變壓器用絕緣紙擊穿強(qiáng)度的多因素協(xié)同影響研究

吳東樂，孫勝然，劉群華，劉 文，徐凱麗

（中國(guó)制漿造紙研究院有限公司 制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100102）

0 引言

電力變壓器作為輸變電網(wǎng)絡(luò)中最重要的設(shè)備之一，其性能至關(guān)重要。本色木漿絕緣紙以其性能優(yōu)良、成本低廉和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力變壓器中[1]。近年來，特高壓輸變電因具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、效率高和損耗低的綜合優(yōu)勢(shì)得到大力發(fā)展，我國(guó)基本上形成“西電東送，北電南供”的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)[2]。油浸式變壓器的性能依賴于絕緣紙的設(shè)計(jì)和選擇，絕緣紙一直以來是電力裝備及系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是制約先進(jìn)輸變電技術(shù)提升的瓶頸。隨著變壓器電壓等級(jí)和容量的不斷增加，對(duì)絕緣紙的性能，尤其是擊穿強(qiáng)度提出了嚴(yán)苛的要求。如何提高絕緣紙的性能及其在變壓器運(yùn)行中的可靠性，面臨巨大挑戰(zhàn)。然而，目前高性能絕緣紙的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研發(fā)均嚴(yán)重滯后于發(fā)展需要，國(guó)內(nèi)高純度、高強(qiáng)度的絕緣紙主要依賴于進(jìn)口。

油浸式變壓器用絕緣紙通常是由未漂針葉木硫酸鹽漿通過純化、打漿、成形、壓榨、干燥以及特殊的整飾制造而成，絕緣紙擊穿強(qiáng)度受到制造過程的影響較大[3]。文獻(xiàn)[4-6]研究了打漿過程對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)打漿度、打漿壓力和打漿方式對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響較大。周遠(yuǎn)翔等[7-8]研究了熱壓溫度和造紙用水電導(dǎo)率對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)熱壓溫度和造紙用水電導(dǎo)率對(duì)絕緣紙交流擊穿強(qiáng)度的影響較小，對(duì)直流擊穿強(qiáng)度的影響較大。于欽學(xué)等[9]研究了壓光型和預(yù)壓型兩種絕緣紙板的性能，發(fā)現(xiàn)預(yù)壓型絕緣紙板的性能優(yōu)于壓光型絕緣紙板的性能。R HOLLERTZ等[10]研究了紙張的化學(xué)組成和形態(tài)與絕緣紙擊穿強(qiáng)度之間的關(guān)系。目前的研究大多基于單個(gè)因素或多個(gè)因素逐個(gè)研究其對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響。實(shí)際上，絕緣紙的制造過程與擊穿強(qiáng)度的關(guān)系是十分復(fù)雜的多因素協(xié)同系統(tǒng)。例如打漿度會(huì)影響絕緣紙的擊穿強(qiáng)度，而要提高絕緣紙的擊穿強(qiáng)度不僅要調(diào)整紙漿的打漿度，還需要提高紙漿的化學(xué)純度或者成形工藝。絕緣紙擊穿強(qiáng)度受多重因素的影響，且多因素間存在協(xié)同作用，因此需要多因素、多層次、全面地進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其分析是一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，它能夠確定影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主次因素，以及各因素間協(xié)同作用的大小，是目前常用于多因素影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析的方法[11-13]。

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究打漿度、打漿負(fù)荷、定量和干燥方式對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響。結(jié)合極差和方差分析研究4種因素對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度影響程度的主次順序以及協(xié)同效應(yīng)。利用Weibull分布對(duì)絕緣紙的擊穿強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并建立失效模型。同時(shí)，測(cè)定絕緣紙的緊度和吸油率，分析結(jié)構(gòu)變化，闡明制造工藝對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響規(guī)律和機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響因素，本研究重點(diǎn)考察打漿度、打漿負(fù)荷、定量與干燥方式4個(gè)影響因素。為避免各因素組合太多，每個(gè)因素選擇2或3個(gè)水平，具體水平見表1。采用正交表L12（3×24）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排，如表2所示。為了便于統(tǒng)計(jì)分析，將打漿度、打漿負(fù)荷、定量、干燥方式4個(gè)因素分別用A、B、C、D表示。

