绝缘纸板的老化对其爬电性能的影响

王 伟 徐剑峰 汪 鑫 李成榕

（华北电力大学高压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206）

1 引言

电力变压器是电网中的枢纽设备，其运行可靠性直接关系到电网的安全稳定运行。老化是影响变压器运行可靠性的重要因素。110kV及以上大型电力变压器普遍采用油/纸绝缘结构，变压器的老化主要体现在油的老化和纸板的老化两部分。油老化会导致油中水分、酸值含量增加，从而导致其击穿电压下降[1]。纸板老化会导致纸板微观空隙变大，纤维长度变短，聚合度及抗拉程度等机械性能降低[2]。由于不可更换，纸板的机械性能也决定了变压器的寿命，当纸板聚合度低于250时，变压器寿命终结[3]。

统计分析表明，变压器的故障以绝缘故障为主[4-9]，油/纸绝缘交界面处的爬电是变压器最为常见放电形式之一[10-15]。纸板爬电性能的优劣直接关系到变压器的安全稳定运行。当前，老化是否会对绝缘纸板的爬电性能产生影响这一问题缺乏系统深入研究，尚无一致看法。文献[16]利用电极、纸板与油的三交界（triplejunction）模型研究了在不同油、纸板老化条件下的局部放电特性，结果表明纸板的老化对局部放电的起始电压，发展过程没有显著影响。文献[17，18]中的研究则表明，在针-板电极模型下，运行35年变压器中纸板因老化导致的爬电起始电压下降约7%，沿面闪络电压下降约8%。

为进一步研究老化对纸板爬电性能的影响，揭示纸板老化在爬电过程中的作用，论文采用球-板电极模型在恒压条件下研究了不同老化程度绝缘纸板的爬电性能。

2 试验装置与试验方法

2.1 爬电模型

用于沿面放电研究的模型主要有3种：针-板模型、柱-板模型以及球-板模型，分别用于强切线电场、强法线电场及切线与法线电场共同作用下沿面爬电放电的模拟。实际变压器中的油纸交界面处，大部分既有切线电场作用也有法线电场作用，因此研究中采用球-板模型作为试验研究对象。

球电极直径为40mm，板电极直径为75mm，采用黄铜制作，表面经抛光处理，以保证光洁度。实验纸板为直径80mm的魏德曼3mm厚圆形纸板。

2.2 实验油箱与测量系统

实验油箱采用有机玻璃制作，分主油箱和副油箱两部分，配有泄压阀。主油箱与副油箱采用磁力油泵相连，模拟变压器中油的循环过程。实验油箱结构如图1所示。

图1 实验油箱结构Fig.1 Test tank configuration

2.3 油与纸板的预处理

实验用油为克拉玛依25#变压器油，纸板为3mm厚魏德曼纸板。纸板首先在105℃的干燥箱内烘干24h，然后置入80℃、50Pa的真空干燥箱内与油一起烘干24h，再将纸板置入油中在80℃、50Pa的真空干燥箱内浸渍24h。经此处理后，纸板中的水分小于1%，油中水分少于10×10-6。

2.4 纸板的老化方法

预处理好的油和纸板，按10∶1的质量进行混合，置入烧杯中密封，向其中注入氮气以排除油面与密封口间的空气，在130℃条件下进行老化。

单纯考虑热老化因素，油纸绝缘系统的温度每上升6℃其寿命减少一半[19]，该原则被称为“6℃法则”。国内变压器的运行温度一般不超过80℃，依“6℃法则”计算，变压器在80℃条件下运行10年后其绝缘纸板的老化程度与130℃条件运行11.6天的老化程度相同。国内变压器的运行年限一般是20年，130℃温度老化等效时间为23.2天。

实验中的绝缘纸板分为3组：A组为未老化的纸板，聚合度约为1 200；B组为130℃条件老化11.6天的纸板，聚合度约为900，等效80℃运行10年的纸板；C组为130℃条件老化23.2天的纸板，聚合度约为600，等效80℃运行20年的纸板。

2.5 实验方法

处理好的纸板置入实验油箱后，开启油泵循环12h，以保证纸板中油与油箱中的新油充分平衡。老化纸板实验前还需在新油中浸泡不少于10天，以排除纸板内老化的油对实验结果的影响。

