图1 纸板表面/体积电阻率测量原理
Fig.1 The measuring principle for the volume/surface resistivity of pressboard
摘要 高密度电工纸板作为电力/换流变压器等大型电力设备的主要绝缘材料，其性能直接影响电力设备甚至电网系统的安全稳定运行。为解决高密度电工纸板的绝缘性能参差不齐、缺少性能评价及纸板遴选方法等实际问题，该文搭建电工纸板关键介电特性测试平台，选取相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电特性，针对五种国内外主流绝缘件供应商提供的高密度电工纸板进行完整测试，并获得温度、水分等外界条件对其影响规律，进行量化关系拟合和物理解释，测试结果表明：①随着纸板温度和水分含量的增加，纸板的相对介电常数增加，最大增幅可达55.85%，不同种类纸板受外界因素影响程度差异较大，最大可达22.05%；②随着纸板温度和水分含量的增加，纸板的体积/表面电阻率逐渐降低，最大降幅可达98.25%，且不同种类纸板性能受外界因素的影响程度同样存在巨大差异，最大可达94.32%；③同一种类纸板的不同批次试样之间的介电特性差异明显；④利用电工纸板常规理化性能的测试结果对不同种类纸板之间的介电特性差异进行分析。该文利用测试所得多维度、多指标、多环境变量的电工纸板介电特性数据，建立基于介电特性的高密度电工纸板性能评价方法，横向比较了不同绝缘纸板产品的介电特性，对电力设备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据支持和技术参考。
关键词：高密度电工纸板 介电特性 理化特性 影响因素 评价方法
随着超特高压工程的迅速发展，电网容量不断增大，常规变压器和换流变压器的运行电压等级逐渐提高，其内部绝缘问题越来越受到国内外研究学者的重视。如变压器等关键设备的绝缘破坏是导致电网运行故障的首要原因之一，而80%左右的变压器故障源自内部绝缘结构或绝缘材料的破坏、击穿、闪络等，从而造成设备故障并严重影响供电安全，同时对社会的生产生活带来巨大损失[1-2]。
大型电力变压器或换流变压器的主绝缘结构为变压器油和高密度绝缘纸板组成的典型油纸复合绝缘[3]。其中，高密度绝缘纸板由天然植物纤维、矿物纤维、合成纤维及其混合物组成，在水或其他流体介质下将纤维素沉积在造纸机上，通过锻压、烘干、打磨等工序形成的薄片状纸材料[4]。它具有伸缩率小、密度高、抗撕裂强度大、绝缘特性优良等特点，因而被广泛地应用于电力变压器、发电机、电容器等电力设备中[5-6]。在电力设备的运行过程中，高密度电工纸板会承受多场耦合应力的长时间作用，如温度场、直流电场、交流电场、交直流复合电场及冲击电场等。因此，高密度电工纸板的关键介电特性及其随温度、水分等外界条件的变化规律将直接或间接影响到相关设备的运行可靠性、安全性和使用寿命。
随着国内特高压电网建设步伐的加快，高密度电工绝缘纸板的需求量也逐渐增大，目前国内主流绝缘材料生产企业的产品被广泛应用于交流750kV及以下电压等级的电力设备中，但诸如在特高压工程中的换流变压器等关键电力装备中，高密度纸板等关键绝缘材料却严重依赖于进口，从而增加了设备制造成本和生产应用周期[4, 7]。现阶段，国家大力推进重大电力装备的国产化进程，而国产电工绝缘纸板性能参差不齐，且缺少与国外竞品的有效对比，如何精确、有效地对其关键介电性能进行评估，以指导绝缘材料的加工制造和应用遴选，并有效地推动其在特高压电力设备中的应用是当前亟待解决的关键问题。
国内外已有研究学者针对电工绝缘纸板相关性能进行研究。西安交通大学的詹绪海、于钦学等研究了不同电场强度、不同温度下变压器油浸纸板积电阻率的变化规律[8]；哈尔滨工业大学陈庆国等通过研究含水率对绝缘纸板电阻率和介电常数的影响，推演得到其对复合电场下油纸绝缘电场分布的影响[9]；中国电力科学研究院的徐征宇、李光范等针对换流变压器油浸纸板的不同吸油率和相对介电常数之间的关系[10]，利用计算机软件进行仿真；Chandima Ekanayake和Kzysztof Walczak等研究指出低频段内油浸纸板的相对介电常数与介质损耗会随着试品微水含量的增加而增大，运行温度对油纸绝缘的FDS测试结果有很大的影响[11]。已有的研究仅仅针对某一种绝缘纸板的某一单独特性，缺乏外界因素对纸板性能影响规律的系统研究、不同种类纸板性能的横向对比研究以及相同种类纸板性能稳定性等关键研究，难以形成完整的纸板性能评价方法和评价体系，无法真正应用到工程实践中。
本文针对五个国内外主流换流变压器绝缘材料供应商提供的高密度电工纸板，进行了相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电特性的系统测试，并获得了其随温度、水分等外界条件变化的规律和机制，利用纸板理化特性测试结果对不同纸板的介电特性差异进行了分析讨论。本文通过对测试所得到的大量数据进行分析，提出了一种基于介电特性的高密度电工纸板性能评价方法，可为大型电力装备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据和技术支持。