表1 影響因素水平Tab.1 Selection of factor levels

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experimental scheme

1.2 樣品的制備

選用加拿大Canfor公司的未漂針葉木硫酸鹽漿為原料。絕緣紙的制備包括4個(gè)主要過程：打漿、成形、壓榨和干燥。經(jīng)浸泡4 h后，使用奧地利PTI公司生產(chǎn)的P40130型Valley打漿機(jī)進(jìn)行打漿，并根據(jù)GB/T 3332—2004測(cè)量打漿度。然后，使用奧地利PTI公司生產(chǎn)的RK-3A型快速凱塞紙頁(yè)成形器脫水成形，經(jīng)壓榨和干燥后獲得絕緣紙樣品。將絕緣紙樣品置于105℃干燥箱內(nèi)烘干4 h，將北京欣環(huán)誠(chéng)油脂分裝有限公司生產(chǎn)的25#變壓器油預(yù)熱至70℃。然后將變壓器油倒入裝有絕緣紙樣品的容器中，在真空條件下浸漬48 h。浸油完成后除去表面多余的變壓器油，并放置于密封袋中保存。

1.3 測(cè)試方法

厚度和緊度根據(jù)GB/T 451.2—2002進(jìn)行測(cè)試。吸油率根據(jù)IEC 60641-2-2004進(jìn)行測(cè)試。試樣尺寸為10 cm×10 cm，取油浸樣品與未油浸絕干樣品的質(zhì)量差除以未油浸絕干樣品的質(zhì)量作為吸油率。

擊穿強(qiáng)度依據(jù)GB/T 3333—1999采用逐步升壓的方式進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)電極結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用不對(duì)稱銅電極，高壓電極直徑為25 mm，低壓電極直徑為75 mm，表面均進(jìn)行拋光處理。

圖1 擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)電極Fig.1 Breakdown strength experiment electrode

2 結(jié)果與分析

2.1 擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

絕緣紙和油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分布如圖2和圖3所示。箱線圖可以粗略地看出數(shù)據(jù)的對(duì)稱性、分散性和異常值情況，并進(jìn)行多組數(shù)據(jù)分布特性的比較。圖中最上面和最下面的兩條短線分別代表最大值和最小值；矩形箱體的上邊緣和下邊緣分別表示第三和第一四分位數(shù)，方框內(nèi)的短線代表中位數(shù)；超過四分位數(shù)范圍1.5倍的數(shù)據(jù)點(diǎn)被認(rèn)為是異常值，即最上面和最下面的兩條短橫線之外的數(shù)據(jù)。由圖2可知，絕緣紙擊穿強(qiáng)度的數(shù)據(jù)基本對(duì)稱分布，4、5、7、8、10號(hào)絕緣紙的擊穿強(qiáng)度存在1～2個(gè)異常值，為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性可將其剔除。隨著打漿度的增大，擊穿強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，其數(shù)據(jù)的分散性變大。由圖3可知，油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)基本對(duì)稱分布，沒有異常值；隨著打漿度的增大，擊穿強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，其數(shù)據(jù)的分散性變小。對(duì)比圖2和圖3可以看出，絕緣紙比油浸絕緣紙更容易發(fā)生擊穿，因?yàn)榻^緣紙含有大量的孔隙，會(huì)降低其擊穿強(qiáng)度，而油浸絕緣紙因變壓器油進(jìn)入孔隙后與絕緣紙的互補(bǔ)作用而具有優(yōu)異的電氣性能。

