高壓交流套管的油紙絕緣熱老化特性及壽命模型研究

楊麗君　黃加佳　許佐明　胡恩德　高思航

(1.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室　重慶　400044

2.中國電力科學研究院武漢分院　武漢　430074)

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高壓交流套管的油紙絕緣熱老化特性及壽命模型研究

楊麗君1黃加佳1許佐明2胡恩德1高思航1

(1.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室重慶400044

2.中國電力科學研究院武漢分院武漢430074)

摘要為研究高壓交流套管的油紙絕緣熱老化特性，用套管用絕緣油、絕緣紙及鋁箔紙自制成樣品并分別在90 ℃、100 ℃、130 ℃三種溫度下進行加速熱老化。對熱老化過程中反映油紙絕緣材料樣品老化狀態的理化特征參數進行測試與分析。同時，對套管縮比模型在100 ℃進行電熱聯合老化實驗，測試分析其在老化過程中相應的介電響應曲線，測試套管在絕緣失效并解體后的絕緣電氣/理化參數。結果表明：對于套管的多層油紙屏障結構，最外層油紙絕緣是套管絕緣特性的薄弱點。油紙材料樣品與套管縮比模型在老化過程中最外層絕緣紙的聚合度下降速率均最快，內層較慢，分析認為水分和油酸在各層間的分布規律是導致該現象的主要原因；相比傳統的工頻電容值，低頻段對應的電容值對絕緣狀態變化反映更為靈敏。以油紙絕緣材料樣品最外層絕緣紙的聚合度隨溫度與時間變化數據為依據，建立了套管油紙絕緣熱壽命模型，并初步驗證了該模型的有效性。

關鍵詞：套管油紙絕緣老化特性壽命模型

Investigation on Thermal Aging Characteristics and Lifetime Model of Oil-Paper Insulation for HV AC Bushing

YangLijun1HuangJiajia1XuZuoming2HuEnde1GaoSihang1

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China 2.Wuhan BranchChina Electric Power Research InstituteWuhan430074China)

AbstractTo investigate the thermal aging characteristics of the oil-paper insulation in high voltage (HV) bushings，the paper and aluminum foil wrapped copper winding models combined with the insulating oil are used to perform the thermal aging experiments under 90 ℃，100 ℃，and 130 ℃，respectively.Physical/chemical parameters，which can reflect the aging condition of the oil-paper insulation，are measured and analyzed.In addition，the electro-thermal aging experiment of the scaling bushing is carried out under 100 ℃ as well in order to obtain the dielectric response，and the electrical characteristics and physical/chemical parameters after the bushing has a breakdown.Experimental results show that the outermost layer of the bushing manifests the lowest dielectric strength among multilayer oil papers.The descending speeds of the degree of polymerization (DP) for the outermost layer paper both in the paper wrapped copper winding model and the scale bushing are the fastest，whereas the inner layer papers are slower.The distribution of moisture and oleic acid is regarded as the reason for this phenomenon.It is also found that low frequency capacitance is more sensitive to the variation of insulation status of bushing compared with traditional power frequency capacitance.The oil-paper insulation thermal aging lifetime model for the bushing is then established based on the relationship of the outermost paper layer’s DP changing with time.The effectiveness of the model is preliminarily verified.

Keywords：Bushing，oil-paper insulation，aging property，lifetime model

0引言

高壓套管作為一種起到絕緣與支撐作用的電力設備，是確保電力變壓器安全運行的重要輔助設施之一[1，2]。油浸式電容套管的油紙復合結構在運行過程中長期受到電場、熱氧化、水解等作用而逐漸老化，出現各種絕緣缺陷而引發故障，并嚴重威脅套管壽命及電力變壓器的安全運行。