变压器油纸绝缘结构的运行工况十分复杂且恶劣，油纸绝缘系统作为大型换流变压器内部及其高压出线油浸套管的主要绝缘形式，在运行过程中主要承受交直流复合电场及极性反转电场，造成其与普通的电压变换电力变压器绝缘结构设计和绝缘水平要求有很大的不同[12-15]。在静态直流电场中，电场强度依据绝缘介质的绝缘电阻呈正比分布；在动态交流电场中，电场强度依据绝缘介质的相对介电常数配比呈反比分布。换流变压器等大型设备在长期运行过程中，其内部运行环境（温度和湿度等）的变化会对绝缘纸板的介电特性造成影响，甚至降低整体绝缘性能[16-18]。因此，本文选择相对介电常数、体积/表面电阻率作为纸板的介电特性测试指标，纸板温度和含水量作为影响因素，各项指标对绝缘纸板性能的具体表征如下：
（1）相对介电常数。纸板的相对介电常数可用来表征电介质的极化强弱，与电介质分子的极性强弱有关，其数值的大小与绝缘结构的电场分布、电荷积聚等特性息息相关，且其还受到温度、水分等外界因素的影响。
（2）纸板表面电阻率、体积电阻率。电介质的表面/体积电阻率是表征介质导电性能的宏观参数，介质内部载流子浓度和载流子迁移率决定了纤维素高分子聚合绝缘纸板的电阻率特性。在纸板的加工过程中，难免会掺杂微量杂质形成载流子，除此之外，少量未参与化合过程的单体以及各种添加剂中，同样存在少量载流子。迁移率指的是载流子在介质聚合物内部的定向运动，其运动能量的高低与体积、温度、湿度等有很大关系。例如，电力设备运行温度升高时，微观上表现为分子热运动加强，载流子与其他分子碰撞程度增强，弛豫时间缩短，在宏观上就表现为绝缘介质电阻率数值下降。因此电阻率数值及其随温度、水分等条件的变化可以灵敏地反映绝缘介质的电导能力，是衡量纸板介电特性的重要指标。
综上所述，本文选择高密度电工纸板的相对介电常数、体积电阻率、表面电阻率等关键参数构成介电特性测试指标。
对于高密度电工纸板介电特性测试中的待测试样的选取、测量方案的制定、测量平台的搭建，本文严格遵循GB/T 1409—1988《固体绝缘材料在工频、音频、高频下相对介电常数和介质损耗因数的测试方法》、GB/T 1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》、IEC 60243—1《2013Electrical strength of insulating materials test methods Part 1: Tests at power frequencies》等标准规定，确保了试验的一致性和数据的准确性[19-21]。
1）表面/体积电阻率测试平台
电工纸板的表面/体积电阻率测试原理和测试平台示意图如图1和图2所示，电阻率测量三电极系统主要由直流电源、试验腔体和数据采集设备构成，直流电压为Matsusada AMS-10B2稳压直流源，其可输出-10～+10kV直流电压，纹波系数小于0.1%，稳定度0.016%；试验腔体密封设计，其温度控制模块由水浴加热系统和温度比例积分谐振（Proportion-Integral-Differential, PID）控制构成，温度控制精度可达1.0℃；三电极系统为黄铜电极；电流采集装置为Keithley 6514可编程静电计，内阻小于1W，电流测量精度为0.1pA。
图1 纸板表面/体积电阻率测量原理
Fig.1 The measuring principle for the volume/surface resistivity of pressboard
图2 纸板电阻率测量平台示意图
Fig.2 Schematic diagram of pressboard resistivity measuring platform
2）相对介电常数测试平台
本文采用瑞士Haefely公司的2830/2831固液体温控相对介电常数测试仪进行高密度电工纸板的相对介电常数的测试，其相对介电常数测试范围为1～30，测量精度为0.001pF；温度控制范围常温约为250℃，控制精度为0.1℃。
实际运行的变压器油纸绝缘结构，会根据运行要求、制造成本等因素，采用不同供应商的纸板进行混用。因此，本文共选取五个国内外主流绝缘材料供应商提供的换流变压器高密度电工纸板作为测试对象，分别标注为纸板A、纸板B、纸板C、纸板D、纸板E，每个测试项目的样本数量为10，测试结果为所有样本测试平均值。
在体积/表面电阻率的测试中，测试方案严格遵守GB/T 1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》的要求，其中测试电压选择为+1kV直流电压，体积电阻率的测试时间为电流达到稳态时间，表面电阻率测试时间为1min[20]；在相对介电常数的测试中，测试电压选择为2kV交流电压，电压频率为50Hz。
