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(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室　重慶　400044

2.中國電力科學(xué)研究院武漢分院　武漢　430074)

?

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(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室重慶400044

2.中國電力科學(xué)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(tài)的理化特征參數(shù)進行測試與分析。同時，對套管縮比模型在100 ℃進行電熱聯(lián)合老化實驗，測試分析其在老化過程中相應(yīng)的介電響應(yīng)曲線，測試套管在絕緣失效并解體后的絕緣電氣/理化參數(shù)。結(jié)果表明：對于套管的多層油紙屏障結(jié)構(gòu)，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(nèi)層較慢，分析認(rèn)為水分和油酸在各層間的分布規(guī)律是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因；相比傳統(tǒng)的工頻電容值，低頻段對應(yīng)的電容值對絕緣狀態(tài)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(shù)據(jù)為依據(jù)，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(guān)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(shè)備，是確保電力變壓器安全運行的重要輔助設(shè)施之一[1，2]。油浸式電容套管的油紙復(fù)合結(jié)構(gòu)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(xiàn)各種絕緣缺陷而引發(fā)故障，并嚴(yán)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(jù)老化因素可將油浸式電力設(shè)備內(nèi)絕緣的老化大致劃分為熱老化、電老化、機械老化和環(huán)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(guān)系進行了說明，水分能嚴(yán)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(chǎn)生油酸，并分析了油酸在油紙中的分布規(guī)律，絕緣紙中的水分和低分子酸能很好地協(xié)同促進絕緣紙老化。文獻[11]對不同溫度下絕緣紙酸類產(chǎn)物生成規(guī)律進行了研究。主要用于絕緣老化診斷的3種化學(xué)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(yīng)[15]。國內(nèi)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(xué)方程研究聚合度在各溫度下隨老化時間的變化規(guī)律，再基于Arrhenius方程將高溫加速老化下的數(shù)據(jù)外推至低溫下以預(yù)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(yīng)用于電力變壓器，理論上同為油浸式電力設(shè)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(jié)構(gòu)和變壓器的紙包銅繞組的絕緣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計與在線監(jiān)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(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)(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(jié)結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌牟町悾⒏邏禾坠苡图埥^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(chǎn)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(huán)烷基礦物油。按照圓柱體芯式形狀結(jié)構(gòu)進行樣品制作，中心為銅導(dǎo)桿，緊密包裹纏繞多層絕緣紙，層間隔纏繞鋁箔紙，結(jié)構(gòu)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(zhì)量比參考該廠家的套管數(shù)據(jù)，設(shè)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(yù)處理。

2)套管縮比模型樣品

套管縮比模型按照該廠家生產(chǎn)的1 000 kV等級特高壓套管設(shè)計數(shù)據(jù)進行縮比設(shè)計，保持套管內(nèi)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(shù)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(shù)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(yīng)分析儀(DIRANA)對完整套管縮比模型的電容和介損進行測量。當(dāng)絕緣失效后，對套管解體，測試其內(nèi)部油紙絕緣電氣/理化特征參數(shù)。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(jié)果與分析

2.1油紙絕緣材料樣品實驗結(jié)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(shù)據(jù)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(nèi)層)最慢，第2、3、4層聚合度下降速率介于其中，且內(nèi)層的聚合度下降速率較外層的慢。90 ℃與130 ℃下實驗結(jié)果有相同的規(guī)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(tài)，但可看出同一老化時間下，外層絕緣紙水分含量多于內(nèi)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(guān)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(jié)果如圖5所示。

圖5　各層絕緣紙中水分含量與聚合度關(guān)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(guān)，并基本呈負(fù)相關(guān)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(chǎn)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(jié)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(fā)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(jīng)反復(fù)檢查套管及加熱裝置外觀，確定是套管內(nèi)部絕緣發(fā)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(shù)。

2.2.1老化過程中復(fù)電容頻率譜

通過建立套管油紙絕緣熱壽命模型能夠?qū)μ坠艿睦匣癄顟B(tài)和壽命進行預(yù)測。但對套管實際運行過程中可能發(fā)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(tài)，對其進行狀態(tài)評估，避免在壽命期內(nèi)發(fā)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(fù)電容頻域譜了解套管老化狀態(tài)。

