预紧力对变压器油纸绝缘热老化影响研究

刘骥　王凡予

摘 要：为了研究预紧力对变压器油纸绝缘热老化的影响，采用模拟变压器绕组压紧工作状态的方法，建立饼间绝缘垫块径向单元试验模型，搭建试验系统，进行预紧力对油纸绝缘热老化影响的试验研究。并给出在130 ℃试验温度，不同预紧力作用下，每隔15 d提取试验试样的测试结果。研究发现，随着预紧力的增加，试样扫描电镜纤维结构有变窄趋势、聚合度数值降低幅度有减弱趋势、频域介电谱坐标曲线有平移趋势。依据晶体学和自由体积基本理论，构建绝缘纸力学模型，研究油纸绝缘热老化机理，分析水分和小分子酸对油纸绝缘热老化的作用，发现预紧力作用使变压器油纸绝缘热老化相对减弱。

关键词：变压器;油纸绝缘;预紧力;老化;微观形貌;介质损耗

DOI：10.15938/j.emc.2020.06.015

中图分类号：TM 85文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2020）06-0127-08

Study on the influence of preload on the thermal aging of transformer oil-paper insulation

LIU Ji， WANG Fan-yu

（Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Application of Ministry of Education， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：In order to study the effect of preload on the thermal aging of transformer oil-paper insulation， this paper uses the method of simulating the working state of the transformer winding compaction. A radial unit test model of the inter-insulation insulation pad was established， a test system was built， and an experimental study on the effect of pretension on the thermal aging of oil-paper insulation was carried out. The test results of extracting tested samples every 15 d under the test temperature of 130 ℃ and different preload were given. The study found that with the increase of the preload， the fiber structure of the sample scanning electron microscope has a tendency to narrow， the degree of polymerization value reduction has a tendency to weaken， and the frequency domain dielectric spectrum coordinate curve has a tendency to shift. Based on the basic theory of crystallography and free volume， a mechanical model of insulation paper was constructed to study the thermal aging mechanism of oil-paper insulation. The effect of moisture and small molecular acids on the thermal aging of oil-paper insulation was analyzed. It was found that the effect of pretension on the thermal aging of oil-paper insulation of transformers was relatively weakened.

Keywords：transformer; oil-paper insulation; pre-tightening force; aging; micro-morphology; dielectric loss

0 引 言

油浸式变压器油纸绝缘老化是影响变压器性能和寿命的重要因素，它包括绝缘纸、纸板和绝缘油3个方面的老化，其中前二者的老化是一个漫长的物理和化学过程。在变压器常态运行条件下，持续电场对绝缘纸和纸板老化过程的影响均匀并且很漫长[1]。因此，如果欲了解二者的老化过程，最经济的办法就是“高温加速”，这也是目前国内外开展研究的基本思路。目前，研究二者的老化主要从2个方面展开：其一，分析老化过程中绝缘油里水分、酸值、糠醛和气相色谱等参量的变化情况，来反映绝缘纸和纸板的老化状况;其二，直接测量绝缘纸和纸板的聚合度、拉伸强度和频域介电谱等参数，得到绝缘纸和纸板的老化情况[2-4]。变压器绕组预紧力是出厂设定的，针對预紧力影响的研究大都集中在预紧力与变压器绕组固有频率的关系上，预紧力作用下油纸绝缘老化特征的研究仍然不够深入，难以对工程界起到积极作用。

近年来，随着晶体学理论的发展和晶体检测手段不断丰富，在微观结构上研究绝缘材料的老化过程，分析其老化机理并监测老化状态，对提高绝缘材料运行寿命意义重大[1]。文献[2]根据变压器绕组的轴向振动弹簧质量系统数学模型，建立了绝缘垫块和夹件组成的模态仿真系统，进行不同预紧力下轴向振动数据和模态分析，建立了数据库，在变压器结构设计时，为固有频率避开轴向电磁力的频率提供依据;文献[3]对“机-热”协同作用下绝缘纸机械性能的劣化机理展开研究，设计了高温振动老化箱，对试验试样的抗拉强度、聚合度和频域介电谱进行了测试，得出“机-热”协同作用影响了试验试样束缚电荷的定向迁移和介质极化，改变了介质的电导特性的结论。文献[4]基于振动的状态监测方法，研究了用绝缘纸包裹单层绕组盘的振动特性，得出绕组振动响应的变化与绝缘纸的老化有关的结论等等。预紧力对变压器影响的研究，主要是围绕预紧力对变压器绕组机械振动频率影响开展的，针对预紧力作用下油纸绝缘老化特征量变化及机理的研究还很鲜见。

