礦山電力變壓器與普通電力變壓器絕緣紙老化特性對比分析

周一恒，嚴(yán)家明，吳新忠，任子暉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

礦山電力變壓器是現(xiàn)代礦山能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵?，主要完成對地面及井下機(jī)電設(shè)備的供電，礦山電力變壓器故障將導(dǎo)致礦區(qū)停電，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至安全事故。礦山電力變壓器故障主要是絕緣故障，其絕緣是由絕緣油和絕緣紙構(gòu)成的二相復(fù)合結(jié)構(gòu)，運(yùn)行過程中在電、熱等因素作用下逐漸老化。絕緣油老化后可通過濾油或換油來更新，但絕緣紙老化將造成不可逆損傷，因此，礦山電力變壓器壽命主要取決于絕緣紙[1-2]。研究礦山變電所中礦山電力變壓器絕緣紙的老化特性，對于豐富礦山電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)理論、保障礦山電力變壓器的安全運(yùn)行，具有重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，國內(nèi)外對普通變電所中普通電力變壓器絕緣紙的老化特性進(jìn)行了較廣泛的研究，并取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[3-5]研究了電力變壓器絕緣紙老化的影響因素，指出絕緣紙老化的主要因素為熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力及環(huán)境應(yīng)力等，且熱老化是絕緣紙劣化的主要形式。文獻(xiàn)[6-8]研究了絕緣紙老化過程中的物理化學(xué)性能，得到了老化過程中絕緣紙的基本結(jié)構(gòu)變化及產(chǎn)物生成規(guī)律，并分析了產(chǎn)物變化對加速老化過程的影響。文獻(xiàn)[9-11]研究了絕緣紙老化過程中的電氣性能，得到了老化過程中絕緣紙的介電響應(yīng)、空間電荷及局部放電等特征，并分析了老化過程中電氣性能的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[12-14]分析了利用物理化學(xué)性能及電氣特性對電力設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷及壽命評估的方法。文獻(xiàn)[15-16]應(yīng)用新技術(shù)從微觀角度對絕緣紙的老化機(jī)理進(jìn)行了分析。這些研究主要集中于普通電力變壓器的絕緣材料方面。由于礦山電力變壓器運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，在老化過程中其絕緣將表現(xiàn)出與普通電力變壓器不同的特性，目前已受到專家學(xué)者和現(xiàn)場運(yùn)維工程師的關(guān)注[17-18]，但礦山電力變壓器絕緣的老化特性研究還鮮見深入報(bào)道。

鑒此，本文分別采集了實(shí)際壽命周期中礦山電力變壓器及普通電力變壓器的圍屏紙板制作絕緣材料，利用黏度測試儀、掃描電鏡對比分析了老化過程中絕緣紙的聚合度、表面形貌等微觀結(jié)構(gòu)；根據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)，制作測量模型，對比分析了老化過程中絕緣紙的局部放電、電氣強(qiáng)度等電氣性能，探討了老化過程中微觀結(jié)構(gòu)變化對電氣性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及測試

1.1 試驗(yàn)材料

選擇某型號110 kV電力變壓器在礦山變電所運(yùn)行13 a大修期間和運(yùn)行25 a退役后的絕緣系統(tǒng)為研究對象，采集其圍屏紙板(厚1.5 mm)制作礦山電力變壓器絕緣紙類型試品；選擇同型號礦山電力變壓器在普通變電所運(yùn)行15 a大修期間和運(yùn)行28 a退役后的絕緣系統(tǒng)為研究對象，采集其圍屏紙板制作普通電力變壓器絕緣紙類型試品；同時(shí)，采集由廠家提供的該型號變壓器用絕緣紙板制作未老化絕緣紙類型試品。

根據(jù)電力變壓器老化運(yùn)行規(guī)律，本文將絕緣紙?jiān)嚻贩譃?個(gè)典型壽命階段：未老化為壽命初期、運(yùn)行13 a或15 a為壽命中期、運(yùn)行25 a或28 a為壽命末期。