圖1　套管材料試品Fig.1　Bushing material samples

目前，針對電氣油紙絕緣材料的熱老化特性的研究已取得較多成果。根據老化因素可將油浸式電力設備內絕緣的老化大致劃分為熱老化、電老化、機械老化和環境老化[3]。V.M.Montsinger在1930年首次指出了溫度每升高10℃則絕緣壽命減半[4]，文獻[5]也對老化速率和溫度之間的關系進行了說明，水分能嚴重降低油紙絕緣的電氣強度，且加速油紙絕緣老化及縮短絕緣壽命。文獻[6]提出絕緣紙含水量與老化速率呈正比。文獻[7]提出絕緣紙中水分含量每增加0.5%，纖維素絕緣的壽命減半。文獻[8-10]提出油紙絕緣老化會產生油酸，并分析了油酸在油紙中的分布規律，絕緣紙中的水分和低分子酸能很好地協同促進絕緣紙老化。文獻[11]對不同溫度下絕緣紙酸類產物生成規律進行了研究。主要用于絕緣老化診斷的3種化學特征參量為聚合度(DP)[5]、CO與CO2含量[12]以及油中糠醛含量[13]，兩種電氣特征參量為局部放電及其特征參量[14]和介電響應[15]。國內外通常以聚合度作為絕緣紙機械性能的表征參量，采用纖維素降解動力學方程研究聚合度在各溫度下隨老化時間的變化規律，再基于Arrhenius方程將高溫加速老化下的數據外推至低溫下以預測實際運行條件下的壽命[16，17]。文獻[18]考慮水分的影響，改進了油紙絕緣熱老化壽命模型。熱老化壽命模型目前主要應用于電力變壓器，理論上同為油浸式電力設備的高壓套管也適用，但由于套管如圖1a所示的油紙絕緣結構和變壓器的紙包銅繞組的絕緣結構有差異，需要考慮多層絕緣紙間老化速率的差異等，目前針對套管開展的研究主要是結構設計與在線監測[19-21]，套管油紙絕緣熱老化特性方面的研究有老化溫度、時間、水分對頻域介電譜的影響[22]，但未考慮套管的特殊內部絕緣結構對油紙絕緣材料的老化特性的影響，并缺少針對套管特殊絕緣結構建立高壓套管油紙絕緣熱老化壽命模型的研究。

本文對套管油紙絕緣長期老化特性進行考核，研究其在高于運行參數(溫度、電壓)條件下的絕緣性能、特性變化、影響因素，并分析總結結構原因導致的差異，建立高壓套管油紙絕緣熱壽命模型。

1樣品的制備及老化實驗

1.1樣品制備

1)油紙絕緣材料樣品

用于熱老化的套管絕緣材料由南京某高壓套管生產廠家提供，與后文所述套管縮比模型及套管原型使用的絕緣材料一致。包括厚度為0.12 mm的牛皮絕緣紙、鋁箔紙、新疆克拉瑪依25#環烷基礦物油。按照圓柱體芯式形狀結構進行樣品制作，中心為銅導桿，緊密包裹纏繞多層絕緣紙，層間隔纏繞鋁箔紙，結構如圖1a所示；纏繞后的樣品以棉線扎緊固定，與絕緣油混合放置于不銹鋼密封容器中，如圖1b所示。每個樣品包含油、紙、銅的質量比參考該廠家的套管數據，設定為1.5∶1∶0.2。在開展老化實驗前，油紙樣品按照文獻[23]所述流程進行干燥、浸油等預處理。

2)套管縮比模型樣品

套管縮比模型按照該廠家生產的1 000 kV等級特高壓套管設計數據進行縮比設計，保持套管內部電場分布特點，如圖2所示。該縮比套管的額定線電壓為72.5 kV，軸向最大場強為0.43 kV/mm，徑向最大場強為4.5 kV/mm。套管總長度660 mm，油枕直徑225 mm。

