图1 干式空心电力电抗器结构
Fig.1 The structure of dry-type air core power reactor
摘要 为研究热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响，进行匝间绝缘模型试样操作过电压耐受次数随热老化程度的变化规律试验，得到过电压耐受次数与热老化程度之间的函数模型。根据匝间绝缘模型试样的击穿电压、绝缘电阻、局部放电等电气参量及聚酯薄膜的断裂伸长率、拉伸强度等力学性能参量和表面形貌随热老化程度的变化规律，分析热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响机理。研究结果表明：热老化不会导致匝间绝缘击穿电压、绝缘电阻、局部放电等电气性能的降低；热老化引起的匝间绝缘主材-聚酯薄膜力学性能下降是导致干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性呈指数规律下降的根本原因。该文研究成果为进一步开展多因素联合作用下干式空心电力电抗器匝间绝缘的劣化机理奠定了基础。
关键词：干式空心电力电抗器 匝间绝缘 热老化 操作过电压 累积作用
因电抗器可以起到限流、滤波及无功调节等作用，被大量应用于电力系统中[1-3]。相对于铁心式电抗器，干式空心电力电抗器具有电抗值线性、噪声低、强度高等诸多技术优势，应用广泛[4-6]。但随着运行年限及单台容量的增大，故障率逐步增加[7-8]。在系统中，干式空心电抗器的直接成本相对较低，但其出现突发性绝缘故障会导致变压器等主要设备损毁，影响电网的安全稳定运行[9]。针对干式空心电抗器匝间绝缘故障问题，国内外学者开展了大量研究，主要包括匝间绝缘故障检测方法[10-12]，故障类型统计及故障原因分析[13-15]，干式空心电抗器的操作过电压、投切电动力、温升等相关问题[16-19]。投运后故障率远大于出厂故障率的统计结果表明，干式空心电抗器的匝间绝缘故障主要是投运后逐渐发展形成的[20-21]。因此，研究电抗器匝间绝缘在投运后电、热及机械等应力作用下的劣化机理，为干式空心电力电抗器设计、运行方案的改进提供理论依据，对提高电网安全可靠性具有十分重要的意义。
近年来，部分学者针对干式空心电力电抗器匝间绝缘劣化机理问题开展了一些研究工作，但数量不多。文献[22-24]研究了电抗器包封外表面沿面放电对包封绝缘的破坏机理。文献[25]研究了工频过电压下干式空心电抗器匝间绝缘的电老化特性并分析了老化机理。文献[26]研究了干式空心电抗器匝间绝缘的局部放电特性随着操作过电压累积作用次数的变化规律。文献[27-28]研究了热老化对电抗器匝间绝缘主材聚酯薄膜（单一材料）电气及力学性能的影响机理。文献[29]研究了热老化双层聚酯薄膜空间电荷特性及短时工频击穿特性的影响规律。文献[30]研究了干式空心电力电抗器投切过电压所遵循的规律及投切过电压的累积作用对匝间绝缘局部放电与击穿特性的影响规律。以上研究成果表明，过电压累积作用会引起电抗器匝间绝缘性能劣化，热老化会导致电抗器匝间绝缘主材（聚酯薄膜）力学性能下降。关于热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘耐受操作过电压累积作用能力的影响规律及机理类的研究未见发表。
热老化与操作过电压作为引起干式空心电力电抗器匝间绝缘性能劣化的两个主要原因，理应是研究的重点。本文制作了干式空心电抗器匝间绝缘模型试样，搭建操作过电压累积作用试验系统，测量并分析了模型试样耐受操作过电压累积作用次数随热老化程度的变化规律。根据模型试样击穿电压、绝缘电阻、局部放电等电气参量，聚酯薄膜断裂伸长率、拉伸强度等力学性能参量及表面形貌随热老化程度的变化规律，分析了热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响机理。
综合考虑损耗、容量、散热等问题，干式空心电力电抗器采用多包封、各包封内多支路并联的结构。干式空心电力电抗器整体结构及包封剖面放大结构如图1所示。
图1 干式空心电力电抗器结构
Fig.1 The structure of dry-type air core power reactor
