhì)[13]。采用100 kV/1 000 pF耦合電容采集疊層樣品產(chǎn)生的脈沖電流信號，并通過同軸電纜輸出至保定天威新域科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的TWPD-2P 多通道數(shù)字式局部放電分析儀的檢測阻抗箱。分析儀采樣頻率為400 MHz，測試頻帶為40～300 kHz。測試系統(tǒng)符合IEC 60270 規(guī)定，在樣品未發(fā)生局部放電時，干擾信號的局放控制在5.0 pC以下。實(shí)驗(yàn)過程中利用工業(yè)相機(jī)記錄局部放電現(xiàn)象，相機(jī)曝光時間為1/60 s。擊穿測試操作方法符合GB/T 1408.1—2016 規(guī)定。試驗(yàn)時，將錐形電極與工頻電源連接，將平板電極接地，維持升壓速度為1 kV/s 直至擊穿。為消除隨機(jī)性的影響，每個樣品測試10次，采用雙參數(shù)威布爾（Weibull）分布分析樣品的擊穿特性。實(shí)驗(yàn)時，將樣品和電極放在密閉的溫濕度可控的有機(jī)玻璃腔體內(nèi)，溫度和濕度分別控制在（20±1）℃和（20±2）%。

圖1 局部放電測試平臺Fig.1 Partial discharge test platform

1.3 表征方法

采用局放分析儀采集放電發(fā)展過程中的放電量與放電相位數(shù)據(jù)，利用工業(yè)相機(jī)拍攝樣品的碳痕。采用電子顯微鏡（SEM，Zeiss Gemini300）對樣品的表面損傷形貌進(jìn)行表征。采用等溫表面電位（ISPD）法測試樣品的載流子陷阱特性[16-19]。采用有源動態(tài)電容式探頭對試樣的表面電位進(jìn)行測量，測試系統(tǒng)示意圖如圖2 所示，不銹鋼充電針電極與高壓直流電源（LAS-100 kV/1 mA 正極性）相連接，其針尖曲率半徑為25 μm。針電極與試樣的垂直距離為5 mm，直流電源的充電電壓為正極性5 kV，在此電壓和垂直距離下，針電極的電暈不會直接損傷樣品，僅令樣品表面帶靜電荷[20]。將樣品充電2 min后，通過與試樣距離2 mm 的有源動態(tài)電容式探頭，測試充電后試樣的表面電位數(shù)據(jù)。測試過程中，針電極與探頭的位置固定，樣品放于滑動臺上，通過滑動臺移動樣品位置，移動速度由二維運(yùn)動編程控制器和電機(jī)控制，以保證每次測試移動過程時間間隔相同。通過樣品底部的恒溫加熱板控制充電溫度和測試溫度均為50℃，通過數(shù)據(jù)采集卡（Data Ac‐quisition Board，DAQ）和電腦記錄10 min 內(nèi)樣品的表面電位數(shù)據(jù)。

圖2 表面電位測試平臺Fig.2 Surface potential test platform

2 疊層紙的恒壓局放特性

2.1 局放電壓參數(shù)選取

為了選取合適的局部放電電壓，采用與局放測試相同的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊層擊穿和擊穿時延測試，采用威布爾分布對擊穿電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1 所示。從表1 可以發(fā)現(xiàn)，隨芳綸紙疊層數(shù)的增加，電氣強(qiáng)度呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢，單層芳綸紙的電氣強(qiáng)度為40.23 kV/mm，而6層芳綸紙的電氣強(qiáng)度僅為20.69 kV/mm，下降了48.59%，疊層式芳綸紙的電氣強(qiáng)度隨厚度降低的情況，與大部分塊體絕緣材料的普遍規(guī)律相似。之后，選取20、19、18、17、16、15 kV對6疊層芳綸紙進(jìn)行擊穿時延測試，每組電壓參數(shù)重復(fù)3 次，結(jié)果如表2 所示。從表2 可以發(fā)現(xiàn)，20 kV 下的擊穿時間僅有數(shù)十秒，當(dāng)電壓為15 kV時，平均擊穿時間為186 min，該時間跨度既能滿足對局放階段的劃分，也能保證在有限的時間內(nèi)觀測到局放后期至擊穿的現(xiàn)象參數(shù)，故選擇15 kV 作為局放的恒定電壓值。