圖2　油浸電容式縮比套管Fig.2　Typical OIP scale bushing

1.2樣品老化及參數測試

1)油紙絕緣材料老化及測試

實驗采用不銹鋼密封容器對油紙絕緣材料樣品進行密封，并分別開展在90 ℃、100 ℃、130 ℃三種溫度下的老化實驗。在不同老化時間取樣，并對油紙絕緣樣品3項理化特征參數進行測試，測試對象、項目及方法如表1所示。

表1　測試對象、項目及方法

2)套管縮比模型老化及測試

實驗室采用恒溫油浴對套管縮比模型樣品進行100 ℃的控溫，采用100 kV·A/100 kV的變壓器對模型樣品施加其額定相電壓1.5倍的電壓62.8 kV加速老化，直至套管絕緣失效。在老化過程中，定期利用介電響應分析儀(DIRANA)對完整套管縮比模型的電容和介損進行測量。當絕緣失效后，對套管解體，測試其內部油紙絕緣電氣/理化特征參數。測試對象、項目及方法如表2所示。

表2　測試對象、項目及方法

2實驗結果與分析

2.1油紙絕緣材料樣品實驗結果

1)聚合度變化

絕緣紙的機械強度很大程度上決定了油紙的絕緣熱壽命，聚合度大小則是表征絕緣紙機械強度很重要的一個參量[5]。分別對90 ℃、100 ℃、130 ℃三種溫度下老化的油紙絕緣材料樣品5處絕緣紙進行聚合度測試，即圖1中所示油紙材料樣品的1~5層。圖3以100 ℃下實驗數據為例，給出5個取樣點處聚合度變化情況?？梢钥闯?，樣品第1層(最外層)絕緣紙聚合度下降最快，第5層(最內層)最慢，第2、3、4層聚合度下降速率介于其中，且內層的聚合度下降速率較外層的慢。90 ℃與130 ℃下實驗結果有相同的規律。

圖3　聚合度隨時間變化曲線Fig.3　DP of paper with aging time

2)紙中水分含量

圖4以100 ℃下試品為例，給出了老化過程中實驗測得各層絕緣紙中水分隨老化時間的變化趨勢。

圖4　各層絕緣紙中水分含量隨時間變化曲線Fig.4　Moisture of paper with aging time

由圖4可看出各層紙中水分含量在老化前期呈上升趨勢，老化末期含量下降，總體呈波動狀態，但可看出同一老化時間下，外層絕緣紙水分含量多于內層絕緣紙。

為研究樣品各層絕緣紙聚合度差異與水分含量的關系，對100 ℃下老化中期(老化140 d)的材料樣品各層絕緣紙的聚合度和水分含量進行分析，結果如圖5所示。

圖5　各層絕緣紙中水分含量與聚合度關系Fig.5　Relationship between moisture in paper and DP

由圖5可知油紙絕緣材料樣品各層聚合度存在的差異與其各層紙中的水分含量有關，并基本呈負相關特性，即水分含量高，聚合度小，反之聚合度大。

3)油中酸值

油中酸值是油紙絕緣老化的產物，礦物油中酸值含量過高將加速絕緣紙纖維的老化進程[10]。圖6為油中酸值含量隨老化時間變化曲線，呈單一增加趨勢。

圖6　油中酸值隨老化時間變化曲線Fig.6　Acid number in oil with aging time

2.2套管縮比模型測試結果

套管縮比模型在100 ℃/62.8 kV的電熱作用下老化到133 d后，加壓回路由于大電流發生保護跳閘動作。為排除跳閘是由套管對油浴箱壁放電引起，重新升高電壓至60 kV，過電流保護再次動作，經反復檢查套管及加熱裝置外觀，確定是套管內部絕緣發生失效。隨后停止電熱老化實驗，對套管解體并測試其各項參數。

2.2.1老化過程中復電容頻率譜

通過建立套管油紙絕緣熱壽命模型能夠對套管的老化狀態和壽命進行預測。但對套管實際運行過程中可能發生的絕緣缺陷，仍需要輔助進行無損檢測以反映套管老化狀態，對其進行狀態評估，避免在壽命期內發生絕緣故障。文獻[24]指出隨老化程度加劇，絕緣紙板電容的低頻部分(小于0.1 Hz)明顯增大，而高頻部分變化不大。所以實驗通過測量復電容頻域譜了解套管老化狀態。

