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

（華北電力大學高壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206）

1 引言

電力變壓器是電網中的樞紐設備，其運行可靠性直接關系到電網的安全穩定運行。老化是影響變壓器運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/紙絕緣結構，變壓器的老化主要體現在油的老化和紙板的老化兩部分。油老化會導致油中水分、酸值含量增加，從而導致其擊穿電壓下降[1]。紙板老化會導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械性能降低[2]。由于不可更換，紙板的機械性能也決定了變壓器的壽命，當紙板聚合度低于250時，變壓器壽命終結[3]。

統計分析表明，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]。紙板爬電性能的優劣直接關系到變壓器的安全穩定運行。當前，老化是否會對絕緣紙板的爬電性能產生影響這一問題缺乏系統深入研究，尚無一致看法。文獻[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，結果表明紙板的老化對局部放電的起始電壓，發展過程沒有顯著影響。文獻[17，18]中的研究則表明，在針-板電極模型下，運行35年變壓器中紙板因老化導致的爬電起始電壓下降約7%，沿面閃絡電壓下降約8%。

為進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 試驗裝置與試驗方法

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，分別用于強切線電場、強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，表面經拋光處理，以保證光潔度。實驗紙板為直徑80mm的魏德曼3mm厚圓形紙板。

2.2 實驗油箱與測量系統

實驗油箱采用有機玻璃制作，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過程。實驗油箱結構如圖1所示。

圖1 實驗油箱結構Fig.1 Test tank configuration

2.3 油與紙板的預處理

實驗用油為克拉瑪依25#變壓器油，紙板為3mm厚魏德曼紙板。紙板首先在105℃的干燥箱內烘干24h，然后置入80℃、50Pa的真空干燥箱內與油一起烘干24h，再將紙板置入油中在80℃、50Pa的真空干燥箱內浸漬24h。經此處理后，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

預處理好的油和紙板，按10∶1的質量進行混合，置入燒杯中密封，向其中注入氮氣以排除油面與密封口間的空氣，在130℃條件下進行老化。

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

實驗中的絕緣紙板分為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℃運行20年的紙板。

2.5 實驗方法

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

實驗時，逐步升高電壓，每升高1kV保持10min，直到有持續時間不少于30s的穩定放電信號產生，此時的電壓確定為爬電起始電壓。然后開始降壓，直到30s內觀測不到放電信號，此時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，實驗中為35.5kV。從保持電壓開始計時，到紙板擊穿的時間為爬電耐受時間。紙板擊穿點與紙板中心的垂直距離為擊穿通道長度。每組試樣實驗重復5次，測量結果取其平均值。

3 實驗結果及分析

3.1 爬電現象描述

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，此時的放電量約為數千pC，放電火花持續一段時間后會在紙板表面燒灼形成碳痕。放電持續一段時間后，可觀察到紙板表面有氣泡溢出，氣泡是由放電導致紙板內部絕緣油分解氣化并從紙板中溢出所產生。老化紙板表面出現氣泡的時間要早于未老化紙板，氣泡出現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20min后，各組紙板產生的氣泡對比。A組紙板僅在球電極與紙板結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小的氣泡，C組紙板氣泡區域與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”的出現早于未老化紙板，發展速度也要快于未老化紙板。

爬電持續一定時間后，紙板發生擊穿。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處起始，沿層間方向與法線方向同時發展，最終斜向貫穿紙板到達地電極，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別。如排除其他因素影響，即使變壓器在滿負荷運行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%。隨著變壓器運行年限的增加，其水分含量增加，油的品質下降，如果爬電在局部的絕緣弱點處起始，而此時由于紙板老化，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”的發展速度

由于爬電是在紙板內部進行，無法直接觀測爬電的形態和發展速度。但爬電在紙板內部發展時，會導致紙板內部油的氣化分解，在紙板表面形成“白斑”，“白斑”的發展速度可以間接反映紙板內部爬電的發展速度，因此對“白斑”的發展速度進行了統計。

“白斑”呈片狀，為便于統計，將“白斑”距離紙板中心點的最大距離定義為“白斑”的長度，“白斑”區域與紙板中心點的夾角定義為“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”的長度和角度隨時間的變化關系如圖5所示。老化紙板“白斑”的發展速度遠大于未老化紙板。爬電持續5min后，未老化的A組紙板尚未產生“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”已經發展到了紙板的邊緣，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 爬電耐受時間與擊穿通道長度

爬電耐受時間和擊穿通道長度表征著紙板的爬電性能，耐受時間越長，擊穿通道越短，紙板的爬電性能越強。測量結果見表2。在爬電耐受時間一項上各組紙板幾乎沒有區別，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發展，當爬電在法線方向發展到地電極時，發生擊穿，爬電結束。因此，爬電的耐受時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別，測量了針-板電極模型下的爬電過程。實驗模型如圖6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

此種電極結構下，爬電只在層間方向發展，爬電擊穿通道的長度保持不變，爬電耐受時間主要取決于紙板層間方向爬電性能。實驗中測量了爬電的起始電壓，50kV電壓作用下爬電的耐受時間以及“白斑”的發展速度。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5次，試驗結果取平均值。爬電起始電壓與耐受時間的測量結果見表3。兩組試樣的爬電起始電壓同樣沒有顯著區別，但老化紙板的爬電耐受時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時間Tab.3 Creepage discharge inception voltage and enduring time of needle plate electrode

“白斑”長度隨時間的變化關系如圖7所示。老化紙板“白斑”的發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持達14min。

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

4 討論

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

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

紙板老化后，其聚合度降低，纖維間的結合力下降，爬電容易在其內部形成氣體通道，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成，圖8為100倍顯微鏡下的紙板層間結構。可以看出，A組紙板各纖維層結合的非常緊密，纖維層間基本不存在孔洞。隨著老化程度的增加，纖維層結合的緊密度下降，纖維層間出現空洞，孔洞的數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。層間孔洞數量和體積的增加有利于紙板內部氣體通道的形成和發展。油氣化后充滿孔洞，各孔洞內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展，這使得紙板層間方向的爬電性能大幅下降。層間孔洞數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象。在相同的爬電起始電壓作用下，相同時間內老化紙板內部形成的氣體多，因而爬電的熄滅電壓下降。

圖8 紙板層間微觀結構Fig.8 Microstructure of pressboard layer

文獻[2]曾對老化紙板表面的微觀結構進行了研究，SEM的測量結果表明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。不同于在層間方向發展時，孔洞內氣體可以直接相連形成氣體通道的方式，孔洞內氣體若要在法線方向上發展形成通道，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合度下降，纖維層間孔洞數量和體積增加。

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