劉驥　王凡予

摘 要：為了研究預(yù)緊力對(duì)變壓器油紙絕緣熱老化的影響，采用模擬變壓器繞組壓緊工作狀態(tài)的方法，建立餅間絕緣墊塊徑向單元試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，搭建試?yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)緊力對(duì)油紙絕緣熱老化影響的試驗(yàn)研究。并給出在130 ℃試驗(yàn)溫度，不同預(yù)緊力作用下，每隔15 d提取試驗(yàn)試樣的測(cè)試結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)緊力的增加，試樣掃描電鏡纖維結(jié)構(gòu)有變窄趨勢(shì)、聚合度數(shù)值降低幅度有減弱趨勢(shì)、頻域介電譜坐標(biāo)曲線有平移趨勢(shì)。依據(jù)晶體學(xué)和自由體積基本理論，構(gòu)建絕緣紙力學(xué)模型，研究油紙絕緣熱老化機(jī)理，分析水分和小分子酸對(duì)油紙絕緣熱老化的作用，發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力作用使變壓器油紙絕緣熱老化相對(duì)減弱。

關(guān)鍵詞：變壓器;油紙絕緣;預(yù)緊力;老化;微觀形貌;介質(zhì)損耗

DOI：10.15938/j.emc.2020.06.015

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 85文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

油浸式變壓器油紙絕緣老化是影響變壓器性能和壽命的重要因素，它包括絕緣紙、紙板和絕緣油3個(gè)方面的老化，其中前二者的老化是一個(gè)漫長(zhǎng)的物理和化學(xué)過(guò)程。在變壓器常態(tài)運(yùn)行條件下，持續(xù)電場(chǎng)對(duì)絕緣紙和紙板老化過(guò)程的影響均勻并且很漫長(zhǎng)[1]。因此，如果欲了解二者的老化過(guò)程，最經(jīng)濟(jì)的辦法就是“高溫加速”，這也是目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展研究的基本思路。目前，研究二者的老化主要從2個(gè)方面展開(kāi)：其一，分析老化過(guò)程中絕緣油里水分、酸值、糠醛和氣相色譜等參量的變化情況，來(lái)反映絕緣紙和紙板的老化狀況;其二，直接測(cè)量絕緣紙和紙板的聚合度、拉伸強(qiáng)度和頻域介電譜等參數(shù)，得到絕緣紙和紙板的老化情況[2-4]。變壓器繞組預(yù)緊力是出廠設(shè)定的，針對(duì)預(yù)緊力影響的研究大都集中在預(yù)緊力與變壓器繞組固有頻率的關(guān)系上，預(yù)緊力作用下油紙絕緣老化特征的研究仍然不夠深入，難以對(duì)工程界起到積極作用。

近年來(lái)，隨著晶體學(xué)理論的發(fā)展和晶體檢測(cè)手段不斷豐富，在微觀結(jié)構(gòu)上研究絕緣材料的老化過(guò)程，分析其老化機(jī)理并監(jiān)測(cè)老化狀態(tài)，對(duì)提高絕緣材料運(yùn)行壽命意義重大[1]。文獻(xiàn)[2]根據(jù)變壓器繞組的軸向振動(dòng)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，建立了絕緣墊塊和夾件組成的模態(tài)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行不同預(yù)緊力下軸向振動(dòng)數(shù)據(jù)和模態(tài)分析，建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，在變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為固有頻率避開(kāi)軸向電磁力的頻率提供依據(jù);文獻(xiàn)[3]對(duì)“機(jī)-熱”協(xié)同作用下絕緣紙機(jī)械性能的劣化機(jī)理展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了高溫振動(dòng)老化箱，對(duì)試驗(yàn)試樣的抗拉強(qiáng)度、聚合度和頻域介電譜進(jìn)行了測(cè)試，得出“機(jī)-熱”協(xié)同作用影響了試驗(yàn)試樣束縛電荷的定向遷移和介質(zhì)極化，改變了介質(zhì)的電導(dǎo)特性的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]基于振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，研究了用絕緣紙包裹單層繞組盤(pán)的振動(dòng)特性，得出繞組振動(dòng)響應(yīng)的變化與絕緣紙的老化有關(guān)的結(jié)論等等。預(yù)緊力對(duì)變壓器影響的研究，主要是圍繞預(yù)緊力對(duì)變壓器繞組機(jī)械振動(dòng)頻率影響開(kāi)展的，針對(duì)預(yù)緊力作用下油紙絕緣老化特征量變化及機(jī)理的研究還很鮮見(jiàn)。