圖2 絕緣紙的擊穿強(qiáng)度Fig.2 Breakdown strength of insulation paper

圖3 油浸絕緣紙的擊穿強(qiáng)度Fig.3 Breakdown strength of oil-impregnated insulation paper

2.2 影響因素的主次順序及協(xié)同作用分析

2.2.1 極差分析和方差分析

通過極差和方差分析對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表3和表4。極差（R）是一個(gè)因素在各個(gè)水平下指標(biāo)結(jié)果的最大值和最小值的差值，可以表示各因素水平發(fā)生改變時(shí)，指標(biāo)的變化程度。R越大，表示該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大。由表3中極差R可知，4種因素對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：打漿度（A）、打漿負(fù)荷（B）、干燥方式（D）、定量（C）；對(duì)油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：打漿度、定量、打漿負(fù)荷、干燥方式。表3中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示一個(gè)因素的某個(gè)水平下指標(biāo)響應(yīng)之和，可以表示因素的最佳水平，若指標(biāo)的結(jié)果越大越好，則選擇能夠使得該指標(biāo)最大的那個(gè)水平。對(duì)于絕緣紙，打漿度為80°SR，打漿壓力為4 kg，定量為70 g/m2，真空干燥得到的試樣具有較高的擊穿強(qiáng)度；對(duì)于油浸絕緣紙，打漿度為80°SR，打漿壓力為4 kg，定量為120 g/m2，真空干燥得到的試樣具有較高的擊穿強(qiáng)度；符合這樣組合的11號(hào)樣品的擊穿強(qiáng)度也是最高的。

表3 極差分析結(jié)果Tab.3 Results of range analysis

表4 絕緣紙方差分析結(jié)果Tab.4 Results of variance analysis for insulation paper

從表4可以看出，打漿度的F(2,6)=17.783，P＜0.01；打漿負(fù)荷的F(1,6)=1.604，P＞0.05；定量的F(1,6)=0.478，P＞0.05；干燥方式的F(1,6)=1.594，P＞0.05；可見打漿度高度顯著影響，為主要影響因素，打漿負(fù)荷、定量和干燥方式則影響較小。從表5可以看出，打漿度的F(2,6)=54.058，P＜0.01；定量的F(1,6)=18.573，P＜0.01；打漿負(fù)荷的 F(1,6)=7.647，P＜0.05；干燥方式的F(1,6)=1.210，P＞0.05；可見打漿度和定量高度顯著影響，打漿負(fù)荷顯著影響，這三者為主要影響因素，干燥方式則影響較小。方差分析與極差分析結(jié)果一致，因?yàn)榉讲罘治隼昧溯^全的信息，考慮了誤差的大小，所以更加準(zhǔn)確可靠。綜合各種因素，提高打漿度，使用較高打漿負(fù)荷，并根據(jù)使用條件選擇相應(yīng)的定量，可提高絕緣紙的擊穿強(qiáng)度。需要注意所得到的“最優(yōu)方案”，只是在試驗(yàn)所用水平下，優(yōu)選結(jié)果不會(huì)超越所取水平的范圍[11]。

表5 油浸絕緣紙方差分析結(jié)果Tab.5 Results of variance analysis for oil-impregnated insulation paper

2.2.2 因素協(xié)同影響分析

繪制絕緣紙和油浸絕緣紙的擊穿強(qiáng)度隨打漿度、打漿壓力、定量和干燥方式的變化曲線，即交互作用關(guān)系圖，結(jié)果見圖4和圖5。圖中縱坐標(biāo)為擊穿強(qiáng)度值，橫坐標(biāo)為各因素不同的水平（詳見表1～2）。各因素間交互協(xié)同作用的大小可以由交互作用關(guān)系圖中各條曲線之間的不平行程度表示[14]。圖4的曲線中，打漿壓力和干燥方式之間平行，其他因素之間都不平行，說明除了打漿壓力和干燥方式之間，各因素對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響并不是相互獨(dú)立的。圖5中的曲線之間均不平行，說明4個(gè)因素間存在協(xié)同效應(yīng)，各因素對(duì)油浸絕緣紙的擊穿強(qiáng)度影響并不是相互獨(dú)立的。

2.3 絕緣紙的失效規(guī)律

圖4 絕緣紙交互作用關(guān)系圖Fig.4 Relation graph of interactions for insulation paper

圖5 油浸絕緣紙交互作用關(guān)系圖Fig.5 Relation graph of interactions for oil-impregnated insulation paper

