高压交流套管的油纸绝缘热老化特性及寿命模型研究

杨丽君　黄加佳　许佐明　胡恩德　高思航

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室　重庆　400044

2.中国电力科学研究院武汉分院　武汉　430074)



高压交流套管的油纸绝缘热老化特性及寿命模型研究

杨丽君1黄加佳1许佐明2胡恩德1高思航1

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044

2.中国电力科学研究院武汉分院武汉430074)

摘要为研究高压交流套管的油纸绝缘热老化特性，用套管用绝缘油、绝缘纸及铝箔纸自制成样品并分别在90 ℃、100 ℃、130 ℃三种温度下进行加速热老化。对热老化过程中反映油纸绝缘材料样品老化状态的理化特征参数进行测试与分析。同时，对套管缩比模型在100 ℃进行电热联合老化实验，测试分析其在老化过程中相应的介电响应曲线，测试套管在绝缘失效并解体后的绝缘电气/理化参数。结果表明：对于套管的多层油纸屏障结构，最外层油纸绝缘是套管绝缘特性的薄弱点。油纸材料样品与套管缩比模型在老化过程中最外层绝缘纸的聚合度下降速率均最快，内层较慢，分析认为水分和油酸在各层间的分布规律是导致该现象的主要原因；相比传统的工频电容值，低频段对应的电容值对绝缘状态变化反映更为灵敏。以油纸绝缘材料样品最外层绝缘纸的聚合度随温度与时间变化数据为依据，建立了套管油纸绝缘热寿命模型，并初步验证了该模型的有效性。

关键词：套管油纸绝缘老化特性寿命模型

Investigation on Thermal Aging Characteristics and Lifetime Model of Oil-Paper Insulation for HV AC Bushing

YangLijun1HuangJiajia1XuZuoming2HuEnde1GaoSihang1

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China 2.Wuhan BranchChina Electric Power Research InstituteWuhan430074China)

AbstractTo investigate the thermal aging characteristics of the oil-paper insulation in high voltage (HV) bushings，the paper and aluminum foil wrapped copper winding models combined with the insulating oil are used to perform the thermal aging experiments under 90 ℃，100 ℃，and 130 ℃，respectively.Physical/chemical parameters，which can reflect the aging condition of the oil-paper insulation，are measured and analyzed.In addition，the electro-thermal aging experiment of the scaling bushing is carried out under 100 ℃ as well in order to obtain the dielectric response，and the electrical characteristics and physical/chemical parameters after the bushing has a breakdown.Experimental results show that the outermost layer of the bushing manifests the lowest dielectric strength among multilayer oil papers.The descending speeds of the degree of polymerization (DP) for the outermost layer paper both in the paper wrapped copper winding model and the scale bushing are the fastest，whereas the inner layer papers are slower.The distribution of moisture and oleic acid is regarded as the reason for this phenomenon.It is also found that low frequency capacitance is more sensitive to the variation of insulation status of bushing compared with traditional power frequency capacitance.The oil-paper insulation thermal aging lifetime model for the bushing is then established based on the relationship of the outermost paper layer’s DP changing with time.The effectiveness of the model is preliminarily verified.

Keywords：Bushing，oil-paper insulation，aging property，lifetime model

0引言

高压套管作为一种起到绝缘与支撑作用的电力设备，是确保电力变压器安全运行的重要辅助设施之一[1，2]。油浸式电容套管的油纸复合结构在运行过程中长期受到电场、热氧化、水解等作用而逐渐老化，出现各种绝缘缺陷而引发故障，并严重威胁套管寿命及电力变压器的安全运行。