鑒于以上原因，本文基于變壓器繞組壓緊結(jié)構(gòu)，模擬變壓器運(yùn)行工況，高溫環(huán)境下進(jìn)行油紙絕緣加速熱老化試驗(yàn);針對(duì)不同預(yù)緊力、不同老化時(shí)間對(duì)絕緣紙老化狀態(tài)的影響展開(kāi)研究。

1 絕緣紙力學(xué)模型

絕緣紙的主要成分纖維素（Cellulose）是由葡萄糖組成的大分子多糖。幾十到幾百個(gè)相鄰的纖維素分子鏈，通過(guò)氫鍵作用以相互平行的方式連接組成了基元纖維（Protofibrils），基元纖維再以一定方式組成大些的微細(xì)纖維（Microfibrils），微細(xì)纖維包含約40條纖維素大分子鏈，也是通過(guò)氫鍵結(jié)合，形成多個(gè)微細(xì)纖維。微細(xì)纖維和微細(xì)纖維之間及周?chē)嬖谥肜w維素和木質(zhì)素，木質(zhì)素和聚糖之間存在著化學(xué)鏈接。微細(xì)纖維大小不均，微細(xì)纖維再依次堆砌組成絕緣紙纖維[5]。絕緣紙纖維的微細(xì)纖維單元上有上百條纖維素分子鏈，呈伸展鏈的結(jié)晶態(tài)。有些分子鏈排列規(guī)則、整齊，呈清晰的X射線衍射圖形的區(qū)域，稱為結(jié)晶區(qū);有些分子鏈排列雜亂、松弛，但其大致取向與絕緣紙主軸平行，稱為非晶區(qū)（無(wú)定形區(qū)）。絕緣紙約70%結(jié)晶區(qū)和30%非晶區(qū)，彼此交織、結(jié)合形成了一個(gè)兩相結(jié)構(gòu)體系。非晶區(qū)內(nèi)纖維素分子的活性比結(jié)晶區(qū)內(nèi)纖維素分子的活性要大[5-6]。

假定絕緣紙中纖維素及半纖維素是正交各向異性的，木質(zhì)素是各向同性的，在宏觀上就可以認(rèn)為絕緣紙是正交各向異性材料。在制造過(guò)程中絕緣紙就應(yīng)對(duì)應(yīng)3個(gè)主要方向：機(jī)器流水線方向MD（X），紙寬度橫向CD（Y）和紙厚度方向ZD（Z），如圖1所示[7-8]。

按照絕緣紙的生產(chǎn)工藝，剛度和強(qiáng)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]。絕緣紙是由微細(xì)纖維依次堆砌而成，其力學(xué)模型如圖2所示。圖中：M為纖維沿絕緣紙平行面和生產(chǎn)流水線方向的構(gòu)象;n為纖維沿垂直絕緣紙平面方向Z堆砌的層數(shù)，單位為個(gè)，每層又由多個(gè)微細(xì)纖維組成;F為預(yù)緊力，大小由施加在壓緊螺桿上的扭矩決定，單位為N。