在变压器的绝缘结构制造、装配过程中，要求绝缘纸板中水分含量小于＜1.0%，但由于在安装或维修过程中，器件本身难免暴露在大气中，会导致纸板内水分含量增加，同时在长期运行过程中，变压器油、纸老化、裂解也可产生一定量的水分，导致变压器中局部绝缘纸板的水分质量分数有可能达到7%以上[22]。因此，本文选择的纸板测试水分梯度为1.0%、3.0%、5.0%和7.0%。变压器的正常运行环境在-40～40℃，但其内部自身发热，会导致内部运行温度高于环境温度，通常在95℃以下[23]。本文综合考虑变压器运行环境、气候条件、海拔地区等因素，选择的测试温度梯度为20℃、40℃、60℃和80℃。对于纸板温度的控制，本文利用温度可控的电阻率和介电常数测试仪进行精准控制；而对于纸板水分含量的控制，本文采用了可编程恒温恒湿箱，温度调节范围为-40～150℃，相对湿度调节范围为20%～98%，具体的水分平衡过程和时间，则参照文献[24]的研究结果。对于纸板水分含量的测试，本文选择了瑞士万通集团的卡尔费休水分测定仪KF831。综上所述，本文所采用的具体试样数量和测试条件见表1。
表1 测试对象和测试条件
Tab.1 Test samples and test conditions
纸板供应商测试项目试样数量温度/℃水分(%) A/B/C/D/E 相对介电常数、体积/表面电阻率1 50020, 40, 60, 801, 3, 5, 7
在温度对纸板介电特性影响的测试中，测试温度梯度的选择为20℃、40℃、60℃和80℃，不同纸板的相对介电常数、体积/表面电阻率的测试结果如图3所示。
不同温度（20～80℃）下测试结果表明：
（1）随着温度的增加，纸板的相对介电常数逐渐增加，纸板B的增幅最大为9.01%，纸板E增幅最小为3.37%；20℃时，纸板C的相对介电常数最大为3.35，B纸板相对介电常数最小为3.22，两者相差4.03%；80℃时，纸板D的相对介电常数最大为3.64，绝缘纸板E相对介电常数最小为3.37，两者相差7.42%。
图3 纸板关键介电特性随温度的变化规律
Fig.3 The variation of key dielectric properties of pressboard with temperature
（2）随着温度的增加，纸板的体积/表面电阻率逐渐降低。体积电阻率方面：纸板C的降幅最大为97.56%，纸板A的降幅最小为90.03%；在20℃时，纸板C的体积电阻率最大为7.18×1014W·m，纸板D体积电阻率最小为2.29×1014W·m，两者相差68.11%；80℃时，纸板A的体积电阻率最大为3.34× 1013W·m，纸板D体积电阻率最小为1.16×1013W·m，两者相差62.27%。表面电阻率方面：纸板C的降幅最大为97.60%，纸板D的降幅最小为77.16%；在20℃时，纸板C的表面电阻率最大为7.51×1016W，纸板D表面电阻率最小为2.89×1016W，两者相差61.52%；80℃时，纸板A的表面电阻率最大为0.66× 1016W，纸板B表面电阻率最小为0.14×1016W，两者相差78.79%。
由图3可以得到，纸板相对介电常数及体积/表面电阻率随温度变化趋势可表示[9, 25-26]为
（1）
（2）
式中，eP(T)和rP(T)分别为不同温度下纸板的相对介电常数和体积/表面电阻率；A1和A4分别为常温下（本文为20℃）纸板相对介电常数和体积/表面电阻率；A2和A5为常数，与纸板内部载流子相关特性有关；A3和A6为与纸板特性及其温度有关的温度指数（K），同样与纸板内部载流子相关特性有关；T为纸板温度（K）[26]。
温度对绝缘纸板介电特性影响规律的解释如下：
（1）当纸板温度较低时，纸板内极性分子热运动很弱，处于冻结状态，弛豫时间很大，来不及随外加交变电场定向，仅仅出现了电子位移极化。随着温度的增加，分子热运动增加，弛豫时间降低，与热运动有关的松弛极化可以很快建立，使得相对介电常数逐渐增大。
（2）变压器纸板在加工制造的过程中，难免会掺入少量杂质离子，随着温度的升高，杂质离子的活化能逐渐降低，且离子开始发生定向迁移，导致电导电流增加，体积电阻率下降。从能带论观点来看，无论是在纸板的实际运行环境还是电阻率测量过冲中，金属电极在电场作用下均会向纸板中注入载流子，随着温度的增加，电子热发射现象逐渐增加，同样会导致电流增加，电阻率下降[27]。
在纸板含水量对介电特性影响的测试中，纸板水分梯度的选择为1.0%、3.0%、5.0%和7.0%，不同纸板相对介电常数、体积/表面电阻率的测试结果如图4所示。
不同水分（1.0%～7.0%）下测试结果表明：
（1）随着纸板水分含量的增加，纸板的相对介电常数逐渐增加，E纸板增幅最大为97.42%，B纸板增幅最小为55.85%；水分含量1.0%时，绝缘纸板A的相对介电常数最大为3.35，绝缘纸板B相对介电常数最小为3.22，两者相差2.98%；水分含量7.0%时，绝缘纸板E的相对介电常数最大为6.44，绝缘纸板B相对介电常数最小为5.02，两者相差22.05%。
图4 纸板关键介电特性随纸板水分含量的变化规律