实验时，逐步升高电压，每升高1kV保持10min，直到有持续时间不少于30s的稳定放电信号产生，此时的电压确定为爬电起始电压。然后开始降压，直到30s内观测不到放电信号，此时的电压为爬电熄灭电压。再次升压至某一电压保持，直至纸板击穿，此电压处于爬电起始电压与熄灭电压之间，实验中为35.5kV。从保持电压开始计时，到纸板击穿的时间为爬电耐受时间。纸板击穿点与纸板中心的垂直距离为击穿通道长度。每组试样实验重复5次，测量结果取其平均值。

3 实验结果及分析

3.1 爬电现象描述

爬电起始后，可以在球电极与纸板间的油隙处观察到放电火花，此时的放电量约为数千pC，放电火花持续一段时间后会在纸板表面烧灼形成碳痕。放电持续一段时间后，可观察到纸板表面有气泡溢出，气泡是由放电导致纸板内部绝缘油分解气化并从纸板中溢出所产生。老化纸板表面出现气泡的时间要早于未老化纸板，气泡出现的面积及气泡的体积也要大于未老化纸板。图2为爬电持续20min后，各组纸板产生的气泡对比。A组纸板仅在球电极与纸板结合部处可观察到气泡，B组纸板在纸板中心至纸板边缘均可观测到细小的气泡，C组纸板气泡区域与B组基本相同，但气泡体积和密度明显大于B组。气泡溢出纸板后，纸板表面可以观测到“白斑”[20]，老化纸板表面“白斑”的出现早于未老化纸板，发展速度也要快于未老化纸板。

爬电持续一定时间后，纸板发生击穿。击穿瞬间可以观察到大量气泡在油、纸板交界面处产生。取出纸板，可以观察到明显的碳化通道，碳化通道由球电极与纸板接触点处起始，沿层间方向与法线方向同时发展，最终斜向贯穿纸板到达地电极，典型击穿通道的示意图如图3所示。

图3 击穿通道Fig.3 Breakdown channel

3.2 爬电起始电压与熄灭电压

爬电起始与熄灭电压的测量结果见表1。老化纸板的爬电起始电压与未老化纸板没有明显区别。如排除其他因素影响，即使变压器在满负荷运行20年之后，其纸板的爬电起始电压也不会明显降低，也就是说纸板的老化并不会直接引起变压器中的爬电故障。老化纸板的爬电熄灭电压要略低于未老化的纸板，B组与C组纸板较之A组纸板降低约8%。随着变压器运行年限的增加，其水分含量增加，油的品质下降，如果爬电在局部的绝缘弱点处起始，而此时由于纸板老化，爬电不易熄灭。

表1 爬电起始与熄灭电压Tab.1 Creepage discharge inception and extinction voltage

3.3 “白斑”的发展速度

由于爬电是在纸板内部进行，无法直接观测爬电的形态和发展速度。但爬电在纸板内部发展时，会导致纸板内部油的气化分解，在纸板表面形成“白斑”，“白斑”的发展速度可以间接反映纸板内部爬电的发展速度，因此对“白斑”的发展速度进行了统计。

“白斑”呈片状，为便于统计，将“白斑”距离纸板中心点的最大距离定义为“白斑”的长度，“白斑”区域与纸板中心点的夹角定义为“白斑”的角度，如图4所示。

图4 “白斑”长度和角度的定义Fig.4 Length and angle definition of “white mark”

“白斑”的长度和角度随时间的变化关系如图5所示。老化纸板“白斑”的发展速度远大于未老化纸板。爬电持续5min后，未老化的A组纸板尚未产生“白斑”，B组纸板“白斑”长度为15mm，角度为8°，C组纸板“白斑”长度为20mm，角度为17°；爬电持续20min后，三组纸板的角度均约为100°，但B组和C组纸板的“白斑”已经发展到了纸板的边缘，而A组纸板的“白斑”长度仅为30mm。

图5 球-板电极下“白斑”长度和角度随时间的变化Fig.5 Length and angle of “white mark” vs time for global-plate electrod

3.4 爬电耐受时间与击穿通道长度

爬电耐受时间和击穿通道长度表征着纸板的爬电性能，耐受时间越长，击穿通道越短，纸板的爬电性能越强。测量结果见表2。在爬电耐受时间一项上各组纸板几乎没有区别，但老化纸板的击穿通道长度明显长于未老化纸板，其中B组纸板的击穿通道长度增加约11%，C组纸板的击穿通道长度增加约30%。爬电是在纸板法线方向和层间方向同时发展，当爬电在法线方向发展到地电极时，发生击穿，爬电结束。因此，爬电的耐受时间主要取决于纸板法线方向的爬电性能，而击穿通道的长度则主要取决于纸板层间方向的爬电性能。测量结果说明，老化对纸板法线方向的爬电性能没有显著影响，但会降低纸板层间方向的爬电性能。

