不同類型電熱應力下變壓器油紙絕緣老化特性實驗研究

穆 龍 蘭 生 黃明亮

?

不同類型電熱應力下變壓器油紙絕緣老化特性實驗研究

穆 龍1蘭 生2黃明亮2

（1. 福州天宇電氣股份有限公司，福州 350000；2. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

為了研究不同類型電熱復合應力對油紙絕緣老化特性的影響，本文搭建了油紙絕緣電（均勻電場、電暈放電）熱（140℃）聯(lián)合老化系統(tǒng)，對油紙絕緣進行168h的電熱復合應力老化，并定期取樣測量油紙絕緣老化產(chǎn)物含量，對比分析了不同電熱復合應力與熱應力下老化產(chǎn)物的生成規(guī)律。結果表明，油中糠醛含量、酸值，絕緣紙聚合度（DP）在電場的持續(xù)作用下相比單因子熱老化以及間斷的電暈放電變化更為明顯，并且變壓器油在電場與溫度的作用下析出黑色物質。在老化168h下，絕緣紙擊穿電壓在溫度與電場的作用下變化不明顯，而間斷的電暈放電使絕緣紙擊穿電壓變小。

電力變壓器；電熱老化；熱老化；特征參量

油浸式電力變壓器是電力系統(tǒng)正常運行的保障。若電力變壓器出現(xiàn)嚴重故障，則將會使電力供應中斷，造成嚴重的經(jīng)濟損失。根據(jù)統(tǒng)計表明，歷年來輸變電設備的絕緣故障導致的停電事故往往占當年總事故首位[1-3]。隨著變壓器運行時間的增長，油紙絕緣結構在熱、電、水分等多種因素的聯(lián)合作用下，逐漸暴露出各種絕緣老化問題。

其中，熱老化是變壓器內(nèi)絕緣性能劣化的主要原因之一[4]，變壓器在長期運行和發(fā)生故障的情況下會產(chǎn)生一些熱量，如果熱量使油紙絕緣溫度升高到一定程度而使油紙裂解，就會降低油紙的絕緣性能。除此之外，電力變壓器在運行中還承受著強電場的影響，強電場使有缺陷的地方絕緣長期暴露在局部放電下，絕緣介質的局部放電就是絕緣電老化的原因之一[5]。

目前，對于油紙絕緣老化參量的研究分為單因子老化和多因子老化，其中研究比較多的是單因子老化。文獻[6]探究了不同溫度下油紙絕緣老化參量變化情況，以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。Motoo Tsychie等[7]對油紙絕緣樣品分別采取不同的局部過熱老化和局部放電老化，得到了不同老化條件下油中氣體含量的差異。文獻[8]研究表明，油紙絕緣在不同應力聯(lián)合作用下與單應力下的老化過程是不同的。在實際的絕緣環(huán)境下，大多數(shù)絕緣材料都不可避免的受到電應力和熱應力的聯(lián)合作用，且電熱應力并不是簡單的代數(shù)疊加，而需充分考慮因子間的相互作用[9]。油紙絕緣在正常狀態(tài)使用情況下，油紙絕緣可靠性較高，失效較慢，為了研究絕緣老化過程，按照其老化作用機理，可采用加速老化的方法在較短時間內(nèi)獲得老化數(shù)據(jù)。目前，對油紙絕緣在電暈放電情況下的研究較少，但是實際的變壓器故障中有放電的案例，某一超特高壓站的主變壓器由于有最初的輕度電暈，演變到后來的沿面爬電，造成了主變跳閘故障并進行吊芯檢查和維修，造成一定的經(jīng)濟損失。因此，對油紙絕緣的放電情況下的老化研究是必要的，開展油紙絕緣在電熱聯(lián)合加速老化下的老化特性試驗較符合實際電力變壓器的故障運行環(huán)境。

本文依據(jù)國內(nèi)外一些相關研究的基礎上，開展了油紙絕緣的熱老化（140℃），以及不同類型的電熱加速老化試驗，對比分析了油紙絕緣在熱（temperature, T）、熱-電場（temperature electrical, TE）、熱-電暈放電（temperature corona, TC）下生成產(chǎn)物的變化規(guī)律，研究結果考慮了電熱之間的相互影響。相比單因子熱老化、電老化在油紙絕緣變壓器壽命預測上具有參考價值。