Fig.4 The variation of key dielectric properties of pressboard with different water-content
（2）随着纸板水分的增加，纸板的体积/表面电阻率逐渐降低。体积电阻率方面：纸板D的降幅最大为98.25%，纸板B的降幅最小为88.25%；水分含量为1.0%时，纸板C的体积电阻率最大为7.18× 1014W·m，纸板D的体积电阻率最小为2.29×1014W·m，两者相差68.11%；水分含量7.0%时，纸板C的体积电阻率最大为7.05×1013W·m，纸板D的体积电阻率最小为0.4×1013W·m，两者相差94.32%。表面电阻率方面：纸板C的降幅最大为95.82%，纸板B的降幅最小为84.26%；在水分含量为1.0%时，纸板C的表面电阻率最大为7.22×1016W，纸板D表面电阻率最小为2.63×1016W，两者相差63.57%；当水分含量增大到7.0%时，纸板C的表面电阻率最大为0.92× 1016W，纸板D的表面电阻率最小为0.11×1016W，两者相差88.04%。
与不同温度下纸板介电特性的测试结果类似，由图4可以得到，纸板相对介电常数及体积/表面电阻率随纸板水分含量变化趋势可表示[9, 25]为
（3）
（4）
式中，eP(W)和rP(W)分别为不同水分含量下纸板的相对介电常数和体积/表面电阻率；B1和B4分别为低水分含量下（本文为1.0%）纸板相对介电常数和体积/表面电阻率；B2和B5为常数，与纸板内部载流子特性有关；B3和B6为与纸板特性及其水分含量有关的参数（%），同样与纸板内部载流子特性有关；W为纸板水分含量（%）[25]。
水分含量对绝缘纸板介电特性影响规律的解释如下：
（1）纸板中水分含量的增加导致了纸板内载流子数目的增加，且减弱了纸板内分子间的相互作用，在外施电场作用下，进行定向运动的载流子数量增加，从而使得极化速度加快，介电响应的弛豫时间降低，增大了相对介电常数，并且水介电常数比纸板高得多，当纸板水分含量增加时，其相对介电常数也同样逐渐增加。
（2）纸板中电导以离子电导为主，当纸板的水分含量增加时，导致其内部“杂质”离子浓度增加，加速了离子迁移过程，导致电导电流增加，并且水的电阻率较低，降低了纸板的电阻率[28]。
2.3.1 同一类型纸板介电特性稳定性分析
绝缘纸板作为换流变压器等大型油纸绝缘电力装备的主要绝缘介质，其应用部位多样，且纸板尺寸、形状不一，而不同部位的绝缘纸板大多由同一类型、不同批次的大张纸板剪裁而成。因此，同一厂家制造的不同批次纸板的性能稳定性对于维持换流变压器等油纸绝缘装备的稳定运行至关重要。
本文随机抽样了五个绝缘纸板供应商提供的不同批次的绝缘纸板，每种纸板抽取5个批次，每个批次抽取5个待测试样，分别测试了纸板的相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电参数，并选取测试结果的方差，对同一类型纸板的介电特性稳定性进行对比、分析。本文以常温/低水分条件下的测量结果为例，得到的同一纸板、不同批次介电特性测试结果分散性的对比见表2。
表2 同一类型、不同批次纸板介电特性测试结果方差（20℃、1.0%水分含量）
Tab.2 Variance of dielectric properties test results for different batches of pressboard (20℃, 1.0% water-content)
纸板测试结果方差 相对介电常数体积电阻率(pu)表面电阻率(pu) A0.0010.2050.022 B0.0300.6180.016 C0.0010.0320.003 D0.0490.5230.017 E0.0010.0410.011
表2的测试结果表明：①对于相对介电常数，纸板D的不同批次纸板的测试结果方差最大，为0.049，纸板A、C、E测试结果方差均最小为0.001；②对于体积电阻率，纸板B和纸板D的不同批次纸板的测试结果方差较大，纸板C测试结果方差最小为0.032；③对于表面电阻率，纸板A和纸板D的不同批次纸板的测试结果方差较大，纸板C测试结果方差最小为0.003。综合三项测试结果，纸板D的介电特性稳定性较差，而纸板C的介电特性稳定性较好。
2.3.2 不同类型纸板介电特性差异性分析
从2.1节和2.2节的测试结果中可以看出，不同类型纸板之间的性能差异比较明显，最大偏差甚至可以达到98.25%。由于换流变压器纸板绝缘结构复杂、多样，在实际应用中，往往采取不同厂家的绝缘材料进行复合应用，因此，对于不同类型纸板介电特性的差异性分析能够有效地指导绝缘纸板的生产、应用过程。
综合考虑本文选择的相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电参数，在不同纸板介电特性的差异分析中，选择了表观密度、水萃取液电导率、聚合度等理化特性指标，各项指标对绝缘纸板性能的具体表征如下：
（1）表观密度为某绝缘纸板质量和体积的比值，其表征了绝缘纸板的致密性好坏，其数值越大表示性能越优良[29]。
