变压器油浸绝缘纸之间的微动磨损机理研究

史晓婉，阎明印，赵 晶

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前 言

近年来，电力系统已经成为实现现代化布局的重要的组成部分，而变压器则是输配电系统最重要组成部分之一。据统计，绕组故障在变压器故障原因中占比很高，且绕组绝缘纸一旦失效，可能造成大面积停电，对社会经济和人民生活都将带来极大的影响。目前因绝缘纸老化和变压器电压击穿导致绝缘失效的问题已得到广泛关注，通常采用添加助剂的方法提高绝缘纸的抗老化性[1-5]。但通过维修发现，绝缘失效并不是只由绝缘纸老化和电压击穿引起，在机械力的作用下，若油浸绝缘纸发生局部破损，同样会导致绝缘失效[6,7]。在特变电工沈阳变压器集团有限公司由绝缘事故引起的变压器返厂维修中发现，绕组绝缘纸由于磨损导致的绝缘失效在变压器中普遍存在，但还未有学者对此现象进行研究。由于变压器在运行时铁芯与绕组都会产生振动，而且振动会伴随变压器工作一直存在，不仅绕组自身的振动会导致绝缘纸磨损，而且铁芯的振动与绕组振动叠加也会使绕组绝缘纸发生磨损。铁芯的振动主要是由变压器在运行时铁芯硅钢片的磁致伸缩现象导致的。绕组的振动则是由于电流通过绕组使得绕组匝间产生电磁力[8,9]。由于绕组和铁芯的振动都是由于电磁感应现象，因此称其为磁激微动现象。基于上述背景，本工作针对磁激微动作用下油浸绝缘纸之间的磨损机理进行研究，研究不同厚度的油浸绝缘纸在微动机械力作用下的破损状态和破损层数，以确定油浸绝缘纸之间的磨损机理。

1 油浸绝缘纸破损试验

1.1 试验材料

本试验将0.03，0.05，0.08，0.13 mm 4种厚度的绝缘纸分别浸泡在45号变压器油中24 h后，将其高温晾干48 h。在实际应用中，根据不同种类变压器的要求，绝缘纸的缠绕层数在13～25层不等，且缠绕方式为机器紧密缠绕。本工作所研究的大型变压器油浸绝缘纸缠绕层数为17层，本试验所用油浸绝缘纸均由手动缠绕完成，由于在试验过程中，上球试样施加的法向载荷使每层油浸绝缘纸之间紧密贴合，即手动缠绕产生的误差忽略不计。为使试验结果更加可靠，本试验选择了相同的外部环境，并且在常温常压下进行。

1.2 试验仪器和参数设置

本试验所有摩擦学测试均在图1所示的摩擦磨损试验机上进行，在测试过程中上球试样(外部包裹油浸绝缘纸)保持静止，而下平面试样(油浸绝缘纸块)以线性往复滑动的方式在球端面上滑动，实现油纸 - 油纸摩擦。同时，2个力传感器分别连续测量并记录了摩擦副的法向载荷和摩擦系数。

由于磁激微动引起的绕组油浸绝缘纸之间的磨损属于微动磨损，因此将试验量程设置为2 mm；且在实际工作中，变压器绕组的线匝沿其轴向依次排列连续绕制，因此，绝缘纸受到的力是来自于法向的机械力。为了明确加载的法向载荷大小对油浸绝缘纸的影响，分别设置在法向载荷20 N和30 N下进行试验。本试验为油浸绝缘纸之间的加速磨损，因此设置试验加载频率为20 Hz。

