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油紙絕緣材料廣泛應(yīng)用于電力變壓器等油浸類設(shè)備中，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)承受著熱、電及機(jī)械等應(yīng)力作用而不斷老化。老化后油紙絕緣材料其絕緣性能與力學(xué)性能會(huì)下降，當(dāng)無法承受正常運(yùn)行應(yīng)力時(shí)，絕緣材料將會(huì)在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生失效，引發(fā)局部缺陷，最終導(dǎo)致設(shè)備故障，影響電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。因此，研究油紙絕緣材料在不同應(yīng)力作用下老化對(duì)其各項(xiàng)性能的影響對(duì)保障變電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和電力系統(tǒng)安全具有重大意義。

油紙絕緣材料的老化主要是絕緣紙的纖維素分子裂解的過程。老化過程中，纖維素不斷在酸催化下水解，長(zhǎng)鏈裂解為短鏈，聚合度不斷下降。隨著聚合度的下降，油浸紙板的絕緣性能與力學(xué)性能不斷下降，表現(xiàn)為電阻率的下降及彈性模量的降低。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于油紙絕緣材料熱老化及電老化后各項(xiàng)特性演變規(guī)律的研究。

以往的研究主要集中于溫度及電場(chǎng)對(duì)油紙絕緣材料老化機(jī)理及性能演變過程的影響，對(duì)在油紙絕緣老化過程中同樣起著關(guān)鍵影響的機(jī)械應(yīng)力作用下的老化研究較少。變壓器中的油紙絕緣材料承擔(dān)著多種形式的機(jī)械應(yīng)力，包括恒定的繞組壓緊力與交變的繞組電流和漏磁共同作用產(chǎn)生的電磁力。在這些應(yīng)力中，突發(fā)短路產(chǎn)生的交變沖擊應(yīng)力最大，一般在50～100MPa之間；廠家制造裝配時(shí)的壓緊力取值低于10MPa，正常運(yùn)行時(shí)交變電磁力一般低于1MPa。

以往研究結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力作用下油浸絕緣紙板的絕緣性能下降并形成缺陷。因此，有必要研究機(jī)械應(yīng)力下油紙絕緣材料的老化規(guī)律并分析其老化機(jī)理，進(jìn)而得出評(píng)估老化狀態(tài)的判據(jù)，從而對(duì)運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行有效狀態(tài)評(píng)估與缺陷診斷。

西安交通大學(xué)的科研人員對(duì)經(jīng)過不同幅值恒定機(jī)械應(yīng)力老化后的油浸絕緣紙板進(jìn)行了耐壓與局部放電實(shí)驗(yàn)，并對(duì)經(jīng)受老化的絕緣紙板開展了表面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出了油浸絕緣紙板在機(jī)械應(yīng)力作用下的老化規(guī)律，并提出了機(jī)械應(yīng)力作用下油浸絕緣紙板的老化機(jī)理，最后從局部放電特征量出發(fā)，提出了油紙絕緣材料機(jī)械老化壽命判據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)變壓器運(yùn)維工作提供了輔助決策手段。

圖1 機(jī)械應(yīng)力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 應(yīng)力作用后紙板共聚焦顯微鏡觀測(cè)

他們最后得出如下結(jié)論：

1）機(jī)械應(yīng)力低于20MPa時(shí)，油浸絕緣紙板的彈性模量與剩余形變基本維持不變；機(jī)械應(yīng)力高于20MPa后，紙板的彈性模量與剩余形變均隨機(jī)械應(yīng)力的升高而不斷增大。當(dāng)外施應(yīng)力增加至220MPa時(shí)，油浸紙板發(fā)生粉碎性破壞。

2）外施機(jī)械應(yīng)力低于20MPa時(shí)，油浸絕緣紙板的起暈場(chǎng)強(qiáng)隨著機(jī)械應(yīng)力增加而升高，平均放電量與最大放電量均降低；機(jī)械應(yīng)力高于20MPa后，紙板的絕緣性能隨著機(jī)械應(yīng)力增高而下降，起暈場(chǎng)強(qiáng)隨著機(jī)械應(yīng)力增加而下降，平均放電量與最大放電量均升高。

3）在機(jī)械應(yīng)力下油浸紙板的老化過程實(shí)質(zhì)是紙板中的纖維在機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生的彈塑性變形。當(dāng)外施機(jī)械應(yīng)力低于20MPa時(shí)，纖維主要發(fā)生彈性變形，外力撤去后仍能恢復(fù)管狀外觀，表面維持光滑無分岔的外觀；外施機(jī)械應(yīng)力超過20MPa后，纖維開始發(fā)生塑性變形，并隨著機(jī)械應(yīng)力的升高變形程度不斷加大，最終纖維表現(xiàn)為扁平帶狀，表面出現(xiàn)纖維分岔與大量纖維孔洞，部分纖維發(fā)生斷裂。紙板中出現(xiàn)的纖維分岔與孔洞、斷裂均會(huì)使其力學(xué)性能與絕緣性能下降。

本文編自2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“機(jī)械應(yīng)力對(duì)油浸絕緣紙板局部放電影響”，作者為崔彥捷、汲勝昌 等。