本試驗(yàn)是單調(diào)的加載和壓縮，在一定溫度下，絕緣紙?jiān)赯向發(fā)生的形變，可以表示為

式中εz為纖維沿Z方向的形變，分解為粘彈性εve（可逆）和粘塑性εvp（永久性），n層越多εz越大。本試驗(yàn)不考慮試樣老化過(guò)程中的形變。在不導(dǎo)致絕緣紙崩潰的條件下預(yù)緊力F與形變?chǔ)舲的關(guān)系為

式中：a為線性常數(shù);b為硬化系數(shù);As為預(yù)緊力作用絕緣紙的總面積。通過(guò)加載變形測(cè)試，可以得到：a=1.05×103 MPa;b=1.75×103 MPa [2，6]。

絕緣紙中存在著空隙和縫隙，其中絕緣紙沿Z方向n層之間存在的空隙和縫隙，隨預(yù)緊力作用形變引起油紙絕緣老化狀態(tài)的變化是本文關(guān)注研究的重點(diǎn)。絕緣紙板由絕緣紙壓制而成，絕緣紙板與絕緣紙具有相同的結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)裝置及過(guò)程

2.1 試驗(yàn)裝置及材料選定

預(yù)緊力作用變壓器繞組為軸向施力，設(shè)計(jì)的餅間絕緣墊塊徑向單元試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。實(shí)驗(yàn)材料規(guī)格尺寸及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

老化試驗(yàn)箱為自然通風(fēng)熱老化試驗(yàn)箱，符合JB/T4278.6—2001標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意如圖4所示。

式中：T為扭矩;K為擰緊力矩系數(shù);F為預(yù)緊力;d為螺紋直徑。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

1）將絕緣紙和紙板置于90 ℃/100 Pa 真空干燥箱中連續(xù)干燥100 h;將絕緣油放置在90 ℃的真空干燥箱中進(jìn)行脫氣干燥100 h。為防止真空干燥箱中真空泵損壞，每干燥90 min需保持真空狀態(tài)1 h。將處理后的絕緣紙和紙板，浸入盛有脫氣干燥好絕緣油的鋼化玻璃槽中，保持100 h后取出，再存放24 h后備用。

2）按試驗(yàn)需求，將15個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ推骄殖葾、B、C 3組。每組a號(hào)模型預(yù)放置2張紙和2張紙板，b、c、d、e號(hào)模型預(yù)放置7張紙和7張紙板，共計(jì)90個(gè)試樣。將試樣放入模型對(duì)齊夾好，用應(yīng)力扳手對(duì)每組每個(gè)螺栓依次均勻施加扭矩，到設(shè)定預(yù)緊力值。本試驗(yàn)參照變壓器繞組預(yù)緊力實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值[2]，給出了3種預(yù)緊力，如表2所示。

3）為保證同一試樣受熱均勻，模型平置于鋼化玻璃槽中。注入絕緣油，用錫箔紙密封油槽，溫度設(shè)定為130 ℃，放入恒溫老化試驗(yàn)箱進(jìn)行加速老化。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)獲知，試樣經(jīng)過(guò)加速熱老化60 d后，聚合度（degree of polymerization， DP）會(huì)下降到300以下，接近絕緣紙理論絕緣壽命的終點(diǎn)。因此，本試驗(yàn)分別定于老化15、30、45、60 d 4個(gè)時(shí)間段提取試樣。

4）用正己烷對(duì)試樣進(jìn)行脫油處理后，進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試。對(duì)試樣進(jìn)行掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）、聚合度和介電譜測(cè)定，并進(jìn)行相關(guān)曲線和圖譜的繪制。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試樣掃描電鏡結(jié)果及分析

