絕緣紙板的老化對其爬電性能的影響

王 偉 徐劍峰 汪 鑫 李成榕

（華北電力大學(xué)高壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206）

1 引言

電力變壓器是電網(wǎng)中的樞紐設(shè)備，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。老化是影響變壓器運(yùn)行可靠性的重要因素。110kV及以上大型電力變壓器普遍采用油/紙絕緣結(jié)構(gòu)，變壓器的老化主要體現(xiàn)在油的老化和紙板的老化兩部分。油老化會導(dǎo)致油中水分、酸值含量增加，從而導(dǎo)致其擊穿電壓下降[1]。紙板老化會導(dǎo)致紙板微觀空隙變大，纖維長度變短，聚合度及抗拉程度等機(jī)械性能降低[2]。由于不可更換，紙板的機(jī)械性能也決定了變壓器的壽命，當(dāng)紙板聚合度低于250時(shí)，變壓器壽命終結(jié)[3]。

統(tǒng)計(jì)分析表明，變壓器的故障以絕緣故障為主[4-9]，油/紙絕緣交界面處的爬電是變壓器最為常見放電形式之一[10-15]。紙板爬電性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前，老化是否會對絕緣紙板的爬電性能產(chǎn)生影響這一問題缺乏系統(tǒng)深入研究，尚無一致看法。文獻(xiàn)[16]利用電極、紙板與油的三交界（triplejunction）模型研究了在不同油、紙板老化條件下的局部放電特性，結(jié)果表明紙板的老化對局部放電的起始電壓，發(fā)展過程沒有顯著影響。文獻(xiàn)[17，18]中的研究則表明，在針-板電極模型下，運(yùn)行35年變壓器中紙板因老化導(dǎo)致的爬電起始電壓下降約7%，沿面閃絡(luò)電壓下降約8%。

為進(jìn)一步研究老化對紙板爬電性能的影響，揭示紙板老化在爬電過程中的作用，論文采用球-板電極模型在恒壓條件下研究了不同老化程度絕緣紙板的爬電性能。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 爬電模型

用于沿面放電研究的模型主要有3種：針-板模型、柱-板模型以及球-板模型，分別用于強(qiáng)切線電場、強(qiáng)法線電場及切線與法線電場共同作用下沿面爬電放電的模擬。實(shí)際變壓器中的油紙交界面處，大部分既有切線電場作用也有法線電場作用，因此研究中采用球-板模型作為試驗(yàn)研究對象。

球電極直徑為40mm，板電極直徑為75mm，采用黃銅制作，表面經(jīng)拋光處理，以保證光潔度。實(shí)驗(yàn)紙板為直徑80mm的魏德曼3mm厚圓形紙板。

2.2 實(shí)驗(yàn)油箱與測量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)油箱采用有機(jī)玻璃制作，分主油箱和副油箱兩部分，配有泄壓閥。主油箱與副油箱采用磁力油泵相連，模擬變壓器中油的循環(huán)過程。實(shí)驗(yàn)油箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)油箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Test tank configuration

2.3 油與紙板的預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)用油為克拉瑪依25#變壓器油，紙板為3mm厚魏德曼紙板。紙板首先在105℃的干燥箱內(nèi)烘干24h，然后置入80℃、50Pa的真空干燥箱內(nèi)與油一起烘干24h，再將紙板置入油中在80℃、50Pa的真空干燥箱內(nèi)浸漬24h。經(jīng)此處理后，紙板中的水分小于1%，油中水分少于10×10-6。

2.4 紙板的老化方法

預(yù)處理好的油和紙板，按10∶1的質(zhì)量進(jìn)行混合，置入燒杯中密封，向其中注入氮?dú)庖耘懦兔媾c密封口間的空氣，在130℃條件下進(jìn)行老化。

單純考慮熱老化因素，油紙絕緣系統(tǒng)的溫度每上升6℃其壽命減少一半[19]，該原則被稱為“6℃法則”。國內(nèi)變壓器的運(yùn)行溫度一般不超過80℃，依“6℃法則”計(jì)算，變壓器在80℃條件下運(yùn)行10年后其絕緣紙板的老化程度與130℃條件運(yùn)行11.6天的老化程度相同。國內(nèi)變壓器的運(yùn)行年限一般是20年，130℃溫度老化等效時(shí)間為23.2天。

