变压器用绝缘纸击穿强度的多因素协同影响研究

2020-12-07吴东乐孙胜然刘群华徐凯丽

绝缘材料 2020年10期

吴东乐，孙胜然，刘群华，刘文，徐凯丽

（中国制浆造纸研究院有限公司制浆造纸国家工程实验室，北京 100102）

0 引言

电力变压器作为输变电网络中最重要的设备之一，其性能至关重要。本色木浆绝缘纸以其性能优良、成本低廉和环保等优点被广泛应用于电力变压器中[1]。近年来，特高压输变电因具有容量大、传输距离远、效率高和损耗低的综合优势得到大力发展，我国基本上形成“西电东送，北电南供”的特高压输电网络[2]。油浸式变压器的性能依赖于绝缘纸的设计和选择，绝缘纸一直以来是电力装备及系统的薄弱环节，直接关系到电力系统的安全稳定运行，是制约先进输变电技术提升的瓶颈。随着变压器电压等级和容量的不断增加，对绝缘纸的性能，尤其是击穿强度提出了严苛的要求。如何提高绝缘纸的性能及其在变压器运行中的可靠性，面临巨大挑战。然而，目前高性能绝缘纸的基础理论研究和应用研发均严重滞后于发展需要，国内高纯度、高强度的绝缘纸主要依赖于进口。

油浸式变压器用绝缘纸通常是由未漂针叶木硫酸盐浆通过纯化、打浆、成形、压榨、干燥以及特殊的整饰制造而成，绝缘纸击穿强度受到制造过程的影响较大[3]。文献[4-6]研究了打浆过程对绝缘纸击穿强度的影响，发现打浆度、打浆压力和打浆方式对绝缘纸击穿强度的影响较大。周远翔等[7-8]研究了热压温度和造纸用水电导率对绝缘纸击穿强度的影响，发现热压温度和造纸用水电导率对绝缘纸交流击穿强度的影响较小，对直流击穿强度的影响较大。于钦学等[9]研究了压光型和预压型两种绝缘纸板的性能，发现预压型绝缘纸板的性能优于压光型绝缘纸板的性能。R HOLLERTZ等[10]研究了纸张的化学组成和形态与绝缘纸击穿强度之间的关系。目前的研究大多基于单个因素或多个因素逐个研究其对绝缘纸击穿强度的影响。实际上，绝缘纸的制造过程与击穿强度的关系是十分复杂的多因素协同系统。例如打浆度会影响绝缘纸的击穿强度，而要提高绝缘纸的击穿强度不仅要调整纸浆的打浆度，还需要提高纸浆的化学纯度或者成形工艺。绝缘纸击穿强度受多重因素的影响，且多因素间存在协同作用，因此需要多因素、多层次、全面地进行分析。正交试验设计及其分析是一种数理统计方法，它能够确定影响实验结果的主次因素，以及各因素间协同作用的大小，是目前常用于多因素影响的实验设计和分析的方法[11-13]。

本文采用正交试验设计方法，研究打浆度、打浆负荷、定量和干燥方式对绝缘纸击穿强度的影响。结合极差和方差分析研究4种因素对绝缘纸击穿强度影响程度的主次顺序以及协同效应。利用Weibull分布对绝缘纸的击穿强度结果进行统计分析，并建立失效模型。同时，测定绝缘纸的紧度和吸油率，分析结构变化，阐明制造工艺对绝缘纸击穿强度的影响规律和机制。

1 实验和方法

1.1 正交试验设计

针对绝缘纸击穿强度的影响因素，本研究重点考察打浆度、打浆负荷、定量与干燥方式4个影响因素。为避免各因素组合太多，每个因素选择2或3个水平，具体水平见表1。采用正交表L12（3×24）进行实验安排，如表2所示。为了便于统计分析，将打浆度、打浆负荷、定量、干燥方式4个因素分别用A、B、C、D表示。