鉴于以上原因，本文基于变压器绕组压紧结构，模拟变压器运行工况，高温环境下进行油纸绝缘加速热老化试验;针对不同预紧力、不同老化时间对绝缘纸老化状态的影响展开研究。

1 绝缘纸力学模型

绝缘纸的主要成分纤维素（Cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。几十到几百个相邻的纤维素分子链，通过氢键作用以相互平行的方式连接组成了基元纤维（Protofibrils），基元纤维再以一定方式组成大些的微细纤维（Microfibrils），微细纤维包含约40条纤维素大分子链，也是通过氢键结合，形成多个微细纤维。微细纤维和微细纤维之间及周围存在着半纤维素和木质素，木质素和聚糖之间存在着化学链接。微细纤维大小不均，微细纤维再依次堆砌组成绝缘纸纤维[5]。绝缘纸纤维的微细纤维单元上有上百条纤维素分子链，呈伸展链的结晶态。有些分子链排列规则、整齐，呈清晰的X射线衍射图形的区域，称为结晶区;有些分子链排列杂乱、松弛，但其大致取向与绝缘纸主轴平行，称为非晶区（无定形区）。绝缘纸约70%结晶区和30%非晶区，彼此交织、结合形成了一个两相结构体系。非晶区内纤维素分子的活性比结晶区内纤维素分子的活性要大[5-6]。

假定绝缘纸中纤维素及半纤维素是正交各向异性的，木质素是各向同性的，在宏观上就可以认为绝缘纸是正交各向异性材料。在制造过程中绝缘纸就应对应3个主要方向：机器流水线方向MD（X），纸宽度横向CD（Y）和纸厚度方向ZD（Z），如图1所示[7-8]。

按照绝缘纸的生产工艺，刚度和强度沿MD（X）方向是CD（Y）方向的1～5倍，是ZD（Z）方向的100倍[9-10]。绝缘纸是由微细纤维依次堆砌而成，其力学模型如图2所示。图中：M为纤维沿绝缘纸平行面和生产流水线方向的构象;n为纤维沿垂直绝缘纸平面方向Z堆砌的层数，单位为个，每层又由多个微细纤维组成;F为预紧力，大小由施加在压紧螺杆上的扭矩决定，单位为N。

本试验是单调的加载和压缩，在一定温度下，绝缘纸在Z向发生的形变，可以表示为

式中εz为纤维沿Z方向的形变，分解为粘弹性εve（可逆）和粘塑性εvp（永久性），n层越多εz越大。本试验不考虑试样老化过程中的形变。在不导致绝缘纸崩溃的条件下预紧力F与形变εz的关系为

式中：a为线性常数;b为硬化系数;As为预紧力作用绝缘纸的总面积。通过加载变形测试，可以得到：a=1.05×103 MPa;b=1.75×103 MPa [2，6]。

绝缘纸中存在着空隙和缝隙，其中绝缘纸沿Z方向n层之间存在的空隙和缝隙，随预紧力作用形变引起油纸绝缘老化状态的变化是本文关注研究的重点。绝缘纸板由绝缘纸压制而成，绝缘纸板与绝缘纸具有相同的结构。

2 试验装置及过程

2.1 试验装置及材料选定

预紧力作用变压器绕组为轴向施力，设计的饼间绝缘垫块径向单元试验模型如图3所示。实验材料规格尺寸及标准如表1所示。

老化试验箱为自然通风热老化试验箱，符合JB/T4278.6—2001标准，试验装置系统示意如图4所示。

式中：T为扭矩;K为拧紧力矩系数;F为预紧力;d为螺纹直径。

2.2 试验过程

1）将绝缘纸和纸板置于90 ℃/100 Pa 真空干燥箱中连续干燥100 h;将绝缘油放置在90 ℃的真空干燥箱中进行脱气干燥100 h。为防止真空干燥箱中真空泵损坏，每干燥90 min需保持真空状态1 h。将处理后的绝缘纸和纸板，浸入盛有脱气干燥好绝缘油的钢化玻璃槽中，保持100 h后取出，再存放24 h后备用。