絕緣紙發(fā)生擊穿會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全。由于固體絕緣材料的擊穿是一種隨機(jī)現(xiàn)象，在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，獲得的擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)具有一定的分散性。IEEE 930-2004推薦采用Weibull分布統(tǒng)計(jì)分析方法來分析絕緣紙的擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并對(duì)不同的絕緣紙進(jìn)行比較，預(yù)測(cè)在給定的電壓下?lián)舸┑母怕蔥15]。

圖6和圖7分別為不同制備工藝的絕緣紙和油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度的Weibull概率分布圖。從圖6～7可以看出，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都均勻分布在直線上，表明擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過Weibull分布充分性檢驗(yàn)，認(rèn)為絕緣紙和油浸絕緣紙的擊穿強(qiáng)度很好地服從雙參數(shù)Weibull分布。

圖6 絕緣紙的Weibull概率分布圖Fig.6 Weibull plots for insulation paper

圖7 油浸絕緣紙的Weibull概率分布Fig.7 Weibull plots for oil-impregnated insulation paper

Weibull分布常用于分析絕緣紙擊穿數(shù)據(jù)的分布規(guī)律或絕緣的失效規(guī)律[16]。利用Weibull概率密度函數(shù)可以推導(dǎo)出失效分布模型，如式（1）所示。

式（1）中：x是擊穿電壓或擊穿時(shí)間；F(x)是在擊穿電壓或時(shí)間小于或等于x時(shí)的失效概率；α是尺度參數(shù)；β是形狀參數(shù)。

Weibull分布的尺度參數(shù)α代表失效概率為63.2%時(shí)的擊穿強(qiáng)度或擊穿時(shí)間；形狀參數(shù)β代表?yè)舸?qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性，β越大，擊穿強(qiáng)度的分散性越小。采用極大似然估計(jì)法估算尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β[15]，結(jié)果如表6所示。

表6 Weibull分布失效模型的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)βTab.6 Scale and shape parameters of Weibull plots of failure probability

由表6可知，絕緣紙的尺度參數(shù)α從8.530 kV/mm增加到17.809 kV/mm，油浸絕緣紙的α從25.318 kV/mm增加到58.746 kV/mm。絕緣紙和油浸絕緣紙α的變化規(guī)律與圖2和圖3的擊穿強(qiáng)度中位數(shù)的變化規(guī)律相同。因此擊穿強(qiáng)度的Weibull尺度參數(shù)α與中位數(shù)均可用于描述絕緣紙的擊穿強(qiáng)度。絕緣紙的β普遍大于油浸絕緣紙的β，說明絕緣紙擊穿強(qiáng)度的分散性普遍小于油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度的分散性。這可能是由于油浸絕緣紙?jiān)谕瓿山秃?，表面多余的油去除不充分，有殘余變壓器油，?dǎo)致測(cè)得的擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)分散性變大。隨著打漿度的提高，絕緣紙的β逐漸變小，即絕緣紙擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性變大；油浸絕緣紙的β逐漸變大，即油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性變小。

2.4 制備工藝對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響機(jī)理

從絕緣紙的擊穿理論來說，絕緣紙不是單純的固體，它具有三維多孔結(jié)構(gòu)。無(wú)論以浸油狀態(tài)還是初始狀態(tài)進(jìn)行擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)際上都是以混合結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。絕緣紙擊穿強(qiáng)度受紙張這種三維多孔結(jié)構(gòu)的影響極大。制備工藝對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響，實(shí)際上是對(duì)紙張三維多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而造成擊穿強(qiáng)度的變化。

為分析制備工藝對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響機(jī)理，測(cè)定絕緣紙的緊度和吸油率，結(jié)果如圖8所示。同時(shí)，利用日立先端科技有限公司生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)低打漿度（50°SR）和高打漿度（80°SR）的絕緣紙表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果如圖9所示。由圖8可以看出，隨著打漿度的提高，絕緣紙的緊度整體呈上升趨勢(shì)。干燥方式對(duì)緊度的影響也較大，真空干燥的緊度大于烘缸干燥，絕緣紙樣品緊度之間的極差為0.2 g/cm3。隨著打漿度的提高吸油率整體呈下降的趨勢(shì)。對(duì)比緊度和吸油率可以看出，緊度越大，吸油率越低，反之，吸油率越高。表明吸油率與緊度之間直接相關(guān)，緊度大小會(huì)直接影響吸油率。H P MOSER[17]認(rèn)為在纖維間空氣質(zhì)量忽略不計(jì)時(shí)，可以用緊度直接計(jì)算得出絕緣紙的吸油率，如式（2）所示。