1.2 絕緣性能測試

1.2.1 微觀結(jié)構(gòu)測試

根據(jù)IEC 60450—2004標(biāo)準(zhǔn)[19]，利用黏度測試儀(型號為NCY-2)測試不同壽命階段絕緣紙的聚合度。

利用掃描電子顯微鏡(型號為JSM-6460)對不同壽命階段絕緣紙的表面形貌進(jìn)行測試。

1.2.2 電氣性能測試

(1) 局部放電。局部放電測試模型如圖1所示。試驗(yàn)電極根據(jù)CIGRE Method II標(biāo)準(zhǔn)制作；試品由采集的圍屏紙板制作成直徑為60 mm的圓片，平放于不銹鋼地電極表面，高壓銅柱電極緊貼于試品上方；整個(gè)柱-板電極系統(tǒng)置于裝有25號礦物油的有機(jī)玻璃容器中。

1-高壓引出端；2-銅螺母；3-有機(jī)玻璃容器；4-礦物油；5-高壓銅柱電極；6-絕緣紙?jiān)嚻罚?-不銹鋼地電極；8-地線。圖1 局部放電測試模型Fig.1 Test model of partial discharge

根據(jù)GB/T 7354—2018《局部放電測量》[20]，利用柱-板電極模型測試在工頻電壓下試品的放電起始電壓，每個(gè)壽命階段、每種類型試品測試5個(gè)，取其平均值作為該階段、該類型絕緣的放電起始電壓；同時(shí)，對于每個(gè)壽命階段，以普通電力變壓器絕緣紙工頻放電起始電壓的1.3倍為施加電壓，利用Agilent 54810A示波器，分別采集由RC檢測阻抗感應(yīng)的由普通電力變壓器和礦山電力變壓器絕緣紙?jiān)嚻吩谥?板電極模型中產(chǎn)生的局部放電信號。

(2) 電氣強(qiáng)度。根據(jù)GB/T 1048.1—2016《絕緣材料 電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分：工頻下試驗(yàn)》[21]，利用柱-柱電極系統(tǒng)測試工頻電壓下絕緣的電氣強(qiáng)度，其中柱電極直徑和高度均為25 mm，每個(gè)壽命階段、每種類型試品測量5個(gè)，取其平均值作為該階段、該類型絕緣的電氣強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 絕緣材料微觀結(jié)構(gòu)

2.1.1 表面形貌變化

整個(gè)壽命周期絕緣紙掃描電鏡的測試結(jié)果如圖2—圖4所示。從圖2可看出，在壽命初期，未老化絕緣紙表面平整、光滑，纖維紋路致密、清晰。從圖3可看出，在壽命中期，普通電力變壓器絕緣紙纖維表面出現(xiàn)了皺痕，粗糙度增加；礦山電力變壓器絕緣紙纖維除在表面起痕之外，還伴有分絲現(xiàn)象，且有孔隙生成。從圖4可看出，在壽命末期，普通電力變壓器絕緣紙纖維表面龜裂起皮，伴有微隙生成；礦山電力變壓器絕緣紙纖維除在表面龜裂起皮外，纖維變細(xì)，且纖維之間有空洞形成。

圖2 壽命初期絕緣紙掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron microscope image of insulation paper at initial lifetime

(a) 普通電力變壓器

(a) 普通電力變壓器

由上述分析可知，老化過程中絕緣缺陷在絕緣紙中逐漸形成，并逐漸擴(kuò)大；但相較普通電力變壓器絕緣紙，礦山電力變壓器絕緣紙的表面形貌變化更加明顯，形成的缺陷也更加顯著，表明其老化程度更高。

2.1.2 聚合度變化

直接反映絕緣紙老化程度的聚合度測試結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出：在老化過程中，普通電力變壓器和礦山電力變壓器絕緣紙的聚合度均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢；但不論在壽命中期還是壽命末期，礦山電力變壓器絕緣紙的聚合度均低于普通電力變壓器，即其聚合度在老化過程中下降速度更快。