2）按试验需求，将15个试验模型平均分成A、B、C 3组。每组a号模型预放置2张纸和2张纸板，b、c、d、e号模型预放置7张纸和7张纸板，共计90个试样。将试样放入模型对齐夹好，用应力扳手对每组每个螺栓依次均匀施加扭矩，到设定预紧力值。本试验参照变压器绕组预紧力实际经验值[2]，给出了3种预紧力，如表2所示。

3）为保证同一试样受热均匀，模型平置于钢化玻璃槽中。注入绝缘油，用锡箔纸密封油槽，温度设定为130 ℃，放入恒温老化试验箱进行加速老化。通过预试验获知，试样经过加速热老化60 d后，聚合度（degree of polymerization， DP）会下降到300以下，接近绝缘纸理论绝缘寿命的终点。因此，本试验分别定于老化15、30、45、60 d 4个时间段提取试样。

4）用正己烷对试样进行脱油处理后，进行性能指标测试。对试样进行扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）、聚合度和介电谱测定，并进行相关曲线和图谱的绘制。

3 试验结果及分析

3.1 试样扫描电镜结果及分析

通过Thermo Scientific的Apreo C扫描电镜仪对绝缘纸和纸板試样进行扫描，其图像结果分别如图5和图6所示。

从图5和图6试样扫描电镜图像中可以看出，随着预紧力增大，纤维分子间沿CD、MD方向的空间结构未改变，只是影像空洞减少并变得模糊，说明纤维的规整性更好更密实，证明预紧力作用试样Z向纤维空隙和缝隙变小。随着试样老化的持续，纤维分子的长度会有变短和宽度变窄的现象，说明绝缘纸开始老化。同时也发现，同样的老化时间、不同预紧力作用试样老化程度不一样，随着预紧力的增大试样纤维变窄的趋势减小，试样纤维的价键结构改变放缓[11-12]，非晶区变大趋势变慢等现象。

3.2 试样聚合度结果及分析

绝缘纸聚合度DP可以直观地反映绝缘纸老化的程度。A M Emsley1在绝缘纸老化过程的研究中发现，绝缘纸DP的下降规律满足零阶动力学模型[13]，方程表达式为

式中：t为老化时间;DPt为老化t时刻绝缘纸的聚合度;DP0为绝缘纸的初始聚合度;k为绝缘纸老化的平均降解速率，k越大聚合度下降速率越大。

通过试验得知，随着绝缘纸老化主要影响因子水分和小分子酸量增加，老化速率k将增加[1]。通过传统的乌氏粘度计测得绝缘纸和纸板试样DP变化情况曲线分别如图7和图8所示。

从图7和图8绝缘试样DP变化曲线的总趋势上看，同样的温度和环境，无外加电场，随着老化时间的持续，试样DP曲线下降的趋势和速率基本一致，说明与试样的结构尺寸和所处的位置无关。试样老化从内部非晶区开始，并是全方位的[8]。但是有2个现象值得注意：一是老化初期，试样DP随预紧力增大都有增加的趋势;二是同一老化时间段，试样DP降低的幅度随预紧力增大变慢。

针对第一个现象，试样在预紧力的用下，沿试样Z向的空隙和缝隙减小，分子自由体积减少，非晶区内Van der Waals作用增强，分子链的空间能和作用力增大，分子链之间的缠结更加紧密，使试样的黏性增加。因此，出现了随着预紧力增大，试样DP增大的现象，试样的DP值并没有真实增长。对于第二个现象，从前面的分析得知，预紧力使进入试样中的油量减少，油中的水分和小分子酸进入试样内部的量会减少，老化作用的程度就会变弱。虽然预紧力作用下的模具压板抑制了试样老化产生的水分和小分子酸的擴散，但是绝缘纸的亲水性比油大，总体效应上还是抑制了水分和小分子酸对试样老化作用的程度，导致试样老化速率k变小，DP相对增加的结果。因此，在不引起试样破坏性形变的前提下，同一老化时间段，预紧力增大试样DP持续下降的幅度会变慢。从试样老化DP的趋势上看，预紧力作用影响到试样各项性能指标的表现，相对延长了绝缘纸和纸板老化寿命。