1 油紙絕緣加速老化試驗

1.1 實驗材料以及樣品制備

選取經(jīng)過干燥、過濾、除氣處理的25#礦物變壓器油與0.5mm厚的絕緣紙，具體參數(shù)見表1。

首先，將絕緣紙裁剪成直徑為90mm的圓形，并將裁剪后的絕緣紙置于溫度為80℃干燥箱中干燥48h，使得絕緣紙中的水分降到較低的水平；然后將絕緣紙浸入經(jīng)過加熱至40℃的25#變壓器油中，恒溫油浸24h；最后將處理后的絕緣紙試樣放入試驗油罐內(nèi)，并注入新的25#變壓器油。油罐底面直徑為100mm，高度為100mm，油箱的蓋子采用耐高溫的聚四氯乙烯材質并用法蘭片進行密封。

表1 試驗材料具體參數(shù)

如圖1所示，板-板電極產(chǎn)生均勻電場，板-板電極采用金屬銅制成，經(jīng)過拋光處理，使得其表面平整和邊界光滑。電暈放電由針-板電極產(chǎn)生，為了使電暈放電更加均勻的影響絕緣紙，本文設計了一種多針尖針板電極，針尖數(shù)量為9個，針尖尖端角度為28°，具體參數(shù)如圖1所示。油罐中油紙重量比為10∶1，以模擬實際變壓器的油紙比例數(shù)量（6～10∶1）。

（a）電極示意圖

（b）針板電極示意圖

圖1 電極示意圖

1.2 試驗設計

按照GB/T 1094.7—2008中對變壓器過載運行的要求，絕緣油可以承受短時140℃及以上的高 溫[10]。根據(jù)變壓器油的閃點溫度，本文將變壓器油的老化溫度定為140℃，探究此溫度下的油紙絕緣老化情況。

如圖2所示，油紙絕緣在熱（T）、熱-電場（TE）、熱-電暈放電（TC）下T、TE、TC均放入加熱老化箱中，TE組不間斷施加均勻電場，TC組則每隔8h進行一次電暈放電，每次放電持續(xù)時間為5min。本文采用的是10kVA的工頻交流試驗變壓器，水電阻起限流保護的作用。JF2001局放檢測系統(tǒng)檢測電暈放電時候，所產(chǎn)生的局部放電，JF-2001（干擾判別式）局部放電檢測儀是上海電動工具研究所的松寶科技公司研制的產(chǎn)品，JF2001局放檢測系統(tǒng)（可測試品電容范圍6pF～250mF，靈敏度在0.02～10pC之間）。高壓分壓器連接萬用表以精確讀取電極兩端的電壓。

圖2 老化系統(tǒng)示意圖

根據(jù)變壓器的實際運行環(huán)境，當所受場強大于3kV/mm時，油紙絕緣處于加速電老化狀態(tài)[11]。板-板電極之間放置兩張絕緣紙，總厚度為1mm，針-板電極之間放置一張0.5mm絕緣紙，針尖距離絕緣紙3mm。TE、TC的電壓均由0緩慢上升，TE電壓升至5kV，未檢測到放電量，認為無局部放電產(chǎn)生并且所施加電場為5kV/mm。TC電壓升至10.5kV時，出現(xiàn)穩(wěn)定的放電信號，放電量為84～134pC，由此確定電暈放電起始電壓為10.5kV。由于實驗條件不同，TC與TE實驗油罐不同并分別試驗，如圖2所示。

2 試驗結果分析

2.1 油中糠醛含量

變壓器油中的糠醛主要由絕緣紙纖維素劣化分解產(chǎn)生的[12]，其根本原因是葡萄糖環(huán)6號位的醇羥基氧化斷裂。通過檢測油中糠醛含量可間接判斷絕緣紙的老化情況。

油中的糠醛含量測量參照IEC 61198標準[13]測試方法，采用高效液相色譜儀進行測量。根據(jù)圖3中的變化規(guī)律可以看出，油中糠醛含量隨著老化時間的增加而增大。T、TC組糠醛含量上升的很緩慢，而TE組的糠醛含量增長速率遠大于T、TC組，當老化時間達到168h時，T、TC組糠醛含量分別為0.65mg/L、2.03mg/L，而TE組糠醛含量達到7.49mg/L，為T組的11.5倍。這說明電熱復合應力相比單因子熱老化加速了絕緣紙的老化，從而產(chǎn)生更多的糠醛溶于油中，使油中糠醛含量大幅度提升，板-板電場持續(xù)作用相比間斷的電暈放電，其影響效果更大，也進一步說明了纖維素分子沿電場方向拉伸乃至斷裂。