圖5 絕緣紙聚合度Fig.5 Polymerization degree of insulation paper

通過絕緣紙表面形貌和聚合度的分析可知，礦山電力變壓器絕緣紙老化速度較普通電力變壓器更快，其在老化過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化較普通電力變壓器更加明顯。所以，在電力設(shè)備監(jiān)測維修體制中，對礦山電力變壓器絕緣的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷建議從嚴(yán)執(zhí)行電力標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 絕緣材料電氣性能

2.2.1 局部放電變化

局部放電是絕緣劣化的主要表現(xiàn)形式，已經(jīng)成為確定絕緣質(zhì)量、進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)及絕緣狀態(tài)判斷的重要手段，局部放電檢測指標(biāo)主要包括放電起始電壓、放電量及放電次數(shù)等[22]。

(1) 放電起始電壓。每個(gè)壽命階段絕緣紙工頻放電起始電壓如圖6所示。

圖6 絕緣紙工頻放電起始電壓Fig.6 Partial discharge inception voltage of insulation paper under power-frequency voltage

從圖6可看出：在老化過程中，普通電力變壓器和礦山電力變壓器絕緣紙的放電起始電壓均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，但不論在壽命中期還是壽命末期，礦山電力變壓器絕緣紙的放電起始電壓均低于普通電力變壓器，即在運(yùn)行過程中，礦山電力變壓器絕緣紙相較普通電力變壓器更容易發(fā)生放電性故障。

(2) 局部放電信號。每個(gè)壽命階段絕緣紙工頻周期內(nèi)的局部放電信號如圖7—圖9所示，其有效反映了老化過程中絕緣紙局部放電的放電量、放電次數(shù)及放電相位的變化。

圖7 絕緣紙壽命初期單工頻周期內(nèi)的局部放電信號Fig.7 Partial discharge signals in single power-frequency cycle at initial lifetime of insulation paper

(a) 普通電力變壓器

(a) 普通電力變壓器

從圖7可看出，壽命初期，在工頻周期的正、負(fù)半周均出現(xiàn)局部放電信號，但最大放電量較小，約為500 pC。從圖8、圖9可看出，在壽命中期和壽命末期，普通電力變壓器和礦山電力變壓器絕緣紙的最大放電量、放電相位均呈逐漸增長的趨勢，且壽命中期，普通電力變壓器和礦山電力變壓器絕緣最大放電量分別約為2 200 pC和3 000 pC；壽命末期，最大放電量分別約為6 000 pC和7 000 pC。

顯然，運(yùn)行過程中礦山電力變壓器絕緣紙的最大放電量、放電相位增長幅度均大于普通電力變壓器，特別在壽命末期，礦山電力變壓器絕緣紙的放電相位甚至增大至超越半周期(圖9(b)中虛線橢圓處)。

每個(gè)壽命階段、每種類型絕緣紙?jiān)嚻吩?00工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出：在運(yùn)行過程中，不論是普通電力變壓器還是礦山電力變壓器絕緣紙，單工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)也均呈增加趨勢，但礦山電力變壓器絕緣紙放電次數(shù)增加更加顯著。

圖10 絕緣紙多工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistic of insulation paper discharge numbers in multiple power-frequency cycles

由上述分析可知，運(yùn)行過程中，礦山電力變壓器絕緣紙較普通電力變壓器將產(chǎn)生更大的放電量及更多的放電次數(shù)，放電相位也更寬，即在老化過程中，礦山電力變壓器絕緣紙的放電現(xiàn)象相較普通電力變壓器更加激烈。

2.2.2 電氣強(qiáng)度變化

絕緣材料需具有較高的電氣強(qiáng)度，這是其作為絕緣介質(zhì)的內(nèi)在要求。測得的每個(gè)壽命階段絕緣紙?jiān)诠ゎl電壓下的電氣強(qiáng)度如圖11所示。