（2）水萃取液电导率为绝缘纸板纤维素水溶物的电导数值，表征了绝缘纸板中金属颗粒的微观含量，会直接影响到纸板的相对介电常数和电阻率等关键介电特性，其数值越小表示性能越优良[29]。
（3）聚合度（Degree Polymerization, DP）：绝缘纸板的原材料是木材纸浆，主要成分为多个葡萄糖环（(C6H10O5)n）的单体组成链状多分子化合物的纤维素，其中n为聚合度。对于长期运行中的绝缘纸板，纸板原材料不同的聚合度会导致纸板中的杂质、水分、气体的不同以及其受温度、水分的影响程度的不同，直接影响其介电特性的差异[30]。
本文在上述理化特性测试中，对待测试样选取、测量方案的设计和测量平台的搭建等严格遵循GB/T 19264.3—2013《电气用压纸板和薄纸板》、GB/T 450—2008《纸和纸板 试样的采取及试样纵横向、正反面的测定》、GB/T 462—2008《纸、纸板和纸浆 分析试样水分的测定》、GB/T 451.2—2002《纸和纸板定量的测定》、GB/T 1548—2016《纸浆 铜乙二胺（CED）溶液中特性粘度值的测定》以及GB/T 29305—2012《新的和老化后的纤维素电气绝缘材料粘均聚合度的测量》等标准的规定[31-36]，确保了试验的一致性和数据的准确性。纸板关键理化特性的关键测试仪器及测试方法如下：
（1）表观密度：试样尺寸测试仪器为外螺旋型测微计和游标卡尺，其测定面平面度小于0.001mm，平行度小于0.003mm，测量分辨率为0.01mm[31]；试样质量测试仪器为万分之一天平，其质量测量分辨率为0.1mg。
（2）水萃取液电导率：测量采用电导率测试仪量程为0.02～100mS/m，准确度1%，具有温度补偿功能，温度显示范围为0～100℃（分辨率0.1℃）；电导率测定范围为0.02～100mS/m；带回流冷凝器的广口锥形瓶由耐酸耐碱玻璃制成，容积为250mL；测量所用空白液为专门制备的超纯水，其电导率为0.18mS/m，符合试验要求。测试时，将尺寸、质量符合标准要求的纸板试样放入装有100mL空白液的带回流冷凝器的玻璃锥形瓶中，缓缓煮沸60min后使其冷却至室温，在20℃环境中测定纸板水样的水萃取液电导率，取3次测试结果平均值为最终数据[31]。
（3）聚合度：在纸板聚合度测试中，铜乙二胺溶液的制备、毛细管粘度计等测试仪器的校正等严格按照标准规定进行[35-36]。其关键测量步骤如下所示：将符合标准要求的试样置于溶解瓶中，加入一定的蒸馏水和紫铜片，摇荡溶解瓶至试样完全分散，并加入铜乙二胺溶液排尽瓶中的空气，再次摇荡至试样完全溶解，将溶解瓶置于恒温水浴中，使其温度保持在25℃后，将溶液置于粘度计中，利用秒表测量试样溶液自粘度计流出的时间，得到试样溶液的相对粘度h/h，并根据相应标准计算得到聚合度，取3次测试结果的平均值作为最终纸板聚合度数据[37]。
本文测试所得不同绝缘纸板的理化性能及其测试结果稳定性结果及方差见表3。
表3 不同种类纸板理化特性测试结果及方差
Tab.3 Test results and its variance of physical and chemical properties of different kinds of pressboards
纸板表观密度/ (g/cm3)（样本测试 数据方差）水萃取液电导率/ (mS/m)（样本测试 数据方差）聚合度/ (mL/g)（样本测试 数据方差） A1.035(2.74×10-6)2.31(3.56×10-4)1 631.5(2.65) B1.073(7.17×10-5)1.85(6.96×10-4)1 688.0(18.00) C1.090(1.69×10-6)1.78(1.85×10-4)1 701.4(2.85) D1.018(1.02×10-4)2.27(4.74×10-3)1 624.5(31.25) E1.072(6.21×10-6)1.85(1.41×10-4)1 635.1(7.69)
由绝缘纸板的理化特性测试结果可以看出，在表观密度方面：纸板C表观密度最大，纸板D表观密度最小，二者偏差为6.61%；在水萃取液电导率方面，纸板C纸板最小，纸板A最大，二者偏差为22.94%；在纸板聚合度方面，纸板C的聚合度最大为1 701.4，纸板D的聚合度最小为1 624.5，二者偏差为4.52%；不同纸板理化性能的稳定性测试结果与2.3.1节中介电特性测试结果类似，纸板D的理化性能稳定性较差，而纸板C的理化性能稳定性较好。综合对比介电特性和理化特性的测试结果，不同纸板在理化特性方面的差异与其介电特性的差异保持较好的吻合度和一致性。
根据前述对不同纸板的介电特性测试可以看出，不同纸板的性能差异明显，但各有所长，且相同供应商提供的不同批次纸板的性能同样存在差异。因此，在进行绝缘纸板的应用遴选时，应合理设置遴选条件，保证纸板综合性能稳定，本文提出的基于关键介电特性的绝缘纸板性能综合评价流程如图5所示。评价对象选取五种绝缘纸板，均挑选同一类型、同一电压等级、同一大小规格的多个试样，进行大量、多维度、单一环境变量的测试，从而保证基础测试数据的准确可靠。