图1　套管材料试品Fig.1　Bushing material samples

目前，针对电气油纸绝缘材料的热老化特性的研究已取得较多成果。根据老化因素可将油浸式电力设备内绝缘的老化大致划分为热老化、电老化、机械老化和环境老化[3]。V.M.Montsinger在1930年首次指出了温度每升高10℃则绝缘寿命减半[4]，文献[5]也对老化速率和温度之间的关系进行了说明，水分能严重降低油纸绝缘的电气强度，且加速油纸绝缘老化及缩短绝缘寿命。文献[6]提出绝缘纸含水量与老化速率呈正比。文献[7]提出绝缘纸中水分含量每增加0.5%，纤维素绝缘的寿命减半。文献[8-10]提出油纸绝缘老化会产生油酸，并分析了油酸在油纸中的分布规律，绝缘纸中的水分和低分子酸能很好地协同促进绝缘纸老化。文献[11]对不同温度下绝缘纸酸类产物生成规律进行了研究。主要用于绝缘老化诊断的3种化学特征参量为聚合度(DP)[5]、CO与CO2含量[12]以及油中糠醛含量[13]，两种电气特征参量为局部放电及其特征参量[14]和介电响应[15]。国内外通常以聚合度作为绝缘纸机械性能的表征参量，采用纤维素降解动力学方程研究聚合度在各温度下随老化时间的变化规律，再基于Arrhenius方程将高温加速老化下的数据外推至低温下以预测实际运行条件下的寿命[16，17]。文献[18]考虑水分的影响，改进了油纸绝缘热老化寿命模型。热老化寿命模型目前主要应用于电力变压器，理论上同为油浸式电力设备的高压套管也适用，但由于套管如图1a所示的油纸绝缘结构和变压器的纸包铜绕组的绝缘结构有差异，需要考虑多层绝缘纸间老化速率的差异等，目前针对套管开展的研究主要是结构设计与在线监测[19-21]，套管油纸绝缘热老化特性方面的研究有老化温度、时间、水分对频域介电谱的影响[22]，但未考虑套管的特殊内部绝缘结构对油纸绝缘材料的老化特性的影响，并缺少针对套管特殊绝缘结构建立高压套管油纸绝缘热老化寿命模型的研究。

本文对套管油纸绝缘长期老化特性进行考核，研究其在高于运行参数(温度、电压)条件下的绝缘性能、特性变化、影响因素，并分析总结结构原因导致的差异，建立高压套管油纸绝缘热寿命模型。

1样品的制备及老化实验

1.1样品制备

1)油纸绝缘材料样品

用于热老化的套管绝缘材料由南京某高压套管生产厂家提供，与后文所述套管缩比模型及套管原型使用的绝缘材料一致。包括厚度为0.12 mm的牛皮绝缘纸、铝箔纸、新疆克拉玛依25#环烷基矿物油。按照圆柱体芯式形状结构进行样品制作，中心为铜导杆，紧密包裹缠绕多层绝缘纸，层间隔缠绕铝箔纸，结构如图1a所示；缠绕后的样品以棉线扎紧固定，与绝缘油混合放置于不锈钢密封容器中，如图1b所示。每个样品包含油、纸、铜的质量比参考该厂家的套管数据，设定为1.5∶1∶0.2。在开展老化实验前，油纸样品按照文献[23]所述流程进行干燥、浸油等预处理。

2)套管缩比模型样品

套管缩比模型按照该厂家生产的1 000 kV等级特高压套管设计数据进行缩比设计，保持套管内部电场分布特点，如图2所示。该缩比套管的额定线电压为72.5 kV，轴向最大场强为0.43 kV/mm，径向最大场强为4.5 kV/mm。套管总长度660 mm，油枕直径225 mm。

图2　油浸电容式缩比套管Fig.2　Typical OIP scale bushing

1.2样品老化及参数测试

1)油纸绝缘材料老化及测试

实验采用不锈钢密封容器对油纸绝缘材料样品进行密封，并分别开展在90 ℃、100 ℃、130 ℃三种温度下的老化实验。在不同老化时间取样，并对油纸绝缘样品3项理化特征参数进行测试，测试对象、项目及方法如表1所示。

表1　测试对象、项目及方法

2)套管缩比模型老化及测试

实验室采用恒温油浴对套管缩比模型样品进行100 ℃的控温，采用100 kV·A/100 kV的变压器对模型样品施加其额定相电压1.5倍的电压62.8 kV加速老化，直至套管绝缘失效。在老化过程中，定期利用介电响应分析仪(DIRANA)对完整套管缩比模型的电容和介损进行测量。当绝缘失效后，对套管解体，测试其内部油纸绝缘电气/理化特征参数。测试对象、项目及方法如表2所示。

表2　测试对象、项目及方法

2实验结果与分析

2.1油纸绝缘材料样品实验结果

1)聚合度变化

绝缘纸的机械强度很大程度上决定了油纸的绝缘热寿命，聚合度大小则是表征绝缘纸机械强度很重要的一个参量[5]。分别对90 ℃、100 ℃、130 ℃三种温度下老化的油纸绝缘材料样品5处绝缘纸进行聚合度测试，即图1中所示油纸材料样品的1~5层。图3以100 ℃下实验数据为例，给出5个取样点处聚合度变化情况。可以看出，样品第1层(最外层)绝缘纸聚合度下降最快，第5层(最内层)最慢，第2、3、4层聚合度下降速率介于其中，且内层的聚合度下降速率较外层的慢。90 ℃与130 ℃下实验结果有相同的规律。

