机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响
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关键词：油浸绝缘纸板 机械应力 弹性模量 局部放电 表面形态观测 中图分类号：TMቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ11
Effect of Mechanical Stress on Partial Discharge of Oil-Impregnated Pressboard
Cui Yanjie1 Ji Shengchang1 Zhu Lingyu1 Liu Zhihua1 Li Xining2 （1. State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment Xi’an Jiaotong University
国家自然科学基金-智能电网联合基金重大集成资助项目（U1866603）。 收稿日期 2019-12-08 改稿日期 2020-03-24
2660
电工技术学报
2021 年 6 月
the insulation performance of the paperboard decreases rapidly, and the partial discharge mode under the plate electrode also changes. The results of confocal-microscopy show that when the mechanical stress is higher than 20MPa, the fibers in the insulating paperboard change from elastic deformation to plastic deformation, and the fibers appear tiller, void and fracture, resulting in the decrease of the insulation performance of the paperboard.
Keywords ： Oil-immersed pressboard, mechanical stress, elastic modulus, partial discharge, surface morphology observation
0 引言
油纸绝缘材料广泛应用于电力变压器等油浸类 设备中，在设备运行时承受着热、电及机械等应力 作用而不断老化。老化后油纸绝缘材料其绝缘性能 与力学性能会下降，当无法承受正常运行应力时， 绝缘材料将会在正常运行时发生失效，引发局部缺 陷，最终导致设备故障，影响电网运行的可靠性[1]。 因此，研究油纸绝缘材料在不同应力作用下老化对 其各项性能的影响对保障变电设备稳定运行和电力 系统安全具有重大意义。
1 实验平台和方法
1.1 绝缘纸板机械应力实验平台 本文研究中所采用的机械应力施加装置为万能
第 36 卷第 12 期
崔彦捷等 机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响
2661
实验机，能产生的最大机械压力为 95kN，机械应力 实验模型如图 1 所示。考虑到实际变压器中，绝缘 纸板一般在绕组间承受挤压力的作用，因此制作了 尺寸为 3cm×3cm×1.5cm 的黄铜垫块，并在其棱边处 均倒角操作以避免边缘处出现应力集中点。在施加 机械应力的过程中，黄铜垫块始终位于纸板中心位 置。该实验条件下，在纸板表面最大可以产生 100MPa 的压力。加载过程采用准静态加载方式， 以 100N/s 的速度缓慢加载至所需压力后持续 30min 撤去应力并再次加载，共进行 5 次循环加载，以 10MPa 为加载单位，研究了 10～100MPa 下纸板的 稳恒机械应力老化过程。采用变压器中常见的克拉 玛依 25 号变压器油以及魏德曼 1mm 厚绝缘纸板作 为机械老化实验样品，在实验前将绝缘纸板烘干 48h，然后进行真空浸油。油纸绝缘材料的机械老化 过程中，绝缘纸板始终放在装有变压器油的金属容 器内，以保证绝缘纸板中的油在挤出后仍能回到纸 板中，避免在机械挤压后产生不完全浸渍的绝缘纸板。
Xi’an 710049 China 2. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China）
Abstract Oil-paper insulation materials in transformer bear thermal, electrical and mechanical stresses during operation and continues to age under these stresses. Nevertheless, the aging of the oil-paper insulation material under mechanical stress has not received enough attention. In order to study the evolution of oil-paper insulation materials under mechanical stress, the aging test of oil-impregnated insulation paper under different mechanical stresses was carried out. Then, the mechanical