圖7為套管模型在0～130 d老化過程中及在133 d發生絕緣失效后的復電容頻域響應譜圖。實驗結果表明，隨老化時間的增加，C′(ω)在10-3～100Hz頻段內呈現向高頻區移動趨勢，而在100～104Hz內基本保持不變，C″(ω)在整個頻段內隨時間增加向高頻區移動；絕緣失效后，C″(ω)幅值在高頻區與中頻區明顯增大。造成該現象的主要原因是在電場作用下，油紙絕緣復電容在低頻段隨老化時間的變化主要是由界面極化造成，在高頻段則與轉向極化有關，老化增加了油紙界面，并減小了極化響應時間[25]。相比于傳統的工頻電容值，低頻段對應的電容量對絕緣狀態變化反映更為靈敏，可用于反映套管老化狀態。以f=10-3Hz頻率點為例，與初始狀態相比，失效后C′(f=10-3Hz)變化率達到65.1%，C″(f=10-3Hz)變化率達到69.2%。

圖7　100 ℃下不同老化階段套管電容量頻域譜Fig.7　Capacitance frequency response of bushing at different aging status at 100 ℃

2.2.2解體后參數測試

解體后套管部件如圖8所示。發現絕緣失效發生在電容芯子最外層絕緣紙上，沿無油枕側的高壓端銅芯至末屏接地端之間的纏繞紗帶和絕緣紙有明顯的沿面放電痕跡。而同樣是最外層，有油枕一側的高壓端對末屏卻無放電痕跡。由于末屏到兩端銅芯的爬電距離相同，可認為油枕起到了一定的均勻電場作用，使得該端爬電電壓升高。

圖8　解體套管部件圖Fig.8　Constituting parts of bushing

將包裹的全部紙樣打開后，顯示僅最外層的絕緣紙有放電痕跡，內部的絕緣紙并無放電痕跡，如圖9所示。

圖9　套管絕緣紙層Fig.9　Insulating paper in different layers

參考圖1所示套管油紙絕緣材料樣品取樣方式，由外至內分別間隔一定層數確定5個取樣點取纏繞銅芯的絕緣紙(最外層為1層，向內排至最內層為5層)，分別測試絕緣紙電阻率、紙中水分和聚合度。

1)電阻率

絕緣紙表面電阻率與體積電阻率如圖10所示。

圖10　絕緣紙表面電阻率和體積電阻率Fig.10　The surface and volume resistivity of insulating paper

由圖10可知，直接與絕緣油接觸的最外層絕緣紙體積電阻率和表面電阻率均為最小，可認為是導致套管絕緣紙表面在高壓下產生爬電并引起絕緣失效的主要原因。其余中間層電阻率均隨取樣層數量的增加而逐漸增加。但貼近銅導桿的最內層絕緣紙的表面和體積電阻率卻突然下降。

2)絕緣紙水分含量與聚合度

從解體套管中取得的不同層絕緣紙樣品水分含量及聚合度測試結果如圖11所示。絕緣紙中水分最外層最多，最內層最少，中間層介于其間，內外層水分含量差別將近1.5%，這與2.1節中絕緣材料樣品不同絕緣紙層的水分含量分布規律一致。

