廖瑞金 郝 建,2 楊麗君 尹建國(guó) 朱孟兆

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044 2.重慶電力科學(xué)試驗(yàn)研究院 重慶 401123 3.湘潭電力局 湘潭 411100）

1 引言

變壓器是電能傳輸和配送過程中能量轉(zhuǎn)換的核心，是電網(wǎng)安全運(yùn)行中最重要和最關(guān)鍵的設(shè)備之一。變壓器的嚴(yán)重事故不但會(huì)導(dǎo)致自身的損壞，還會(huì)中斷電力供應(yīng)，給社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。變壓器內(nèi)部的銅金屬部件極容易受到絕緣油中酸性物質(zhì)、過氧化物、重金屬鹽、硫、氨，以及硫和氨化合物的攻擊，導(dǎo)致銅部件被腐蝕[4,5]。銅污染物導(dǎo)電層會(huì)沉積在包覆著銅繞組的絕緣紙表面，并在絕緣紙層與層之間逐漸積聚，導(dǎo)致變壓器繞組圓盤之間或者導(dǎo)體之間電弧的形成，從而縮短變壓器安全運(yùn)行壽命[6]。因此，目前有關(guān)變壓器銅材料受腐蝕的研究，日漸引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和工程人員的廣泛關(guān)注[6-8]。

絕緣油中的酸性物質(zhì)不僅對(duì)電力設(shè)備金屬部件有較強(qiáng)腐蝕作用，而且變壓器油紙絕緣老化過程中生成的酸性產(chǎn)物以及由酸性產(chǎn)物對(duì)金屬部件腐蝕而生成的金屬鹽又會(huì)加速絕緣油已有的老化，造成絕緣油酸值增大和金屬被腐蝕的惡性循環(huán)[9]。另外，變壓器油來源于石油，石油在精煉提取礦物絕緣油的過程中，油中大量的硫化合物雖已被提取出來，但為了保證油品具有更好的安定性，再加上精煉工藝的不同，仍有微量的硫化合物依舊存在于變壓器油中。溶解于變壓器油中的硫化合物在復(fù)分解作用下，會(huì)分解出性質(zhì)極為活潑的元素硫[10]。凡能與氧化合的金屬幾乎都能與硫化合，特別是在熱的作用下，絕緣油中的硫能直接與銅材料化合而形成金屬硫化物[10]。Lance R.Lewand指出腐蝕性硫和銅的反應(yīng)不需要熱量，熱能促使反應(yīng)加速[11]。巴西、印度等國(guó)家由于變壓器銅部件受腐蝕（硫腐蝕）而引起的故障已經(jīng)發(fā)生了數(shù)十例[12,13]。

鑒于以上，可見變壓器內(nèi)部銅材料遭受腐蝕的問題不容忽視。然而，在變壓器運(yùn)行過程中，國(guó)內(nèi)廣泛使用的變壓器油紙材料對(duì)變壓器內(nèi)部銅金屬材料的腐蝕情況如何，銅類產(chǎn)物的存在對(duì)油紙絕緣體系的危害有哪些，國(guó)內(nèi)變壓器油是否也會(huì)發(fā)生硫腐蝕銅材料的狀況，目前相關(guān)研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文運(yùn)用國(guó)內(nèi)變壓器廣泛使用的油紙絕緣材料（25#環(huán)烷基變壓器油、25#石蠟基變壓器油、普通纖維素絕緣紙）和電工用銅組合成含銅與不含銅的四種油紙絕緣試品并對(duì)其開展熱老化實(shí)驗(yàn)，得到銅類產(chǎn)物對(duì)油紙絕緣老化特性的影響，并得到絕緣油中和絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量的變化規(guī)律，以此為揭示銅腐蝕機(jī)理及其預(yù)防提供參考。

2 不同組合油紙絕緣試品老化試驗(yàn)