performance test, partial discharge test and surface morphology observation on the aged insulation cardboard were carried out. The results show that the influence of mechanical properties on the performance of insulating paperboard is divided into two parts with 20MPa as the boundary. When the mechanical stress is lower than 20MPa, the elastic modulus and residual deformation of the paperboard are small, and the insulation performance of the paperboard is improved with the increase of the mechanical stress. When the mechanical stress is higher than 20MPa, the elastic modulus and residual deformation of the paperboard increase remarkably. With the increase of the mechanical stress,
验前均对回路进行标定。对未安装电极的整体实验 回路进行的实验表明，回路起晕电压在 45kV 左右， 高于整个局部放电实验过程中的外施电压。
崔彦捷 1 汲胜昌 1 祝令瑜 1 刘志华 1 李熙宁 2
（1. 电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学） 西安 710049 2. 中国电力科学研究院有限公司 北京 100192）
摘要 变压器中油纸绝缘材料在运行时承担着热、电、机等应力并在其作用下不断老化，然 而关于机械应力下油纸绝缘材料的老化尚未引起足够重视。为研究机械应力下油纸绝缘材料性能 演变规律，该文对油浸绝缘纸板进行不同机械应力下的老化实验，并对老化后的绝缘纸板进行力 学性能测试、局部放电实验以及表面形态观测。研究结果表明，力学性能对绝缘纸板性能的影响 以 20MPa 为界分为两部分。当机械应力低于 20MPa 时，纸板的弹性模量及剩余形变均较小，随 着机械应力的升高，纸板绝缘性能有所提升；当机械应力高于 20MPa 时，纸板的弹性模量及剩余 形变显著增大，随着机械应力的升高，纸板绝缘性能快速下降，纸板电极下局部放电模式也发生 了变化。共聚焦显微镜观测结果表明，当机械应力高于 20MPa 后，绝缘纸板中的纤维由弹性变形 转为塑性变形，纤维出现分岔、空洞及断裂，导致纸板的绝缘性能降低。该文研究结果为变压器 中油纸绝缘材料在机械应力作用下老化规律的研究提供了基础，并有效地提升了判别变压器内部 绝缘状态的能力。
变压器中的油纸绝缘材料承担着多种形式的机 械应力，包括恒定的绕组压紧力与交变的绕组电流 和漏磁共同作用产生的电磁力。在这些应力中，突 发 短 路 产 生 的 交 变 冲 击 应 力 最 大 ， 一 般 在 50～ 100MPa 之间；厂家制造装配时的压紧力取值低于 10MPa，正常运行时交变电磁力一般低于 1MPa。以 往研究结果表明，机械应力作用下油浸绝缘纸板的 绝缘性能下降并形成缺陷。因此，有必要研究机械 应力下油纸绝缘材料的老化规律并分析其老化机 理，进而得出评估老化状态的判据，从而对运行中 的变压器进行有效状态评估与缺陷诊断。本文对经 过不同幅值恒定机械应力老化后的油浸绝缘纸板进 行了耐压与局部放电实验，并对经受老化的绝缘纸 板开展了表面观测实验，得出了油浸绝缘纸板在机 械应力作用下的老化规律，并提出了机械应力作用 下油浸绝缘纸板的老化机理，最后从局部放电特征 量出发，提出了油纸绝缘材料机械老化寿命判据， 为现场变压器运维工作提供了辅助决策手段。
油纸绝缘材料的老化主要是绝缘纸的纤维素分 子裂解的过程[2]。老化过程中，纤维素不断在酸催 化下水解，长链裂解为短链，聚合度不断下降。随 着聚合度的下降，油浸纸板的绝缘性能与力学性能 不断下降，表现为电阻率的下降及弹性模量的降低。 国内外学者开展了大量关于油纸绝缘材料热老化及 电老化后各项特性演变规律的研究。文献[3]研究了 现场变压器中老化过程对油纸绝缘介电性能的影 响，认为体电阻率与介质损耗变化显著，能有效反 映变压器老化状态。廖瑞金等对油纸绝缘热老化后 绝缘性能与理化特性的演变规律进行了广泛而深入 的研究，结果表明，老化会加剧油纸绝缘中局部放 电的程度，并通过对实验结果进行监督学习，提取 了油纸绝缘局部放电特征量[4-8]。文献[9]进一步研 究了不同老化情况下的油纸绝缘局部放电特征量演 变情况，认为随着老化不断进行，油纸绝缘中的局 部放电在相同电压下的放电量和放电次数都有增 加，同时当外施电压较低时，增加程度更显著。文 献 [10]深 入 研 究 了 老 化 对 油 纸 绝 缘 电 气 性 能 的 影 响，认为老化使绝缘纸中的陷阱增多，积聚的空间 电 荷 也 更 多 。 文 献 [11] 进 一 步 研 究 了 老 化 对 油 纸 绝 缘材料绝缘性能的影响，认为老化后油纸绝缘系统 电导增大，纸板中更容易积聚正极性空间电荷。以 往的研究主要集中于温度及电场对油纸绝缘材料老
2021 年 6 月 第 36 卷第 12 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.191720
Vol.36 No. 12
Jun.