大部分厂家使用BBYL9型聚脂薄膜包膜铝线作为电抗器绕组，裸导线直径4mm，外包三层聚酯薄膜（2/3叠绕）和一层非织布，包绝缘后直径4.67mm。绕制之前先将包膜铝线经过盛有环氧树脂的容器，绕制后固化成型，匝间绝缘为聚脂薄膜-环氧树脂-聚酯薄膜构成的复合绝缘。干式空心电力电抗器匝间绝缘承受的为典型无限长平行圆柱电场，本文制作与实际电抗器匝间绝缘具有相近电场分布特性的模型试样。截取300mm长铝线段，两根导线平行放置，端部开叉。中间有效模拟匝间绝缘的平行部分长度为140mm（远远大于4mm），可视为无线长平行圆柱电场。将铝线段端部20mm长的绝缘去掉裸露出铝导线用于接线，中间平行部分用扎带锁紧。将包膜铝线弯曲的过程中，可能损伤弯曲处的绝缘薄膜。此外，与平行部分相比，弯曲部分电场更加不均匀。因此，使用聚酰亚胺薄膜平滑连续包绕包膜铝线弯曲附近区域以加强绝缘，模型试样结构如图2所示。
图2 模型试样结构
Fig.2 Structural diagram of the model specimen
环氧树脂由基本树脂E-51、固化剂甲基四氢苯酐、催化剂DMP-30，按质量比为100
801配制。充分搅拌并在60℃环境中预处理1h后，涂刷至模型试样表面。将涂刷环氧树脂后的模型试样放置在80℃恒温箱中固化4h后，自然冷却并静止24h后封存，试验时取出。
投切干式空心电力电抗器时，电抗器两端出现的操作过电压为指数衰减振荡波。参考IEC Std. 60076-6，设计并搭建了指数衰减振荡电压发生装置，试验装置高压部分结构如图3所示。图中的直流高压发生器内部包括试验变压器、保护电阻及高压硅堆，采取半波整流工作方式。
按照球隙开关的导通与否，装置分为两个工作过程。工频电源负半个周期，高压硅堆导通，控制球隙开关断开，直流高压发生器、阻尼电阻、主电容、电感线圈构成闭合回路，由于阻尼电阻及电感线圈直流阻抗很小，直流电压全部降落在主电容上，为充电过程；工频电源的正半周期，高压硅堆截止，控制球隙开关导通，主电容经过阻尼电阻对电感线圈放电，形成指数衰减振荡电压。模型试样与电感线圈并联，被施加指数衰减振荡电压。试验中用示波器采集并显示波形，实测波形如图4所示。
图3 指数衰减振荡电压发生装置
Fig.3 Schematic generator for exponential decay oscillating voltage
图4 实测指数衰减振荡电压波形
Fig.4 The waveform of the exponential decay oscillating voltage
在屏蔽室内搭建局部放电测试系统，局放检测仪为哈弗莱公司生产的Hipotronics DDX-7000，采样频率为80MHz，灵敏度为0.1pC。电极系统未接入试样时，电压至测试电压5kV，放电量小于5pC。正式测量时，调压器从0kV开始缓慢加压，在检测仪上观察脉冲信号。当升高电压至某个数值时，若放电量大于5pC且在一段时间内重复出现，记录此电压值为局部放电起始电压，并利用检测仪内部的分析模块采集局部放电特征参数。
干式空心电力电抗器的设计寿命大于20年，实际运行经验表明，运行年限超过8年后其故障率快速增加。考虑工程实际意义，本文假设电抗器实际运行年限为15年，以此为依据制定加速热老化试验方案。国家标准GB/T 20112-2006规定，干式空心电抗器绕组的运行温升限值为60K。取环境的平均温度为20℃，则电抗器长期最高运行温度为80℃。文献[31]得到在对干式空心电力电抗器匝间绝缘进行加速热老化时，温度范围不超过其温升限值185℃条件下的寿命公式为
（1）式中，
为热老化寿命；t为热老化温度。综合考虑老化机理及试验周期，选取160℃进行加速热老化试验。将80℃、160℃两个温度值分别代入式（1）可得，电抗器匝间绝缘的热老化寿命分别为1.224× 106h、3 725h。电抗器在80℃下实际运行15年时，等效于其在160℃下运行，有
（2）
加速热老化试验分成5个周期，每周期老化时间为79.8h，加上未老化共6个时间节点，分别对应于电抗器实际运行0年、3年、6年、9年、12年及15年。老化试验开始前及每个老化周期结束后选12个试样，进行操作过电压（指数衰减振荡电压）累积作用试验，以试样被击穿为寿命终点，以试样所耐受指数衰减振荡电压的累积次数为寿命，去掉最大值和最小值得到10个有效数据。加上12个未老化试样，共完成72个模型试样的过电压耐受试验，得到60个有效试验数据。试验流程如图5所示。
图5 试验流程
Fig.5 Test workflow
国标GB 20112-2006规定，在进行绝缘系统的耐电特性评定时，老化应力水平不少于4，模型试样不应少于5个。为确定试验电压，先对12个试样进行指数衰减振荡电压下的击穿试验，去掉最大及最小值，得10个有效数据的平均值为
（3）标准偏差为
（4）
最小击穿电压估计值为
（5）综合考虑以上试验结果及试验周期，选取14kV指数衰减振荡电压为累积作用试验电压。