表1 擊穿電壓和電氣強(qiáng)度Tab.1 Breakdown voltage and electric strength

表2 擊穿時間隨電壓的變化Tab.2 Breakdown time varies with voltage min

2.2 放電譜圖與放電現(xiàn)象

在15 kV 下對6 層芳綸紙進(jìn)行恒壓局部放電試驗(yàn)，在188 min 時發(fā)生擊穿，采集了從起始放電到擊穿的局部放電譜圖如圖3 所示，每個散點(diǎn)圖的累積時間為5 min，TWPD-2P 多通道數(shù)字式局部放電分析儀的譜圖分析軟件的信號處理量程范圍為0.1～500 000 pC。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在30°～330°相位范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的放電信號，最大放電量和局部放電現(xiàn)象如圖4所示。

圖3 局部放電譜圖Fig.3 Partial discharge profile

以放電譜圖和最大放電量為主要依據(jù)，以放電現(xiàn)象為輔助依據(jù)，將放電過程分為3個階段：放電起始階段（0～80 min）、放電發(fā)展階段（80～160 min）和預(yù)擊穿階段（160 min～擊穿時間點(diǎn)即188 min），圖4 中附圖(a1)、(a2)、(a3)、(a4)分別為上述階段的典型放電現(xiàn)象。在放電起始階段，放電發(fā)生在60°～315°，最大放電量在15 000 pC 左右波動。起初只在負(fù)半周的180°～315°發(fā)生以懸浮放電為主，尖端放電為輔的混合式放電，隨著放電的發(fā)展和芳綸紙的破壞，有效絕緣距離縮減，等效場強(qiáng)增加，放電加劇，正半周也逐漸出現(xiàn)以懸浮放電為主的放電模式。這是因?yàn)殄F-板電極具有極性效應(yīng)，錐電極尖端在施加電壓處于負(fù)半周時更容易產(chǎn)生放電[21]。在放電發(fā)展階段，疊層芳綸紙上層被破壞，懸浮和尖端放電均加劇，最大放電量逐步增長到約20 000 pC。當(dāng)出現(xiàn)明顯的沿面放電信號時，意味著疊層芳綸紙進(jìn)入了最終的預(yù)擊穿階段，此時放電模式為沿面、尖端和懸浮的混合放電，最大放電量劇增到200 000 pC，此階段僅能維持20～30 min，臨近擊穿時出現(xiàn)耀眼的紅色電弧。

圖4 局部放電現(xiàn)象和最大放電量Fig.4 Partial discharge phenomenon and maximum discharge

綜上所述，在實(shí)際工況中的毛刺缺陷下，芳綸不僅會產(chǎn)生沿毛刺縱向的尖端放電，還會產(chǎn)生與毛刺方向垂直的沿芳綸表面的放電。因此，在比擊穿電壓低32.86%的電壓下，芳綸仍會因?yàn)榫植糠烹娫?00 min內(nèi)擊穿。

2.3 碳痕發(fā)展

選取典型局放擊穿樣品進(jìn)行SEM 表征，結(jié)果如圖5 所示，其中圖5(a0)和圖5(b0)為低倍數(shù)SEM 圖像，其下方的4 幅圖為距中心不同長度的局部區(qū)域高倍數(shù)SEM 圖像。首先，通過圖5(b0)可以看出，除了最大的擊穿孔外，在其右下方2～3 mm 處出現(xiàn)了第二處重度燒蝕的孔洞。在連接兩點(diǎn)的碳蝕路徑上，短切纖維被完全切斷，但漿粕平整度受影響較小?？梢酝茰y，芳綸的成紙組分中，漿粕對電弧的耐受能力強(qiáng)，而短切纖維則相對較弱，可以通過短切纖維的破損情況對芳綸材料的放電損傷程度進(jìn)行區(qū)分。

據(jù)此，按照損毀程度由高到低，將電損傷芳綸紙的局部區(qū)域分為3種類型：①擊穿邊緣區(qū)域；②重度損毀區(qū)域；③輕度損毀區(qū)域。圖5(a1)、(a2)和(b1)所示為典型的擊穿邊緣區(qū)域，可以觀察到在擊穿點(diǎn)處，芳綸紙呈現(xiàn)被電弧燒蝕的大面積空洞，其邊緣幾乎不能觀察到完整的短切纖維，表現(xiàn)為多孔熔融的樹脂狀物質(zhì)，且該部分的宏觀性狀呈現(xiàn)深棕至純黑色。圖5(a3)和(b3)所示為典型的重度損毀區(qū)域，在該區(qū)域可觀察到大量被電弧燒斷的短切纖維，纖維斷口較清晰，且漿粕區(qū)域出現(xiàn)撕裂和外翻的痕跡，該部分的宏觀性狀呈現(xiàn)淺棕色。圖5(a4)和(b4)為輕度損毀區(qū)域，該區(qū)域的短切纖維分布比較連續(xù)，漿粕表面相對平整，宏觀呈現(xiàn)出灰白色的正常產(chǎn)品性狀。