2021
机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响
化机理及性能演变过程的影响，对在油纸绝缘老化 过程中同样起着关键影响的机械应力作用下的老化 研究较少。文献[12]最早研究了不同老化程度的油 纸绝缘材料在绕组力作用下磨损情况，得到了基于 Weibull 分布的绝缘纸寿命模型，但是该研究并未对 纸的绝缘性能进行测试，而是认为当纸完全透光时 其寿命才到达终点。李长云等对油纸绝缘机热协同 下绝缘纸性能进行了研究，得到了在交变应力作用 下油浸绝缘纸板的频域介电谱与力学性能的演变规 律，并通过对其结构进行观测得到了初步的劣化机 理[13-15]。文献[16]对纸板在法向应力作用下的弹塑 性变形进行了实验与仿真研究，得到了纸板的力学 行为模型。
Effect of Mechanical Stress on Partial Discharge of Oil-Impregnated Pressboard
Cui Yanjie1 Ji Shengchang1 Zhu Lingyu1 Liu Zhihua1 Li Xining2 （1. State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment Xi’an Jiaotong University
国家自然科学基金-智能电网联合基金重大集成资助项目（U1866603）。 收稿日期 2019-12-08 改稿日期 2020-03-24
2660
电工技术学报
2021 年 6 月
the insulation performance of the paperboard decreases rapidly, and the partial discharge mode under the plate electrode also changes. The results of confocal-microscopy show that when the mechanical stress is higher than 20MPa, the fibers in the insulating paperboard change from elastic deformation to plastic deformation, and the fibers appear tiller, void and fracture, resulting in the decrease of the insulation performance of the paperboard.
Keywords ： Oil-immersed pressboard, mechanical stress, elastic modulus, partial discharge, surface morphology observation
0 引言
油纸绝缘材料广泛应用于电力变压器等油浸类 设备中，在设备运行时承受着热、电及机械等应力 作用而不断老化。老化后油纸绝缘材料其绝缘性能 与力学性能会下降，当无法承受正常运行应力时， 绝缘材料将会在正常运行时发生失效，引发局部缺 陷，最终导致设备故障，影响电网运行的可靠性[1]。 因此，研究油纸绝缘材料在不同应力作用下老化对 其各项性能的影响对保障变电设备稳定运行和电力 系统安全具有重大意义。
1 实验平台和方法
1.1 绝缘纸板机械应力实验平台 本文研究中所采用的机械应力施加装置为万能
第 36 卷第 12 期
崔彦捷等 机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响
2661
实验机，能产生的最大机械压力为 95kN，机械应力 实验模型如图 1 所示。考虑到实际变压器中，绝缘 纸板一般在绕组间承受挤压力的作用，因此制作了 尺寸为 3cm×3cm×1.5cm 的黄铜垫块，并在其棱边处 均倒角操作以避免边缘处出现应力集中点。在施加 机械应力的过程中，黄铜垫块始终位于纸板中心位 置。该实验条件下，在纸板表面最大可以产生 100MPa 的压力。加载过程采用准静态加载方式， 以 100N/s 的速度缓慢加载至所需压力后持续 30min 撤去应力并再次加载，共进行 5 次循环加载，以 10MPa 为加载单位，研究了 10～100MPa 下纸板的 稳恒机械应力老化过程。采用变压器中常见的克拉 玛依 25 号变压器油以及魏德曼 1mm 厚绝缘纸板作 为机械老化实验样品，在实验前将绝缘纸板烘干 48h，然后进行真空浸油。油纸绝缘材料的机械老化 过程中，绝缘纸板始终放在装有变压器油的金属容 器内，以保证绝缘纸板中的油在挤出后仍能回到纸 板中，避免在机械挤压后产生不完全浸渍的绝缘纸板。
Xi’an 710049 China 2. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China）
Abstract Oil-paper insulation materials in transformer bear thermal, electrical and mechanical stresses during operation and continues to age under these stresses. Nevertheless, the aging of the oil-paper insulation material under mechanical stress has not received enough attention. In order to study the evolution of oil-paper insulation materials under mechanical stress, the aging test of oil-impregnated insulation paper under different mechanical stresses was carried out. Then, the mechanical performance test, partial discharge test and surface morphology observation on the aged insulation cardboard