實(shí)驗(yàn)中的絕緣紙板分為3組：A組為未老化的紙板，聚合度約為1 200；B組為130℃條件老化11.6天的紙板，聚合度約為900，等效80℃運(yùn)行10年的紙板；C組為130℃條件老化23.2天的紙板，聚合度約為600，等效80℃運(yùn)行20年的紙板。

2.5 實(shí)驗(yàn)方法

處理好的紙板置入實(shí)驗(yàn)油箱后，開啟油泵循環(huán)12h，以保證紙板中油與油箱中的新油充分平衡。老化紙板實(shí)驗(yàn)前還需在新油中浸泡不少于10天，以排除紙板內(nèi)老化的油對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，逐步升高電壓，每升高1kV保持10min，直到有持續(xù)時(shí)間不少于30s的穩(wěn)定放電信號產(chǎn)生，此時(shí)的電壓確定為爬電起始電壓。然后開始降壓，直到30s內(nèi)觀測不到放電信號，此時(shí)的電壓為爬電熄滅電壓。再次升壓至某一電壓保持，直至紙板擊穿，此電壓處于爬電起始電壓與熄滅電壓之間，實(shí)驗(yàn)中為35.5kV。從保持電壓開始計(jì)時(shí)，到紙板擊穿的時(shí)間為爬電耐受時(shí)間。紙板擊穿點(diǎn)與紙板中心的垂直距離為擊穿通道長度。每組試樣實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，測量結(jié)果取其平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 爬電現(xiàn)象描述

爬電起始后，可以在球電極與紙板間的油隙處觀察到放電火花，此時(shí)的放電量約為數(shù)千pC，放電火花持續(xù)一段時(shí)間后會在紙板表面燒灼形成碳痕。放電持續(xù)一段時(shí)間后，可觀察到紙板表面有氣泡溢出，氣泡是由放電導(dǎo)致紙板內(nèi)部絕緣油分解氣化并從紙板中溢出所產(chǎn)生。老化紙板表面出現(xiàn)氣泡的時(shí)間要早于未老化紙板，氣泡出現(xiàn)的面積及氣泡的體積也要大于未老化紙板。圖2為爬電持續(xù)20min后，各組紙板產(chǎn)生的氣泡對比。A組紙板僅在球電極與紙板結(jié)合部處可觀察到氣泡，B組紙板在紙板中心至紙板邊緣均可觀測到細(xì)小的氣泡，C組紙板氣泡區(qū)域與B組基本相同，但氣泡體積和密度明顯大于B組。氣泡溢出紙板后，紙板表面可以觀測到“白斑”[20]，老化紙板表面“白斑”的出現(xiàn)早于未老化紙板，發(fā)展速度也要快于未老化紙板。

爬電持續(xù)一定時(shí)間后，紙板發(fā)生擊穿。擊穿瞬間可以觀察到大量氣泡在油、紙板交界面處產(chǎn)生。取出紙板，可以觀察到明顯的碳化通道，碳化通道由球電極與紙板接觸點(diǎn)處起始，沿層間方向與法線方向同時(shí)發(fā)展，最終斜向貫穿紙板到達(dá)地電極，典型擊穿通道的示意圖如圖3所示。

圖3 擊穿通道Fig.3 Breakdown channel

3.2 爬電起始電壓與熄滅電壓

爬電起始與熄滅電壓的測量結(jié)果見表1。老化紙板的爬電起始電壓與未老化紙板沒有明顯區(qū)別。如排除其他因素影響，即使變壓器在滿負(fù)荷運(yùn)行20年之后，其紙板的爬電起始電壓也不會明顯降低，也就是說紙板的老化并不會直接引起變壓器中的爬電故障。老化紙板的爬電熄滅電壓要略低于未老化的紙板，B組與C組紙板較之A組紙板降低約8%。隨著變壓器運(yùn)行年限的增加，其水分含量增加，油的品質(zhì)下降，如果爬電在局部的絕緣弱點(diǎn)處起始，而此時(shí)由于紙板老化，爬電不易熄滅。