圖5 碳痕及微觀形貌Fig.5 Carbon trace and microscopic morphology

考慮到局部放電發(fā)展過程中，難以對樣品進(jìn)行取樣測試，并且中斷局部放電進(jìn)行取樣會對其后續(xù)局放產(chǎn)生不可忽略的影響，故分別制備了15 kV 下不同局放老化時間的芳綸紙疊層樣品，以對不同局部放電階段樣品的理化特性進(jìn)行表征，選擇加壓時間為局部放電的時間分界點(diǎn)：80 min，160 min 以及擊穿時間點(diǎn)192、206、187 min，額外選取40 min 和120 min以補(bǔ)充時間細(xì)節(jié)，相同加壓時間下的樣品均制備3份以排除隨機(jī)性的影響。對不同加壓時間的樣品逐層拍照，所有照片的分辨率調(diào)整為1 000 像素×1 000 像素，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，加壓時間為40 min 時，未出現(xiàn)碳痕，80 min 時碳痕發(fā)展到1～2層，呈點(diǎn)狀，120 min時碳痕增加到2～3層，且第2 層碳痕面積略微增大，160 min 時碳痕全部發(fā)展到3 層，且2～3 層碳痕面積明顯增大。當(dāng)樣品被擊穿后，3個樣品的碳痕發(fā)展到第6 層。此外，從圖中明顯的橫向碳痕發(fā)展情況可以推斷，相對于常規(guī)絕緣紙，間位芳綸具有更高的絕緣強(qiáng)度，能夠在一定時間內(nèi)耐受沿錐-板間隙方向的絕緣破壞，從而將放電限制在多層之間，此時放電多呈現(xiàn)沿面形式，且其損毀形式呈現(xiàn)大面積的沿面碳痕。

圖6 碳痕及其發(fā)展Fig.6 Carbon trace and its development

圖7 為完好芳綸以及擊穿樣品碳痕處1～6 層的FTIR譜圖，測試時，針對每層芳綸紙，以擊穿點(diǎn)為中心，按照1 cm×1 cm 尺寸剪下方形區(qū)域進(jìn)行測試。從圖7 可以看出，完好的芳綸紙主要表現(xiàn)為7個特征峰：N-H 的伸縮振動峰在3 280 cm-1，酰胺I 帶在1 640 cm-1，酰胺II 帶在1 523 cm-1，C-O 的不對稱伸縮振動峰在1 412 cm-1，苯環(huán)C-H的剪切型振動峰在1 234～900 cm-1，在817 cm-1處有孤立H 彎曲振動峰，在776 cm-1處有苯環(huán)的特征峰。相對于完好芳綸紙樣品，含有碳痕的樣品上述特征峰均呈現(xiàn)出不同程度的弱化，通過碳痕最明顯的紙層，即綠色曲線對應(yīng)的第3 層譜線可以看出，在N-H、CO-NH 等酰胺基團(tuán)內(nèi)屬化學(xué)鍵以及苯環(huán)部分的特征峰均出現(xiàn)了弱化，說明電損傷主要造成上述基團(tuán)的分解。

圖7 不同層的FTIR譜圖Fig.7 FTIR results of different layers

實(shí)際工況中，可根據(jù)以上基團(tuán)的分解情況對芳綸材料的失效程度進(jìn)行評估。

3 受損芳綸紙?zhí)匦?/h2>

3.1 剩余絕緣強(qiáng)度

對發(fā)展到第1階段（0～80 min）和第2階段（0～160 min）的樣品快速升壓，測試其剩余擊穿電壓，結(jié)果如圖8所示。第1階段的樣品碳痕出現(xiàn)在前2層，完好的芳綸紙有4層，表1中顯示4層芳綸紙的擊穿電壓為18.05 kV，而碳痕化后樣品的擊穿電壓高于18.05 kV。同樣，第2 階段的樣品碳痕出現(xiàn)在1～3層，完好芳綸紙有3 層，表1 中顯示3 層芳綸紙的擊穿電壓為15.22 kV，而碳痕化后樣品的擊穿電壓高于15.22 kV。說明局放導(dǎo)致的碳痕生長在一定程度上可以提升錐-板電極下材料的擊穿電壓，可以推測導(dǎo)致芳綸能夠承受長時期、高放電量的懸浮放電的原因，一方面是芳綸本身性能足夠穩(wěn)定，另一方面是碳痕引起的電場均化緩解了錐-板電極下縱向擊穿的發(fā)展進(jìn)程。

