變壓器油浸絕緣紙之間的微動(dòng)磨損機(jī)理研究

史曉婉，閻明印，趙 晶

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

近年來，電力系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化布局的重要的組成部分，而變壓器則是輸配電系統(tǒng)最重要組成部分之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，繞組故障在變壓器故障原因中占比很高，且繞組絕緣紙一旦失效，可能造成大面積停電，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活都將帶來極大的影響。目前因絕緣紙老化和變壓器電壓擊穿導(dǎo)致絕緣失效的問題已得到廣泛關(guān)注，通常采用添加助劑的方法提高絕緣紙的抗老化性[1-5]。但通過維修發(fā)現(xiàn)，絕緣失效并不是只由絕緣紙老化和電壓擊穿引起，在機(jī)械力的作用下，若油浸絕緣紙發(fā)生局部破損，同樣會(huì)導(dǎo)致絕緣失效[6,7]。在特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司由絕緣事故引起的變壓器返廠維修中發(fā)現(xiàn)，繞組絕緣紙由于磨損導(dǎo)致的絕緣失效在變壓器中普遍存在，但還未有學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行研究。由于變壓器在運(yùn)行時(shí)鐵芯與繞組都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而且振動(dòng)會(huì)伴隨變壓器工作一直存在，不僅繞組自身的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致絕緣紙磨損，而且鐵芯的振動(dòng)與繞組振動(dòng)疊加也會(huì)使繞組絕緣紙發(fā)生磨損。鐵芯的振動(dòng)主要是由變壓器在運(yùn)行時(shí)鐵芯硅鋼片的磁致伸縮現(xiàn)象導(dǎo)致的。繞組的振動(dòng)則是由于電流通過繞組使得繞組匝間產(chǎn)生電磁力[8,9]。由于繞組和鐵芯的振動(dòng)都是由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，因此稱其為磁激微動(dòng)現(xiàn)象?；谏鲜霰尘?，本工作針對(duì)磁激微動(dòng)作用下油浸絕緣紙之間的磨損機(jī)理進(jìn)行研究，研究不同厚度的油浸絕緣紙?jiān)谖?dòng)機(jī)械力作用下的破損狀態(tài)和破損層數(shù)，以確定油浸絕緣紙之間的磨損機(jī)理。

1 油浸絕緣紙破損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)將0.03，0.05，0.08，0.13 mm 4種厚度的絕緣紙分別浸泡在45號(hào)變壓器油中24 h后，將其高溫晾干48 h。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同種類變壓器的要求，絕緣紙的纏繞層數(shù)在13～25層不等，且纏繞方式為機(jī)器緊密纏繞。本工作所研究的大型變壓器油浸絕緣紙纏繞層數(shù)為17層，本試驗(yàn)所用油浸絕緣紙均由手動(dòng)纏繞完成，由于在試驗(yàn)過程中，上球試樣施加的法向載荷使每層油浸絕緣紙之間緊密貼合，即手動(dòng)纏繞產(chǎn)生的誤差忽略不計(jì)。為使試驗(yàn)結(jié)果更加可靠，本試驗(yàn)選擇了相同的外部環(huán)境，并且在常溫常壓下進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)儀器和參數(shù)設(shè)置

本試驗(yàn)所有摩擦學(xué)測(cè)試均在圖1所示的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在測(cè)試過程中上球試樣(外部包裹油浸絕緣紙)保持靜止，而下平面試樣(油浸絕緣紙塊)以線性往復(fù)滑動(dòng)的方式在球端面上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油紙 - 油紙摩擦。同時(shí)，2個(gè)力傳感器分別連續(xù)測(cè)量并記錄了摩擦副的法向載荷和摩擦系數(shù)。

由于磁激微動(dòng)引起的繞組油浸絕緣紙之間的磨損屬于微動(dòng)磨損，因此將試驗(yàn)量程設(shè)置為2 mm；且在實(shí)際工作中，變壓器繞組的線匝沿其軸向依次排列連續(xù)繞制，因此，絕緣紙受到的力是來自于法向的機(jī)械力。為了明確加載的法向載荷大小對(duì)油浸絕緣紙的影響，分別設(shè)置在法向載荷20 N和30 N下進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)為油浸絕緣紙之間的加速磨損，因此設(shè)置試驗(yàn)加載頻率為20 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)比油浸絕緣紙表層和內(nèi)部磨損情況，分析油浸絕緣紙之間的磨損機(jī)理，如圖2所示。