圖7為套管模型在0～130 d老化過程中及在133 d發(fā)生絕緣失效后的復(fù)電容頻域響應(yīng)譜圖。實驗結(jié)果表明，隨老化時間的增加，C′(ω)在10-3～100Hz頻段內(nèi)呈現(xiàn)向高頻區(qū)移動趨勢，而在100～104Hz內(nèi)基本保持不變，C″(ω)在整個頻段內(nèi)隨時間增加向高頻區(qū)移動；絕緣失效后，C″(ω)幅值在高頻區(qū)與中頻區(qū)明顯增大。造成該現(xiàn)象的主要原因是在電場作用下，油紙絕緣復(fù)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(zhuǎn)向極化有關(guān)，老化增加了油紙界面，并減小了極化響應(yīng)時間[25]。相比于傳統(tǒng)的工頻電容值，低頻段對應(yīng)的電容量對絕緣狀態(tài)變化反映更為靈敏，可用于反映套管老化狀態(tài)。以f=10-3Hz頻率點為例，與初始狀態(tài)相比，失效后C′(f=10-3Hz)變化率達(dá)到65.1%，C″(f=10-3Hz)變化率達(dá)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(shù)測試

解體后套管部件如圖8所示。發(fā)現(xiàn)絕緣失效發(fā)生在電容芯子最外層絕緣紙上，沿?zé)o油枕側(cè)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(cè)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(rèn)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(nèi)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(nèi)分別間隔一定層數(shù)確定5個取樣點取纏繞銅芯的絕緣紙(最外層為1層，向內(nèi)排至最內(nèi)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(rèn)為是導(dǎo)致套管絕緣紙表面在高壓下產(chǎn)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(shù)量的增加而逐漸增加。但貼近銅導(dǎo)桿的最內(nèi)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(jié)果如圖11所示。絕緣紙中水分最外層最多，最內(nèi)層最少，中間層介于其間，內(nèi)外層水分含量差別將近1.5%，這與2.1節(jié)中絕緣材料樣品不同絕緣紙層的水分含量分布規(guī)律一致。

聚合度的測試結(jié)果與前述絕緣材料樣品結(jié)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(guān)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(guān)系

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

纖維素水解反應(yīng)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(yīng)。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?zé)崃呀夂徒^緣油的劣化都會生成水分，引起油紙絕緣系統(tǒng)含水量的增加；生成的水分將進一步參與纖維素水解反應(yīng)，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(chǎn)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(xié)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(jù)上述分析，水分和羧酸在不同絕緣紙層的不同含量是導(dǎo)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(jié)構(gòu)使得水分和酸在不同紙層分布產(chǎn)生差異。外層絕緣紙與絕緣油的接觸面最大，油老化產(chǎn)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(nèi)層絕緣紙，與其接觸的油很少，并且由外至內(nèi)又分別由多層鋁箔紙包裹隔離，外層油紙向內(nèi)擴散滲透的水分和酸含量逐漸減少，最內(nèi)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(nèi)層聚合度降解的主要原因除了溫度之外，只有內(nèi)層絕緣紙和其接觸的油老化產(chǎn)生的少量水和酸。因此，絕緣紙中水分和羧酸由外層至內(nèi)層逐漸減少，所以內(nèi)層的自催化作用相對外層較弱，結(jié)果如表3所示。圖6所示油中油酸隨時間增大使得內(nèi)外層水分和酸值含量差距增大，導(dǎo)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?qū)е掠图埥^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(jié)果為內(nèi)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(dǎo)桿的最內(nèi)層絕緣紙電阻率稍有下降。

從最外層到內(nèi)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(zhì)由于絕緣紙和鋁箔紙間隔緊密包裹產(chǎn)生的滲透度差異導(dǎo)致。而解體套管最內(nèi)層與銅桿貼緊層絕緣紙電阻率發(fā)生突然下降，原因可能是在長期的熱作用下，銅導(dǎo)桿與油中腐蝕性硫化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一種導(dǎo)電率較高的Cu2S沉積并附著在最內(nèi)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(chǎn)生爬電閃絡(luò)現(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立套管油紙絕緣壽命模型。