2 试验结果与讨论

对比油浸绝缘纸表层和内部磨损情况，分析油浸绝缘纸之间的磨损机理，如图2所示。

对比4种厚度油浸绝缘纸摩擦部分，其破损轮廓都呈现不规则粗糙截面，且随着油浸绝缘纸厚度的增加，其破损面积不断减小，虽然设置的加载量程为2 mm，但磨损轮廓长度都大于2 mm。由于在摩擦过程中，油浸薄绝缘纸较油浸厚绝缘纸磨损轮廓更易出现磨屑堆积，如图2a所示，厚度为0.03 mm的油浸绝缘纸破损轮廓存在明显磨屑堆积，因此不断增加的磨屑导致其破损轮廓范围随着摩擦时间的延长而增大。结果表明，油浸绝缘纸的磨损是由外层向内层扩展，最外层纸张破损最严重，内层纸张随层数增加破损面积不断减小，且每层油浸绝缘纸的磨损都是从受力中心点开始向其外围扩展。从上述试验可知，绝缘纸厚度、摩擦次数和法向载荷大小都会对油浸绝缘纸的磨损产生影响。为研究上述因素对油浸绝缘纸之间磨损情况的影响，开展了进一步的研究和讨论。

2.1 绝缘纸厚度对油纸磨损情况的影响

本工作分别对4种厚度的油浸绝缘纸进行了油纸 - 油纸摩擦试验，以明确厚度对油浸绝缘纸磨损情况的影响，本试验所得结果在法向载荷为20 N，摩擦次数580 000次下进行。为保证数据准确性，每组试验进行3次。试验结果如表1所示，0.03 mm油浸绝缘纸破损层数分别为14，14，15层；0.05 mm油浸绝缘纸破损层数分别为2，3，2层；0.08 mm油浸绝缘纸破损层数都为1层；0.13 mm油浸绝缘纸在此参数下均未破损。试验表明，在相同法向载荷和摩擦次数的情况下，油浸绝缘纸厚度越大破损层数越少。

表1 绝缘纸厚度与破损层数的关系

研究摩擦过程中摩擦系数的影响因素和变化规律，是降低摩擦损耗和控制摩擦过程的有效途径。因此，提取了部分摩擦过程中的摩擦系数(Coefficient of Friction,COF)。如图3所示，试验结果显示在油纸 - 油纸摩擦过程中前600 s的摩擦时间内，油浸绝缘纸越厚摩擦系数越大。这是由于在相同的法向载荷下，油浸厚绝缘纸比油浸薄绝缘纸实际接触面积大，故表面间的分子相互作用更强。但如图2所示，0.03 mm油浸绝缘纸磨损轮廓存在明显的磨屑堆积，即油浸绝缘纸越薄磨屑堆积越明显，且在油纸 - 油纸摩擦进程结束后，摩擦副和上球试样表面都存在大量纸屑，加速了油浸绝缘纸的磨损。因此，薄油浸绝缘纸摩擦系数会随着摩擦时间的延长而增加。

2.2 摩擦次数和法向载荷对油纸磨损情况的影响

为研究油纸 - 油纸摩擦过程中，法向载荷与摩擦次数对油浸绝缘纸磨损情况的影响，进行了不同载荷和不同摩擦次数下的试验。试验结果如表2所示，在施加20 N的法向载荷时，当摩擦次数为300 000次时，0.08 mm和0.05 mm油浸绝缘纸的破损层数分别为0和1层；当摩擦次数为580 000次时，0.08 mm和0.05 mm油浸绝缘纸的破损层数分别为1和2层。在施加30 N的法向载荷时，当摩擦次数为300 000次时，0.08 mm和0.05 mm油浸绝缘纸破损层数分别为1和5层；当摩擦次数为580 000次时，0.08 mm和0.05 mm油浸绝缘纸的破损层数分别为2和11层。实验结果证明，摩擦次数和法向载荷越大油浸绝缘纸破损层数越多，对于越薄的油浸绝缘纸，法向载荷的增加对其影响越大。

表2 法向载荷和摩擦次数对破损层数的影响

为了研究载荷大小对油浸绝缘纸摩擦情况的影响，提取了不同载荷下的摩擦系数。如图5a所示当法向载荷分别为20 N和30 N时，0.05 mm油浸绝缘纸的摩擦系数对比不明显，在摩擦前期(前600 s)法向载荷为30 N时的摩擦系数稍大，摩擦后期(后600 s)法向载荷为20 N时的摩擦系数稍大。但如图5b所示，厚度为0.08 mm的油浸绝缘纸，在全部摩擦进程中，施加的法向载荷越大摩擦系数越小。

