锥-板电极下叠层芳纶纸的局部放电特性研究

律方成，王双双，阮浩鸥，吕 品，张亚辉，谢 庆

（华北电力大学a. 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；
b. 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003）

间位芳纶（聚间苯二甲酰间苯二胺，又称芳纶1313）具有优异的电绝缘性能、良好的热稳定性、阻燃性和耐腐蚀性[1-2]，是世界三大特种纤维之一。20世纪下半叶至21世纪初，我国的芳纶产品主要依赖进口，美国杜邦、日本帝人等企业的芳纶产量超过了全球的90%。随着“十二五”政策刺激，我国芳纶制备技术不断发展，间位芳纶制造成本不断合理化，产量急速增长。间位芳纶的应用也由军事、航天、消防等精尖领域，向电网、建筑等军民两用领域过渡[3]。

间位芳纶纸适用于各种各样的绝缘场景，如干式变压器的绕组层间、匝间绝缘；
电动机和发电机的槽间、相间、匝间和终端绝缘；
甚至电缆和套管等设备中，传统油纸绝缘结构的纤维素纸也可以被间位芳纶所替代[4-7]。目前，部分型号的干式矿用变压器、干式配电变压器、油浸式牵引变压器等，正在进行芳纶纸的应用试点[8]。

局部放电是引发绝缘故障和绝缘老化的主要原因，局部放电的严重程度影响着绝缘纸的结构、状态和剩余绝缘强度。目前，国内外对传统纤维素纸的局部放电特性开展了大量研究。P M MITCHINSON 等[9]在针板电极下结合局部放电的起始电压、击穿电压等参数对油纸绝缘局部放电过程进行了划分，分析了绝缘纸表面炭化痕迹的演变情况，发现外加场强和加压时间是影响放电的关键因素。A CAVALLINI 等[10]在不同电极结构下进行了油纸绝缘局部放电测量，通过放电特性来识别油纸绝缘系统中局部放电产生缺陷的基本性质，并将分析结果作为风险评估依据。廖瑞金等[11]采集了油纸绝缘针板模型局部放电信号，对局部放电整个过程的相位分布谱图进行了总结。这些研究为芳纶纸的局部放电特性研究提供了参考。

迄今已有部分学者对特定绝缘场景下的芳纶纸适用性进行了研究。廖瑞金等[12-13]研究了植物油与间位芳纶纸组成的油纸绝缘系统热老化特性和空间电荷特性；
LI X 等[14]研究了应用于高铁牵引变压器的单层芳纶纸-油绝缘体系的局部放电特性。间位芳纶纸具有与纤维素纸完全不同的结构与性能水平，两者的放电特性与材料劣化机理势必存在较大差别，有必要针对常见的干式、叠层工况下间位芳纶纸的局部放电特性及其材料劣化机制展开充分研究。

本文选用锥-板电极构建常见的极不均匀电场，研究干式变压器绝缘用间位芳纶叠层纸在锥-板电极下的局部放电发展特性，探究多叠层芳纶纸在长时间加压下的绝缘失效现象，评估叠层芳纶纸的逐层失效特性，并对其局放参数、微观形貌、官能团分解情况、陷阱特性和剩余绝缘强度进行表征。

1.1 材料及样品制备

在典型的干式变压器应用场景中，芳纶叠层数和单层厚度的变化范围较大，匝间绝缘等狭小区域常用2～4 层的0.05 mm 绝缘纸，层间绝缘常用4～6层的0.18 mm 绝缘纸，相间绝缘则常用数十层的总厚度达10～15 mm 的绝缘纸板，而在电力套管等具备均压电极的数十厘米厚的纵向绝缘结构中，常使用单层厚度为0.08～0.25 mm 的绝缘纸叠成约1 mm厚的绝缘单元。相较于其他厚度的芳纶纸，厚度为0.18 mm 的芳纶纸电气强度较高，因此选用电力设备常用的厚度为0.18 mm 的Nomex T410 芳纶纸作为研究对象（购自美国E.I.杜邦有限公司）。最高设定6层叠层数，厚度达1.08 mm。为防止芳纶纸在测试中发生沿面闪络，需将芳纶纸裁剪为面积足够大的150 mm×150 mm正方形。按层数叠压后，采用欧佰佳试验仪器公司生产的QLB-25T 型平板硫化机在260℃、10 MPa下压3次，每次30 s，以保证其表面平整度和层间的紧密度，同时该温度下芳纶纸层间不会发生粘接，便于后续逐层表征。