對(duì)比4種厚度油浸絕緣紙摩擦部分，其破損輪廓都呈現(xiàn)不規(guī)則粗糙截面，且隨著油浸絕緣紙厚度的增加，其破損面積不斷減小，雖然設(shè)置的加載量程為2 mm，但磨損輪廓長(zhǎng)度都大于2 mm。由于在摩擦過程中，油浸薄絕緣紙較油浸厚絕緣紙磨損輪廓更易出現(xiàn)磨屑堆積，如圖2a所示，厚度為0.03 mm的油浸絕緣紙破損輪廓存在明顯磨屑堆積，因此不斷增加的磨屑導(dǎo)致其破損輪廓范圍隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而增大。結(jié)果表明，油浸絕緣紙的磨損是由外層向內(nèi)層擴(kuò)展，最外層紙張破損最嚴(yán)重，內(nèi)層紙張隨層數(shù)增加破損面積不斷減小，且每層油浸絕緣紙的磨損都是從受力中心點(diǎn)開始向其外圍擴(kuò)展。從上述試驗(yàn)可知，絕緣紙厚度、摩擦次數(shù)和法向載荷大小都會(huì)對(duì)油浸絕緣紙的磨損產(chǎn)生影響。為研究上述因素對(duì)油浸絕緣紙之間磨損情況的影響，開展了進(jìn)一步的研究和討論。

2.1 絕緣紙厚度對(duì)油紙磨損情況的影響

本工作分別對(duì)4種厚度的油浸絕緣紙進(jìn)行了油紙 - 油紙摩擦試驗(yàn)，以明確厚度對(duì)油浸絕緣紙磨損情況的影響，本試驗(yàn)所得結(jié)果在法向載荷為20 N，摩擦次數(shù)580 000次下進(jìn)行。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，0.03 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)分別為14，14，15層；0.05 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)分別為2，3，2層；0.08 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)都為1層；0.13 mm油浸絕緣紙?jiān)诖藚?shù)下均未破損。試驗(yàn)表明，在相同法向載荷和摩擦次數(shù)的情況下，油浸絕緣紙厚度越大破損層數(shù)越少。

表1 絕緣紙厚度與破損層數(shù)的關(guān)系

研究摩擦過程中摩擦系數(shù)的影響因素和變化規(guī)律，是降低摩擦損耗和控制摩擦過程的有效途徑。因此，提取了部分摩擦過程中的摩擦系數(shù)(Coefficient of Friction,COF)。如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示在油紙 - 油紙摩擦過程中前600 s的摩擦?xí)r間內(nèi)，油浸絕緣紙?jiān)胶衲Σ料禂?shù)越大。這是由于在相同的法向載荷下，油浸厚絕緣紙比油浸薄絕緣紙實(shí)際接觸面積大，故表面間的分子相互作用更強(qiáng)。但如圖2所示，0.03 mm油浸絕緣紙磨損輪廓存在明顯的磨屑堆積，即油浸絕緣紙?jiān)奖∧バ级逊e越明顯，且在油紙 - 油紙摩擦進(jìn)程結(jié)束后，摩擦副和上球試樣表面都存在大量紙屑，加速了油浸絕緣紙的磨損。因此，薄油浸絕緣紙摩擦系數(shù)會(huì)隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而增加。

2.2 摩擦次數(shù)和法向載荷對(duì)油紙磨損情況的影響

為研究油紙 - 油紙摩擦過程中，法向載荷與摩擦次數(shù)對(duì)油浸絕緣紙磨損情況的影響，進(jìn)行了不同載荷和不同摩擦次數(shù)下的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，在施加20 N的法向載荷時(shí)，當(dāng)摩擦次數(shù)為300 000次時(shí)，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙的破損層數(shù)分別為0和1層；當(dāng)摩擦次數(shù)為580 000次時(shí)，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙的破損層數(shù)分別為1和2層。在施加30 N的法向載荷時(shí)，當(dāng)摩擦次數(shù)為300 000次時(shí)，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)分別為1和5層；當(dāng)摩擦次數(shù)為580 000次時(shí)，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙的破損層數(shù)分別為2和11層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，摩擦次數(shù)和法向載荷越大油浸絕緣紙破損層數(shù)越多，對(duì)于越薄的油浸絕緣紙，法向載荷的增加對(duì)其影響越大。

表2 法向載荷和摩擦次數(shù)對(duì)破損層數(shù)的影響

為了研究載荷大小對(duì)油浸絕緣紙摩擦情況的影響，提取了不同載荷下的摩擦系數(shù)。如圖5a所示當(dāng)法向載荷分別為20 N和30 N時(shí)，0.05 mm油浸絕緣紙的摩擦系數(shù)對(duì)比不明顯，在摩擦前期(前600 s)法向載荷為30 N時(shí)的摩擦系數(shù)稍大，摩擦后期(后600 s)法向載荷為20 N時(shí)的摩擦系數(shù)稍大。但如圖5b所示，厚度為0.08 mm的油浸絕緣紙，在全部摩擦進(jìn)程中，施加的法向載荷越大摩擦系數(shù)越小。

