图1 机械应力实验模型
Fig.1 Experimental model of mechanical stress
摘要 变压器中油纸绝缘材料在运行时承担着热、电、机等应力并在其作用下不断老化，然而关于机械应力下油纸绝缘材料的老化尚未引起足够重视。为研究机械应力下油纸绝缘材料性能演变规律，该文对油浸绝缘纸板进行不同机械应力下的老化实验，并对老化后的绝缘纸板进行力学性能测试、局部放电实验以及表面形态观测。研究结果表明，力学性能对绝缘纸板性能的影响以20MPa为界分为两部分。当机械应力低于20MPa时，纸板的弹性模量及剩余形变均较小，随着机械应力的升高，纸板绝缘性能有所提升；当机械应力高于20MPa时，纸板的弹性模量及剩余形变显著增大，随着机械应力的升高，纸板绝缘性能快速下降，纸板电极下局部放电模式也发生了变化。共聚焦显微镜观测结果表明，当机械应力高于20MPa后，绝缘纸板中的纤维由弹性变形转为塑性变形，纤维出现分岔、空洞及断裂，导致纸板的绝缘性能降低。该文研究结果为变压器中油纸绝缘材料在机械应力作用下老化规律的研究提供了基础，并有效地提升了判别变压器内部绝缘状态的能力。
关键词：油浸绝缘纸板 机械应力 弹性模量 局部放电 表面形态观测
油纸绝缘材料广泛应用于电力变压器等油浸类设备中，在设备运行时承受着热、电及机械等应力作用而不断老化。老化后油纸绝缘材料其绝缘性能与力学性能会下降，当无法承受正常运行应力时，绝缘材料将会在正常运行时发生失效，引发局部缺陷，最终导致设备故障，影响电网运行的可靠性[1]。因此，研究油纸绝缘材料在不同应力作用下老化对其各项性能的影响对保障变电设备稳定运行和电力系统安全具有重大意义。
油纸绝缘材料的老化主要是绝缘纸的纤维素分子裂解的过程[2]。老化过程中，纤维素不断在酸催化下水解，长链裂解为短链，聚合度不断下降。随着聚合度的下降，油浸纸板的绝缘性能与力学性能不断下降，表现为电阻率的下降及弹性模量的降低。国内外学者开展了大量关于油纸绝缘材料热老化及电老化后各项特性演变规律的研究。文献[3]研究了现场变压器中老化过程对油纸绝缘介电性能的影响，认为体电阻率与介质损耗变化显著，能有效反映变压器老化状态。廖瑞金等对油纸绝缘热老化后绝缘性能与理化特性的演变规律进行了广泛而深入的研究，结果表明，老化会加剧油纸绝缘中局部放电的程度，并通过对实验结果进行监督学习，提取了油纸绝缘局部放电特征量[4-8]。文献[9]进一步研究了不同老化情况下的油纸绝缘局部放电特征量演变情况，认为随着老化不断进行，油纸绝缘中的局部放电在相同电压下的放电量和放电次数都有增加，同时当外施电压较低时，增加程度更显著。文献[10]深入研究了老化对油纸绝缘电气性能的影响，认为老化使绝缘纸中的陷阱增多，积聚的空间电荷也更多。文献[11]进一步研究了老化对油纸绝缘材料绝缘性能的影响，认为老化后油纸绝缘系统电导增大，纸板中更容易积聚正极性空间电荷。以往的研究主要集中于温度及电场对油纸绝缘材料老化机理及性能演变过程的影响，对在油纸绝缘老化过程中同样起着关键影响的机械应力作用下的老化研究较少。文献[12]最早研究了不同老化程度的油纸绝缘材料在绕组力作用下磨损情况，得到了基于Weibull分布的绝缘纸寿命模型，但是该研究并未对纸的绝缘性能进行测试，而是认为当纸完全透光时其寿命才到达终点。李长云等对油纸绝缘机热协同下绝缘纸性能进行了研究，得到了在交变应力作用下油浸绝缘纸板的频域介电谱与力学性能的演变规律，并通过对其结构进行观测得到了初步的劣化机理[13-15]。文献[16]对纸板在法向应力作用下的弹塑性变形进行了实验与仿真研究，得到了纸板的力学行为模型。
变压器中的油纸绝缘材料承担着多种形式的机械应力，包括恒定的绕组压紧力与交变的绕组电流和漏磁共同作用产生的电磁力。在这些应力中，突发短路产生的交变冲击应力最大，一般在50～100MPa之间；厂家制造装配时的压紧力取值低于10MPa，正常运行时交变电磁力一般低于1MPa。以往研究结果表明，机械应力作用下油浸绝缘纸板的绝缘性能下降并形成缺陷。因此，有必要研究机械应力下油纸绝缘材料的老化规律并分析其老化机理，进而得出评估老化状态的判据，从而对运行中的变压器进行有效状态评估与缺陷诊断。本文对经过不同幅值恒定机械应力老化后的油浸绝缘纸板进行了耐压与局部放电实验，并对经受老化的绝缘纸板开展了表面观测实验，得出了油浸绝缘纸板在机械应力作用下的老化规律，并提出了机械应力作用下油浸绝缘纸板的老化机理，最后从局部放电特征量出发，提出了油纸绝缘材料机械老化寿命判据，为现场变压器运维工作提供了辅助决策手段。