表2 爬电耐受时间与击穿通道长度Tab.2 Creepage discharge enduring time and breakdown channel length

3.5 针-板电极下的爬电

为研究老化对纸板法线方向及层间方向爬电性能影响的区别，测量了针-板电极模型下的爬电过程。实验模型如图6所示，40mm×40mm的纸板处于钨针电极与地电极之间，钨针紧紧插入纸板层间。

图6 针-板爬电模型Fig.6 Needle plate creepage discharge model

此种电极结构下，爬电只在层间方向发展，爬电击穿通道的长度保持不变，爬电耐受时间主要取决于纸板层间方向爬电性能。实验中测量了爬电的起始电压，50kV电压作用下爬电的耐受时间以及“白斑”的发展速度。纸板采用了未老化的纸板及130℃老化11.5天的两种纸板，每组纸板重复5次，试验结果取平均值。爬电起始电压与耐受时间的测量结果见表3。两组试样的爬电起始电压同样没有显著区别，但老化纸板的爬电耐受时间明显短于未老化纸板，仅为未老化纸板的50%，说明老化使得纸板层间方向的爬电性能大幅降低。

表3 针-板电极的爬电起始电压与持续时间Tab.3 Creepage discharge inception voltage and enduring time of needle plate electrode

“白斑”长度随时间的变化关系如图7所示。老化纸板“白斑”的发展速度明显快于未老化纸板，老化纸板的“白斑”约12min即可贯穿两极，而未老化纸板则需要约20min。此外，老化纸板在“白斑”贯穿两极后平均约3min就会击穿，而未老化纸板则平均可坚持达14min。

图7 针-板电极下“白斑”长度随时间的变化Fig.7 Length of“white mark”vs time for needle-plate electrode

4 讨论

油纸绝缘系统的放电起始电压取决于电场结构、油的击穿场强及油、纸板的介电常数比。由于老化不会改变纸板的介电常数[21]，因此老化对绝缘纸板的爬电起始电压没有显著影响。

纸板内油的气化分解与气体通道的形成在爬电过程中起着至关重要的作用，气体通道形成与发展的越快，爬电的发展速度越快，纸板爬电性能越差。

纸板老化后，其聚合度降低，纤维间的结合力下降，爬电容易在其内部形成气体通道，因而其爬电性能下降。

老化对纸板法线方向和层间方向爬电性能的影响存在差异，老化会显著降低层间方向的爬电性能，但对法线方向的爬电性能没有显著影响。纸板是由多层纤维构成，图8为100倍显微镜下的纸板层间结构。可以看出，A组纸板各纤维层结合的非常紧密，纤维层间基本不存在孔洞。随着老化程度的增加，纤维层结合的紧密度下降，纤维层间出现空洞，孔洞的数量与体积随老化程度的增加而增加。B组纸板纤维层间存在少量孔洞，孔洞体积较小，直径多在5μm左右。C组纸板纤维层间存在大量孔洞，孔洞直径多在10μm左右。层间孔洞数量和体积的增加有利于纸板内部气体通道的形成和发展。油气化后充满孔洞，各孔洞内气体在层间方向可以直接相连形成气体通道，加快了气体通道的发展，这使得纸板层间方向的爬电性能大幅下降。层间孔洞数量和体积的增加也可以解释老化纸板爬电熄灭电压下降的现象。在相同的爬电起始电压作用下，相同时间内老化纸板内部形成的气体多，因而爬电的熄灭电压下降。

图8 纸板层间微观结构Fig.8 Microstructure of pressboard layer

文献[2]曾对老化纸板表面的微观结构进行了研究，SEM的测量结果表明20年老化程度纸板表面纤维层中各纤维的直径虽有所减小，但连接依然紧密，没有空洞出现。不同于在层间方向发展时，孔洞内气体可以直接相连形成气体通道的方式，孔洞内气体若要在法线方向上发展形成通道，必须要破坏各纤维层，而老化对各纤维层的破坏不明显，这使得老化纸板在法线方向上爬电性能没有显著变化。

5 结论

（1）老化对绝缘纸板爬电的起始电压没有显著影响，但会降低绝缘纸板爬电的熄灭电压。

（2）老化绝缘纸板中爬电的发展速度快于未老化纸板，击穿通道的长度也长于未老化纸板。

（3）纸板的爬电性能分为法线方向和层间方向两部分，老化会显著降低层间方向的爬电性能，其原因在于老化纸板层间纤维的结合度下降，纤维层间孔洞数量和体积增加。

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