变压器纵绝缘以及主绝缘由于表面的沿面闪络导致变压器故障，严重影响了电力设备的安全运行。变压器内油纸绝缘界面的沿面闪络不同于其他放电方式，闪络发生后常常会在绝缘纸表面留下碳化痕迹，给变压器内绝缘带来故障隐患^[1,2,3]。通常，变压器内沿面闪络流注的起始与发展过程主要由沿绝缘纸表面的切向电场决定，当切向电场达到临界强度，流注即会产生，并沿着油纸界面发展直至贯穿整个绝缘油介质，最终发生沿面闪络故障。随着变压器的长期运行，其内部绝缘纸绝缘与绝缘油会在光、热等作用下逐渐老化^[4,5,6]。在老化过程中，水分、酸、低分子化合物以及X蜡等物质会不断析出，这些物质的存在不仅会降低介质自身的绝缘强度，而且其中一些固体物质附着在绝缘纸表面又会引起局部电场的畸变，从而使得流注更加容易产生。因此，随着变压器运行时间的增加，其发生沿面闪络故障的概率会大大增加^[7,8,9,10]。因此，研究老化后绝缘纸沿面流注的发展趋势及其影响因素具有重要意义。

本文设计了变压器沿面闪络故障试验平台，研究在添加和不添加新绝缘纸板情况下，不同油间隙距离的介质击穿电压以及起始局放电压变化规律。在此基础上，对绝缘纸试品进行了老化处理，分析不同老化程度的绝缘纸板表面沿面闪络电压和起始局放电压随油间隙距离的变化规律，以及绝缘纸老化程度对油纸绝缘界面沿面闪络过程的影响。1 试验方案 1.1 试品的选取与制备

试验材料为25号变压器油和变压器用纤维素绝缘纸（每张绝缘纸样品厚0.3mm），油纸绝缘试品加速热老化流程如图 1所示。

图 1(Figure 1)

图 1 油纸绝缘试品加速热老化流程

绝缘纸聚合度是表征绝缘纸老化程度的指标，是非常准确、可靠、有效的判据^[11]。在油纸绝缘试品热老化过程中，定期取样并依据《ASTMD4243—1999老化与新绝缘纸/绝缘纸板平均聚合度标准测量方法》^[12]对绝缘纸聚合度进行测试。1.2 试验平台

所有试验均在密封油罐中进行，试验油罐与电极布置结构如图 2所示。其中，将经过老化处理后的绝缘纸平放在环氧树脂绝缘支架上；支架左端固定有高压电极，其端部为1针电极（针尖直径20μm），由万向轴连接，试验过程中保持针尖与绝缘纸试品接触良好；绝缘支架右端为地电极（铜质），该电极由地线连接并固定在油罐上。整个油罐中充满经过老化处理的绝缘油，油罐侧面设有钢化玻璃窗口，便于观察试验现象。

图 2(Figure 2)

图 2 试验油罐与电极布置结构图

试验采用XYDQ-0602型高压脉冲连续冲击电压发生器作为雷电冲击电压的模拟装置。依据《GB311.1—1997高压输电设备的绝缘配合》，试验模型采用1.2/50μs标准负极性雷电波。在试验过程中利用LeCroyWavepro7100示波器采集RC检测阻抗上感应的脉冲放电信号，以监测试验过程中的局部放电现象，并以此为判据，记录起始局放电压的幅值。为了防止局部空间电荷的聚集影响试验结果，每次放电结束后需等待10min，再进行下次试验。 2 试验结果与分析 2.1 新绝缘纸板对放电过程的影响

在放置与取消新绝缘纸板的2种情况下，分别测量了不同油间隙距离的介质击穿电压，结果如表1所示。

表 1(Table 1)

表 1 不同极间距离油间隙击穿电压 kV

表 1 不同极间距离油间隙击穿电压kV

从表 1可以看出，在不同的油间隙距离下，有无新绝缘纸板对油间隙的击穿电压影响不大。在试验过程中还测量了2种情况下油间隙起始放电电压，测量结果如图 3所示。

图 3(Figure 3)

图 3 有无绝缘纸板条件下油间隙击穿电压与起始局放电压测量曲线

从图 3可以看出，随着油间隙距离的增加，介质的击穿电压明显增大，二者均呈近似线性关系。而相对于击穿电压，起始局放电压随油间隙距离的增加变化并不明显。这与英国学者P.Jarman的研究结果相似^[7]。另外，值得注意的是，无论油间隙是否有绝缘纸板，其击穿电压以及起始局放电压的变化并不大，即干燥的新绝缘纸板对整个流注的发展过程影响不大。 2.2 老化绝缘纸板对放电过程的影响