图3　聚合度随时间变化曲线Fig.3　DP of paper with aging time

2)纸中水分含量

图4以100 ℃下试品为例，给出了老化过程中实验测得各层绝缘纸中水分随老化时间的变化趋势。

图4　各层绝缘纸中水分含量随时间变化曲线Fig.4　Moisture of paper with aging time

由图4可看出各层纸中水分含量在老化前期呈上升趋势，老化末期含量下降，总体呈波动状态，但可看出同一老化时间下，外层绝缘纸水分含量多于内层绝缘纸。

为研究样品各层绝缘纸聚合度差异与水分含量的关系，对100 ℃下老化中期(老化140 d)的材料样品各层绝缘纸的聚合度和水分含量进行分析，结果如图5所示。

图5　各层绝缘纸中水分含量与聚合度关系Fig.5　Relationship between moisture in paper and DP

由图5可知油纸绝缘材料样品各层聚合度存在的差异与其各层纸中的水分含量有关，并基本呈负相关特性，即水分含量高，聚合度小，反之聚合度大。

3)油中酸值

油中酸值是油纸绝缘老化的产物，矿物油中酸值含量过高将加速绝缘纸纤维的老化进程[10]。图6为油中酸值含量随老化时间变化曲线，呈单一增加趋势。

图6　油中酸值随老化时间变化曲线Fig.6　Acid number in oil with aging time

2.2套管缩比模型测试结果

套管缩比模型在100 ℃/62.8 kV的电热作用下老化到133 d后，加压回路由于大电流发生保护跳闸动作。为排除跳闸是由套管对油浴箱壁放电引起，重新升高电压至60 kV，过电流保护再次动作，经反复检查套管及加热装置外观，确定是套管内部绝缘发生失效。随后停止电热老化实验，对套管解体并测试其各项参数。

2.2.1老化过程中复电容频率谱

通过建立套管油纸绝缘热寿命模型能够对套管的老化状态和寿命进行预测。但对套管实际运行过程中可能发生的绝缘缺陷，仍需要辅助进行无损检测以反映套管老化状态，对其进行状态评估，避免在寿命期内发生绝缘故障。文献[24]指出随老化程度加剧，绝缘纸板电容的低频部分(小于0.1 Hz)明显增大，而高频部分变化不大。所以实验通过测量复电容频域谱了解套管老化状态。

图7为套管模型在0～130 d老化过程中及在133 d发生绝缘失效后的复电容频域响应谱图。实验结果表明，随老化时间的增加，C′(ω)在10-3～100Hz频段内呈现向高频区移动趋势，而在100～104Hz内基本保持不变，C″(ω)在整个频段内随时间增加向高频区移动；绝缘失效后，C″(ω)幅值在高频区与中频区明显增大。造成该现象的主要原因是在电场作用下，油纸绝缘复电容在低频段随老化时间的变化主要是由界面极化造成，在高频段则与转向极化有关，老化增加了油纸界面，并减小了极化响应时间[25]。相比于传统的工频电容值，低频段对应的电容量对绝缘状态变化反映更为灵敏，可用于反映套管老化状态。以f=10-3Hz频率点为例，与初始状态相比，失效后C′(f=10-3Hz)变化率达到65.1%，C″(f=10-3Hz)变化率达到69.2%。

图7　100 ℃下不同老化阶段套管电容量频域谱Fig.7　Capacitance frequency response of bushing at different aging status at 100 ℃

2.2.2解体后参数测试

解体后套管部件如图8所示。发现绝缘失效发生在电容芯子最外层绝缘纸上，沿无油枕侧的高压端铜芯至末屏接地端之间的缠绕纱带和绝缘纸有明显的沿面放电痕迹。而同样是最外层，有油枕一侧的高压端对末屏却无放电痕迹。由于末屏到两端铜芯的爬电距离相同，可认为油枕起到了一定的均匀电场作用，使得该端爬电电压升高。

图8　解体套管部件图Fig.8　Constituting parts of bushing

将包裹的全部纸样打开后，显示仅最外层的绝缘纸有放电痕迹，内部的绝缘纸并无放电痕迹，如图9所示。

图9　套管绝缘纸层Fig.9　Insulating paper in different layers

参考图1所示套管油纸绝缘材料样品取样方式，由外至内分别间隔一定层数确定5个取样点取缠绕铜芯的绝缘纸(最外层为1层，向内排至最内层为5层)，分别测试绝缘纸电阻率、纸中水分和聚合度。