本文研究中所采用的机械应力施加装置为万能实验机，能产生的最大机械压力为95kN，机械应力实验模型如图1所示。考虑到实际变压器中，绝缘纸板一般在绕组间承受挤压力的作用，因此制作了尺寸为3cm×3cm×1.5cm的黄铜垫块，并在其棱边处均倒角操作以避免边缘处出现应力集中点。在施加机械应力的过程中，黄铜垫块始终位于纸板中心位置。该实验条件下，在纸板表面最大可以产生100MPa的压力。加载过程采用准静态加载方式，以100N/s的速度缓慢加载至所需压力后持续30min撤去应力并再次加载，共进行5次循环加载，以10MPa为加载单位，研究了10～100MPa下纸板的稳恒机械应力老化过程。采用变压器中常见的克拉玛依25号变压器油以及魏德曼1mm厚绝缘纸板作为机械老化实验样品，在实验前将绝缘纸板烘干48h，然后进行真空浸油。油纸绝缘材料的机械老化过程中，绝缘纸板始终放在装有变压器油的金属容器内，以保证绝缘纸板中的油在挤出后仍能回到纸板中，避免在机械挤压后产生不完全浸渍的绝缘纸板。
图1 机械应力实验模型
Fig.1 Experimental model of mechanical stress
采用代表稍不均匀场的板板模型进行局部放电实验。分别使用了恒压法与阶梯升压法两种加压方式，其中，板电极为直径2.5cm的黄铜柱。由于绝缘纸板在承受机械挤压的过程中可能会吸潮，因此在进行局部放电实验前将油纸绝缘材料均置于真空干燥箱内在80℃下烘干24h以去除水分。局部放电实验回路为脉冲电流法下的并联回路，如图2所示，局部放电脉冲采用Haefely公司的DDX9121b-1局部放电仪在0.5～1.5MHz频带范围内采集，每次实验前均对回路进行标定。对未安装电极的整体实验回路进行的实验表明，回路起晕电压在45kV左右，高于整个局部放电实验过程中的外施电压。
图2 局部放电实验回路
Fig.2 Partial discharge experimental circuit
图3为100MPa下绝缘纸板的应力应变变化规律，最下方为首次加载过程。由于模具与纸板间存在一定缝隙，因此施加应力后应变迅速增加，撤去应力后应变不能恢复至零，而是维持在0.1左右，其后多次循环加载过程的应变应力变化规律相同。由于油浸绝缘纸板是一种弹塑性材料，因此其弹性模量也表现出了随着外施应力不断变化的规律。绝缘纸板杨氏模量与机械应力关系如图4所示，外施应力刚开始施加低于20MPa时，其弹性模量基本不变，约在66MPa。随着外施应力的上升，纸板的弹性模量也不断增大。当外施应力低于40MPa时，纸板的弹性模量从66MPa线性增加至81MPa；当外施应力高于40MPa后，弹性模量仍保持上升趋势，但波动幅度较大，最高可达99MPa。这表明，当外施应力较小时，增加单位作用力下相应的形变量高于外施应力较大时增加同样作用力下的纸板形变量，纸板在高外施应力时更难变形。弹塑性材料的另一特征是外施应力撤去后，材料变形不会完全消失，仍维持一定的剩余形变。
图3 绝缘纸板应力应变曲线
Fig.3 Pressboard stress-strain curves
图4 绝缘纸板杨氏模量与机械应力关系
Fig.4 Relationship between Young’s modulus and mechanical stress on pressboard
油浸绝缘纸板的剩余形变与机械应力间关系如图5所示，可以发现，在外施应力低于20MPa时，油浸纸板表现出的塑性形变很小，剩余形变为0。随着外施应力不断增加，剩余形变也开始增加，当外施应力超过40MPa后，剩余形变增大速度更快，当外施应力达到100MPa时，剩余形变量约为0.14mm，表明油浸纸板内部发生了强烈的塑性形变过程。对纸板进行的破坏性实验表明，当外施应力增大至220MPa后，纸板发生不可恢复的塑性变形，如图6所示。纸板中部首先发生断裂，由裂口处可以发现大量纤维断裂，伴随着粉末状纤维碎屑，纸板完全丧失机械强度。
图5 绝缘纸板剩余形变与机械应力间关系
Fig.5 Relationship between remain deformation and mechanical stress on pressboard
图6 220MPa机械应力作用后油浸纸板
Fig.6 Oil-immersed pressboard after 220MPa mechanical stress test
对不同机械应力作用下的油浸绝缘纸板在稍不均匀场下进行了长时间耐压实验，其中，板电极尺寸参数按照IEC 156制作，该电极结构下电场为稍不均匀场。由于纸板受机械应力作用后厚度发生了变化，因此相同的起晕电压可能对应着不同的起晕场强，因此就油浸绝缘纸板的起晕场强进行分析。
