矿山电力变压器与普通电力变压器绝缘纸老化特性对比分析

2020-11-26周一恒严家明吴新忠任子晖

工矿自动化 2020年11期

周一恒，严家明，吴新忠，任子晖

(1.中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏徐州 221116； 2.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州 221116)

0 引言

矿山电力变压器是现代矿山能量转换和传输的核心，主要完成对地面及井下机电设备的供电，矿山电力变压器故障将导致矿区停电，造成经济损失甚至安全事故。矿山电力变压器故障主要是绝缘故障，其绝缘是由绝缘油和绝缘纸构成的二相复合结构，运行过程中在电、热等因素作用下逐渐老化。绝缘油老化后可通过滤油或换油来更新，但绝缘纸老化将造成不可逆损伤，因此，矿山电力变压器寿命主要取决于绝缘纸[1-2]。研究矿山变电所中矿山电力变压器绝缘纸的老化特性，对于丰富矿山电力变压器状态监测技术理论、保障矿山电力变压器的安全运行，具有重要的理论意义及实际应用价值。

目前，国内外对普通变电所中普通电力变压器绝缘纸的老化特性进行了较广泛的研究，并取得了一些研究成果。文献[3-5]研究了电力变压器绝缘纸老化的影响因素，指出绝缘纸老化的主要因素为热应力、电应力、机械应力及环境应力等，且热老化是绝缘纸劣化的主要形式。文献[6-8]研究了绝缘纸老化过程中的物理化学性能，得到了老化过程中绝缘纸的基本结构变化及产物生成规律，并分析了产物变化对加速老化过程的影响。文献[9-11]研究了绝缘纸老化过程中的电气性能，得到了老化过程中绝缘纸的介电响应、空间电荷及局部放电等特征，并分析了老化过程中电气性能的变化规律。文献[12-14]分析了利用物理化学性能及电气特性对电力设备绝缘状态进行诊断及寿命评估的方法。文献[15-16]应用新技术从微观角度对绝缘纸的老化机理进行了分析。这些研究主要集中于普通电力变压器的绝缘材料方面。由于矿山电力变压器运行环境复杂，在老化过程中其绝缘将表现出与普通电力变压器不同的特性，目前已受到专家学者和现场运维工程师的关注[17-18]，但矿山电力变压器绝缘的老化特性研究还鲜见深入报道。

鉴此，本文分别采集了实际寿命周期中矿山电力变压器及普通电力变压器的围屏纸板制作绝缘材料，利用黏度测试仪、扫描电镜对比分析了老化过程中绝缘纸的聚合度、表面形貌等微观结构；根据电力标准，制作测量模型，对比分析了老化过程中绝缘纸的局部放电、电气强度等电气性能，探讨了老化过程中微观结构变化对电气性能的影响。

1 试验材料及测试

1.1 试验材料

选择某型号110 kV电力变压器在矿山变电所运行13 a大修期间和运行25 a退役后的绝缘系统为研究对象，采集其围屏纸板(厚1.5 mm)制作矿山电力变压器绝缘纸类型试品；选择同型号矿山电力变压器在普通变电所运行15 a大修期间和运行28 a退役后的绝缘系统为研究对象，采集其围屏纸板制作普通电力变压器绝缘纸类型试品；同时，采集由厂家提供的该型号变压器用绝缘纸板制作未老化绝缘纸类型试品。

根据电力变压器老化运行规律，本文将绝缘纸试品分为3个典型寿命阶段：未老化为寿命初期、运行13 a或15 a为寿命中期、运行25 a或28 a为寿命末期。

1.2 绝缘性能测试

1.2.1 微观结构测试

根据IEC 60450—2004标准[19]，利用黏度测试仪(型号为NCY-2)测试不同寿命阶段绝缘纸的聚合度。

利用扫描电子显微镜(型号为JSM-6460)对不同寿命阶段绝缘纸的表面形貌进行测试。

1.2.2 电气性能测试

(1) 局部放电。局部放电测试模型如图1所示。试验电极根据CIGRE Method II标准制作；试品由采集的围屏纸板制作成直径为60 mm的圆片，平放于不锈钢地电极表面，高压铜柱电极紧贴于试品上方；整个柱-板电极系统置于装有25号矿物油的有机玻璃容器中。

