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油紙絕緣材料廣泛應用于電力變壓器等油浸類設備中，在設備運行時承受著熱、電及機械等應力作用而不斷老化。老化后油紙絕緣材料其絕緣性能與力學性能會下降，當無法承受正常運行應力時，絕緣材料將會在正常運行時發(fā)生失效，引發(fā)局部缺陷，最終導致設備故障，影響電網(wǎng)運行的可靠性。因此，研究油紙絕緣材料在不同應力作用下老化對其各項性能的影響對保障變電設備穩(wěn)定運行和電力系統(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。國內(nèi)外學者開展了大量關于油紙絕緣材料熱老化及電老化后各項特性演變規(guī)律的研究。

以往的研究主要集中于溫度及電場對油紙絕緣材料老化機理及性能演變過程的影響，對在油紙絕緣老化過程中同樣起著關鍵影響的機械應力作用下的老化研究較少。變壓器中的油紙絕緣材料承擔著多種形式的機械應力，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。在這些應力中，突發(fā)短路產(chǎn)生的交變沖擊應力最大，一般在50～100MPa之間；廠家制造裝配時的壓緊力取值低于10MPa，正常運行時交變電磁力一般低于1MPa。

以往研究結果表明，機械應力作用下油浸絕緣紙板的絕緣性能下降并形成缺陷。因此，有必要研究機械應力下油紙絕緣材料的老化規(guī)律并分析其老化機理，進而得出評估老化狀態(tài)的判據(jù)，從而對運行中的變壓器進行有效狀態(tài)評估與缺陷診斷。

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

圖1 機械應力實驗模型

圖2 應力作用后紙板共聚焦顯微鏡觀測

他們最后得出如下結論：

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

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

3）在機械應力下油浸紙板的老化過程實質(zhì)是紙板中的纖維在機械應力作用下發(fā)生的彈塑性變形。當外施機械應力低于20MPa時，纖維主要發(fā)生彈性變形，外力撤去后仍能恢復管狀外觀，表面維持光滑無分岔的外觀；外施機械應力超過20MPa后，纖維開始發(fā)生塑性變形，并隨著機械應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、斷裂均會使其力學性能與絕緣性能下降。

本文編自2021年第12期《電工技術學報》，論文標題為“機械應力對油浸絕緣紙板局部放電影響”，作者為崔彥捷、汲勝昌 等。