不同机械应力下油浸绝缘纸板起晕场强变化规律如图7所示，较为复杂。在0～30MPa之间，随着机械应力升高，绝缘纸板的起晕场强从23kV/mm上升至26kV/mm左右，表明此时机械应力作用主要体现在使纸板紧度提高，内部结构更均匀，从而提高了起晕场强。当机械应力高于30MPa后，绝缘纸板的起晕场强不断下降，当外施应力达到100MPa时，起晕场强降低至15kV/mm左右，显著低于未经受机械应力的绝缘纸板，表明此时机械应力作用使纸板内部纤维发生塑性形变，部分纤维断裂出现孔洞并形成了大量碎屑，导致起晕电压明显降低。在耐压时间上，不同挤压程度的纸板耐压时长也有明显区别。机械应力与绝缘纸板耐压时间关系如图8所示。机械应力低于20MPa时，耐压时间会随着机械应力的增高而不断延长，在外施电压为35kV时最高可达6 500s左右。而当机械应力高于20MPa时，耐压时间随着机械应力的增高迅速下降，经100MPa机械应力作用后的绝缘纸板耐压时间仅为200s左右。
图7 不同机械应力下油浸绝缘纸板起晕场强变化规律
Fig.7 PDIE of oil-immersed pressboard in plane-plane electrode under different mechanical stress
图8 机械应力与绝缘纸板耐压时间关系
Fig.8 Duration of oil-paper insulation in plane-plane electrode under different mechanical stress
3.2.1 PRPD图谱
图9所示为不同机械应力作用后的油浸绝缘纸板在稍不均匀场中的局部放电图谱。未压过的纸板放电量较高，基于相位的局部放电谱图（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）表现为对称的梯形状，最大放电量约为20nC，出现在过零点附近。当外施机械应力升高至20MPa时，纸板绝缘性能也有所升高，最大放电量减小至10nC。同时，与未经机械应力作用的纸板PRPD图谱不同，经20MPa机械应力作用的纸板开始出现兔耳状特征[17]。每极性下可以明显分为过零点附近的尖峰区以及原有的梯形区两个区域。PRPD图中兔耳状特征与空间电荷的作用有关。由于纸板经机械应力挤压作用后内部出现破损，部分纤维发生塑性变形形成新增的孔洞，这些孔洞会成为纸板中的陷阱，并容易积聚空间电荷[18]。空间电荷产生的电场往往与外施电压产生的电场方向相反，因此在过零点附近外施电压快速反向变化时，两电场方向相同，幅值相互叠加后会在局部产生出极高的电场，引发了高幅值的放电。放电后空间电荷迅速中和，使内部电场减小，放电量也迅速下降，在这一阶段中又会形成大量空间电荷积聚在孔洞中直到下一个过零点。因此过零点附近的尖峰区分布的相位宽度一般较窄，最大放电量也出现在此处。外施应力继续升高至60MPa时，尖峰区最大放电量升高至20nC，梯形区最大放电量也升高至15nC，尖峰区与梯形区之间最大值差别有所减小。外施应力为100MPa时，梯形区最大值基本维持在15nC不再增加，尖峰区的最大值增加至35nC。不同机械应力作用下纸板的PRPD中基本都存在梯形区域，外施应力较低时该区域最大放电量会随着机械应力升高而降低，但当外施应力高于20MPa后，该区域的最大放电量会开始升高，在60MPa时升高至15nC并基本维持不变。当外施应力高于20MPa后，PRPD图中出现了尖峰区，表明随着外施应力的增加，纸板内部的纤维开始被挤压而发生塑性变形，形成一些孔隙，并在较高的机械应力下断裂形成碎屑，从而在PRPD图谱上表现出气隙放电的特征，即在过零点附近出现尖峰区域。尖峰区域的最大放电量随着外施应力的升高而不断加大，在100MPa下可达35nC，远高于20MPa下的10nC。
图9 不同机械应力下稍不均匀场中PRPD图谱
Fig.9 PRPD pattern of oil-immersed pressboard in slightly divergent fields after applied mechanical stress
3.2.2 局部放电特征量
稍不均匀场中最大放电量与平均放电量变化如图10所示，都表现出先降低后升高的规律。最大放电量随着外施机械应力升高从新纸板的21nC降低至20MPa下的10nC后基本不再降低；当外施应力超过40MPa后，最大放电量又开始升高，并在100MPa时达到最大值33nC。平均放电量的变化与最大放电量规律一致，新纸板的平均放电量为4nC，其后随着机械应力升高而不断降低并在40MPa附近取得最小值1.2nC；当外施机械应力继续升高，平均放电量也不断增大，当外施应力达100MPa时可达5nC。计算最大放电量与平均放电量之间的比值可以发现，当应力低于20MPa时，该比值基本在6倍以下；而当应力超过20MPa后，比值快速升高至8倍以上。如图9所示，通过对比不同机械应力下的PRPD图谱可知，最大放电量出现在过零点附近，随着机械应力的升高该区域开始出现尖峰区域；同时，除过零点附近外的相位放电量增长幅度很小，因此平均放电量变化不大。这表明随着机械应力的升高放电模式也开始发生变化，代表着纸板内部的结构在机械应力作用下发生了改变。