表1 影响因素水平Tab.1 Selection of factor levels

表2 实验方案Tab.2 Experimental scheme

1.2 样品的制备

选用加拿大Canfor公司的未漂针叶木硫酸盐浆为原料。绝缘纸的制备包括4个主要过程：打浆、成形、压榨和干燥。经浸泡4 h后，使用奥地利PTI公司生产的P40130型Valley打浆机进行打浆，并根据GB/T 3332—2004测量打浆度。然后，使用奥地利PTI公司生产的RK-3A型快速凯塞纸页成形器脱水成形，经压榨和干燥后获得绝缘纸样品。将绝缘纸样品置于105℃干燥箱内烘干4 h，将北京欣环诚油脂分装有限公司生产的25#变压器油预热至70℃。然后将变压器油倒入装有绝缘纸样品的容器中，在真空条件下浸渍48 h。浸油完成后除去表面多余的变压器油，并放置于密封袋中保存。

1.3 测试方法

厚度和紧度根据GB/T 451.2—2002进行测试。吸油率根据IEC 60641-2-2004进行测试。试样尺寸为10 cm×10 cm，取油浸样品与未油浸绝干样品的质量差除以未油浸绝干样品的质量作为吸油率。

击穿强度依据GB/T 3333—1999采用逐步升压的方式进行测试。试验电极结构如图1所示，采用不对称铜电极，高压电极直径为25 mm，低压电极直径为75 mm，表面均进行抛光处理。

图1 击穿强度试验电极Fig.1 Breakdown strength experiment electrode

2 结果与分析

2.1 击穿强度数据分析

绝缘纸和油浸绝缘纸击穿强度的数据简要分布如图2和图3所示。箱线图可以粗略地看出数据的对称性、分散性和异常值情况，并进行多组数据分布特性的比较。图中最上面和最下面的两条短线分别代表最大值和最小值；矩形箱体的上边缘和下边缘分别表示第三和第一四分位数，方框内的短线代表中位数；超过四分位数范围1.5倍的数据点被认为是异常值，即最上面和最下面的两条短横线之外的数据。由图2可知，绝缘纸击穿强度的数据基本对称分布，4、5、7、8、10号绝缘纸的击穿强度存在1～2个异常值，为保证实验准确性可将其剔除。随着打浆度的增大，击穿强度逐渐增强，其数据的分散性变大。由图3可知，油浸绝缘纸击穿强度数据基本对称分布，没有异常值；随着打浆度的增大，击穿强度逐渐增强，其数据的分散性变小。对比图2和图3可以看出，绝缘纸比油浸绝缘纸更容易发生击穿，因为绝缘纸含有大量的孔隙，会降低其击穿强度，而油浸绝缘纸因变压器油进入孔隙后与绝缘纸的互补作用而具有优异的电气性能。

图2 绝缘纸的击穿强度Fig.2 Breakdown strength of insulation paper

图3 油浸绝缘纸的击穿强度Fig.3 Breakdown strength of oil-impregnated insulation paper

2.2 影响因素的主次顺序及协同作用分析

2.2.1 极差分析和方差分析

通过极差和方差分析对正交试验结果进行分析，结果见表3和表4。极差（R）是一个因素在各个水平下指标结果的最大值和最小值的差值，可以表示各因素水平发生改变时，指标的变化程度。R越大，表示该因素对指标的影响越大。由表3中极差R可知，4种因素对绝缘纸击穿强度的影响程度由大到小依次为：打浆度（A）、打浆负荷（B）、干燥方式（D）、定量（C）；对油浸绝缘纸击穿强度的影响程度由大到小依次为：打浆度、定量、打浆负荷、干燥方式。表3中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示一个因素的某个水平下指标响应之和，可以表示因素的最佳水平，若指标的结果越大越好，则选择能够使得该指标最大的那个水平。对于绝缘纸，打浆度为80°SR，打浆压力为4 kg，定量为70 g/m2，真空干燥得到的试样具有较高的击穿强度；对于油浸绝缘纸，打浆度为80°SR，打浆压力为4 kg，定量为120 g/m2，真空干燥得到的试样具有较高的击穿强度；符合这样组合的11号样品的击穿强度也是最高的。