1.2 击穿与局部放电测试平台

局部放电测试平台如图1 所示[15]。为模拟实际工况中毛刺产生的极不均匀电场，选用锥-板电极，锥电极高度为25 mm，顶角为30°，电极尖端曲率半径为50 μm，电极侧面边缘倒角半径为3 mm。板电极的底径和高度分别为75 mm 和15 mm，电极角半径为3 mm。试验开始前，将芳纶纸放置于热风干燥箱中，在120℃下干燥24 h，除去样品中的水分，调节锥电极高度，使其尖端与样品表面轻微接触。局部放电实验线路按照高电压试验局部放电测量标准GB/T 7354—2018搭建，试验时，将锥形电极通过保护电阻与江都市华宇高压电气有限公司生产的无局放工频电源（YDTW-10/120）连接，将平板电极接地。隔离变压器可有效地抑制电网的高次谐波，改善供电电源的品质[13]。采用100 kV/1 000 pF耦合电容采集叠层样品产生的脉冲电流信号，并通过同轴电缆输出至保定天威新域科技发展有限公司生产的TWPD-2P 多通道数字式局部放电分析仪的检测阻抗箱。分析仪采样频率为400 MHz，测试频带为40～300 kHz。测试系统符合IEC 60270 规定，在样品未发生局部放电时，干扰信号的局放控制在5.0 pC以下。实验过程中利用工业相机记录局部放电现象，相机曝光时间为1/60 s。击穿测试操作方法符合GB/T 1408.1—2016 规定。试验时，将锥形电极与工频电源连接，将平板电极接地，维持升压速度为1 kV/s 直至击穿。为消除随机性的影响，每个样品测试10次，采用双参数威布尔（Weibull）分布分析样品的击穿特性。实验时，将样品和电极放在密闭的温湿度可控的有机玻璃腔体内，温度和湿度分别控制在（20±1）℃和（20±2）%。

图1 局部放电测试平台Fig.1 Partial discharge test platform

1.3 表征方法

采用局放分析仪采集放电发展过程中的放电量与放电相位数据，利用工业相机拍摄样品的碳痕。采用电子显微镜（SEM，Zeiss Gemini300）对样品的表面损伤形貌进行表征。采用等温表面电位（ISPD）法测试样品的载流子陷阱特性[16-19]。采用有源动态电容式探头对试样的表面电位进行测量，测试系统示意图如图2 所示，不锈钢充电针电极与高压直流电源（LAS-100 kV/1 mA 正极性）相连接，其针尖曲率半径为25 μm。针电极与试样的垂直距离为5 mm，直流电源的充电电压为正极性5 kV，在此电压和垂直距离下，针电极的电晕不会直接损伤样品，仅令样品表面带静电荷[20]。将样品充电2 min后，通过与试样距离2 mm 的有源动态电容式探头，测试充电后试样的表面电位数据。测试过程中，针电极与探头的位置固定，样品放于滑动台上，通过滑动台移动样品位置，移动速度由二维运动编程控制器和电机控制，以保证每次测试移动过程时间间隔相同。通过样品底部的恒温加热板控制充电温度和测试温度均为50℃，通过数据采集卡（Data Ac‐quisition Board，DAQ）和电脑记录10 min 内样品的表面电位数据。