通過(guò)Thermo Scientific的Apreo C掃描電鏡儀對(duì)絕緣紙和紙板試樣進(jìn)行掃描，其圖像結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6試樣掃描電鏡圖像中可以看出，隨著預(yù)緊力增大，纖維分子間沿CD、MD方向的空間結(jié)構(gòu)未改變，只是影像空洞減少并變得模糊，說(shuō)明纖維的規(guī)整性更好更密實(shí)，證明預(yù)緊力作用試樣Z向纖維空隙和縫隙變小。隨著試樣老化的持續(xù)，纖維分子的長(zhǎng)度會(huì)有變短和寬度變窄的現(xiàn)象，說(shuō)明絕緣紙開(kāi)始老化。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，同樣的老化時(shí)間、不同預(yù)緊力作用試樣老化程度不一樣，隨著預(yù)緊力的增大試樣纖維變窄的趨勢(shì)減小，試樣纖維的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)改變放緩[11-12]，非晶區(qū)變大趨勢(shì)變慢等現(xiàn)象。

3.2 試樣聚合度結(jié)果及分析

絕緣紙聚合度DP可以直觀地反映絕緣紙老化的程度。A M Emsley1在絕緣紙老化過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)，絕緣紙DP的下降規(guī)律滿足零階動(dòng)力學(xué)模型[13]，方程表達(dá)式為

式中：t為老化時(shí)間;DPt為老化t時(shí)刻絕緣紙的聚合度;DP0為絕緣紙的初始聚合度;k為絕緣紙老化的平均降解速率，k越大聚合度下降速率越大。

通過(guò)試驗(yàn)得知，隨著絕緣紙老化主要影響因子水分和小分子酸量增加，老化速率k將增加[1]。通過(guò)傳統(tǒng)的烏氏粘度計(jì)測(cè)得絕緣紙和紙板試樣DP變化情況曲線分別如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8絕緣試樣DP變化曲線的總趨勢(shì)上看，同樣的溫度和環(huán)境，無(wú)外加電場(chǎng)，隨著老化時(shí)間的持續(xù)，試樣DP曲線下降的趨勢(shì)和速率基本一致，說(shuō)明與試樣的結(jié)構(gòu)尺寸和所處的位置無(wú)關(guān)。試樣老化從內(nèi)部非晶區(qū)開(kāi)始，并是全方位的[8]。但是有2個(gè)現(xiàn)象值得注意：一是老化初期，試樣DP隨預(yù)緊力增大都有增加的趨勢(shì);二是同一老化時(shí)間段，試樣DP降低的幅度隨預(yù)緊力增大變慢。

針對(duì)第一個(gè)現(xiàn)象，試樣在預(yù)緊力的用下，沿試樣Z向的空隙和縫隙減小，分子自由體積減少，非晶區(qū)內(nèi)Van der Waals作用增強(qiáng)，分子鏈的空間能和作用力增大，分子鏈之間的纏結(jié)更加緊密，使試樣的黏性增加。因此，出現(xiàn)了隨著預(yù)緊力增大，試樣DP增大的現(xiàn)象，試樣的DP值并沒(méi)有真實(shí)增長(zhǎng)。對(duì)于第二個(gè)現(xiàn)象，從前面的分析得知，預(yù)緊力使進(jìn)入試樣中的油量減少，油中的水分和小分子酸進(jìn)入試樣內(nèi)部的量會(huì)減少，老化作用的程度就會(huì)變?nèi)?。雖然預(yù)緊力作用下的模具壓板抑制了試樣老化產(chǎn)生的水分和小分子酸的擴(kuò)散，但是絕緣紙的親水性比油大，總體效應(yīng)上還是抑制了水分和小分子酸對(duì)試樣老化作用的程度，導(dǎo)致試樣老化速率k變小，DP相對(duì)增加的結(jié)果。因此，在不引起試樣破壞性形變的前提下，同一老化時(shí)間段，預(yù)緊力增大試樣DP持續(xù)下降的幅度會(huì)變慢。從試樣老化DP的趨勢(shì)上看，預(yù)緊力作用影響到試樣各項(xiàng)性能指標(biāo)的表現(xiàn)，相對(duì)延長(zhǎng)了絕緣紙和紙板老化壽命。