圖8 剩余擊穿電壓Fig.8 Residual breakdown voltage

這種現(xiàn)象歸因于碳痕的等效尖端電極效應(yīng)。根據(jù)間隙電場的方向，碳痕可分為兩類：沿錐電極方向的碳痕定義為縱向碳痕，垂直錐電極方向的碳痕定義為橫向碳痕。在錐-板電極下，橫向碳痕雖然對芳綸紙?jiān)斐闪藫p壞，但它更多地起到了均化垂直電場中間電極的作用，使其余層能夠承受錐-板電極下更高的電壓；而在柱-板電極下，縱向碳痕加劇了電場的畸變，其前端類似于尖端電極，將其余各層的電場轉(zhuǎn)化為高度不均勻的電場，使其余層無法承受柱-板電極下應(yīng)承受的電壓[22]?？赏茰y，碳痕是介于錐電極與柱電極之間的中間電極，它可以均化錐電極的電場，提升擊穿電壓，同時也可加劇柱電極電場的不均勻程度，降低柱電極擊穿電壓[22]。

3.2 電荷輸運(yùn)特性

為了表征放電導(dǎo)致的碳痕化程度對芳綸紙電荷輸運(yùn)特性的影響，對加壓時間為80、120、160、192 min（擊穿時間點(diǎn)）的疊層芳綸紙每一層紙的表面電位特性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖9所示，圖中，“0”代表未進(jìn)行局部放電處理的對照芳綸樣品，“1～6”表示特定加壓時間該樣品所處的層數(shù)，括號內(nèi)為樣品充電后的初始電位值。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，未擊穿時，碳痕處的電位消散速率大于完好樣品，擊穿后碳痕處的電位消散速率進(jìn)一步增大。

圖9 電位消散曲線Fig.9 Potential dissipation curves

通過式（1）和（2）可以計(jì)算試樣的陷阱參數(shù)[22-24]。

式（1）～（2）中：Em為陷阱能級；kB為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；VA為電子逃逸頻率；t為消散時間，Nt為陷阱密度；ε0為真空介電常數(shù)；εr為芳綸紙相對介電常數(shù)；e為元電荷；L為紙厚度；φ(t)為表面電位。

15 kV 下加壓時間分別為80、120、160、192 min的碳痕處陷阱分布曲線如圖10所示，圖中，“0”代表未進(jìn)行局部放電處理的對照芳綸樣品，“1～6”表示特定加壓時間該樣品所處的層數(shù)。從圖10 可以發(fā)現(xiàn)，樣品均具有深、淺陷阱，碳痕化后的樣品深、淺陷阱能級均變小，其中擊穿后的樣品碳痕處陷阱能級減小最多，第6 層的深陷阱能級為0.952 eV，比完好樣品的深陷阱能級1.059 eV 下降了0.107 eV，在一定程度上表示材料本體的介電結(jié)構(gòu)受到了破壞。與此同時，結(jié)合剩余絕緣強(qiáng)度的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在碳痕化之后，紙層剩余絕緣強(qiáng)度反而提升，可以推測，陷阱淺化可以在一定程度上起到加快電荷轉(zhuǎn)移、均化瞬時電場的效果。

圖10 載流子陷阱分布曲線Fig.10 Carrier trap distribution curves

4 結(jié)論

（1）芳綸具有一定的干式疊層工況運(yùn)行能力，疊層厚度由單層0.18 mm增長至6層1.08 mm時，電氣強(qiáng)度下降了48.59%，且疊層芳綸紙?jiān)诒葥舸╇妷旱?0%的電壓下，仍會在200 min內(nèi)擊穿。

（2）依據(jù)放電類型、放電量和放電現(xiàn)象，干式疊層芳綸紙?jiān)阱F-板電極下的局部放電過程可分為放電起始、放電發(fā)展和預(yù)擊穿3個階段。依據(jù)短纖形貌，電損傷樣品的局部微觀結(jié)構(gòu)可分為3 類不同程度的損毀類型。

（3）通過局放老化實(shí)驗(yàn)表征了碳痕逐層發(fā)展和官能團(tuán)分解的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)碳痕能夠在一定程度上均化錐-板電極的電場，緩解錐電極下縱向擊穿的發(fā)展進(jìn)程，同時淺化陷阱。