如图5所示，首先对测试所得全部介电特性原始数据进行无量纲化处理，根据不同温度、水分条件下对应的五种绝缘纸板的介电特性测试数据的标准差确定单一环境变量下的相对权重，而后对每一类型纸板不同介电特性的得分进行加权求和，得出不同温度、水分条件下基于介电特性的五种纸板综合性能得分，具体过程如下。
图5 绝缘纸板介电性能评价流程
Fig.5 Flow chart of performance evaluation method for insulating pressboard based on key dielectric properties
介电特性平均样本由五种绝缘纸板的相对介电常数、体积电阻率、表面电阻率3个评价指标下的测试数据构成，每个评价指标又包含了温度（20℃、40℃、60℃、80℃）、水分（1%、3%、5%、7%）等环境变量，其每个指标下对应的数据矩阵为
（5）式中，DP为不同介电参数测试结果的数据矩阵，对于相对介电常数、体积电阻率、表面电阻率测试结果，其分别定义为P、Rv、Rs；Xni为不同温度下测试结果；Ynj为不同水分下测试结果；n为不同类型纸板样本编号（1～5对应纸板A～E）；i对应四种温度条件（1～4分别对应20℃、40℃、60℃、80℃），j对应四种纸板水分含量条件（1～4分别对应1.0%、3.0%、5.0%、7.0%）。
不同试验数据有着不同的单位制，为了统一进行数据运算。在温度为20℃，纸板水分含量为1.0%条件下，以纸板A相对介电常数测试结果为例，数据的无量纲化处理过程[38]为
（6）式中，x11代表20℃，纸板水分含量为1.0%条件下纸板A的相对介电常数测试原始数据；x11～x51代表相同条件下不同类型纸板相对介电常数测试原始数据，测试所得的不同测试结果；
代表无量纲化后的纸板A相对介电常数数据。经过式（6）的无量纲化处理后，将式（5）中的[XniYnj]矩阵转化为
，用于后续的数据处理。
本文测试结果表明，不同类型纸板的关键介电参数受温度、水分的影响程度差异较大，且在同一温度、水分条件下，其性能同样存在较大的差异。因此，本文选择同一温度、纸板水分含量条件下不同类型纸板数据的标准差作为纸板性能评价方法的权重。由于每个介电特性指标存在两个环境变量，即温度、水分，因此，在进行介电特性指标的权重确定时，需进行分步处理，确定单一环境变量下介电特性数据的相对权重[29, 38-39]。以温度对不同类型纸板相对介电常数的影响为例，绝缘纸板介电性能权重确定方法流程如图6所示。
图6 绝缘纸板介电性能权重确定方法流程
Fig.6 Flow chart of determination for the weighting of each indicator
如图6所示，在不同温度变量测试中，先计算得到20℃时，无量纲化处理后的五种纸板的相对介电常数数据的标准差，即0.006；同理，分别得到40℃、60℃、80℃时五种纸板相对介电常数数据的标准差，即0.007、0.010、0.012；最后，将以上不同温度下相对介电常数数据的标准差进行归一化处理[38-39]，得到的不同温度条件下纸板相对介电常数权重为0.185、0.188、0.276、0.352。同理，对其他变量和指标进行相同方法的权重计算，得到不同温度、纸板水分含量下介电性能权重矩阵（以相对介电常数为例）为
（7）式中，wp1为纸板相对介电常数的权重，对于不同温度、不同纸板水分含量下纸板相对介电常数的权重，其分别定义为wi1和wj1，i代表四种温度条件（1～4分别对应20℃、40℃、60℃和80℃），j代表四种纸板水分含量条件（1～4分别对应1.0%、3.0%、5.0%和7.0%）。
对于介电特性的某一个指标，将处理后的数据样本矩阵左乘其对应的权重列向量，即得到该指标下每个厂家对应的分值为
（8）式中，
和
分别为无量纲化处理后的不同温度和不同水分条件下纸板的介电特性指标；wi1和wj1分别为温度和水分对介电特性的影响权重；
、
分别为不同温度、不同水分含量下的纸板板性能指标。将、对应相加，即得到受温度、纸板水分含量影响下的纸板介电性能综合评价分值
，有
（9）
同理，再将其他介电特性指标进行同样处理，对其结果进行对应相加，即得到基于不同温度、纸板水分含量下纸板介电特性的综合性能平均得分。
利用本文测量得到的大量数据，结合前述提出的纸板性能评价方法，对测试所得到的绝缘纸板的介电特性数据进行分析处理，并基于不同温度、水分下纸板关键介电特性的测试结果，对五种纸板进行了性能评价，具体流程如下：
3.5.1 数据处理和权重确定
本文利用3.2～3.3节的数据预处理和权重确定方法，得到的不同温度、水分条件下绝缘纸板的介电特性权重见表4。
3.5.2 评价分值
将所有经过数据处理后的介电特性数据矩阵，与各个指标的权重列向量进行左乘，得到了不同种类绝缘纸板介电特性得分及性能排序，具体如下所示：
表4 不同温度、水分下绝缘纸板介电特性权重
Tab.4 Evaluation weight of the dielectric properties of insulating pressboard under different temperatures and water-content