為了明確產(chǎn)生圖5a現(xiàn)象的原因，使用超景深顯微鏡觀察了不同法向載荷的絕緣紙表面形貌，如圖6所示為0.05 mm油浸絕緣紙?jiān)诜謩e施加20 N和30 N法向載荷后的摩擦形貌。由圖6b所示，在30 N法向載荷作用下，油浸絕緣紙表面出現(xiàn)大量白色蠟狀物質(zhì)。由于在摩擦過程中，絕緣紙并未接觸到其他物質(zhì)，因此其表面的蠟狀物質(zhì)是從其內(nèi)部析出。在制作絕緣紙過程中，絕緣紙?jiān)牧习üz、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂等絕緣用樹脂[10]；并且當(dāng)施加的法向載荷越大，油浸絕緣紙之間受到的壓縮力越大，其內(nèi)部的樹脂和果膠等物質(zhì)更易析出，導(dǎo)致絕緣紙摩擦系數(shù)降低[11-14]；且在變壓器油中浸泡24 h后，厚絕緣紙內(nèi)部纖維會(huì)吸收更多變壓器油，導(dǎo)致纖維被壓緊后析出更多變壓器油，也導(dǎo)致油浸絕緣紙摩擦系數(shù)降低。

由于本試驗(yàn)?zāi)Σ粮迸c上球試樣(外部包裹油浸絕緣紙)材料性質(zhì)相同，分子或原子結(jié)構(gòu)相同的材料互溶性大，兩者之間容易發(fā)生黏著導(dǎo)致其摩擦系數(shù)增大。如圖2所示，0.03 mm油浸絕緣紙破損輪廓存在大量磨屑堆積，即材料表面被移去的材料一部分隨著上球試樣的流動(dòng)堆積到輪廓兩側(cè)，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，游離顆粒的形成在一定程度上增加了摩擦系數(shù)，此時(shí)磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。但隨著材料厚度不斷增加，磨屑堆積現(xiàn)象不斷減少，因此，隨著材料厚度的增加，磨粒磨損對(duì)其磨損作用不斷減??；0.13 mm油浸絕緣紙破損輪廓周圍呈現(xiàn)白色，且白色部分厚度明顯減少，紙張纖維裸露較明顯，即被摩擦過的部分以片狀磨屑的形式脫落，此現(xiàn)象隨著絕緣紙厚度的增加表現(xiàn)越明顯，此時(shí)磨損機(jī)理主要為剝層磨損。因此，油紙 - 油紙摩擦中主要磨損機(jī)制為黏著磨損、磨粒磨損和剝層磨損共同作用。

3 結(jié) 論

本工作通過試驗(yàn)的方式研究了，在油紙 - 油紙摩擦過程中紙張厚度、法向載荷大小和摩擦次數(shù)對(duì)油浸絕緣紙磨損情況的影響，分析了油浸絕緣紙之間的磨損機(jī)理，主要得出以下結(jié)論：

(1)油浸絕緣紙破損輪廓都呈現(xiàn)不規(guī)則的粗糙截面。隨著紙張厚度減少，其破損面積不斷增加，且破損輪廓更加粗糙，輪廓周圍磨屑堆積越明顯。

(2)在相同的法向載荷和摩擦次數(shù)的情況下，隨著油浸絕緣紙厚度增加破損層數(shù)越少，但摩擦系數(shù)隨之增大。由于在相同的法向載荷下，油浸厚絕緣紙比油浸薄絕緣紙實(shí)際接觸面積大，表面間分子相互作用更強(qiáng)，導(dǎo)致其摩擦系數(shù)增加。

(3)隨著摩擦次數(shù)和法向載荷的增加，油浸絕緣紙破損層數(shù)越多。對(duì)于越薄的油浸絕緣紙，法向載荷的增加對(duì)其磨損影響越大；但隨著法向載荷的增加，油浸絕緣紙摩擦系數(shù)變小。由于法向載荷的增大，使油浸絕緣紙表面的樹脂和果膠被析出，且油浸厚絕緣紙比油浸薄絕緣紙析出更多的變壓器油，使其摩擦系數(shù)不斷減小。油浸絕緣紙之間主要磨損機(jī)制為黏著磨損、磨粒磨損和剝層磨損共同作用。

在變壓器運(yùn)行過程中絕緣紙的磨損現(xiàn)象較常見，因此本工作對(duì)常用的油浸絕緣紙進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，根據(jù)以上結(jié)論，可以在絕緣紙中添加更適合劑量的樹脂或果膠等物質(zhì)，以減小絕緣紙的摩擦系數(shù)。