图2 表面电位测试平台Fig.2 Surface potential test platform

2.1 局放电压参数选取

为了选取合适的局部放电电压，采用与局放测试相同的电极结构进行叠层击穿和击穿时延测试，采用威布尔分布对击穿电压数据进行分析，结果如表1 所示。从表1 可以发现，随芳纶纸叠层数的增加，电气强度呈现单调递减的趋势，单层芳纶纸的电气强度为40.23 kV/mm，而6层芳纶纸的电气强度仅为20.69 kV/mm，下降了48.59%，叠层式芳纶纸的电气强度随厚度降低的情况，与大部分块体绝缘材料的普遍规律相似。之后，选取20、19、18、17、16、15 kV对6叠层芳纶纸进行击穿时延测试，每组电压参数重复3 次，结果如表2 所示。从表2 可以发现，20 kV 下的击穿时间仅有数十秒，当电压为15 kV时，平均击穿时间为186 min，该时间跨度既能满足对局放阶段的划分，也能保证在有限的时间内观测到局放后期至击穿的现象参数，故选择15 kV 作为局放的恒定电压值。

表1 击穿电压和电气强度Tab.1 Breakdown voltage and electric strength

表2 击穿时间随电压的变化Tab.2 Breakdown time varies with voltage min

2.2 放电谱图与放电现象

在15 kV 下对6 层芳纶纸进行恒压局部放电试验，在188 min 时发生击穿，采集了从起始放电到击穿的局部放电谱图如图3 所示，每个散点图的累积时间为5 min，TWPD-2P 多通道数字式局部放电分析仪的谱图分析软件的信号处理量程范围为0.1～500 000 pC。从图3 可以发现，在30°～330°相位范围内出现了明显的放电信号，最大放电量和局部放电现象如图4所示。

图3 局部放电谱图Fig.3 Partial discharge profile

以放电谱图和最大放电量为主要依据，以放电现象为辅助依据，将放电过程分为3个阶段：放电起始阶段（0～80 min）、放电发展阶段（80～160 min）和预击穿阶段（160 min～击穿时间点即188 min），图4 中附图(a1)、(a2)、(a3)、(a4)分别为上述阶段的典型放电现象。在放电起始阶段，放电发生在60°～315°，最大放电量在15 000 pC 左右波动。起初只在负半周的180°～315°发生以悬浮放电为主，尖端放电为辅的混合式放电，随着放电的发展和芳纶纸的破坏，有效绝缘距离缩减，等效场强增加，放电加剧，正半周也逐渐出现以悬浮放电为主的放电模式。这是因为锥-板电极具有极性效应，锥电极尖端在施加电压处于负半周时更容易产生放电[21]。在放电发展阶段，叠层芳纶纸上层被破坏，悬浮和尖端放电均加剧，最大放电量逐步增长到约20 000 pC。当出现明显的沿面放电信号时，意味着叠层芳纶纸进入了最终的预击穿阶段，此时放电模式为沿面、尖端和悬浮的混合放电，最大放电量剧增到200 000 pC，此阶段仅能维持20～30 min，临近击穿时出现耀眼的红色电弧。

图4 局部放电现象和最大放电量Fig.4 Partial discharge phenomenon and maximum discharge

综上所述，在实际工况中的毛刺缺陷下，芳纶不仅会产生沿毛刺纵向的尖端放电，还会产生与毛刺方向垂直的沿芳纶表面的放电。因此，在比击穿电压低32.86%的电压下，芳纶仍会因为局部放电在200 min内击穿。

2.3 碳痕发展

选取典型局放击穿样品进行SEM 表征，结果如图5 所示，其中图5(a0)和图5(b0)为低倍数SEM 图像，其下方的4 幅图为距中心不同长度的局部区域高倍数SEM 图像。首先，通过图5(b0)可以看出，除了最大的击穿孔外，在其右下方2～3 mm 处出现了第二处重度烧蚀的孔洞。在连接两点的碳蚀路径上，短切纤维被完全切断，但浆粕平整度受影响较小。可以推测，芳纶的成纸组分中，浆粕对电弧的耐受能力强，而短切纤维则相对较弱，可以通过短切纤维的破损情况对芳纶材料的放电损伤程度进行区分。

