變壓器用絕緣紙擊穿強度的多因素協(xié)同影響研究

吳東樂，孫勝然，劉群華，劉 文，徐凱麗

（中國制漿造紙研究院有限公司 制漿造紙國家工程實驗室，北京 100102）

0 引言

電力變壓器作為輸變電網(wǎng)絡中最重要的設備之一，其性能至關重要。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)點被廣泛應用于電力變壓器中[1]。近年來，特高壓輸變電因具有容量大、傳輸距離遠、效率高和損耗低的綜合優(yōu)勢得到大力發(fā)展，我國基本上形成“西電東送，北電南供”的特高壓輸電網(wǎng)絡[2]。油浸式變壓器的性能依賴于絕緣紙的設計和選擇，絕緣紙一直以來是電力裝備及系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，直接關系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，是制約先進輸變電技術提升的瓶頸。隨著變壓器電壓等級和容量的不斷增加，對絕緣紙的性能，尤其是擊穿強度提出了嚴苛的要求。如何提高絕緣紙的性能及其在變壓器運行中的可靠性，面臨巨大挑戰(zhàn)。然而，目前高性能絕緣紙的基礎理論研究和應用研發(fā)均嚴重滯后于發(fā)展需要，國內(nèi)高純度、高強度的絕緣紙主要依賴于進口。

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，絕緣紙擊穿強度受到制造過程的影響較大[3]。文獻[4-6]研究了打漿過程對絕緣紙擊穿強度的影響，發(fā)現(xiàn)打漿度、打漿壓力和打漿方式對絕緣紙擊穿強度的影響較大。周遠翔等[7-8]研究了熱壓溫度和造紙用水電導率對絕緣紙擊穿強度的影響，發(fā)現(xiàn)熱壓溫度和造紙用水電導率對絕緣紙交流擊穿強度的影響較小，對直流擊穿強度的影響較大。于欽學等[9]研究了壓光型和預壓型兩種絕緣紙板的性能，發(fā)現(xiàn)預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]研究了紙張的化學組成和形態(tài)與絕緣紙擊穿強度之間的關系。目前的研究大多基于單個因素或多個因素逐個研究其對絕緣紙擊穿強度的影響。實際上，絕緣紙的制造過程與擊穿強度的關系是十分復雜的多因素協(xié)同系統(tǒng)。例如打漿度會影響絕緣紙的擊穿強度，而要提高絕緣紙的擊穿強度不僅要調(diào)整紙漿的打漿度，還需要提高紙漿的化學純度或者成形工藝。絕緣紙擊穿強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、全面地進行分析。正交試驗設計及其分析是一種數(shù)理統(tǒng)計方法，它能夠確定影響實驗結果的主次因素，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驗設計和分析的方法[11-13]。

本文采用正交試驗設計方法，研究打漿度、打漿負荷、定量和干燥方式對絕緣紙擊穿強度的影響。結合極差和方差分析研究4種因素對絕緣紙擊穿強度影響程度的主次順序以及協(xié)同效應。利用Weibull分布對絕緣紙的擊穿強度結果進行統(tǒng)計分析，并建立失效模型。同時，測定絕緣紙的緊度和吸油率，分析結構變化，闡明制造工藝對絕緣紙擊穿強度的影響規(guī)律和機制。

1 實驗和方法

1.1 正交試驗設計

針對絕緣紙擊穿強度的影響因素，本研究重點考察打漿度、打漿負荷、定量與干燥方式4個影響因素。為避免各因素組合太多，每個因素選擇2或3個水平，具體水平見表1。采用正交表L12（3×24）進行實驗安排，如表2所示。為了便于統(tǒng)計分析，將打漿度、打漿負荷、定量、干燥方式4個因素分別用A、B、C、D表示。

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

表2 實驗方案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打漿機進行打漿，并根據(jù)GB/T 3332—2004測量打漿度。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)誠油脂分裝有限公司生產(chǎn)的25#變壓器油預熱至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 測試方法

厚度和緊度根據(jù)GB/T 451.2—2002進行測試。吸油率根據(jù)IEC 60641-2-2004進行測試。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。