3.3 試樣頻域介電譜結(jié)果及分析

絕緣紙老化程度不同，其介電響應(yīng)就不同。頻域介電譜（frequency domain spectrum，F(xiàn)DS）是指復(fù)介電常數(shù)隨電磁場(chǎng)頻率變化而變化的現(xiàn)象，包括實(shí)部相對(duì)介電常數(shù)頻譜ε′（ω）和虛部介質(zhì)損耗因數(shù)ε″（ω）頻譜，能給出有關(guān)油紙絕緣老化的極化機(jī)制和晶格振動(dòng)等信息[9]。ε′（ω）為全電流的容性電流密度，用來(lái)表征電介質(zhì)試樣的介電常數(shù)，ε″（ω）為全電流阻性電流密度，用來(lái)表征電介質(zhì)試樣的介質(zhì)損耗;σ0/ε0ω為試樣中自由電荷移動(dòng)產(chǎn)生的損耗;χ′（ω）和 χ″（ω）為復(fù)極化率的實(shí)部和虛部，χ″（ω）為束縛電荷的轉(zhuǎn)向極化造成的損耗 [14]。頻域介質(zhì)損耗為

式中ε∞表示高頻介電常數(shù)。在不同頻率范圍內(nèi)，電介質(zhì)試樣的老化程度、雜質(zhì)、水分和小分子酸以及溫度都會(huì)對(duì)電介質(zhì)損耗產(chǎn)生影響。試樣的FDS數(shù)據(jù)通過(guò)IDAX-300絕緣診斷分析儀獲得。FDS的檢測(cè)環(huán)境溫度為30 ℃，濕度為30%，氣壓為100 kPa。對(duì)不同老化時(shí)間、不同預(yù)緊力作用下試樣的介電損耗因數(shù)曲線分別如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10試樣介電損耗因數(shù)曲線可以看出，老化時(shí)間、預(yù)緊力、溫度和結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響試樣介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ（ω）。紙?jiān)嚇觮anδ（ω）大于板試樣tanδ（ω），說(shuō)明紙板試樣的絕緣能力強(qiáng)于紙?jiān)嚇?，試樣結(jié)構(gòu)尺寸大、絕緣性能好[4-5]。但在變壓器繞組絕緣實(shí)際制造中，絕緣結(jié)構(gòu)尺寸不能過(guò)大，一是會(huì)增加變壓器體積，二是在短路電動(dòng)力作用下易造成變壓器絕緣變形失穩(wěn)。從試樣介電損耗因數(shù)曲線上還可以看出，不同預(yù)緊力作用下，同一老化時(shí)間取樣，隨著預(yù)緊力的增大，試樣tanδ（ω）相對(duì)變小。這是因?yàn)轭A(yù)緊力作用使試樣內(nèi)部的空隙和縫隙減少，絕緣油被擠出，單位體積內(nèi)相對(duì)介電常數(shù)較高的纖維占比增加，綜合因素導(dǎo)致相對(duì)介電常數(shù)譜ε′（ω）增加，使試樣的絕緣能力增強(qiáng)，進(jìn)而造成試樣tanδ（ω）減小。同時(shí)，隨著老化的持續(xù)，試樣的tanδ（ω）最小值還會(huì)向高頻區(qū)移動(dòng)。對(duì)比絕緣紙和紙板試樣的介電損耗因數(shù)曲線，同一老化時(shí)間段，同溫同頻下，存在著紙?jiān)嚇觮anδ（ω）變化幅度大于板試樣tanδ（ω）變化幅度的現(xiàn)象。說(shuō)明預(yù)緊力作用在不同厚度的油紙絕緣上，油紙絕緣老化的tanδ（ω）不同。因此會(huì)導(dǎo)致油紙絕緣預(yù)緊力作用部分與非作用部分之間電氣性能的不同，那么于絕緣紙和紙板非晶區(qū)較大薄弱處，在短路電動(dòng)力的作用下就可能出現(xiàn)絕緣失穩(wěn)或損壞，進(jìn)而造成變壓器故障。