绝缘纸在经历热老化之后，其表面特性以及组成成分会发生明显变化，而这些变化有可能对油隙的击穿过程产生影响。为了研究老化程度对油中流注发展的影响规律，分别对绝缘纸试品进行7天、14天、21天以及28天老化处理，测量不同老化程度绝缘纸的击穿电压以及起始局放电压，结果如表 2。依据表 2数据，绘制不同老化程度绝缘纸表面沿面闪络击穿电压以及起始局放电压与间隙距离之间的关系曲线，如图 4所示。可以看出，随着老化程度的增加，绝缘纸的沿面闪络击穿电压与起始局放电压大幅度下降，其中，起始局放电压变化更加明显。为进一步分析这一现象的机理，采用卡尔费休水分仪分别测定了不同老化程度，即7天、14天、21天、28天绝缘纸中水的质量分数，对应结果分别为1.8%、2.5%、3.7%、4.2%。可以看出，随着绝缘纸老化程度的增加，绝缘纸内水的质量分数逐渐增大，这一现象可能是导致油隙击穿电压与起始局放电压降低的原因。

表 2(Table 2)

表 2 不同老化程度绝缘纸表面沿面闪络击穿电压与起始局放电压

表 2 不同老化程度绝缘纸表面沿面闪络击穿电压与起始局放电压

图 4(Figure 4)

图 4 不同老化程度的绝缘纸表面沿面闪络击穿电压及起始局放电压

通常，变压器内绝缘纸板在长期老化过程中会产生水分等产物，水分子以氢键结合固定于纤维素分子周边，多存在于绝缘纸中的毛细孔隙、细胞壁以及纤维素之间。随着绝缘纸含水量的增加，这些水分子会不断聚集甚至出现多层堆叠的结构，学术上通常称这些水分子为结合水分子^[13]。而有些水分子会以“簇”或者“团”的形式出现在绝缘纸内较大的孔隙中，这些水分子大多与纤维素分子无氢键的链接，称为自由水分子^[14]。在外界电场作用之下，无论是结合水分子还是自由水分子，其电离能量均远小于绝缘纸中矿物油分子以及纤维素分子链的电离能量。例如液态水分子的电离能为1eV，而气态水分子的电离能则高达5eV，相比之下绝缘纸中的碳氢化合物分子的电离能则更高，其值不小于7eV^[15,16]。因此，在热老化过程中产生的大量水分子成为沿面闪络过程中影响流注发展的重要因素。这些被束缚或自由的水分子在外界电场的作用之下迅速电离并形成电子崩，游离态的正负离子以及自由电子一方面加强了流注头部的电场畸变程度，从而加速了流注头部分子的电离；另一方面为流注的发展提供了大量的带电粒子，有助于流注的进一步发展。这也就解释了前面研究的试验现象的产生机理，即新绝缘纸含水量极低（一般低于0.3%），在外界电场的作用下无论是否加入绝缘纸板，油间隙的击穿电压与起始局放电压均不会发生明显的变化；而将老化后的绝缘纸板加入油间隙时，绝缘纸内部及其表面束缚的大量水分子促进了流注的起始以及发展，从而导致油间隙沿面闪络电压以及起始局放电压的大幅度下降，且纸中含水量越高，其下降幅度越明显。 3 结论

通过对雷电冲击电压作用下沿面闪络的发展过程及其影响因素的试验分析，得到以下结论：

（1）干燥的新绝缘纸对油隙的击穿过程影响较小，添加新绝缘纸板不会改变油隙的击穿电压以及起始局放电压。

（2）经过热老化处理的绝缘纸板会对油隙沿面闪络过程产生较大影响，且随着绝缘纸老化程度的加剧，油隙沿面闪络电压以及起始局放电压均会急剧下降。

（3）随着绝缘纸热老化程度的加剧，绝缘纸内部含水量明显增加，而绝缘纸中含有的水分子很可能是导致油隙沿面闪络电压以及起始局放电压均急剧下降的重要原因。目前行业内对老化后绝缘介质击穿特性影响因素的研究仅局限于对水分子的作用分析，因此，结论仅停留在讨论阶段。

上述研究结果一方面为变压器的防雷保护提供了数据支持，另一方面也从老化绝缘纸中水分子电离的角度为油纸界面沿面闪络的机理提供了一种假设。