按照前述试验方案，得到匝间绝缘模型试样操作过电压耐受次数随加速热老化时间的变化曲线，如图6所示。
图6 过电压耐受次数与加速热老化时间的关系
Fig.6 Variation curve of withstanding numbers of overvoltage with thermal aging time
从图6中可以看出，随着加速热老化时间的增加，热老化程度的加深，匝间绝缘模型试样的操作过电压耐受次数表现出单调下降规律。在加速热老化的第1个周期（等效于干式空心电抗器运行3年），模型试样的操作过电压耐受次数快速下降，在加速热老化的第2～5个周期（运行年限4～15年），模型试样的操作过电压耐受次数依然表现为下降的趋势。与第1个周期相比，下降趋势变缓。总体表现为指数规律下降，按指数规律拟合得到160℃老化温度下模型试样操作过电压的耐受次数与老化时间之间的数学模型为
（6）式中，n为过电压耐受次数（106次）；T为加速热老化时间（s）。
为分析热老化对模型试样操作过电压耐受特性的影响机理，参照图5所示流程进行了三组加速热老化辅助试验，分别测量工频击穿电压、直流击穿电压及指数衰减振荡击穿电压随加速热老化时间的变化情况。选择其中一组共12个试样，未老化及每个加速热老化周期结束后，在进行击穿试验之前测量局部放电参量及绝缘电阻。对未老化试样进行起始局部放电参量测试，起始局部放电电压的平均值约为3.8kV。考虑到热老化后局部放电参数会出现波动，因此测量模型试样4.5kV电压下的脉冲放电重复频率及脉冲平均放电量。每个时间节点共测得12个数据，去掉最大值、最小值后得到10个有效数据。采用归一化的方法将起始局部放电电压、脉冲放电重复频率及脉冲平均放电量的10个有效数据的平均值随加速热老化时间的变化曲线绘制在图7中，未老化时的试验数据为1。起始局部放电电压表征模型试样内部最小尺寸气隙缺陷内发生放电时外施电压的数值，可以反映老化后是否出现新的更小尺寸的缺陷；脉冲放电重复频率及脉冲平均放电量综合起来可以表征模型试样内的缺陷数量及老化程度[25, 32]。
图7 局部放电参量随热老化周期的变化
Fig.7 Variation curve of partial discharge parameters with heat aging period
从图7中可以看出，随着加速热老化时间的增加，局部放电的三个表征参数都没有表现出单调的规律性变化，因此，综合模型试样的起始局部放电电压、脉冲重复频率及脉冲平均放电量随热老化程度的变化情况，可得随着热老化程度的加深，干式空心电抗器匝间绝缘内缺陷尺寸、数量等结构没有发生改变，但微观分子结构可能发生了变化。
取未老化的36个模型试样，分别在直流、工频及指数衰减振荡电压下，各进行12个试样的击穿试验，去掉击穿数据的最大、最小值，得到每种电压下的10个有效试验数据，每个老化周期结束后重复同样的试验，每种电压下得到60个有效数据。三种类型电压下击穿数据的平均值随着热老化时间周期的变化如图8所示。
图8 击穿电压随热老化周期的变化
Fig.8 Variation curve of breakdown voltage with heat aging period
从图8可以看出，随着热老化程度的加深，模型试样的工频、直流及指数衰减振荡波的击穿电压都没有表现出明显的规律性变化，仅存在小幅波动。这表明，热老化不会影响干式空心电抗器匝间绝缘的短时击穿特性，与文献[27-28]得到的热老化对聚酯薄膜短时击穿特性的影响规律相符。
选取固定的12个模型试样，老化前及每个老化周期结束后测量其绝缘电阻，去掉最大、最小值后得到10个有效数据，模型试样绝缘电阻平均值随加速热老化的变化如图9所示。
图9 绝缘电阻随热老化周期的变化
Fig.9 Variation curve of insulation resistance with heat aging period
从图9可以看出，随着老化程度的加深，模型试样的电阻没有表现明显的规律性变化，仅存在小幅波动。这表明，热老化并不会影响干式空心电抗器匝间绝缘的绝缘电阻。
为进一步分析热老化对模型试样操作过电压耐受特性的影响机理，研究热老化对聚酯薄膜力学性能的影响规律。本文通过断裂伸长率、拉伸强度及微观形貌的变化来分析热老化对固体薄膜材料力学性能的影响规律，共进行72个哑铃形片状试样（拉伸性能试验）及1个正方形试样（表面形貌变化试验）的加速热老化试验。