選用一階動力學(xué)方程(式(1))及Arrhenius熱力學(xué)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(xué)模型的模型參數(shù)；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(xué)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(shù)據(jù)進行處理，得到圖12與圖13。

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

圖13　lnK與1/T關(guān)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(shù)型增長，與文獻[30]中相關(guān)曲線規(guī)律一致。由圖13得到壽命模型指前參數(shù)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(guān)規(guī)程規(guī)定，可參考變壓器油紙絕緣進行選擇，也可根據(jù)實際要求選取。

油紙絕緣老化是多種因素的綜合作用結(jié)果，但油浸式電力設(shè)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(chǎn)廠家提供，該絕緣材料在套管模型及原型中應(yīng)用。故本節(jié)根據(jù)油紙絕緣材料聚合度隨溫度和時間變化規(guī)律搭建的油紙絕緣熱壽命模型理論上適用于2.2節(jié)中的套管縮比模型。

利用建立的壽命模型參數(shù)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(jù)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(jié)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(lián)合老化，研究了套管絕緣老化特性，得到如下結(jié)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(tài)出現(xiàn)差異，紙中水分與酸值含量不同是導(dǎo)致該現(xiàn)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(nèi)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(guī)律，建立了套管油紙絕緣熱壽命模型。根據(jù)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(fù)電容實部和虛部分別在低頻段和整個頻段呈現(xiàn)向高頻區(qū)移動的趨勢，在絕緣失效后有明顯變化。相比于傳統(tǒng)的工頻電容值，低頻段對應(yīng)的電容量對絕緣狀態(tài)變化反映更為靈敏，可用于反映套管老化狀態(tài)。

參考文獻

[1]Septyani H I，Arifianto I，Purnomoadi A P.High voltage transformer bushing problems[C]//International Conference on Electrical Engineering and Informatics，Bandung，2011：1-4.

[2]Lee S H，Seong J K，Oh S H，et al.Breakdown characteristics of liquefied and gases in liquid nitrogen for high voltage bushings in a cryogenic environment[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2011，21(3)：1430-1433.

[3]朱德恒，談克雄.電絕緣診斷技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1999.

[4]Hill D J T，Le T T，Darveniza M，et al.A study of degradation of cellulosic insulation materials in a power transformer.part 2：tensile strength of cellulose insulation paper[J].Polymer Degradation and Stability，1995，49(3)：429-435.

[5]IEEE Std C57.91—1995.IEEE Guide for loading mineral-oil-immersed transformers[S].New York：Transformers Committee of the IEEE Power Engineering Society，1995.

[6]Fabre J，Pichon A.Deteriorating processes and products of paper in oil——application to transformers[C]//Proceedings of international conference on large high voltage electric system，CIGRE，Pairs，1960：137.

[7]Emsley A M，Stevens G C.Review of chemical indicators of degradation of cellulosic electrical Paper insulation in oil-filled transformers[J].IEE Proceedings：Science，Measurement and Technology，1994，141(5)：324-334.

[8]Lundgaard L E，Hansen W，Linhjell D，et al.Aging of oil-impregnated paper in power transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2004，19(1)：230-238.

[9]Lundgaard L E，Hansen W，Ingebrigtsen S，et al.Aging of Kraft paper by acid catalyzed hydrolysis[C]//IEEE International Conference on Dielectric Liquids，2005：381-384.

[10]Lundgaard L E，Hansen W，Ingebrigtsen S.Ageing of mineral oil impregnated cellulose by acid catalysis[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(2)：540-546.

[11]郝建，廖瑞金，楊麗君，等.變壓器油紙絕緣熱老化酸類及銅類產(chǎn)物生成規(guī)律分析[J].高電壓技術(shù)，2010，36(9)：2160-2166.

Hao Jian，Liao Ruijin，Yang Lijun，et al.Analysis on the generation rules of both acids and copper products of transformer oil-paper insulation under thermal aging[J].High Voltage Engineering，2010，36(9)：2160-2166.

[12]孫才新，陳偉根，廖瑞金，等.電氣設(shè)備油中氣體在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[13]Pablo A De.Furanic compound analysis：a tool for predictive maintenance of oil-filled electrical equipment[R].CICRE Task force report 15.01.03.