图10 稍不均匀场中局部放电特征量与机械应力关系
Fig.10 Relationship between partial discharge characteristic quantity and mechanical stress in slightly non-uniform electric field
纸板中实际承受机械应力的是管状纤维互相交联形成的网状结构，其在机械应力作用下会表现出弹塑性形变，即当外施应力较小时，主要发生可恢复的弹性变形，弹性模量较小；当外施应力较大时，主要发生不可恢复的塑性变形，弹性模量也更大。当纤维发生塑性变形后，由于这些形变不可恢复，因此可以通过对纸板形变进行观测以研究其在机械应力作用下的老化机理。
图11所示即为共聚焦显微镜对不同机械应力作用后绝缘纸板表面的观测结果。可以发现，随着机械应力的不断增加，纸板中纤维变得越来越扁平，失去弹性。未压的纸板中纤维较为光滑，整体形状较为均匀，撕裂与细纤维分岔均较少见。当外施机械应力升高至30MPa时，纸板中的纤维已经被完全挤压，由原来的管状结构转变为带状结构，并在两侧形成了凸起层。此外，部分纤维开始出现断裂、扭曲，并出现了纤维分岔，这些现象表明，纸板中的纤维开始发生塑性形变，但由于机械应力不大，未出现严重的纤维破坏的情况，这与图9中在20MPa左右开始出现气隙放电特征是符合的。随着机械应力继续升高至50MPa和80MPa时，在虚线框所示的区域内均可以发现大量的纤维孔洞，同时在纤维表面出现大量纤维分岔，纤维开始发生不可逆的形变过程。由于纤维的相对介电常数较高，因此大量纤维分岔末端的电场强度会升高，使局部放电次数增加；同时，由于孔隙也逐渐变大，根据以往对油纸绝缘中放电[18]的研究表明，空间电荷的积聚会引起放电量的增加。随着外施机械应力的升高，纸板中的孔隙体积不断增大，累积的空间电荷也更多，因此放电量继续上升。此外，纤维自身完全转变为扁平的带状结构，完全失去管状的特征。如图11d中心偏下实线所示，该处纤维不再呈现鼓起光滑的特征，被完全压印在下层纤维之上，甚至能看清下层纤维的轮廓，该处纤维可能已发生断裂。结合此前的局部放电特征量变化规律可知，这些纤维孔洞、分岔以及断裂纤维均会使电场分布不均匀，从而降低起晕电压。同时，这些缺陷中容易发生电荷的积聚现象，从而使过零点附近的放电量增大，PRPD图中放电区域形态变化，同时使局部放电量不断增大，危害设备安全运行。
图11 机械应力作用后纸板共聚焦显微镜观测结果
Fig.11 Confocal microscopy results of pressboard under different mechanical stress
本文基于油浸绝缘纸板的机械应力老化实验，获得了相应试品的机械与绝缘特性随机械应力变化规律，分析了机械应力对油浸绝缘纸板绝缘与机械特性的影响过程，并基于微观形貌的观测初步提出了机械应力对油浸绝缘纸板作用的机理，得出如下结论：
1）机械应力低于20MPa时，油浸绝缘纸板的弹性模量与剩余形变基本维持不变；机械应力高于20MPa后，纸板的弹性模量与剩余形变均随机械应力的升高而不断增大。当外施应力增加至220MPa时，油浸纸板发生粉碎性破坏。
2）外施机械应力低于20MPa时，油浸绝缘纸板的起晕场强随着机械应力增加而升高，平均放电量与最大放电量均降低；机械应力高于20MPa后，纸板的绝缘性能随着机械应力增高而下降，起晕场强随着机械应力增加而下降，平均放电量与最大放电量均升高。
3）在机械应力下油浸纸板的老化过程实质是纸板中的纤维在机械应力作用下发生的弹塑性变形。当外施机械应力低于20MPa时，纤维主要发生弹性变形，外力撤去后仍能恢复管状外观，表面维持光滑无分岔的外观；外施机械应力超过20MPa后，纤维开始发生塑性变形，并随着机械应力的升高变形程度不断加大，最终纤维表现为扁平带状，表面出现纤维分岔与大量纤维孔洞，部分纤维发生断裂。纸板中出现的纤维分岔与孔洞、断裂均会使其力学性能与绝缘性能下降。
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Effect of Mechanical Stress on Partial Discharge of Oil-Impregnated Pressboard