聚合度的測試結果與前述絕緣材料樣品結果一致，靠近絕緣油的最外層絕緣紙樣品聚合度最小，中間層聚合度較大。其中，測得外層絕緣紙的聚合度為384。

圖11　各層絕緣紙中水分含量與聚合度關系Fig.11　Relationship between moisture in paper and DP

3分析討論

3.1聚合度與水分和酸值關系

纖維素的老化水解是一個自催化過程，其反應速率取決于羧酸(小分子酸)和水分含量[26]。

纖維素水解反應的機制是水分子滲透到纖維素鏈長分子間隙，與H+的共同催化水解反應。相同溫度下，含水量越高絕緣紙聚合度下降越快[26]。除絕緣油本身含有一定量初始水分外，纖維素熱裂解和絕緣油的劣化都會生成水分，引起油紙絕緣系統含水量的增加；生成的水分將進一步參與纖維素水解反應，加速聚合度下降。

文獻[8-10]指出油紙絕緣體系在老化過程中會產生低分子酸(分子量小的酸)和高分子酸(分子量大的酸)，低分子酸與水分的行為相似，極易被絕緣紙吸收，而高分子酸則不易被絕緣紙吸收。因此，低分子酸主要集中在絕緣紙中，高分子酸主要集中在絕緣油中。絕緣紙中的水分和低分子酸能很好地協同促進絕緣紙老化，而高分子酸對絕緣紙老化基本不起作用[9，10]。

根據上述分析，水分和羧酸在不同絕緣紙層的不同含量是導致圖5和圖11中絕緣紙層間聚合度差異的原因，而圖1所示油紙絕緣樣品及套管絕緣多層絕緣紙纏繞結構使得水分和酸在不同紙層分布產生差異。外層絕緣紙與絕緣油的接觸面最大，油老化產生的水分和小分子酸直接擴散并滲透到外層絕緣紙。而對于內層絕緣紙，與其接觸的油很少，并且由外至內又分別由多層鋁箔紙包裹隔離，外層油紙向內擴散滲透的水分和酸含量逐漸減少，最內層絕緣紙因為擴散滲透增加的水分和羧酸含量接近于0。引起最內層聚合度降解的主要原因除了溫度之外，只有內層絕緣紙和其接觸的油老化產生的少量水和酸。因此，絕緣紙中水分和羧酸由外層至內層逐漸減少，所以內層的自催化作用相對外層較弱，結果如表3所示。圖6所示油中油酸隨時間增大使得內外層水分和酸值含量差距增大，導致聚合度差異增大。

表3　各層絕緣紙降解速率差異分析

以上原因導致油紙絕緣材料和套管縮比模型中最外層絕緣紙聚合度下降最快，成為絕緣強度最為薄弱的部分。

3.2電阻率分析

解體套管絕緣紙層電阻率測試結果為內層絕緣紙表面和體積電阻率都大于外層，最外層最小。貼近銅導桿的最內層絕緣紙電阻率稍有下降。

從最外層到內層電阻率逐漸增加，可能由于絕緣紙老化程度不同，且油酸、水分含量及油中生成的極性物質由于絕緣紙和鋁箔紙間隔緊密包裹產生的滲透度差異導致。而解體套管最內層與銅桿貼緊層絕緣紙電阻率發生突然下降，原因可能是在長期的熱作用下，銅導桿與油中腐蝕性硫化物發生化學反應生成一種導電率較高的Cu2S沉積并附著在最內層紙上，而電場也會對此過程起到加速作用[27-29]。最外層絕緣紙電阻率最小解釋了圖7中最外層絕緣紙產生爬電閃絡現象，也同樣表明其是絕緣強度最為薄弱的部分。

3.3油紙絕緣熱壽命模型分析

前面實驗結果與分析表明，油紙絕緣材料樣品及套管縮比模型中第1層(最外層)絕緣紙老化速率最快，絕緣性能最易破壞，是套管油紙絕緣最薄弱的地方。以油紙絕緣材料樣品最外層聚合度隨溫度和時間變化數據為基礎，建立套管油紙絕緣壽命模型。

選用一階動力學方程(式(1))及Arrhenius熱力學方程(式(2))作為本研究的熱壽命模型[17]，如下所示。

(1)

(2)