按照相关标准GB/T 528-2009中的规定，将不同加速热老化周期后哑铃形聚酯薄膜试样放入电子万能试验机中进行力学性能测试。测试过程如下：将不同老化周期的聚酯薄膜哑铃状试样放置于电子万能试验机的夹持器上，拉伸前试样处于自然下垂状态，标记初始长度。拉伸开始后夹持器开始移动，速度为500mm/min。直至试样哑铃中间狭小平行部分发生断裂（其他部位断裂为无效数据）后，记录试验数据。未老化及每个热老化周期结束后，分别进行12次试验，去掉最大、最小值得到10个有效数据，按式（7）计算断裂伸长率Eb（用%表示）；按式（8）计算拉伸强度d。取平均值后得到聚酯薄膜试样的断裂伸长率及拉伸强度随热老化程度的变化曲线，如图10所示。
（7）式中，L0为试样初始长度（mm）；Lb为断裂时刻试样长度（mm）。
图10 断裂伸长率及拉伸强度随热老化周期
Fig.10 The variation of elongation at break and tensile strength with heat aging period
（8）式中，Fm为断裂时刻的拉力值（N）；W为“哑铃”中间部分的宽度（mm）；d为试样厚度（mm）。
由图10可看出，随着加速热老化周期增加，热老程度加深，聚酯薄膜断裂伸长率及拉伸强度单调降低。第1个老化周期断裂伸长率下降梯度较大，之后的4个老化周期下降趋势变缓。拉伸强度的下降梯度较均匀，前3个周期的下降梯度略大于后2个周期。可见，热老化会引起干式空心电抗器匝间绝缘主材料-聚酯薄膜力学性能大幅下降。
未老化及每个老化周期结束，取出正方形试样，用扫描电镜扫描聚酯薄膜表面形貌。图11a～图11d中分别为未老化及老化1、3、5周期后聚酯薄膜表面的形貌，放大倍数为1 000倍。
图11 聚酯薄膜表面形貌随热老化周期的变化
Fig.11 The variation of surface appearance of polyester film with heat aging period
从图11可以看出，未老化聚酯薄膜表面光滑平整，薄膜内部大分子链连接均匀；老化1周期后，聚酯薄膜表面出现褶皱，应是在高温的作用下，部分大分子链的主键断裂，薄膜内部大分子链的连接均匀程度降低；老化3周期后，褶皱加大，并出现局部的凸起，可能是薄膜内部的部分大分子链断裂后出现新的聚合；老化5周期后，薄膜表面的凸起变大，并出现了更大的褶皱（像是起层现象）。结果表明，在高温的持续作用下，聚酯薄膜内部确实发生了一定的物理或化学变化。
综合模型试样匝间绝缘电气性能及聚酯薄膜的力学性能随热老化程度加深的变化规律，可得操作过电压引起的匝间绝缘电老化，即缺陷内发生的局部放电对固体绝缘的累积损伤使缺陷发展、扩大是导致绝缘击穿的主要原因，而热老化引起的匝间绝缘主材——聚酯薄膜力学性能的下降使其耐受局部放电的能力减弱，最终导致了匝间绝缘耐受过电压累积作用的能力下降。热老化虽并未改变匝间绝缘模型试样的微观结构及宏观短时电气性能，但热老化会改变匝间绝缘的主材——聚酯薄膜的分子结构。高温作用下聚酯薄膜的一部分大分子链主键断裂，薄膜内部大分子链的均匀程度降低，降低其韧性及拉伸强度等力学性能，使模型试样耐受高能粒子冲击的能力减弱，即模型试样耐受局部放电的能力减弱。热老程度越深，下降幅度越大。在幅值为14kV（大于起始局部放电电压）指数衰减振荡电压作用下，匝间绝缘模型试样内存在局部放电。缺陷内局部放电产生的高能带电粒子（电子，正、负离子）轰击缺陷周围聚酯薄膜表面，造成大分子链断裂甚至使放电区域周围的聚酯薄膜产生微裂纹。操作过电压的累积作用使裂纹向前发展，最终导致匝间绝缘击穿。随着热老化程度的加深，聚酯薄膜力学性能下降，在局部放电作用下更容易产生微裂纹，且裂纹的发展速度更快。因此，模型试样操作过电压耐受次数随着热老化时间的增加单调下降。
本文研究了热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响规律及机理，结论如下：
1）热老化引起的聚酯薄膜力学性能下降是导致干式空心电力电抗器匝间绝缘耐受操作过电压累积作用次数呈指数规律下降的主要原因。
2）热老化不会引起干式空心电力电抗器匝间绝缘短时击穿电压、绝缘电阻及局部放电等电气性能参数的降低。
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Effect of Thermal Aging on the Characteristic to Withstand Switching Overvoltage of Interturn Insulation of Dry-Type Air Core Power Reactor