were carried out. The results show that the influence of mechanical properties on the performance of insulating paperboard is divided into two parts with 20MPa as the boundary. When the mechanical stress is lower than 20MPa, the elastic modulus and residual deformation of the paperboard are small, and the insulation performance of the paperboard is improved with the increase of the mechanical stress. When the mechanical stress is higher than 20MPa, the elastic modulus and residual deformation of the paperboard increase remarkably. With the increase of the mechanical stress,
验前均对回路进行标定。对未安装电极的整体实验 回路进行的实验表明，回路起晕电压在 45kV 左右， 高于整个局部放电实验过程中的外施电压。
崔彦捷 1 汲胜昌 1 祝令瑜 1 刘志华 1 李熙宁 2
（1. 电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学） 西安 710049 2. 中国电力科学研究院有限公司 北京 100192）
摘要 变压器中油纸绝缘材料在运行时承担着热、电、机等应力并在其作用下不断老化，然 而关于机械应力下油纸绝缘材料的老化尚未引起足够重视。为研究机械应力下油纸绝缘材料性能 演变规律，该文对油浸绝缘纸板进行不同机械应力下的老化实验，并对老化后的绝缘纸板进行力 学性能测试、局部放电实验以及表面形态观测。研究结果表明，力学性能对绝缘纸板性能的影响 以 20MPa 为界分为两部分。当机械应力低于 20MPa 时，纸板的弹性模量及剩余形变均较小，随 着机械应力的升高，纸板绝缘性能有所提升；当机械应力高于 20MPa 时，纸板的弹性模量及剩余 形变显著增大，随着机械应力的升高，纸板绝缘性能快速下降，纸板电极下局部放电模式也发生 了变化。共聚焦显微镜观测结果表明，当机械应力高于 20MPa 后，绝缘纸板中的纤维由弹性变形 转为塑性变形，纤维出现分岔、空洞及断裂，导致纸板的绝缘性能降低。该文研究结果为变压器 中油纸绝缘材料在机械应力作用下老化规律的研究提供了基础，并有效地提升了判别变压器内部 绝缘状态的能力。
变压器中的油纸绝缘材料承担着多种形式的机 械应力，包括恒定的绕组压紧力与交变的绕组电流 和漏磁共同作用产生的电磁力。在这些应力中，突 发 短 路 产 生 的 交 变 冲 击 应 力 最 大 ， 一 般 在 50～ 100MPa 之间；厂家制造装配时的压紧力取值低于 10MPa，正常运行时交变电磁力一般低于 1MPa。以 往研究结果表明，机械应力作用下油浸绝缘纸板的 绝缘性能下降并形成缺陷。因此，有必要研究机械 应力下油纸绝缘材料的老化规律并分析其老化机 理，进而得出评估老化状态的判据，从而对运行中 的变压器进行有效状态评估与缺陷诊断。本文对经 过不同幅值恒定机械应力老化后的油浸绝缘纸板进 行了耐压与局部放电实验，并对经受老化的绝缘纸 板开展了表面观测实验，得出了油浸绝缘纸板在机 械应力作用下的老化规律，并提出了机械应力作用 下油浸绝缘纸板的老化机理，最后从局部放电特征 量出发，提出了油纸绝缘材料机械老化寿命判据， 为现场变压器运维工作提供了辅助决策手段。
油纸绝缘材料的老化主要是绝缘纸的纤维素分 子裂解的过程[2]。老化过程中，纤维素不断在酸催 化下水解，长链裂解为短链，聚合度不断下降。随 着聚合度的下降，油浸纸板的绝缘性能与力学性能 不断下降，表现为电阻率的下降及弹性模量的降低。 国内外学者开展了大量关于油纸绝缘材料热老化及 电老化后各项特性演变规律的研究。文献[3]研究了 现场变压器中老化过程对油纸绝缘介电性能的影 响，认为体电阻率与介质损耗变化显著，能有效反 映变压器老化状态。廖瑞金等对油纸绝缘热老化后 绝缘性能与理化特性的演变规律进行了广泛而深入 的研究，结果表明，老化会加剧油纸绝缘中局部放 电的程度，并通过对实验结果进行监督学习，提取 了油纸绝缘局部放电特征量[4-8]。文献[9]进一步研 究了不同老化情况下的油纸绝缘局部放电特征量演 变情况，认为随着老化不断进行，油纸绝缘中的局 部放电在相同电压下的放电量和放电次数都有增 加，同时当外施电压较低时，增加程度更显著。文 献 [10]深 入 研 究 了 老 化 对 油 纸 绝 缘 电 气 性 能 的 影 响，认为老化使绝缘纸中的陷阱增多，积聚的空间 电 荷 也 更 多 。 文 献 [11] 进 一 步 研 究 了 老 化 对 油 纸 绝 缘材料绝缘性能的影响，认为老化后油纸绝缘系统 电导增大，纸板中更容易积聚正极性空间电荷。以 往的研究主要集中于温度及电场对油纸绝缘材料老
2021 年 6 月 第 36 卷第 12 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.191720
Vol.36 No. 12
Jun.
2021
机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响
化机理及性能演变过程的影响，对在油纸绝缘老化 过程中同样起着关键影响的机械应力作用下的老化 研究较少。文献[12]最早研究了不同老化程度的油 纸绝缘材料在绕组力作用下磨损情况，得到了基于 Weibull 分布的绝缘纸寿命模型，但是该研究并未对 纸的绝缘性能进行测试，而是认为当纸完全透光时 其寿命才到达终点。李长云等对油纸绝缘机热协同 下绝缘纸性能进行了研究，得到了在交变应力作用 下油浸绝缘纸板的频域介电谱与力学性能的演变规 律，并通过对其结构进行观测得到了初步的劣化机 理[13-15]。文献[16]对纸板在法向应力作用下的弹塑 性变形进行了实验与仿真研究，得到了纸板的力学 行为模型。