圖11 絕緣紙電氣強(qiáng)度Fig.11 Electrical strength of insulation paper

從圖11可看出：在老化過程中，普通電力變壓器和礦山電力變壓器絕緣紙的電氣強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，但不論在壽命中期還是壽命末期，礦山電力變壓器絕緣紙的電氣強(qiáng)度均低于普通電力變壓器，即在老化過程中，礦山電力變壓器相較普通電力變壓器更容易發(fā)生擊穿事故。

根據(jù)絕緣紙局部放電及電氣強(qiáng)度的分析可知：在老化過程中，礦山電力變壓器絕緣紙電氣特性的變化較普通電力變壓器更顯著；電氣特征參數(shù)更適合用于礦山電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。

3 微觀結(jié)構(gòu)變化對電氣性能的影響分析

礦山電力變壓器運(yùn)行在礦區(qū)附近，主要完成對地面及井下機(jī)電設(shè)備的供電，由于礦山機(jī)電設(shè)備種類繁多，負(fù)荷量大，啟停頻繁，特別是現(xiàn)代礦山中，提升機(jī)、帶式輸送機(jī)、通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)及采煤機(jī)等大容量設(shè)備大多采用變頻控制，造成礦山電力變壓器面臨惡劣的電磁環(huán)境[23-24]，諧波嚴(yán)重，發(fā)熱量大，溫升偏高，導(dǎo)致其絕緣的熱老化壓力較普通電力變壓器嚴(yán)峻。同時(shí)，礦區(qū)污染較普通地區(qū)嚴(yán)重，也造成礦山電力變壓器面臨更大的環(huán)境老化壓力。因此，在運(yùn)行過程中，礦山電力變壓器絕緣紙比普通電力變壓器老化嚴(yán)重，礦區(qū)運(yùn)行環(huán)境是造成礦山電力變壓器絕緣紙老化更快的主要原因。

老化過程中，隨著礦山電力變壓器絕緣紙微觀結(jié)構(gòu)的變化，纖維間逐漸形成微隙、孔隙甚至空洞等絕緣缺陷，從而造成放電起始電壓降低、電氣強(qiáng)度下降；隨著老化持續(xù)，絕緣材料中的微觀結(jié)構(gòu)缺陷越來越大，必將造成最大放電量逐漸增加。同時(shí)，老化形成的缺陷為分布式缺陷，老化時(shí)間越長，絕緣材料中分布的絕緣缺陷就越多，從而導(dǎo)致其放電次數(shù)逐漸增加。因此，由材料微觀結(jié)構(gòu)變化而形成的微觀結(jié)構(gòu)缺陷是造成礦山電力變壓器絕緣電氣性能變化的直接原因。同時(shí)，由于礦山電力變壓器絕緣紙老化較普通電力變壓器嚴(yán)重、微觀結(jié)構(gòu)缺陷變化更加明顯，故其電氣特性也顯示出較普通電力變壓器更加顯著的變化。

4 結(jié)論

(1) 在整個(gè)壽命周期中，礦山電力變壓器絕緣紙老化速度較普通電力變壓器更快，微觀結(jié)構(gòu)變化較普通電力變壓器更加明顯，電氣性能變化也較普通電力變壓器更加顯著。

(2) 礦區(qū)運(yùn)行環(huán)境是造成礦山電力變壓器絕緣紙較普通電力變壓器老化嚴(yán)重的主要原因。礦山電力變壓器絕緣紙微觀結(jié)構(gòu)缺陷變化更加明顯是導(dǎo)致其電氣性能變化更加顯著的直接原因。

(3) 在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維修過程中，對礦山電力變壓器絕緣狀態(tài)的監(jiān)測建議從嚴(yán)執(zhí)行電力標(biāo)準(zhǔn)；電氣特征參數(shù)更適合用于礦山電力變壓器絕緣狀態(tài)診斷。