3.3 试样频域介电谱结果及分析

绝缘纸老化程度不同，其介电响应就不同。频域介电谱（frequency domain spectrum，FDS）是指复介电常数随电磁场频率变化而变化的现象，包括实部相对介电常数频谱ε′（ω）和虚部介质损耗因数ε″（ω）频谱，能给出有关油纸绝缘老化的极化机制和晶格振动等信息[9]。ε′（ω）为全电流的容性电流密度，用来表征电介质试样的介电常数，ε″（ω）为全电流阻性电流密度，用来表征电介质试样的介质损耗;σ0/ε0ω为试样中自由电荷移动产生的损耗;χ′（ω）和 χ″（ω）为复极化率的实部和虚部，χ″（ω）为束缚电荷的转向极化造成的损耗 [14]。频域介质损耗为

式中ε∞表示高频介电常数。在不同频率范围内，电介质试样的老化程度、杂质、水分和小分子酸以及温度都会对电介质损耗产生影响。试样的FDS数据通过IDAX-300绝缘诊断分析仪获得。FDS的检测环境温度为30 ℃，湿度为30%，气压为100 kPa。对不同老化时间、不同预紧力作用下试样的介电损耗因数曲线分别如图9和图10所示。

从图9和图10试样介电损耗因数曲线可以看出，老化时间、预紧力、温度和结构等都会影响试样介质损耗因数tanδ（ω）。纸试样tanδ（ω）大于板试样tanδ（ω），说明纸板试样的绝缘能力强于纸试样，试样结构尺寸大、绝缘性能好[4-5]。但在变压器绕组绝缘实际制造中，绝缘结构尺寸不能过大，一是会增加变压器体积，二是在短路电动力作用下易造成变压器绝缘变形失稳。从试样介电损耗因数曲线上还可以看出，不同预紧力作用下，同一老化时间取样，随着预紧力的增大，试样tanδ（ω）相对变小。这是因为预紧力作用使试样内部的空隙和缝隙减少，绝缘油被挤出，单位体积内相对介电常数较高的纤维占比增加，综合因素导致相对介电常数谱ε′（ω）增加，使试样的绝缘能力增强，进而造成试样tanδ（ω）减小。同时，随着老化的持续，试样的tanδ（ω）最小值还会向高频区移动。对比绝缘纸和纸板试样的介电损耗因数曲线，同一老化时间段，同温同频下，存在着纸试样tanδ（ω）变化幅度大于板试样tanδ（ω）变化幅度的现象。说明预紧力作用在不同厚度的油纸绝缘上，油纸绝缘老化的tanδ（ω）不同。因此会导致油纸绝缘预紧力作用部分与非作用部分之间电气性能的不同，那么于绝缘纸和纸板非晶区较大薄弱处，在短路电动力的作用下就可能出现绝缘失稳或损坏，进而造成变压器故障。

从试样tanδ（ω）数据分布上看，预紧力作用下，同一老化时间段，纸试样的tanδ（ω）变化产生相对较大偏差的现象大都集中在老化中前期，纸板试样的tanδ（ω）产生相对较大偏差的现象大都集中在老化中期。同时，对110 kV以上变压器20年限内绝缘事故统计发现，71.1%集中在运行1～10年内发生[15]，与实验结果有拟合现象。因此，变压器油纸绝缘老化的速率不同可能是导致其寿命周期内机械及电气故障原因之一。同时发现，随着老化严重，纸、纸板试样的tanδ（ω）最小值向高频区移动的变化规律，预紧力的作用会使移动产生差异，并随预紧力的增大变慢。