[14]Ariastina W G，Khawaja R H，Blackburn T R，et al.Investigation of partial discharge properties in oil-impregnated insulation[C]//8th International Conference on Properties and applications of Dielectric Materials，Bali，2006：714-717.

[15]Saha T K，Purkait P.Investigation of an expert system for the condition assessment of transformer insulation based on dielectric response measurements[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2004，19(3)：1127-1134.

[16]Emsley A M.Kinetics and mechanisms of degradation of cellulosic insulation in power transformers[J].Polymer Degradation and Stability，1994，44(3)：343-349.

[17]Zou X，Uesaka T，Gurnagul N.Prediction of paper permanence by accelerated aging I.Kinetic analysis of the aging process[J].Cellulose，1996，3(1)：243-267.

[18]楊麗君，鄧幫飛，廖瑞金，等.應(yīng)用時-溫-水分疊加方法改進油紙絕緣熱老化壽命模型[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31(31)：196-203.

Yang Lijun，Deng Bangfei，Liao Ruijin，et al.Improvement of lifetime model on thermal aging of oil-paper insulation by time-temperature-moisture superposition method[J].Proceedings of the CSEE，2011，31(31)：196-203.

[19]Svi P，Smekalov V.Bushing insulation monitoring in the course of operation[J].Transaction in CIGRE proceeding，1996：12-16.

[20]Kassihin S D，Lizunov S D，Lipstein G R，et al.Service experience and reasons of bushing failures of EHV transformers and shunt reactors[J].Transaction CIGRE proceedings，1996.

[21]Hopkinson P，Del Rio A，Wagenaar L，et al.Progress report on failures of high voltage bushings with draw leads[C]//IEEE Power and Energy Society General Meeting，Minneapolis，MN，2010：1-16.

[22]杜振波，聶德鑫，張連星，等.基于頻域介電譜分析的高壓套管絕緣狀態(tài)評估[J].高壓電器，2013，49(11)：6-11.

Du Zhenbo，Nie Dexin，Zhang Lianxing，et al.Insulation evaluation of high voltage bushing based on frequency domain spectroscopy analysis[J].High Voltage Apparatus，2013，49(11)：6-11.

[23]楊麗君，廖瑞金，孫會剛，等.變壓器油紙絕緣熱老化特性及特征量研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(8)：27-33.

Yang Lijun，Liao Ruijin，Sun Huigang，et al.Investigation on properties and characteristics of oil-Paper insulation in transformer during the thermal degradation process[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，24(8)：27-33.

[24]Shayegani A A，Mohseni H，Borsi H，et al.Diagnostics of power transformers with dielectric response measurements[C]//IEEE International Power System Conference，Columbus，2005：1-8.

[25]孫目珍.電介質(zhì)物理基礎(chǔ)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000.

[26]廖瑞金，孫會剛，尹建國，等.水分對油紙絕緣熱老化速率及熱老化特征參量的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(5)：34-42.

Liao Ruijin，Sun Huigang，Yin Jianguo，et al.Influence on the thermal aging rate and thermal aging characteristics caused by water content of oil-paper insulation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(5)：34-42.

[27]Kalantar A，Levin M.Factors affecting the dissolution of copper in transformer oils[J].Lubrication Science，2008，20(3)：223-240.

[28]Maina R，Tumiatti V，Pompili M，et al.Dielectric loss characteristics of copper-contaminated transformer oils[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(3)：1673-1677.

[29]王露，曹順安，胡家元.腐蝕性硫?qū)е伦儔浩鞴收系脑蚣捌溆绊懸蛩匮芯縖J].變壓器，2011，48(5)：45-48.

Wang Lu，Cao Shun’an，Hu Jiayuan.Research on reason and factors of transformer fault caused by corrosive sulfur[J].Transformer,2011,48(5)：45-48.

[30]尹建國.油紙絕緣熱老化過程中水分轉(zhuǎn)移規(guī)律及其對熱老化特性的影響[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[31]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 984—2005油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2005.

[32]梁帥偉.抗老化變壓器油及其對絕緣紙熱老化影響的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

楊麗君女，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)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(shè)備絕緣狀態(tài)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(chuàng)新研究群體基金資助項目(51021005)。