圖3 油中糠醛隨老化時間的變化趨勢

2.2 油中酸值含量

油中酸值是一項評定變壓器油老化情況的重要指標，油中的酸性物質不僅能夠腐蝕電氣設備，而且酸性物質的增加還能進一步促進變壓器油的導電性能，使其絕緣性能降低。根據(jù)IEC 62021[14]，采用酸堿中和滴定法對不同老化時間的油樣進行酸值檢測。

本實驗測得的酸值數(shù)據(jù)如圖4所示，隨著老化時間的延長，變壓器油中酸值會逐漸增大。如圖4所示，從樣本的酸值變化情況能夠看出，T、TC組酸值變化緩慢，一直維持在較低水平（＜0.6mgKOH/g＝，在140℃下加速老化240h時，T組酸值僅達到0.55mgKOH/g；TE組酸值增加速率明顯比T、TC組變化快，當老化時間為168h時，T、TC組酸值分別為0.35mgKOH/g、0.49mgKOH/g，TE組酸值則達到2.86mgKOH/g，是T組的8倍 左右。

圖4 油中酸值隨老化時間的變化趨勢

在持續(xù)的電場和過熱作用下，變壓器油會加速劣化并產(chǎn)生較多的酸性物質溶于油中，導致酸值增大。初步探究認為，電場會促進變壓器油的熱氧化作用，促進-COOH的生成。電暈放電也會使油的酸值增加，但可能因為其受限于油中電暈放電頻率和放電持續(xù)時間的影響，以及電暈放電的作用面限制，所以試驗結果中電暈放電對酸值的影響并不明顯。

2.3 絕緣紙聚合度分析

絕緣紙的聚合度可以反映絕緣老化的本質特征，測量所需要的樣品較少，數(shù)據(jù)分散性也比較小，是判斷絕緣紙老化程度的理想?yún)?shù)。根據(jù)IEC 60450[15]在不同的老化時間，分別測得T、TC與TE組樣本絕緣紙的聚合度如圖5所示。

圖5 絕緣紙聚合度隨老化時間的變化規(guī)律

從圖5中絕緣紙聚合度隨老化時間的變化規(guī)律可以看出，隨著老化時間的延長，絕緣紙聚合度逐漸降低，且下降速率由快變慢。當老化時間達到100h時，TE組聚合度值已經(jīng)降至800以下：在＞800時，聚合度下降速率較快；當＜800時，聚合度下降速率開始減小。

在140℃溫度下，油紙絕緣老化速度比較快，當老化時間達到240h時，T組絕緣紙聚合度已降至600左右，此時絕緣紙?zhí)幱诶匣闹衅?，所以本文探究的是油紙絕緣老化前、中期的特性。對比樣本的變化規(guī)律，TE組聚合度下降速率明顯要大于T、TC組，可見5kV/mm電場的持續(xù)作用加速了絕緣紙的老化，這表明：電場作用下分子中極化的帶正電荷的碳原子和帶負電荷的氫氧原子分別沿電場正、反方向移動，從而拉長了纖維素分子鏈間的苷鍵，再加上受熱作用使分子鏈斷裂。而間斷油中電暈放電對絕緣紙聚合度的影響并不明顯。

圖6 板-板電場與熱老化后的絕緣紙

2.4 絕緣紙的擊穿電壓

選用逐步升壓法以空氣為介質對單層絕緣紙進行耐壓試驗，如圖7試驗電極按照ASTM-D149-97a規(guī)程[16]設計。初始電壓為0，升壓步長為1kV，每級電壓保持時間為1min，逐級升壓直至絕緣紙樣品擊穿。由于擊穿電壓具有一定的分散性，因此在相同的升壓條件下需要重復5次擊穿試驗，以5次結果的中值作為該樣品的擊穿電壓。試驗環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為60%。