1-高压引出端；2-铜螺母；3-有机玻璃容器；4-矿物油；5-高压铜柱电极；6-绝缘纸试品；7-不锈钢地电极；8-地线。图1 局部放电测试模型Fig.1 Test model of partial discharge

根据GB/T 7354—2018《局部放电测量》[20]，利用柱-板电极模型测试在工频电压下试品的放电起始电压，每个寿命阶段、每种类型试品测试5个，取其平均值作为该阶段、该类型绝缘的放电起始电压；同时，对于每个寿命阶段，以普通电力变压器绝缘纸工频放电起始电压的1.3倍为施加电压，利用Agilent 54810A示波器，分别采集由RC检测阻抗感应的由普通电力变压器和矿山电力变压器绝缘纸试品在柱-板电极模型中产生的局部放电信号。

(2) 电气强度。根据GB/T 1048.1—2016《绝缘材料电气强度试验方法第1部分：工频下试验》[21]，利用柱-柱电极系统测试工频电压下绝缘的电气强度，其中柱电极直径和高度均为25 mm，每个寿命阶段、每种类型试品测量5个，取其平均值作为该阶段、该类型绝缘的电气强度。

2 试验结果及分析

2.1 绝缘材料微观结构

2.1.1 表面形貌变化

整个寿命周期绝缘纸扫描电镜的测试结果如图2—图4所示。从图2可看出，在寿命初期，未老化绝缘纸表面平整、光滑，纤维纹路致密、清晰。从图3可看出，在寿命中期，普通电力变压器绝缘纸纤维表面出现了皱痕，粗糙度增加；矿山电力变压器绝缘纸纤维除在表面起痕之外，还伴有分丝现象，且有孔隙生成。从图4可看出，在寿命末期，普通电力变压器绝缘纸纤维表面龟裂起皮，伴有微隙生成；矿山电力变压器绝缘纸纤维除在表面龟裂起皮外，纤维变细，且纤维之间有空洞形成。

图2 寿命初期绝缘纸扫描电镜图Fig.2 Scanning electron microscope image of insulation paper at initial lifetime

(a) 普通电力变压器

由上述分析可知，老化过程中绝缘缺陷在绝缘纸中逐渐形成，并逐渐扩大；但相较普通电力变压器绝缘纸，矿山电力变压器绝缘纸的表面形貌变化更加明显，形成的缺陷也更加显著，表明其老化程度更高。

2.1.2 聚合度变化

直接反映绝缘纸老化程度的聚合度测试结果如图5所示。从图5可看出：在老化过程中，普通电力变压器和矿山电力变压器绝缘纸的聚合度均呈现逐渐下降趋势；但不论在寿命中期还是寿命末期，矿山电力变压器绝缘纸的聚合度均低于普通电力变压器，即其聚合度在老化过程中下降速度更快。

图5 绝缘纸聚合度Fig.5 Polymerization degree of insulation paper

通过绝缘纸表面形貌和聚合度的分析可知，矿山电力变压器绝缘纸老化速度较普通电力变压器更快，其在老化过程中的微观结构变化较普通电力变压器更加明显。所以，在电力设备监测维修体制中，对矿山电力变压器绝缘的状态监测及故障诊断建议从严执行电力标准。

2.2 绝缘材料电气性能

2.2.1 局部放电变化

局部放电是绝缘劣化的主要表现形式，已经成为确定绝缘质量、进行绝缘预防性试验及绝缘状态判断的重要手段，局部放电检测指标主要包括放电起始电压、放电量及放电次数等[22]。

(1) 放电起始电压。每个寿命阶段绝缘纸工频放电起始电压如图6所示。

图6 绝缘纸工频放电起始电压Fig.6 Partial discharge inception voltage of insulation paper under power-frequency voltage

从图6可看出：在老化过程中，普通电力变压器和矿山电力变压器绝缘纸的放电起始电压均呈现逐渐下降趋势，但不论在寿命中期还是寿命末期，矿山电力变压器绝缘纸的放电起始电压均低于普通电力变压器，即在运行过程中，矿山电力变压器绝缘纸相较普通电力变压器更容易发生放电性故障。