從試樣tanδ（ω）數(shù)據(jù)分布上看，預(yù)緊力作用下，同一老化時(shí)間段，紙?jiān)嚇拥膖anδ（ω）變化產(chǎn)生相對(duì)較大偏差的現(xiàn)象大都集中在老化中前期，紙板試樣的tanδ（ω）產(chǎn)生相對(duì)較大偏差的現(xiàn)象大都集中在老化中期。同時(shí)，對(duì)110 kV以上變壓器20年限內(nèi)絕緣事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，71.1%集中在運(yùn)行1～10年內(nèi)發(fā)生[15]，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有擬合現(xiàn)象。因此，變壓器油紙絕緣老化的速率不同可能是導(dǎo)致其壽命周期內(nèi)機(jī)械及電氣故障原因之一。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著老化嚴(yán)重，紙、紙板試樣的tanδ（ω）最小值向高頻區(qū)移動(dòng)的變化規(guī)律，預(yù)緊力的作用會(huì)使移動(dòng)產(chǎn)生差異，并隨預(yù)緊力的增大變慢。

3.4 預(yù)緊力對(duì)油紙絕緣作用狀況及分析

油紙絕緣是復(fù)合絕緣，油紙絕緣老化的研究既要對(duì)紙和油進(jìn)行單獨(dú)研究，更要對(duì)油紙混合綜合性能進(jìn)行研究。在變壓器運(yùn)行條件下，絕緣紙非晶區(qū)會(huì)松弛，在綜合因素的作用下，將發(fā)生絕緣紙老化，老化主要是纖維高分子鏈斷裂所至。絕緣紙纖維高分子間以及分子內(nèi)存在著大量氫鍵和Van der Waals（范德華）力的作用，使絕緣紙具有較好的穩(wěn)定性，保持良好的機(jī)械性能。在絕緣紙老化過(guò)程中，非晶區(qū)內(nèi)氫鍵數(shù)量會(huì)減少，晶區(qū)內(nèi)氫鍵總數(shù)目變化并不明顯。老化主要發(fā)生在絕緣紙的非晶區(qū)內(nèi)，從非晶區(qū)的薄弱處開(kāi)始，溫度等因素對(duì)非晶區(qū)的影響要大于晶區(qū)[16]。研究發(fā)現(xiàn)絕緣紙非晶區(qū)的存在能有效地承載和傳遞力的作用，當(dāng)有較大非晶區(qū)存在或出現(xiàn)時(shí)，力會(huì)在非晶區(qū)周?chē)a(chǎn)生被放大的效應(yīng)，就可能在薄弱處出現(xiàn)絕緣紙失穩(wěn)甚至斷裂的現(xiàn)象，表現(xiàn)在變壓器的運(yùn)行中就可能出現(xiàn)故障。

絕緣紙浸油后，油分子會(huì)浸入絕緣紙空隙和縫隙內(nèi)，與晶區(qū)表面吸附，與非晶區(qū)纖維分子交叉或鑲嵌在一起，即使油分子部分跨越了晶體界面，也不會(huì)進(jìn)入纖維晶體內(nèi)部。油分子與纖維分子之間有Van der Waals力作用，對(duì)絕緣紙的性能不產(chǎn)生影響。研究得知水分和小分子酸是絕緣紙老化的主要影響因子，影響著絕緣紙的機(jī)械和電氣性能，作用程度決定著變壓器運(yùn)行使用壽命。水分比油分子小很多，容易進(jìn)入絕緣紙更小的空隙和縫隙內(nèi)，水分與纖維之間除了有Van der Waals力作用之外，還會(huì)有新的氫鍵產(chǎn)生。水的極性作用使纖維表現(xiàn)出親水性，作用平衡后纖維中水分濃度會(huì)達(dá)到油中水分濃度的2.5倍左右[16]。老化產(chǎn)生的小分子酸與水分作用相似，隨著絕緣紙老化的持續(xù)，小分子酸會(huì)向絕緣紙纖維聚集，促進(jìn)絕緣紙的老化。