圖7 試驗電極示意圖

從圖8中T、TE與TC組的絕緣紙擊穿電壓對比情況可以看出，T、TE組的絕緣紙擊穿電壓變化不大。TC組的擊穿電壓隨著老化時間的延長而出現(xiàn)下降趨勢，此現(xiàn)象說明油中電暈放電降低了絕緣紙的電氣強度。初步分析其原因，可能是由于油浸絕緣紙內(nèi)部難免會存在氣隙或氣泡等缺陷，而油紙絕緣的擊穿過程是尋找油紙絕緣系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)的過程[17]。油中電暈放電產(chǎn)生帶電粒子的沖擊使得這些微小的缺陷逐漸變大或讓絕緣紙產(chǎn)生新的損傷，造成絕緣紙內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)的數(shù)量增加以及薄弱程度加深，進而導致絕緣紙在交流電場下更加容易產(chǎn)生局部放電，從而擊穿。

圖8 絕緣紙擊穿電壓隨老化時間的變化規(guī)律

2.5 析出產(chǎn)物分析

如圖9所示，在油紙絕緣電熱聯(lián)合老化試驗過程中，TE組有黑色顆粒狀物質生成，該物質的生成與電場、過熱有關。另外，從TE組樣品結果可看出，該黑色物質主要出現(xiàn)在高壓電極表面上。

圖9 析出產(chǎn)物的紅外光譜圖

對該黑色物質進行提取、去油、烘干并測得其紅外光譜圖如圖9所示。從紅外光譜圖中可以看出，當波數(shù)為3432cm-1時，有一個吸收峰，這主要是由-OH伸縮振動形成的；在3000～2800cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，有3個吸收峰，分別為2949cm-1、2965cm-1、2864cm-1，這些主要是由醛類物質中的C-H伸縮振動造成的；在1800～1100波數(shù)范圍內(nèi)，共有6處吸收峰。在波數(shù)為1712cm-1時的一組吸收峰主要是由-C=O的伸縮振動所造成；在1500～1300cm-1范圍內(nèi)吸收峰的形成主要與C-C鏈的伸縮振動和C-H的彎曲振動有關，從1376cm-1處的吸收峰可以看出該物質內(nèi)存在-CH3；1241cm-1處的一組吸收峰主要是由C-O的伸縮振動造成的。至于該生成物對油紙絕緣的絕緣特性有何影響還需要進一步探究。

對該黑色物質進行提取、去油、烘干并測得其紅外光譜圖如圖9所示。從紅外光譜圖中可以看出，當波數(shù)為3432cm-1時，有一個吸收峰，這主要是由-OH伸縮振動形成的；在3000～2800cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，有3個吸收峰，分別為2949cm-1、2965cm-1、2864cm-1，這些主要是由醛類物質中的C-H伸縮振動造成的；在1800～1100波數(shù)范圍內(nèi)，共有6處吸收峰。在波數(shù)為1712cm-1時的一組吸收峰主要是由-C=O的伸縮振動所造成；在1500～1300cm-1范圍內(nèi)吸收峰的形成主要與C-C鏈的伸縮振動和C-H的彎曲振動有關，從1376cm-1處的吸收峰可以看出該物質內(nèi)存在-CH3；1241cm-1處的一組吸收峰主要是由C-O的伸縮振動造成的。至于該生成物對油紙絕緣的絕緣特性有何影響還需要進一步的探究。

3 結論

1）本文所探究的是油紙絕緣從老化初期到老化中期的老化特性。隨著老化程度的加深，相比于熱老化，電熱老化會促進絕緣紙聚合度的降低、油中糠醛與酸值的生成速率增加。電熱復合應力下，持續(xù)電場比間斷性電暈放電作用效果明顯。

2）在不同類型的電熱聯(lián)合老化以及熱老化下，油中糠醛含量對數(shù)值與絕緣紙聚合度依然呈線性關系，進一步佐證了油中糠醛全部來源于絕緣紙。

3）在電熱聯(lián)合老化下，電場的持續(xù)作用會降低絕緣紙的電氣強度，但不明顯。而油中電暈放電對絕緣紙的電氣強度有顯著影響，隨著電暈放電次數(shù)的累積，絕緣紙的擊穿電壓會逐漸降低。這說明絕緣紙擊穿電壓與絕緣紙老化情況并沒有直接聯(lián)系，而主要受其內(nèi)部“薄弱環(huán)節(jié)”的影響。

[1] 操敦奎, 許維宗, 阮國方. 變壓器運行維護與故障分析處理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 胡超凡, 陳剛, 朱偉江, 等. 2005年國家電網(wǎng)安全運行情況分析[J]. 中國電力, 2006, 39(5): 1-4.