1)电阻率

绝缘纸表面电阻率与体积电阻率如图10所示。

图10　绝缘纸表面电阻率和体积电阻率Fig.10　The surface and volume resistivity of insulating paper

由图10可知，直接与绝缘油接触的最外层绝缘纸体积电阻率和表面电阻率均为最小，可认为是导致套管绝缘纸表面在高压下产生爬电并引起绝缘失效的主要原因。其余中间层电阻率均随取样层数量的增加而逐渐增加。但贴近铜导杆的最内层绝缘纸的表面和体积电阻率却突然下降。

2)绝缘纸水分含量与聚合度

从解体套管中取得的不同层绝缘纸样品水分含量及聚合度测试结果如图11所示。绝缘纸中水分最外层最多，最内层最少，中间层介于其间，内外层水分含量差别将近1.5%，这与2.1节中绝缘材料样品不同绝缘纸层的水分含量分布规律一致。

聚合度的测试结果与前述绝缘材料样品结果一致，靠近绝缘油的最外层绝缘纸样品聚合度最小，中间层聚合度较大。其中，测得外层绝缘纸的聚合度为384。

图11　各层绝缘纸中水分含量与聚合度关系Fig.11　Relationship between moisture in paper and DP

3分析讨论

3.1聚合度与水分和酸值关系

纤维素的老化水解是一个自催化过程，其反应速率取决于羧酸(小分子酸)和水分含量[26]。

纤维素水解反应的机制是水分子渗透到纤维素链长分子间隙，与H+的共同催化水解反应。相同温度下，含水量越高绝缘纸聚合度下降越快[26]。除绝缘油本身含有一定量初始水分外，纤维素热裂解和绝缘油的劣化都会生成水分，引起油纸绝缘系统含水量的增加；生成的水分将进一步参与纤维素水解反应，加速聚合度下降。

文献[8-10]指出油纸绝缘体系在老化过程中会产生低分子酸(分子量小的酸)和高分子酸(分子量大的酸)，低分子酸与水分的行为相似，极易被绝缘纸吸收，而高分子酸则不易被绝缘纸吸收。因此，低分子酸主要集中在绝缘纸中，高分子酸主要集中在绝缘油中。绝缘纸中的水分和低分子酸能很好地协同促进绝缘纸老化，而高分子酸对绝缘纸老化基本不起作用[9，10]。

根据上述分析，水分和羧酸在不同绝缘纸层的不同含量是导致图5和图11中绝缘纸层间聚合度差异的原因，而图1所示油纸绝缘样品及套管绝缘多层绝缘纸缠绕结构使得水分和酸在不同纸层分布产生差异。外层绝缘纸与绝缘油的接触面最大，油老化产生的水分和小分子酸直接扩散并渗透到外层绝缘纸。而对于内层绝缘纸，与其接触的油很少，并且由外至内又分别由多层铝箔纸包裹隔离，外层油纸向内扩散渗透的水分和酸含量逐渐减少，最内层绝缘纸因为扩散渗透增加的水分和羧酸含量接近于0。引起最内层聚合度降解的主要原因除了温度之外，只有内层绝缘纸和其接触的油老化产生的少量水和酸。因此，绝缘纸中水分和羧酸由外层至内层逐渐减少，所以内层的自催化作用相对外层较弱，结果如表3所示。图6所示油中油酸随时间增大使得内外层水分和酸值含量差距增大，导致聚合度差异增大。

表3　各层绝缘纸降解速率差异分析

以上原因导致油纸绝缘材料和套管缩比模型中最外层绝缘纸聚合度下降最快，成为绝缘强度最为薄弱的部分。

3.2电阻率分析

解体套管绝缘纸层电阻率测试结果为内层绝缘纸表面和体积电阻率都大于外层，最外层最小。贴近铜导杆的最内层绝缘纸电阻率稍有下降。

从最外层到内层电阻率逐渐增加，可能由于绝缘纸老化程度不同，且油酸、水分含量及油中生成的极性物质由于绝缘纸和铝箔纸间隔紧密包裹产生的渗透度差异导致。而解体套管最内层与铜杆贴紧层绝缘纸电阻率发生突然下降，原因可能是在长期的热作用下，铜导杆与油中腐蚀性硫化物发生化学反应生成一种导电率较高的Cu2S沉积并附着在最内层纸上，而电场也会对此过程起到加速作用[27-29]。最外层绝缘纸电阻率最小解释了图7中最外层绝缘纸产生爬电闪络现象，也同样表明其是绝缘强度最为薄弱的部分。