預(yù)緊力作用使絕緣紙產(chǎn)生形變，使絕緣紙沿Z向的空隙和縫隙及自由體積變小，浸在絕緣紙中的部分絕緣油被擠壓溢出，絕緣紙中的水分和小分子酸相對(duì)數(shù)量會(huì)減少。微觀上表現(xiàn)為試樣非晶區(qū)內(nèi)的水分和小分子酸現(xiàn)對(duì)數(shù)量減少，活動(dòng)作用受限，對(duì)試樣作用的效果變差，老化程度放緩。宏觀上表現(xiàn)為試樣在預(yù)緊力作用下的機(jī)械和電氣性能變化幅度與沒(méi)有預(yù)緊力作用的變化幅度會(huì)產(chǎn)生不同。

從水分和小分子酸的來(lái)源上看，其中一部分水分和小分子酸是油分解產(chǎn)生的。絕緣紙內(nèi)部油分子減少，產(chǎn)生的水分和小分子酸就相對(duì)會(huì)少，那么作用絕緣紙老化的因子就會(huì)相對(duì)減少。此外，由于絕緣紙纖維被壓緊，與油接觸得不充分，油中的水分和小分子酸與絕緣紙內(nèi)部的水分和小分子酸的流動(dòng)交換相對(duì)變?nèi)?，絕緣紙本身產(chǎn)生的水分和小分子酸的流動(dòng)性也會(huì)減弱，在絕緣紙晶體表面形成的“小橋”也會(huì)減少變?nèi)?，非晶區(qū)被破壞的程度也會(huì)變?nèi)醯鹊萚16-17]。

綜合各種因素的影響，預(yù)緊力作用下的油紙絕緣老化進(jìn)程會(huì)相對(duì)變緩，并隨著預(yù)緊力的增加變緩程度不同，油紙絕緣機(jī)械性能和電氣性能的改變也相對(duì)變緩。

4 結(jié) 論

依據(jù)晶體學(xué)和自由體積基本理論，建立了絕緣紙力學(xué)模型，確立了預(yù)緊力與絕緣紙形變的關(guān)系，為理論分析和仿真奠定了一些基礎(chǔ)。探討了預(yù)緊力作用油紙絕緣老化機(jī)理，分析了水分和小分子酸對(duì)油紙絕緣老化的作用狀態(tài)，綜合試驗(yàn)結(jié)果主要結(jié)論如下：

1）從試樣的掃描電鏡結(jié)果分析可知，同一老化時(shí)間，隨著預(yù)緊力增加，纖維素非晶區(qū)加大的趨勢(shì)變慢，纖維素在結(jié)構(gòu)上有斷裂的現(xiàn)象減弱。

2）從試樣聚合度檢測(cè)結(jié)果分析可知，預(yù)緊力抑制了試樣老化的主要因子水分和小分子酸的作用，導(dǎo)致試樣老化速率k變小，同一老化時(shí)間段，預(yù)緊力增大，試樣DP持續(xù)下降的幅度會(huì)變慢。

3）從試樣頻域介電譜檢測(cè)結(jié)果分析可知，絕緣紙和紙板試樣的tanδ（ω）不同，紙?jiān)嚇拥膖anδ（ω）大于板試樣tanδ（ω），紙板試樣的絕緣能力強(qiáng)于紙?jiān)嚇印ｎA(yù)緊力作用增大，紙、板試樣的tanδ（ω）最小值會(huì)減小，并隨老化的持續(xù)向高頻區(qū)移動(dòng)。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2018-06-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51407051）

作者簡(jiǎn)介：劉 驥（1972—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣技術(shù);

王凡予（1994—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏弘娖鹘^緣診斷技術(shù)。

通信作者：劉 驥