(2) 局部放电信号。每个寿命阶段绝缘纸工频周期内的局部放电信号如图7—图9所示，其有效反映了老化过程中绝缘纸局部放电的放电量、放电次数及放电相位的变化。

图7 绝缘纸寿命初期单工频周期内的局部放电信号Fig.7 Partial discharge signals in single power-frequency cycle at initial lifetime of insulation paper

(a) 普通电力变压器

从图7可看出，寿命初期，在工频周期的正、负半周均出现局部放电信号，但最大放电量较小，约为500 pC。从图8、图9可看出，在寿命中期和寿命末期，普通电力变压器和矿山电力变压器绝缘纸的最大放电量、放电相位均呈逐渐增长的趋势，且寿命中期，普通电力变压器和矿山电力变压器绝缘最大放电量分别约为2 200 pC和3 000 pC；寿命末期，最大放电量分别约为6 000 pC和7 000 pC。

显然，运行过程中矿山电力变压器绝缘纸的最大放电量、放电相位增长幅度均大于普通电力变压器，特别在寿命末期，矿山电力变压器绝缘纸的放电相位甚至增大至超越半周期(图9(b)中虚线椭圆处)。

每个寿命阶段、每种类型绝缘纸试品在200工频周期内的放电次数统计结果如图10所示。从图10可看出：在运行过程中，不论是普通电力变压器还是矿山电力变压器绝缘纸，单工频周期内的放电次数也均呈增加趋势，但矿山电力变压器绝缘纸放电次数增加更加显著。

图10 绝缘纸多工频周期内的放电次数统计Fig.10 Statistic of insulation paper discharge numbers in multiple power-frequency cycles

由上述分析可知，运行过程中，矿山电力变压器绝缘纸较普通电力变压器将产生更大的放电量及更多的放电次数，放电相位也更宽，即在老化过程中，矿山电力变压器绝缘纸的放电现象相较普通电力变压器更加激烈。

2.2.2 电气强度变化

绝缘材料需具有较高的电气强度，这是其作为绝缘介质的内在要求。测得的每个寿命阶段绝缘纸在工频电压下的电气强度如图11所示。

图11 绝缘纸电气强度Fig.11 Electrical strength of insulation paper

从图11可看出：在老化过程中，普通电力变压器和矿山电力变压器绝缘纸的电气强度均呈现逐渐下降趋势，但不论在寿命中期还是寿命末期，矿山电力变压器绝缘纸的电气强度均低于普通电力变压器，即在老化过程中，矿山电力变压器相较普通电力变压器更容易发生击穿事故。

根据绝缘纸局部放电及电气强度的分析可知：在老化过程中，矿山电力变压器绝缘纸电气特性的变化较普通电力变压器更显著；电气特征参数更适合用于矿山电力变压器绝缘状态监测及故障诊断。

3 微观结构变化对电气性能的影响分析

矿山电力变压器运行在矿区附近，主要完成对地面及井下机电设备的供电，由于矿山机电设备种类繁多，负荷量大，启停频繁，特别是现代矿山中，提升机、带式输送机、通风机、压风机及采煤机等大容量设备大多采用变频控制，造成矿山电力变压器面临恶劣的电磁环境[23-24]，谐波严重，发热量大，温升偏高，导致其绝缘的热老化压力较普通电力变压器严峻。同时，矿区污染较普通地区严重，也造成矿山电力变压器面临更大的环境老化压力。因此，在运行过程中，矿山电力变压器绝缘纸比普通电力变压器老化严重，矿区运行环境是造成矿山电力变压器绝缘纸老化更快的主要原因。

老化过程中，随着矿山电力变压器绝缘纸微观结构的变化，纤维间逐渐形成微隙、孔隙甚至空洞等绝缘缺陷，从而造成放电起始电压降低、电气强度下降；随着老化持续，绝缘材料中的微观结构缺陷越来越大，必将造成最大放电量逐渐增加。同时，老化形成的缺陷为分布式缺陷，老化时间越长，绝缘材料中分布的绝缘缺陷就越多，从而导致其放电次数逐渐增加。因此，由材料微观结构变化而形成的微观结构缺陷是造成矿山电力变压器绝缘电气性能变化的直接原因。同时，由于矿山电力变压器绝缘纸老化较普通电力变压器严重、微观结构缺陷变化更加明显，故其电气特性也显示出较普通电力变压器更加显著的变化。