权重温度/℃水分(%) 204060801.03.05.07.0 相对介电常数0.1850.1880.2760.3520.0380.1600.3220.479 体积电阻率0.1860.1560.2770.3800.5070.2950.1240.074 表面电阻率0.2280.2100.2470.3150.4650.2610.1890.085
（1）计算得到的五种纸板在相对介电常数部分的指标为0.874 1、0.848 3、0.924 6、0.888 3、0.929 1；五种纸板在体积电阻率部分的指标为0.817 9、0.845 4、1.281 4、0.409 3、0.745 5；在表面电阻率部分的指标为0.744 1、0.781 4、1.280 9、0.702 3、0.522 2。
（2）将上述五种绝缘纸板在不同介电特性的得分对应相加，得到五种绝缘纸板的介电特性综合指标为2.436 1、2.475 1、3.486 9、1.999、2.196 8。可以看出，针对本文所采用的五种高密度电工纸板，在不同温度、水分下其关键介电特性的性能综合排序为C、B、A、E、D。
本文针对国内外主流绝缘器件制造商提供的五种高密度电工纸板进行了关键介电特性的系统测试，揭示了温度、水分等外界因素对纸板不同介电特性的影响规律和机制，综合多特征量信息，本文提出了基于介电性能的纸板性能评价方法，并结合实测结果对不同纸板介电性能进行了评价，主要研究成果和结论如下：
1）综合考量高密度电工纸板的制造工艺、应用环境及运行工况等，本文选取了高密度电工纸板的相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电性能为主要测试指标，选取了温度、水分作为主要环境影响因素，对不同类型的高密度电工纸板进行完整测试，以此构建多维度、多指标、多变量的绝缘纸板介电特性数据库。
2）针对绝缘纸板的介电特性测试，本文测试平台的相对介电常数测量精度可达0.001pF，介损测量精度为1×10-5；为满足高精度的电阻率测量要求，本文自主研发了温控式固液介质体积/表面电阻率测量装置，其温度控制精度为1℃，电流测量精度为0.1pA。
3）随着纸板温度和水分含量的增加，纸板的相对介电常数增加，最大增幅可达55.85%；不同种类纸板受外界因素影响程度差异较大，最大可达22.05%；纸板的体积/表面电阻率逐渐降低，最大降幅可达98.25%，且不同种类纸板性能受外界因素的影响程度同样存在巨大差异，最大可达94.32%；不同类型、同一批次的纸板之间的性能稳定性差别较大；不同类型纸板常规理化性能的测试结果可对其介电特性的差异性进行解释和分析。
4）基于大量的高密度电工纸板介电特性实测数据，本文总结分析每种绝缘纸板不同介电特性指标随温度、水分等因素的变化规律和机理，得到不同变量下介电特性的相对权重，提出了基于介电特性的高密度电工纸板性能平均方法，旨在为电力设备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据支持和技术参考。
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The Key Dielectric Properties and Performance Evaluation Method of High-Density Pressboard for Electrical Purposes
Abstract The high-density electrical pressboard, as the main insulating material for large-scale power equipment such as power/converter transformers, plays an important role in the safe and stable operation of power equipment and power grid systems. However, the high-density pressboard has practical problems, such as varying insulation properties among different types, lack of performance evaluation and selection method. This paper sets up a measurement platform for three key dielectric properties of electrical pressboard, namely the relative permittivity, volume resistivity and surface resistivity. Five kinds