式（2）中：α為吸油率；ρ油、ρ纖維和ρ紙分別代表絕緣油、纖維和絕緣紙的密度。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該結(jié)論一致。定量直接影響絕緣紙的厚度，定量越高，絕緣紙的厚度越大。厚度是影響擊穿強(qiáng)度的重要參數(shù)，其主要是通過影響吸油率從而影響擊穿強(qiáng)度[18-19]，所以定量對(duì)油浸絕緣紙的影響顯著。

圖8 絕緣紙的緊度和吸油率Fig.8 Density and oil absorbtion of insulation paper

圖9 樣品的表面掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope(SEM)pictures

從圖9可以看出，低打漿度的樣品，纖維間排列疏松，空隙較大，樣品表面比較粗糙；高打漿度的樣品，纖維排列緊密，空隙變小，樣品表面相對(duì)平滑。這是因?yàn)榇驖{使纖維發(fā)生次生壁中層（S2）位移和變形，以及初生壁和次生壁外層（S1）破除和纖維的切斷，使纖維吸水潤(rùn)脹和發(fā)生細(xì)纖維化，另外還會(huì)產(chǎn)生纖維碎片，使纖維產(chǎn)生扭曲、卷曲、壓縮和伸長(zhǎng)等變形[20]。在打漿過程中會(huì)使纖維發(fā)生細(xì)纖維化，細(xì)纖維化主要有內(nèi)部和外部細(xì)纖維化兩種，并且主要發(fā)生在S2-S2層；外部細(xì)纖維化使得纖維發(fā)生分絲帚化，極大地增加了纖維的比表面積，有助于氫鍵的結(jié)合；內(nèi)部細(xì)纖維化可以使纖維的剛性削弱，變得柔軟[20]。在干燥過程中形成氫鍵，對(duì)水分子擴(kuò)散滲透具有更強(qiáng)的抵抗作用，且對(duì)強(qiáng)電場(chǎng)作用下被加速的電子、離子具有屏蔽作用。合理的打漿會(huì)使得絕緣紙內(nèi)具有較多的淺陷阱，在恒定電場(chǎng)作用下，淺陷阱能使絕緣紙內(nèi)部空間電荷難積聚、易消散，使得絕緣紙陷阱電荷量減少[4]。由于打漿對(duì)纖維有切斷作用，使得細(xì)小纖維的含量增多，進(jìn)而可以填補(bǔ)纖維之間的空隙，使孔隙率降低，提高擊穿強(qiáng)度。這些變化將導(dǎo)致絕緣紙和油浸絕緣紙的擊穿強(qiáng)度增加。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)條件下，4種因素對(duì)絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響程度由高到低依次為：打漿度、打漿負(fù)荷、干燥方式、定量，其中打漿度為主要影響因素。對(duì)油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度的影響程度由高到低依次為：打漿度、定量、打漿負(fù)荷、干燥方式，其中打漿度、定量和打漿負(fù)荷為主要影響因素。4個(gè)因素間存在協(xié)同效應(yīng)。

（2）建立了絕緣紙的失效規(guī)律模型，研究表明擊穿強(qiáng)度的Weibull尺度參數(shù)α與中位數(shù)均可用于描述絕緣紙的擊穿強(qiáng)度。隨著打漿度提高，失效概率為63.2%時(shí)的擊穿強(qiáng)度逐漸增大。絕緣紙擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性變大，油浸絕緣紙擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性變小。

（3）制備工藝會(huì)影響絕緣紙的緊度和吸油率，并可以改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)生細(xì)纖維化，產(chǎn)生淺陷阱和細(xì)小纖維，進(jìn)而影響絕緣紙的擊穿強(qiáng)度。