[3] 孫建鋒, 葛睿, 鄭力, 等. 2010年國家電網(wǎng)安全運行情況分析[J]. 中國電力, 2011, 44(5): 1-4.

[4] 廖瑞金, 楊麗君, 鄭含博, 等. 電力變壓器油紙絕緣熱老化研究綜述[J]. 電工技術學報, 2012, 27(5): 1-12.

[5] Morshuis P H F. Degradation of solid dielectrics due to internal partial discharge: some thoughts on progress made and where to go now[J]. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 2005, 15(5): 905-913.

[6] 廖瑞金, 鄧小聘, 楊麗君, 等. 油紙絕緣熱老化特征參量的多元統(tǒng)計分析[J]. 高電壓技術, 2010, 36(11): 2621-2628.

[7] Liao Ruijin, Deng Xiaopin, Yang Lijun, et al. Multivariate statistical analysis of thermal aging characteristics of oil paper insulation[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(11): 2621-2628.

[8] Tsuchie M, Kozako M, Hikita M, et al. Modeling of early stage partial discharge and overheating degradation of paper-oil insulation[J]. IEEE Transa- ctions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(3): 1342-1349.

[9] Cygan P, Laghari J R. Models for insulation aging under electrical and thermal multistress[J]. Electrical Insulation IEEE Transactions on, 1990, 25(5): 923- 934.

[10] 解兵, 梁帥偉, 楊麗君, 等. 油紙絕緣電-熱老化壽命模型的選擇研究[J]. 高電壓技術, 2006, 32(3): 21-23.

[11] 寇凌峰, 王金麗, 宋祺鵬, 等. 不同混合絕緣油性能的試驗研究[J]. 絕緣材料, 2017(2): 76-80.

[12] Wang Q, Hao J, Liu T, et al. Breakdown Characteristics of Oil Impregnated Insulation Paper with Different Ageing Condition under the Composite Electric Field[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014, 513-517: 328-331.

[13] IEC 61198—1993. Methods for the determination of 2-furfural and related compounds[S].

[14] IEC 62021-2-2007. Insulating liquids. Determination of acidity Part 2:Colourimetric titration Liquides isolants[S].

[15] IEC 60450 AMD 1-2007. 電工用新絕緣材料和老化絕緣材料的粘均聚合度的測量[S].

[16] ASTM-D149-97a(2004). 固體電絕緣材料在工業(yè)電源頻率下的介電擊穿電壓和介電強度的試驗方 法[S].

[17] 唐超, 廖瑞金, 黃飛龍, 等. 電力變壓器絕緣紙熱老化的擊穿電壓特性[J]. 電工技術學報, 2010, 25(11): 1-8.

Study on aging characteristics of transformer oil-paper insulation under different types of electro-thermal stress

Mu Long1Lan Sheng2Huang Mingliang2

(1. Fuzhou Tianyu Electric Co., Ltd, Fuzhou 350000;2. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

In order to study the influence of electro-thermal stress on the aging characteristics of oil-paper insulation, the electricity (uniform electric field, corona discharge) and thermal (140℃) aging system was built in this paper. The oil paper insulation was subjected to electro-thermal stress about 168h, the contents of aging products were measured periodically, and the generation principle of aging products was compared and analyzed. The results show that the changes of furfural content and acid value in oil, the DP of insulating paper are more obvious under the influence of electric field compared with single factor thermal aging and intermittent corona discharge, moreover, the transformer oil precipitates black substance under the influence of electric field and temperature. Under the aging 168h, the changes of breakdown voltage of the insulating paper is not obvious under the influence of the temperature and the electric field, while the interrupted corona discharge makes the breakdown voltage of the insulating paper become smaller.

power transformer; electro-thermal aging; thermal aging; characteristic parameter

2018-06-14

穆 龍（1983-），男，陜西渭南人，本科，工程師，主要從事開關設備和變壓器設備方面生產(chǎn)和研究工作。

福建省自然科學基金（2015J01194）

福州大學校企合作創(chuàng)新基金（TYDQ1802）