Abstract Oil-paper insulation materials in transformer bear thermal, electrical and mechanical stresses during operation and continues to age under these stresses. Nevertheless, the aging of the oil-paper insulation material under mechanical stress has not received enough attention. In order to study the evolution of oil-paper insulation materials under mechanical stress, the aging test of oil-impregnated insulation paper under different mechanical stresses was carried out. Then, the mechanical performance test, partial discharge test and surface morphology observation on the aged insulation cardboard were carried out. The results show that the influence of mechanical properties on the performance of insulating paperboard is divided into two parts with 20MPa as the boundary. When the mechanical stress is lower than 20MPa, the elastic modulus and residual deformation of the paperboard are small, and the insulation performance of the paperboard is improved with the increase of the mechanical stress. When the mechanical stress is higher than 20MPa, the elastic modulus and residual deformation of the paperboard increase remarkably. With the increase of the mechanical stress, the insulation performance of the paperboard decreases rapidly, and the partial discharge mode under the plate electrode also changes. The results of confocal-microscopy show that when the mechanical stress is higher than 20MPa, the fibers in the insulating paperboard change from elastic deformation to plastic deformation, and the fibers appear tiller, void and fracture, resulting in the decrease of the insulation performance of the paperboard.
keywords：Oil-immersed pressboard, mechanical stress, elastic modulus, partial discharge, surface morphology observation
中图分类号：TM211
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191720
国家自然科学基金-智能电网联合基金重大集成资助项目（U1866603）。
收稿日期 2019-12-08
改稿日期 2020-03-24
崔彦捷 男，1991年生，博士研究生，研究方向为变压器内部局部放电、油纸绝缘老化。E-mail: 542824948@qq.com
汲胜昌 男，1976年生，教授，博士生导师，研究方向为电力设备在线监测。E-mail: jsc@xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）