3.3油纸绝缘热寿命模型分析

前面实验结果与分析表明，油纸绝缘材料样品及套管缩比模型中第1层(最外层)绝缘纸老化速率最快，绝缘性能最易破坏，是套管油纸绝缘最薄弱的地方。以油纸绝缘材料样品最外层聚合度随温度和时间变化数据为基础，建立套管油纸绝缘寿命模型。

选用一阶动力学方程(式(1))及Arrhenius热力学方程(式(2))作为本研究的热寿命模型[17]，如下所示。

(1)

(2)

式中，DPt为t时刻绝缘纸的聚合度；DP0为绝缘纸初始聚合度；K为该一阶动力学模型的模型参数；t为老化时间，d；ΔE为活化能，kJ/mol；R为摩尔气体常量，R=8.315，J/(mol·K)；T为热力学温度(实际温度+273)，K。

将3种实验温度下老化的油纸绝缘材料样品第1层绝缘纸聚合度数据进行处理，得到图12与图13。

图12　1/DPt-1/DP0与老化时间关系曲线Fig.12　Relationship between 1/DPt-1/DP0 and aging time

图13　lnK与1/T关系曲线Fig.13　Relationship between lnK and 1/T

图12中130 ℃老化曲线斜率明显大于90 ℃和100 ℃，是因为温度对绝缘纸纤维素的降解速率影响极大，斜率K定义为绝缘纸降解速率，式(2)表明K随温度T呈指数型增长，与文献[30]中相关曲线规律一致。由图13得到寿命模型指前参数A=4.101×105，活化能ΔE=75.102 kJ/mol。

对于油浸式电力变压器中使用的油纸绝缘材料，一般初始聚合度和热寿命终点聚合度分别为1 250和250[31]，而对于套管油纸绝缘的热寿命终点聚合度暂没有相关规程规定，可参考变压器油纸绝缘进行选择，也可根据实际要求选取。

油纸绝缘老化是多种因素的综合作用结果，但油浸式电力设备主绝缘的寿命，即油纸绝缘的寿命实际上主要是由其热老化决定的，热老化是众多老化因素中最主要的因素[32]。此外，本文采用的绝缘材料和套管缩比模型均由同一家套管生产厂家提供，该绝缘材料在套管模型及原型中应用。故本节根据油纸绝缘材料聚合度随温度和时间变化规律搭建的油纸绝缘热寿命模型理论上适用于2.2节中的套管缩比模型。

利用建立的寿命模型参数对套管绝缘纸在100 ℃下老化时间t=133 d的聚合度DPt进行计算。

=406.32

(3)

根据寿命模型，最外层绝缘纸老化133 d的聚合度为406.32，而套管解体后实测外层绝缘纸的聚合度为384，误差为5.8%，初步证实了该模型的有效性。

4结论

本文对套管油纸绝缘材料样品及套管缩比模型分别进行了热加速老化和电热联合老化，研究了套管绝缘老化特性，得到如下结论：

1)油纸绝缘材料样品与套管缩比模型不同层绝缘纸老化状态出现差异，纸中水分与酸值含量不同是导致该现象的主要原因。最外层绝缘纸水分、酸值含量最高，老化速率最快；最内层绝缘纸水分、酸值含量最低，老化速率最慢；中间层水分、酸值含量和老化速率均介于中间。

2)最外层绝缘纸老化速率最快，是绝缘最薄弱的地方，基于油纸绝缘材料样品最外层绝缘纸聚合度随温度与时间的变化规律，建立了套管油纸绝缘热寿命模型。根据油纸绝缘热寿命模型计算老化133 d后聚合度和解体后实测外层绝缘纸的聚合度误差仅为5.8%，初步验证了该模型的有效性。

3)套管缩比模型老化过程中的复电容实部和虚部分别在低频段和整个频段呈现向高频区移动的趋势，在绝缘失效后有明显变化。相比于传统的工频电容值，低频段对应的电容量对绝缘状态变化反映更为灵敏，可用于反映套管老化状态。

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杨丽君女，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为电气设备状态监测与故障智能诊断。

E-mail：yljcqu@cqu.edu.cn

黄加佳男，1991年生，硕士研究生，研究方向为电力设备绝缘状态评估与故障诊断。

E-mail：jiajiahuang@cqu.edu.cn(通信作者)

作者简介

中图分类号：TM216

收稿日期2015-02-05改稿日期2015-05-07

国家创新研究群体基金资助项目(51021005)。