3.4 预紧力对油纸绝缘作用状况及分析

油纸绝缘是复合绝缘，油纸绝缘老化的研究既要对纸和油进行单独研究，更要对油纸混合综合性能进行研究。在变压器运行条件下，绝缘纸非晶区会松弛，在综合因素的作用下，将发生绝缘纸老化，老化主要是纤维高分子链断裂所至。绝缘纸纤维高分子间以及分子内存在着大量氢键和Van der Waals（范德华）力的作用，使绝缘纸具有较好的稳定性，保持良好的机械性能。在绝缘纸老化过程中，非晶区内氢键数量会减少，晶区内氢键总数目变化并不明显。老化主要发生在绝缘纸的非晶区内，从非晶区的薄弱处开始，温度等因素对非晶区的影响要大于晶区[16]。研究发现绝缘纸非晶区的存在能有效地承载和传递力的作用，当有较大非晶区存在或出现时，力会在非晶区周围产生被放大的效应，就可能在薄弱处出现绝缘纸失稳甚至断裂的现象，表现在变压器的运行中就可能出现故障。

绝缘纸浸油后，油分子会浸入绝缘纸空隙和缝隙内，与晶区表面吸附，与非晶区纤维分子交叉或镶嵌在一起，即使油分子部分跨越了晶体界面，也不会进入纤维晶体内部。油分子与纤维分子之间有Van der Waals力作用，对绝缘纸的性能不产生影响。研究得知水分和小分子酸是绝缘纸老化的主要影响因子，影响着绝缘纸的机械和电气性能，作用程度决定着变压器运行使用寿命。水分比油分子小很多，容易进入绝缘纸更小的空隙和缝隙内，水分与纤维之间除了有Van der Waals力作用之外，还会有新的氢键产生。水的极性作用使纤维表现出亲水性，作用平衡后纤维中水分浓度会达到油中水分浓度的2.5倍左右[16]。老化产生的小分子酸与水分作用相似，随着绝缘纸老化的持续，小分子酸会向绝缘纸纤维聚集，促进绝缘纸的老化。

预紧力作用使绝缘纸产生形变，使绝缘纸沿Z向的空隙和缝隙及自由体积变小，浸在绝缘纸中的部分绝缘油被挤压溢出，绝缘纸中的水分和小分子酸相对数量会减少。微观上表现为试样非晶区内的水分和小分子酸现对数量减少，活动作用受限，对试样作用的效果变差，老化程度放缓。宏观上表现为试样在预紧力作用下的机械和电气性能变化幅度与没有预紧力作用的变化幅度会产生不同。

从水分和小分子酸的来源上看，其中一部分水分和小分子酸是油分解产生的。绝缘纸内部油分子减少，产生的水分和小分子酸就相对会少，那么作用绝缘纸老化的因子就会相对减少。此外，由于绝缘纸纤维被压紧，与油接触得不充分，油中的水分和小分子酸与绝缘纸内部的水分和小分子酸的流动交换相对变弱，绝缘纸本身产生的水分和小分子酸的流动性也会减弱，在绝缘纸晶体表面形成的“小桥”也会减少变弱，非晶区被破坏的程度也会变弱等等[16-17]。

综合各种因素的影响，预紧力作用下的油纸绝缘老化进程会相对变缓，并随着预紧力的增加变缓程度不同，油纸绝缘机械性能和电气性能的改变也相对变缓。

4 结 论

依据晶体学和自由体积基本理论，建立了绝缘纸力学模型，确立了预紧力与绝缘纸形变的关系，为理论分析和仿真奠定了一些基础。探讨了预紧力作用油纸绝缘老化机理，分析了水分和小分子酸对油纸绝缘老化的作用状态，综合试验结果主要结论如下：

1）从试样的扫描电镜结果分析可知，同一老化时间，随着预紧力增加，纤维素非晶区加大的趋势变慢，纤维素在结构上有断裂的现象减弱。

2）从试样聚合度检测结果分析可知，预紧力抑制了试样老化的主要因子水分和小分子酸的作用，导致试样老化速率k变小，同一老化时间段，预紧力增大，试样DP持续下降的幅度会变慢。

3）从试样频域介电谱检测结果分析可知，绝缘纸和纸板试样的tanδ（ω）不同，纸试样的tanδ（ω）大于板试样tanδ（ω），纸板试样的绝缘能力强于纸试样。预紧力作用增大，纸、板试样的tanδ（ω）最小值会减小，并随老化的持续向高频区移动。

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（编辑：邱赫男）

收稿日期： 2018-06-30

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51407051）

作者简介：刘 骥（1972—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘技术;

王凡予（1994—），女，硕士研究生，研究方向为高压电器绝缘诊断技术。

通信作者：刘 骥