据此，按照损毁程度由高到低，将电损伤芳纶纸的局部区域分为3种类型：①击穿边缘区域；
②重度损毁区域；
③轻度损毁区域。图5(a1)、(a2)和(b1)所示为典型的击穿边缘区域，可以观察到在击穿点处，芳纶纸呈现被电弧烧蚀的大面积空洞，其边缘几乎不能观察到完整的短切纤维，表现为多孔熔融的树脂状物质，且该部分的宏观性状呈现深棕至纯黑色。图5(a3)和(b3)所示为典型的重度损毁区域，在该区域可观察到大量被电弧烧断的短切纤维，纤维断口较清晰，且浆粕区域出现撕裂和外翻的痕迹，该部分的宏观性状呈现浅棕色。图5(a4)和(b4)为轻度损毁区域，该区域的短切纤维分布比较连续，浆粕表面相对平整，宏观呈现出灰白色的正常产品性状。

图5 碳痕及微观形貌Fig.5 Carbon trace and microscopic morphology

考虑到局部放电发展过程中，难以对样品进行取样测试，并且中断局部放电进行取样会对其后续局放产生不可忽略的影响，故分别制备了15 kV 下不同局放老化时间的芳纶纸叠层样品，以对不同局部放电阶段样品的理化特性进行表征，选择加压时间为局部放电的时间分界点：80 min，160 min 以及击穿时间点192、206、187 min，额外选取40 min 和120 min以补充时间细节，相同加压时间下的样品均制备3份以排除随机性的影响。对不同加压时间的样品逐层拍照，所有照片的分辨率调整为1 000 像素×1 000 像素，结果如图6 所示。从图6 可以发现，加压时间为40 min 时，未出现碳痕，80 min 时碳痕发展到1～2层，呈点状，120 min时碳痕增加到2～3层，且第2 层碳痕面积略微增大，160 min 时碳痕全部发展到3 层，且2～3 层碳痕面积明显增大。当样品被击穿后，3个样品的碳痕发展到第6 层。此外，从图中明显的横向碳痕发展情况可以推断，相对于常规绝缘纸，间位芳纶具有更高的绝缘强度，能够在一定时间内耐受沿锥-板间隙方向的绝缘破坏，从而将放电限制在多层之间，此时放电多呈现沿面形式，且其损毁形式呈现大面积的沿面碳痕。

图6 碳痕及其发展Fig.6 Carbon trace and its development

图7 为完好芳纶以及击穿样品碳痕处1～6 层的FTIR谱图，测试时，针对每层芳纶纸，以击穿点为中心，按照1 cm×1 cm 尺寸剪下方形区域进行测试。从图7 可以看出，完好的芳纶纸主要表现为7个特征峰：N-H 的伸缩振动峰在3 280 cm-1，酰胺I 带在1 640 cm-1，酰胺II 带在1 523 cm-1，C-O 的不对称伸缩振动峰在1 412 cm-1，苯环C-H的剪切型振动峰在1 234～900 cm-1，在817 cm-1处有孤立H 弯曲振动峰，在776 cm-1处有苯环的特征峰。相对于完好芳纶纸样品，含有碳痕的样品上述特征峰均呈现出不同程度的弱化，通过碳痕最明显的纸层，即绿色曲线对应的第3 层谱线可以看出，在N-H、CO-NH 等酰胺基团内属化学键以及苯环部分的特征峰均出现了弱化，说明电损伤主要造成上述基团的分解。

图7 不同层的FTIR谱图Fig.7 FTIR results of different layers

实际工况中，可根据以上基团的分解情况对芳纶材料的失效程度进行评估。

3.1 剩余绝缘强度

对发展到第1阶段（0～80 min）和第2阶段（0～160 min）的样品快速升压，测试其剩余击穿电压，结果如图8所示。第1阶段的样品碳痕出现在前2层，完好的芳纶纸有4层，表1中显示4层芳纶纸的击穿电压为18.05 kV，而碳痕化后样品的击穿电压高于18.05 kV。同样，第2 阶段的样品碳痕出现在1～3层，完好芳纶纸有3 层，表1 中显示3 层芳纶纸的击穿电压为15.22 kV，而碳痕化后样品的击穿电压高于15.22 kV。说明局放导致的碳痕生长在一定程度上可以提升锥-板电极下材料的击穿电压，可以推测导致芳纶能够承受长时期、高放电量的悬浮放电的原因，一方面是芳纶本身性能足够稳定，另一方面是碳痕引起的电场均化缓解了锥-板电极下纵向击穿的发展进程。