为了明确产生图5a现象的原因，使用超景深显微镜观察了不同法向载荷的绝缘纸表面形貌，如图6所示为0.05 mm油浸绝缘纸在分别施加20 N和30 N法向载荷后的摩擦形貌。由图6b所示，在30 N法向载荷作用下，油浸绝缘纸表面出现大量白色蜡状物质。由于在摩擦过程中，绝缘纸并未接触到其他物质，因此其表面的蜡状物质是从其内部析出。在制作绝缘纸过程中，绝缘纸原材料包括果胶、酚醛树脂和环氧树脂等绝缘用树脂[10]；并且当施加的法向载荷越大，油浸绝缘纸之间受到的压缩力越大，其内部的树脂和果胶等物质更易析出，导致绝缘纸摩擦系数降低[11-14]；且在变压器油中浸泡24 h后，厚绝缘纸内部纤维会吸收更多变压器油，导致纤维被压紧后析出更多变压器油，也导致油浸绝缘纸摩擦系数降低。

由于本试验摩擦副与上球试样(外部包裹油浸绝缘纸)材料性质相同，分子或原子结构相同的材料互溶性大，两者之间容易发生黏着导致其摩擦系数增大。如图2所示，0.03 mm油浸绝缘纸破损轮廓存在大量磨屑堆积，即材料表面被移去的材料一部分随着上球试样的流动堆积到轮廓两侧，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，游离颗粒的形成在一定程度上增加了摩擦系数，此时磨损机理主要为磨粒磨损。但随着材料厚度不断增加，磨屑堆积现象不断减少，因此，随着材料厚度的增加，磨粒磨损对其磨损作用不断减小；0.13 mm油浸绝缘纸破损轮廓周围呈现白色，且白色部分厚度明显减少，纸张纤维裸露较明显，即被摩擦过的部分以片状磨屑的形式脱落，此现象随着绝缘纸厚度的增加表现越明显，此时磨损机理主要为剥层磨损。因此，油纸 - 油纸摩擦中主要磨损机制为黏着磨损、磨粒磨损和剥层磨损共同作用。

3 结 论

本工作通过试验的方式研究了，在油纸 - 油纸摩擦过程中纸张厚度、法向载荷大小和摩擦次数对油浸绝缘纸磨损情况的影响，分析了油浸绝缘纸之间的磨损机理，主要得出以下结论：

(1)油浸绝缘纸破损轮廓都呈现不规则的粗糙截面。随着纸张厚度减少，其破损面积不断增加，且破损轮廓更加粗糙，轮廓周围磨屑堆积越明显。

(2)在相同的法向载荷和摩擦次数的情况下，随着油浸绝缘纸厚度增加破损层数越少，但摩擦系数随之增大。由于在相同的法向载荷下，油浸厚绝缘纸比油浸薄绝缘纸实际接触面积大，表面间分子相互作用更强，导致其摩擦系数增加。

(3)随着摩擦次数和法向载荷的增加，油浸绝缘纸破损层数越多。对于越薄的油浸绝缘纸，法向载荷的增加对其磨损影响越大；但随着法向载荷的增加，油浸绝缘纸摩擦系数变小。由于法向载荷的增大，使油浸绝缘纸表面的树脂和果胶被析出，且油浸厚绝缘纸比油浸薄绝缘纸析出更多的变压器油，使其摩擦系数不断减小。油浸绝缘纸之间主要磨损机制为黏着磨损、磨粒磨损和剥层磨损共同作用。

在变压器运行过程中绝缘纸的磨损现象较常见，因此本工作对常用的油浸绝缘纸进行了摩擦磨损试验，根据以上结论，可以在绝缘纸中添加更适合剂量的树脂或果胶等物质，以减小绝缘纸的摩擦系数。