表3 极差分析结果Tab.3 Results of range analysis

表4 绝缘纸方差分析结果Tab.4 Results of variance analysis for insulation paper

从表4可以看出，打浆度的F(2,6)=17.783，P＜0.01；打浆负荷的F(1,6)=1.604，P＞0.05；定量的F(1,6)=0.478，P＞0.05；干燥方式的F(1,6)=1.594，P＞0.05；可见打浆度高度显著影响，为主要影响因素，打浆负荷、定量和干燥方式则影响较小。从表5可以看出，打浆度的F(2,6)=54.058，P＜0.01；定量的F(1,6)=18.573，P＜0.01；打浆负荷的 F(1,6)=7.647，P＜0.05；干燥方式的F(1,6)=1.210，P＞0.05；可见打浆度和定量高度显著影响，打浆负荷显著影响，这三者为主要影响因素，干燥方式则影响较小。方差分析与极差分析结果一致，因为方差分析利用了较全的信息，考虑了误差的大小，所以更加准确可靠。综合各种因素，提高打浆度，使用较高打浆负荷，并根据使用条件选择相应的定量，可提高绝缘纸的击穿强度。需要注意所得到的“最优方案”，只是在试验所用水平下，优选结果不会超越所取水平的范围[11]。

表5 油浸绝缘纸方差分析结果Tab.5 Results of variance analysis for oil-impregnated insulation paper

2.2.2 因素协同影响分析

绘制绝缘纸和油浸绝缘纸的击穿强度随打浆度、打浆压力、定量和干燥方式的变化曲线，即交互作用关系图，结果见图4和图5。图中纵坐标为击穿强度值，横坐标为各因素不同的水平（详见表1～2）。各因素间交互协同作用的大小可以由交互作用关系图中各条曲线之间的不平行程度表示[14]。图4的曲线中，打浆压力和干燥方式之间平行，其他因素之间都不平行，说明除了打浆压力和干燥方式之间，各因素对绝缘纸击穿强度的影响并不是相互独立的。图5中的曲线之间均不平行，说明4个因素间存在协同效应，各因素对油浸绝缘纸的击穿强度影响并不是相互独立的。

2.3 绝缘纸的失效规律

图4 绝缘纸交互作用关系图Fig.4 Relation graph of interactions for insulation paper

图5 油浸绝缘纸交互作用关系图Fig.5 Relation graph of interactions for oil-impregnated insulation paper

绝缘纸发生击穿会导致绝缘失效，进而影响电网的安全。由于固体绝缘材料的击穿是一种随机现象，在给定的实验条件下，获得的击穿强度数据具有一定的分散性。IEEE 930-2004推荐采用Weibull分布统计分析方法来分析绝缘纸的击穿强度数据，并对不同的绝缘纸进行比较，预测在给定的电压下击穿的概率[15]。

图6和图7分别为不同制备工艺的绝缘纸和油浸绝缘纸击穿强度的Weibull概率分布图。从图6～7可以看出，所有数据点都均匀分布在直线上，表明击穿强度数据通过Weibull分布充分性检验，认为绝缘纸和油浸绝缘纸的击穿强度很好地服从双参数Weibull分布。

图6 绝缘纸的Weibull概率分布图Fig.6 Weibull plots for insulation paper

图7 油浸绝缘纸的Weibull概率分布Fig.7 Weibull plots for oil-impregnated insulation paper

Weibull分布常用于分析绝缘纸击穿数据的分布规律或绝缘的失效规律[16]。利用Weibull概率密度函数可以推导出失效分布模型，如式（1）所示。

式（1）中：x是击穿电压或击穿时间；F(x)是在击穿电压或时间小于或等于x时的失效概率；α是尺度参数；β是形状参数。

Weibull分布的尺度参数α代表失效概率为63.2%时的击穿强度或击穿时间；形状参数β代表击穿强度数据的分散性，β越大，击穿强度的分散性越小。采用极大似然估计法估算尺度参数α和形状参数β[15]，结果如表6所示。

表6 Weibull分布失效模型的尺度参数α和形状参数βTab.6 Scale and shape parameters of Weibull plots of failure probability