图8 剩余击穿电压Fig.8 Residual breakdown voltage

这种现象归因于碳痕的等效尖端电极效应。根据间隙电场的方向，碳痕可分为两类：沿锥电极方向的碳痕定义为纵向碳痕，垂直锥电极方向的碳痕定义为横向碳痕。在锥-板电极下，横向碳痕虽然对芳纶纸造成了损坏，但它更多地起到了均化垂直电场中间电极的作用，使其余层能够承受锥-板电极下更高的电压；
而在柱-板电极下，纵向碳痕加剧了电场的畸变，其前端类似于尖端电极，将其余各层的电场转化为高度不均匀的电场，使其余层无法承受柱-板电极下应承受的电压[22]。可推测，碳痕是介于锥电极与柱电极之间的中间电极，它可以均化锥电极的电场，提升击穿电压，同时也可加剧柱电极电场的不均匀程度，降低柱电极击穿电压[22]。

3.2 电荷输运特性

为了表征放电导致的碳痕化程度对芳纶纸电荷输运特性的影响，对加压时间为80、120、160、192 min（击穿时间点）的叠层芳纶纸每一层纸的表面电位特性进行测试，结果如图9所示，图中，“0”代表未进行局部放电处理的对照芳纶样品，“1～6”表示特定加压时间该样品所处的层数，括号内为样品充电后的初始电位值。从图9可以发现，未击穿时，碳痕处的电位消散速率大于完好样品，击穿后碳痕处的电位消散速率进一步增大。

图9 电位消散曲线Fig.9 Potential dissipation curves

通过式（1）和（2）可以计算试样的陷阱参数[22-24]。

式（1）～（2）中：Em为陷阱能级；
kB为玻尔兹曼常数；
T为温度；
VA为电子逃逸频率；
t为消散时间，Nt为陷阱密度；
ε0为真空介电常数；
εr为芳纶纸相对介电常数；
e为元电荷；
L为纸厚度；
φ(t)为表面电位。

15 kV 下加压时间分别为80、120、160、192 min的碳痕处陷阱分布曲线如图10所示，图中，“0”代表未进行局部放电处理的对照芳纶样品，“1～6”表示特定加压时间该样品所处的层数。从图10 可以发现，样品均具有深、浅陷阱，碳痕化后的样品深、浅陷阱能级均变小，其中击穿后的样品碳痕处陷阱能级减小最多，第6 层的深陷阱能级为0.952 eV，比完好样品的深陷阱能级1.059 eV 下降了0.107 eV，在一定程度上表示材料本体的介电结构受到了破坏。与此同时，结合剩余绝缘强度的测试结果可以发现，在碳痕化之后，纸层剩余绝缘强度反而提升，可以推测，陷阱浅化可以在一定程度上起到加快电荷转移、均化瞬时电场的效果。

图10 载流子陷阱分布曲线Fig.10 Carrier trap distribution curves

（1）芳纶具有一定的干式叠层工况运行能力，叠层厚度由单层0.18 mm增长至6层1.08 mm时，电气强度下降了48.59%，且叠层芳纶纸在比击穿电压低30%的电压下，仍会在200 min内击穿。

（2）依据放电类型、放电量和放电现象，干式叠层芳纶纸在锥-板电极下的局部放电过程可分为放电起始、放电发展和预击穿3个阶段。依据短纤形貌，电损伤样品的局部微观结构可分为3 类不同程度的损毁类型。

（3）通过局放老化实验表征了碳痕逐层发展和官能团分解的规律，并发现碳痕能够在一定程度上均化锥-板电极的电场，缓解锥电极下纵向击穿的发展进程，同时浅化陷阱。