擊穿強度依據(jù)GB/T 3333—1999采用逐步升壓的方式進行測試。試驗電極結構如圖1所示，采用不對稱銅電極，高壓電極直徑為25 mm，低壓電極直徑為75 mm，表面均進行拋光處理。

圖1 擊穿強度試驗電極Fig.1 Breakdown strength experiment electrode

2 結果與分析

2.1 擊穿強度數(shù)據(jù)分析

絕緣紙和油浸絕緣紙擊穿強度的數(shù)據(jù)簡要分布如圖2和圖3所示。箱線圖可以粗略地看出數(shù)據(jù)的對稱性、分散性和異常值情況，并進行多組數(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)點被認為是異常值，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，絕緣紙擊穿強度的數(shù)據(jù)基本對稱分布，4、5、7、8、10號絕緣紙的擊穿強度存在1～2個異常值，為保證實驗準確性可將其剔除。隨著打漿度的增大，擊穿強度逐漸增強，其數(shù)據(jù)的分散性變大。由圖3可知，油浸絕緣紙擊穿強度數(shù)據(jù)基本對稱分布，沒有異常值；隨著打漿度的增大，擊穿強度逐漸增強，其數(shù)據(jù)的分散性變小。對比圖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，因為絕緣紙含有大量的孔隙，會降低其擊穿強度，而油浸絕緣紙因變壓器油進入孔隙后與絕緣紙的互補作用而具有優(yōu)異的電氣性能。

圖2 絕緣紙的擊穿強度Fig.2 Breakdown strength of insulation paper

圖3 油浸絕緣紙的擊穿強度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正交試驗結果進行分析，結果見表3和表4。極差（R）是一個因素在各個水平下指標結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，指標的變化程度。R越大，表示該因素對指標的影響越大。由表3中極差R可知，4種因素對絕緣紙擊穿強度的影響程度由大到小依次為：打漿度（A）、打漿負荷（B）、干燥方式（D）、定量（C）；對油浸絕緣紙擊穿強度的影響程度由大到小依次為：打漿度、定量、打漿負荷、干燥方式。表3中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示一個因素的某個水平下指標響應之和，可以表示因素的最佳水平，若指標的結果越大越好，則選擇能夠使得該指標最大的那個水平。對于絕緣紙，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度；對于油浸絕緣紙，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度；符合這樣組合的11號樣品的擊穿強度也是最高的。

表3 極差分析結果Tab.3 Results of range analysis

表4 絕緣紙方差分析結果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果一致，因為方差分析利用了較全的信息，考慮了誤差的大小，所以更加準確可靠。綜合各種因素，提高打漿度，使用較高打漿負荷，并根據(jù)使用條件選擇相應的定量，可提高絕緣紙的擊穿強度。需要注意所得到的“最優(yōu)方案”，只是在試驗所用水平下，優(yōu)選結果不會超越所取水平的范圍[11]。

表5 油浸絕緣紙方差分析結果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，即交互作用關系圖，結果見圖4和圖5。圖中縱坐標為擊穿強度值，橫坐標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，各因素對絕緣紙擊穿強度的影響并不是相互獨立的。圖5中的曲線之間均不平行，說明4個因素間存在協(xié)同效應，各因素對油浸絕緣紙的擊穿強度影響并不是相互獨立的。