Abstract In order to study the influence of thermal aging on the characteristics of withstand switching overvoltage in the turn-to-turn insulation of dry-type air-core reactors, the test of the withstand overvoltage number in turn-to-turn insulation model specimens under different the degrees of thermal aging was carried out. Then, the functional model between the withstand overvoltage number and the degree of thermal aging was obtained. The variations of the electrical parameters of model specimens with the degree of thermal aging were analyzed, such as breakdown voltage, insulation resistance, partial discharge, elongation, tensile strength, and surface morphology of polyester film. Accordingly, the influence mechanism of thermal aging on the withstand characteristics of switching overvoltage in the turn-to-turn insulation of dry-type air-core reactors was analyzed, The results show that thermal aging will not lead to the decrease in electrical properties of turn-to-turn insulation, such as breakdown voltage, insulation resistance and partial discharge. The decrease in the mechanical properties of polyester film caused by thermal aging is the fundamental reason for the exponential decrease in the withstand overvoltage characteristics of the turn-to-turn insulation of dry-type air-core power reactors. This paper can lay a foundation for further development of the degradation mechanism of turn-to-turn insulation of dry-type air-core power reactors under the combined action of multiple factors.
keywords：Dry-type air core power reactor, turn to turn insulation, thermal aging, switching overvoltage, cumulative effect
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191414
中图分类号：TM472
聂洪岩 男，1984年生，副教授，硕士生导师，研究方向为电力设备绝缘结构的设计及检（监）测技术、绝缘诊断及高电压试验 技术。E-mail: 15846606714@163.com（通信作者）
魏新劳 男，1960年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压试验技术及设备、绝缘检测及脉冲功率技术。E-mail: weixinlao@hrbust.edu.cn
国家电网公司科技资助项目（变电主设备高寒运行诊断技术研究）（GYB17201700301）。
收稿日期2019-10-28
改稿日期 2020-06-20
（编辑 崔文静）