由表6可知，绝缘纸的尺度参数α从8.530 kV/mm增加到17.809 kV/mm，油浸绝缘纸的α从25.318 kV/mm增加到58.746 kV/mm。绝缘纸和油浸绝缘纸α的变化规律与图2和图3的击穿强度中位数的变化规律相同。因此击穿强度的Weibull尺度参数α与中位数均可用于描述绝缘纸的击穿强度。绝缘纸的β普遍大于油浸绝缘纸的β，说明绝缘纸击穿强度的分散性普遍小于油浸绝缘纸击穿强度的分散性。这可能是由于油浸绝缘纸在完成浸油后，表面多余的油去除不充分，有残余变压器油，导致测得的击穿强度数据分散性变大。随着打浆度的提高，绝缘纸的β逐渐变小，即绝缘纸击穿强度数据的分散性变大；油浸绝缘纸的β逐渐变大，即油浸绝缘纸击穿强度数据的分散性变小。

2.4 制备工艺对绝缘纸击穿强度的影响机理

从绝缘纸的击穿理论来说，绝缘纸不是单纯的固体，它具有三维多孔结构。无论以浸油状态还是初始状态进行击穿强度试验，实际上都是以混合结构形式出现。绝缘纸击穿强度受纸张这种三维多孔结构的影响极大。制备工艺对绝缘纸击穿强度的影响，实际上是对纸张三维多孔结构产生影响，从而造成击穿强度的变化。

为分析制备工艺对绝缘纸击穿强度的影响机理，测定绝缘纸的紧度和吸油率，结果如图8所示。同时，利用日立先端科技有限公司生产的S-3400N型扫描电子显微镜对低打浆度（50°SR）和高打浆度（80°SR）的绝缘纸表面进行微观结构观察，结果如图9所示。由图8可以看出，随着打浆度的提高，绝缘纸的紧度整体呈上升趋势。干燥方式对紧度的影响也较大，真空干燥的紧度大于烘缸干燥，绝缘纸样品紧度之间的极差为0.2 g/cm3。随着打浆度的提高吸油率整体呈下降的趋势。对比紧度和吸油率可以看出，紧度越大，吸油率越低，反之，吸油率越高。表明吸油率与紧度之间直接相关，紧度大小会直接影响吸油率。H P MOSER[17]认为在纤维间空气质量忽略不计时，可以用紧度直接计算得出绝缘纸的吸油率，如式（2）所示。

式（2）中：α为吸油率；ρ油、ρ纤维和ρ纸分别代表绝缘油、纤维和绝缘纸的密度。

本实验结果与该结论一致。定量直接影响绝缘纸的厚度，定量越高，绝缘纸的厚度越大。厚度是影响击穿强度的重要参数，其主要是通过影响吸油率从而影响击穿强度[18-19]，所以定量对油浸绝缘纸的影响显著。

图8 绝缘纸的紧度和吸油率Fig.8 Density and oil absorbtion of insulation paper

图9 样品的表面扫描电镜图Fig.9 Scanning electron microscope(SEM)pictures

从图9可以看出，低打浆度的样品，纤维间排列疏松，空隙较大，样品表面比较粗糙；高打浆度的样品，纤维排列紧密，空隙变小，样品表面相对平滑。这是因为打浆使纤维发生次生壁中层（S2）位移和变形，以及初生壁和次生壁外层（S1）破除和纤维的切断，使纤维吸水润胀和发生细纤维化，另外还会产生纤维碎片，使纤维产生扭曲、卷曲、压缩和伸长等变形[20]。在打浆过程中会使纤维发生细纤维化，细纤维化主要有内部和外部细纤维化两种，并且主要发生在S2-S2层；外部细纤维化使得纤维发生分丝帚化，极大地增加了纤维的比表面积，有助于氢键的结合；内部细纤维化可以使纤维的刚性削弱，变得柔软[20]。在干燥过程中形成氢键，对水分子扩散渗透具有更强的抵抗作用，且对强电场作用下被加速的电子、离子具有屏蔽作用。合理的打浆会使得绝缘纸内具有较多的浅陷阱，在恒定电场作用下，浅陷阱能使绝缘纸内部空间电荷难积聚、易消散，使得绝缘纸陷阱电荷量减少[4]。由于打浆对纤维有切断作用，使得细小纤维的含量增多，进而可以填补纤维之间的空隙，使孔隙率降低，提高击穿强度。这些变化将导致绝缘纸和油浸绝缘纸的击穿强度增加。