式中，DPt為t時刻絕緣紙的聚合度；DP0為絕緣紙初始聚合度；K為該一階動力學模型的模型參數；t為老化時間，d；ΔE為活化能，kJ/mol；R為摩爾氣體常量，R=8.315，J/(mol·K)；T為熱力學溫度(實際溫度+273)，K。

將3種實驗溫度下老化的油紙絕緣材料樣品第1層絕緣紙聚合度數據進行處理，得到圖12與圖13。

圖12　1/DPt-1/DP0與老化時間關系曲線Fig.12　Relationship between 1/DPt-1/DP0 and aging time

圖13　lnK與1/T關系曲線Fig.13　Relationship between lnK and 1/T

圖12中130 ℃老化曲線斜率明顯大于90 ℃和100 ℃，是因為溫度對絕緣紙纖維素的降解速率影響極大，斜率K定義為絕緣紙降解速率，式(2)表明K隨溫度T呈指數型增長，與文獻[30]中相關曲線規律一致。由圖13得到壽命模型指前參數A=4.101×105，活化能ΔE=75.102 kJ/mol。

對于油浸式電力變壓器中使用的油紙絕緣材料，一般初始聚合度和熱壽命終點聚合度分別為1 250和250[31]，而對于套管油紙絕緣的熱壽命終點聚合度暫沒有相關規程規定，可參考變壓器油紙絕緣進行選擇，也可根據實際要求選取。

油紙絕緣老化是多種因素的綜合作用結果，但油浸式電力設備主絕緣的壽命，即油紙絕緣的壽命實際上主要是由其熱老化決定的，熱老化是眾多老化因素中最主要的因素[32]。此外，本文采用的絕緣材料和套管縮比模型均由同一家套管生產廠家提供，該絕緣材料在套管模型及原型中應用。故本節根據油紙絕緣材料聚合度隨溫度和時間變化規律搭建的油紙絕緣熱壽命模型理論上適用于2.2節中的套管縮比模型。

利用建立的壽命模型參數對套管絕緣紙在100 ℃下老化時間t=133 d的聚合度DPt進行計算。

=406.32

(3)

根據壽命模型，最外層絕緣紙老化133 d的聚合度為406.32，而套管解體后實測外層絕緣紙的聚合度為384，誤差為5.8%，初步證實了該模型的有效性。

4結論

本文對套管油紙絕緣材料樣品及套管縮比模型分別進行了熱加速老化和電熱聯合老化，研究了套管絕緣老化特性，得到如下結論：

1)油紙絕緣材料樣品與套管縮比模型不同層絕緣紙老化狀態出現差異，紙中水分與酸值含量不同是導致該現象的主要原因。最外層絕緣紙水分、酸值含量最高，老化速率最快；最內層絕緣紙水分、酸值含量最低，老化速率最慢；中間層水分、酸值含量和老化速率均介于中間。

2)最外層絕緣紙老化速率最快，是絕緣最薄弱的地方，基于油紙絕緣材料樣品最外層絕緣紙聚合度隨溫度與時間的變化規律，建立了套管油紙絕緣熱壽命模型。根據油紙絕緣熱壽命模型計算老化133 d后聚合度和解體后實測外層絕緣紙的聚合度誤差僅為5.8%，初步驗證了該模型的有效性。

3)套管縮比模型老化過程中的復電容實部和虛部分別在低頻段和整個頻段呈現向高頻區移動的趨勢，在絕緣失效后有明顯變化。相比于傳統的工頻電容值，低頻段對應的電容量對絕緣狀態變化反映更為靈敏，可用于反映套管老化狀態。

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楊麗君女，1980年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣設備狀態監測與故障智能診斷。

E-mail：yljcqu@cqu.edu.cn

黃加佳男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電力設備絕緣狀態評估與故障診斷。

E-mail：jiajiahuang@cqu.edu.cn(通信作者)

作者簡介

中圖分類號：TM216

收稿日期2015-02-05改稿日期2015-05-07

國家創新研究群體基金資助項目(51021005)。