of pressboards come from five representative insulating material manufacturers at home and abroad were adopted as the test samples. The influence of external conditions such as temperature and water-content on the dielectric properties was analyzed, and the fitting quantitative relationship and the influencing mechanism were explained. The following conclusions can be drawn through the experimental results. ①With the increase of temperature and water-content of pressboard, the relative permittivity has an obvious increase with a maximum growth percentage of 55.85%. The relative permittivity of different pressboards is greatly affected by temperature or water-content, and the deviation is up to 22.05%. ②The higher the temperature or water-content of pressboard is, the lower the volume and surface resistivity of pressboard, and the maximum resistivity reduction can reach 98.25%. The difference of the resistivity among different pressboards affected by temperature and water-content can reach 94.32%. ③The dielectric properties among different batches of the same type of pressboard are significantly different. ④The test results of conventional physical and chemical properties of pressboard demonstrate the differences in dielectric properties between different types of pressboards. Finally, a performance evaluation method for the dielectric properties of pressboard was proposed. The dielectric properties of different insulating pressboard products were compared horizontally, which could provide data support and technical references for the design of insulation structure and the application selection of insulation materials.
keywords：High-density pressboard, dielectric property, physical and chemical property, influencing factors, performance evaluation
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190799
中图分类号：TM85
高春嘉 男，1991年生，博士研究生，研究方向为空间电场/电荷测量技术、新型介电材料的研制与应用。E-mail: kiddgcj@163.com
齐 波 男，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为电气设备绝缘在线监测与故障诊断、空间电场/电荷测量技术、新型介电材料的研制与应用。E-mail: lqicb@163.com（通信作者）
北京市自然科学基金（3172033）和国家电网公司科技（5200-201955072A-0-0-00）资助项目。
收稿日期2019-07-01
改稿日期 2019-08-22
（编辑 陈 诚）