2.1 油紙絕緣老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料：25#環(huán)烷基變壓器油、25#石蠟基變壓器油、變壓器用普通纖維素絕緣紙（厚0.07mm）、銅片。本文首先模擬變壓器油紙絕緣系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)流程，將絕緣紙包裹在銅片（銅片的長(zhǎng)/寬/厚分別為：7.5cm/5cm/0.02cm，銅片每側(cè)繞包5層絕緣紙）上制作油紙絕緣試品。為研究銅類產(chǎn)物對(duì)油紙絕緣的危害，對(duì)照組油紙絕緣試品中不含銅片。為便于分析和對(duì)比含銅與不含銅油紙絕緣試品的老化特性，采用表1定義的標(biāo)號(hào)區(qū)分不同材料組合的油紙絕緣試品。

表1 油紙絕緣試品編號(hào)及其組成Tab.1 Oil-paper insulation samples and its component

四種組合油紙絕緣試品的熱老化試驗(yàn)流程如下：

（1）將大量包裹銅片的絕緣紙樣品分別放入兩個(gè)大燒杯中，將大量不包裹銅片的絕緣紙樣品也放入兩個(gè)大燒杯中，將絕緣紙樣品在溫度為90℃、真空度為50Pa的真空箱中干燥48h。

（2）干燥完畢后，在保持真空度不變的情況下，將真空箱溫度調(diào)整為40℃，在有銅與無銅的絕緣紙樣品燒杯中分別倒入新25#環(huán)烷基變壓器油和新25#石蠟基變壓器油，浸漬絕緣紙樣品24h。

（3）將浸漬25#環(huán)烷基變壓器油和25#石蠟基變壓器油后的含銅與不含銅油紙絕緣樣品分別裝入500ml燒瓶中，然后向每個(gè)燒瓶中注入經(jīng)真空干燥脫氣的新25#環(huán)烷基變壓器油或新25#石蠟基變壓器油330g，得到四種組合的油紙絕緣試品：H130、CPH130、S130、CPS130（每種組合里含油330g、絕緣紙7.5g、銅片16.5g）。

（4）將裝有四種組合油紙絕緣試品的燒瓶在氮?dú)獠僮飨渲谐檎婵?，然后充氮至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后密封；將密封后的燒瓶放入130℃老化箱中進(jìn)行加速熱老化。定期取樣測(cè)量四種組合油紙絕緣試品的理化和電氣性能參數(shù)。

2.2 油紙絕緣試品老化參數(shù)測(cè)量

絕緣油酸值和擊穿電壓：中和1 g試油中含有的酸性成分所需要?dú)溲趸洠↘OH）的質(zhì)量稱為酸值，本文油酸值的測(cè)量依照GB/T 7599—1987執(zhí)行[14]，絕緣油擊穿電壓測(cè)量采用IJJD—80絕緣油介電強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀（測(cè)量六次的均值作為最終結(jié)果）。