表1 爬電起始與熄滅電壓Tab.1 Creepage discharge inception and extinction voltage

3.3 “白斑”的發(fā)展速度

由于爬電是在紙板內(nèi)部進(jìn)行，無法直接觀測爬電的形態(tài)和發(fā)展速度。但爬電在紙板內(nèi)部發(fā)展時(shí)，會導(dǎo)致紙板內(nèi)部油的氣化分解，在紙板表面形成“白斑”，“白斑”的發(fā)展速度可以間接反映紙板內(nèi)部爬電的發(fā)展速度，因此對“白斑”的發(fā)展速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

“白斑”呈片狀，為便于統(tǒng)計(jì)，將“白斑”距離紙板中心點(diǎn)的最大距離定義為“白斑”的長度，“白斑”區(qū)域與紙板中心點(diǎn)的夾角定義為“白斑”的角度，如圖4所示。

圖4 “白斑”長度和角度的定義Fig.4 Length and angle definition of “white mark”

“白斑”的長度和角度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。老化紙板“白斑”的發(fā)展速度遠(yuǎn)大于未老化紙板。爬電持續(xù)5min后，未老化的A組紙板尚未產(chǎn)生“白斑”，B組紙板“白斑”長度為15mm，角度為8°，C組紙板“白斑”長度為20mm，角度為17°；爬電持續(xù)20min后，三組紙板的角度均約為100°，但B組和C組紙板的“白斑”已經(jīng)發(fā)展到了紙板的邊緣，而A組紙板的“白斑”長度僅為30mm。

圖5 球-板電極下“白斑”長度和角度隨時(shí)間的變化Fig.5 Length and angle of “white mark” vs time for global-plate electrod

3.4 爬電耐受時(shí)間與擊穿通道長度

爬電耐受時(shí)間和擊穿通道長度表征著紙板的爬電性能，耐受時(shí)間越長，擊穿通道越短，紙板的爬電性能越強(qiáng)。測量結(jié)果見表2。在爬電耐受時(shí)間一項(xiàng)上各組紙板幾乎沒有區(qū)別，但老化紙板的擊穿通道長度明顯長于未老化紙板，其中B組紙板的擊穿通道長度增加約11%，C組紙板的擊穿通道長度增加約30%。爬電是在紙板法線方向和層間方向同時(shí)發(fā)展，當(dāng)爬電在法線方向發(fā)展到地電極時(shí)，發(fā)生擊穿，爬電結(jié)束。因此，爬電的耐受時(shí)間主要取決于紙板法線方向的爬電性能，而擊穿通道的長度則主要取決于紙板層間方向的爬電性能。測量結(jié)果說明，老化對紙板法線方向的爬電性能沒有顯著影響，但會降低紙板層間方向的爬電性能。

表2 爬電耐受時(shí)間與擊穿通道長度Tab.2 Creepage discharge enduring time and breakdown channel length

3.5 針-板電極下的爬電

為研究老化對紙板法線方向及層間方向爬電性能影響的區(qū)別，測量了針-板電極模型下的爬電過程。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示，40mm×40mm的紙板處于鎢針電極與地電極之間，鎢針緊緊插入紙板層間。

圖6 針-板爬電模型Fig.6 Needle plate creepage discharge model

此種電極結(jié)構(gòu)下，爬電只在層間方向發(fā)展，爬電擊穿通道的長度保持不變，爬電耐受時(shí)間主要取決于紙板層間方向爬電性能。實(shí)驗(yàn)中測量了爬電的起始電壓，50kV電壓作用下爬電的耐受時(shí)間以及“白斑”的發(fā)展速度。紙板采用了未老化的紙板及130℃老化11.5天的兩種紙板，每組紙板重復(fù)5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。爬電起始電壓與耐受時(shí)間的測量結(jié)果見表3。兩組試樣的爬電起始電壓同樣沒有顯著區(qū)別，但老化紙板的爬電耐受時(shí)間明顯短于未老化紙板，僅為未老化紙板的50%，說明老化使得紙板層間方向的爬電性能大幅降低。