2.3 絕緣紙的失效規(guī)律

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

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

絕緣紙發(fā)生擊穿會導致絕緣失效，進而影響電網(wǎng)的安全。由于固體絕緣材料的擊穿是一種隨機現(xiàn)象，在給定的實驗條件下，獲得的擊穿強度數(shù)據(jù)具有一定的分散性。IEEE 930-2004推薦采用Weibull分布統(tǒng)計分析方法來分析絕緣紙的擊穿強度數(shù)據(jù)，并對不同的絕緣紙進行比較，預測在給定的電壓下?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度的Weibull概率分布圖。從圖6～7可以看出，所有數(shù)據(jù)點都均勻分布在直線上，表明擊穿強度數(shù)據(jù)通過Weibull分布充分性檢驗，認為絕緣紙和油浸絕緣紙的擊穿強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間；F(x)是在擊穿電壓或時間小于或等于x時的失效概率；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%時的擊穿強度或擊穿時間；形狀參數(shù)β代表擊穿強度數(shù)據(jù)的分散性，β越大，擊穿強度的分散性越小。采用極大似然估計法估算尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β[15]，結果如表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的擊穿強度中位數(shù)的變化規(guī)律相同。因此擊穿強度的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，說明絕緣紙擊穿強度的分散性普遍小于油浸絕緣紙擊穿強度的分散性。這可能是由于油浸絕緣紙在完成浸油后，表面多余的油去除不充分，有殘余變壓器油，導致測得的擊穿強度數(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度數(shù)據(jù)的分散性變小。

2.4 制備工藝對絕緣紙擊穿強度的影響機理

從絕緣紙的擊穿理論來說，絕緣紙不是單純的固體，它具有三維多孔結構。無論以浸油狀態(tài)還是初始狀態(tài)進行擊穿強度試驗，實際上都是以混合結構形式出現(xiàn)。絕緣紙擊穿強度受紙張這種三維多孔結構的影響極大。制備工藝對絕緣紙擊穿強度的影響，實際上是對紙張三維多孔結構產(chǎn)生影響，從而造成擊穿強度的變化。

為分析制備工藝對絕緣紙擊穿強度的影響機理，測定絕緣紙的緊度和吸油率，結果如圖8所示。同時，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低打漿度（50°SR）和高打漿度（80°SR）的絕緣紙表面進行微觀結構觀察，結果如圖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。干燥方式對緊度的影響也較大，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。對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，緊度大小會直接影響吸油率。H P MOSER[17]認為在纖維間空氣質(zhì)量忽略不計時，可以用緊度直接計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。

本實驗結果與該結論一致。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度[18-19]，所以定量對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，樣品表面相對平滑。這是因為打漿使纖維發(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，使纖維吸水潤脹和發(fā)生細纖維化，另外還會產(chǎn)生纖維碎片，使纖維產(chǎn)生扭曲、卷曲、壓縮和伸長等變形[20]。在打漿過程中會使纖維發(fā)生細纖維化，細纖維化主要有內(nèi)部和外部細纖維化兩種，并且主要發(fā)生在S2-S2層；外部細纖維化使得纖維發(fā)生分絲帚化，極大地增加了纖維的比表面積，有助于氫鍵的結合；內(nèi)部細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，對水分子擴散滲透具有更強的抵抗作用，且對強電場作用下被加速的電子、離子具有屏蔽作用。合理的打漿會使得絕緣紙內(nèi)具有較多的淺陷阱，在恒定電場作用下，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]。由于打漿對纖維有切斷作用，使得細小纖維的含量增多，進而可以填補纖維之間的空隙，使孔隙率降低，提高擊穿強度。這些變化將導致絕緣紙和油浸絕緣紙的擊穿強度增加。

3 結論

（1）試驗條件下，4種因素對絕緣紙擊穿強度的影響程度由高到低依次為：打漿度、打漿負荷、干燥方式、定量，其中打漿度為主要影響因素。對油浸絕緣紙擊穿強度的影響程度由高到低依次為：打漿度、定量、打漿負荷、干燥方式，其中打漿度、定量和打漿負荷為主要影響因素。4個因素間存在協(xié)同效應。

（2）建立了絕緣紙的失效規(guī)律模型，研究表明擊穿強度的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度。隨著打漿度提高，失效概率為63.2%時的擊穿強度逐漸增大。絕緣紙擊穿強度數(shù)據(jù)的分散性變大，油浸絕緣紙擊穿強度數(shù)據(jù)的分散性變小。

（3）制備工藝會影響絕緣紙的緊度和吸油率，并可以改變內(nèi)部結構，發(fā)生細纖維化，產(chǎn)生淺陷阱和細小纖維，進而影響絕緣紙的擊穿強度。