表3 針-板電極的爬電起始電壓與持續(xù)時(shí)間Tab.3 Creepage discharge inception voltage and enduring time of needle plate electrode

“白斑”長度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。老化紙板“白斑”的發(fā)展速度明顯快于未老化紙板，老化紙板的“白斑”約12min即可貫穿兩極，而未老化紙板則需要約20min。此外，老化紙板在“白斑”貫穿兩極后平均約3min就會擊穿，而未老化紙板則平均可堅(jiān)持達(dá)14min。

圖7 針-板電極下“白斑”長度隨時(shí)間的變化Fig.7 Length of“white mark”vs time for needle-plate electrode

4 討論

油紙絕緣系統(tǒng)的放電起始電壓取決于電場結(jié)構(gòu)、油的擊穿場強(qiáng)及油、紙板的介電常數(shù)比。由于老化不會改變紙板的介電常數(shù)[21]，因此老化對絕緣紙板的爬電起始電壓沒有顯著影響。

紙板內(nèi)油的氣化分解與氣體通道的形成在爬電過程中起著至關(guān)重要的作用，氣體通道形成與發(fā)展的越快，爬電的發(fā)展速度越快，紙板爬電性能越差。

紙板老化后，其聚合度降低，纖維間的結(jié)合力下降，爬電容易在其內(nèi)部形成氣體通道，因而其爬電性能下降。

老化對紙板法線方向和層間方向爬電性能的影響存在差異，老化會顯著降低層間方向的爬電性能，但對法線方向的爬電性能沒有顯著影響。紙板是由多層纖維構(gòu)成，圖8為100倍顯微鏡下的紙板層間結(jié)構(gòu)。可以看出，A組紙板各纖維層結(jié)合的非常緊密，纖維層間基本不存在孔洞。隨著老化程度的增加，纖維層結(jié)合的緊密度下降，纖維層間出現(xiàn)空洞，孔洞的數(shù)量與體積隨老化程度的增加而增加。B組紙板纖維層間存在少量孔洞，孔洞體積較小，直徑多在5μm左右。C組紙板纖維層間存在大量孔洞，孔洞直徑多在10μm左右。層間孔洞數(shù)量和體積的增加有利于紙板內(nèi)部氣體通道的形成和發(fā)展。油氣化后充滿孔洞，各孔洞內(nèi)氣體在層間方向可以直接相連形成氣體通道，加快了氣體通道的發(fā)展，這使得紙板層間方向的爬電性能大幅下降。層間孔洞數(shù)量和體積的增加也可以解釋老化紙板爬電熄滅電壓下降的現(xiàn)象。在相同的爬電起始電壓作用下，相同時(shí)間內(nèi)老化紙板內(nèi)部形成的氣體多，因而爬電的熄滅電壓下降。

圖8 紙板層間微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of pressboard layer

文獻(xiàn)[2]曾對老化紙板表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，SEM的測量結(jié)果表明20年老化程度紙板表面纖維層中各纖維的直徑雖有所減小，但連接依然緊密，沒有空洞出現(xiàn)。不同于在層間方向發(fā)展時(shí)，孔洞內(nèi)氣體可以直接相連形成氣體通道的方式，孔洞內(nèi)氣體若要在法線方向上發(fā)展形成通道，必須要破壞各纖維層，而老化對各纖維層的破壞不明顯，這使得老化紙板在法線方向上爬電性能沒有顯著變化。

5 結(jié)論

（1）老化對絕緣紙板爬電的起始電壓沒有顯著影響，但會降低絕緣紙板爬電的熄滅電壓。

（2）老化絕緣紙板中爬電的發(fā)展速度快于未老化紙板，擊穿通道的長度也長于未老化紙板。

（3）紙板的爬電性能分為法線方向和層間方向兩部分，老化會顯著降低層間方向的爬電性能，其原因在于老化紙板層間纖維的結(jié)合度下降，纖維層間孔洞數(shù)量和體積增加。

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