絕緣油中溶解的銅類產(chǎn)物含量按以下步驟測(cè)量：

（1）將絕緣油在電子天平上稱重1.000 0±0.000 1g。

（2）將油樣放入坩堝，并將盛有油樣的坩堝在電路上進(jìn)行加熱蒸發(fā)，直至獲得干性殘?zhí)紴橹埂?/p>

（3）將灰化后的坩堝移入600℃左右的高溫爐中，在此溫度下保持1h，直至殘?zhí)纪耆一?/p>

（4）從高溫爐中取出坩堝冷卻至室溫。

（5）加入硝酸（1∶1）溶液2ml，鹽酸（1∶2）溶液1ml，放在電爐上，加熱蒸發(fā)至約0.5ml，取下坩堝冷卻至室溫。

（6）將坩堝內(nèi)溶液轉(zhuǎn)移至100ml容量瓶中，定溶至100ml。

（7）將定溶好的樣品進(jìn)行火焰原子吸收測(cè)定，計(jì)算油中溶解的銅類產(chǎn)物含量。

絕緣紙X射線光電子譜（XPS）：XPS主要用于固體樣品表面的組成、化學(xué)狀態(tài)分析，能進(jìn)行定性、半定量及價(jià)態(tài)分析。XPS已被證明是纖維表面化學(xué)成分測(cè)定非常有效的表面分析技術(shù)之一[15]。XPS電子能譜曲線的橫坐標(biāo)是電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)是光電子的測(cè)量強(qiáng)度，可以根據(jù)XPS電子結(jié)合能標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，對(duì)被分析元素進(jìn)行鑒定。本文運(yùn)用英國(guó)Kratos公司的XSAM800多功能表面分析電子能譜儀分析絕緣紙表面的產(chǎn)物。該能譜儀分析室本底真空度優(yōu)于2×10-7Pa，X射線源采用AlKα線（1486.6eV），功率為180W。采用FAT方式，XPS譜儀采用Cu2p3/2（932.67eV）、Ag3d5/2（368.3eV）、Au4f7/2（84eV）標(biāo)樣校正，樣品荷電效應(yīng)引起的結(jié)合能的偏差通過將污染碳的C1s譜標(biāo)定在284.8eV進(jìn)行校準(zhǔn)，然后對(duì)各元素的精細(xì)譜進(jìn)行非線性多峰高斯曲線擬合。

絕緣紙形貌學(xué)特征：文獻(xiàn)[16]中將原子力顯微鏡（AFM）作為分析手段觀測(cè)了老化前后油紙絕緣試品的納米級(jí)形貌圖。本文首次利用AFM研究銅類產(chǎn)物對(duì)絕緣紙形貌學(xué)特征的影響。所用儀器為AFM.IPC—208B 型高精度原子力顯微鏡，橫向掃描精度為0.1nm，縱向精度0.01nm，上掃描范圍為1 000nm×1 000nm，下掃描范圍為10μm×10μm，機(jī)械掃描與加工范圍是25mm×25mm。

3 不同組合油紙絕緣試品老化特性分析

3.1 銅類產(chǎn)物對(duì)絕緣油性能的影響

3.1.1 絕緣油顏色

GB2536-1990規(guī)定油的目測(cè)外觀顏色要透明、無懸浮物和機(jī)械雜質(zhì)[17]。老化過程中油品顏色變化速度的快慢反映了其老化速度的快慢，油顏色越深表明油老化越嚴(yán)重。四種組合油紙絕緣試品老化過程中絕緣油顏色變化如圖1所示。

圖1 絕緣油顏色（從左至右依次為老化0、11、21、29、35、43、64、77 天）Fig.1 Colors of oils

圖1 表明，CPH130樣品絕緣油的顏色（見圖1c）比老化同期的H130樣品絕緣油顏色（見圖1a）略深，CPS130樣品絕緣油（見圖1d）在老化43天前的顏色與老化同期的S130樣品絕緣油顏色（見圖1b）相差不大，而老化43天后，CPS130絕緣油顏色深于老化同期的S130絕緣油顏色。可見，銅物質(zhì)的存在加速了絕緣油的老化。在熱老化過程中，無論含銅還是不含銅的油紙絕緣試品，25#環(huán)烷基油顏色變深的速度均明顯慢于25#石蠟基油顏色變深的速度，這表明相同熱老化條件下，25#環(huán)烷基油抗老化性能優(yōu)于25#石蠟基油。另外，四種組合油紙絕緣試品在老化第35天取樣時(shí)觀察到在最外層絕緣紙表面和燒瓶壁上均沉積了肉眼可見的油泥；老化第77天取樣時(shí)，觀察到最外層絕緣紙表面和燒瓶壁上沉積的油泥明顯增厚，CPS130、S130試品尤為明顯。

3.1.2 絕緣油酸值和擊穿電壓

四種組合油紙絕緣試品的絕緣油酸值均隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷增大，如圖2所示。CPH130絕緣油酸值要大于老化同期的H130絕緣油酸值，CPS130試品在老化29天前絕緣油酸值和老化同期的S130絕緣油酸值相差不大，但老化29天后，CPS130絕緣油酸值要大于老化同期的S130絕緣油酸值。CPH130與 H130、CPS130與S130試品在老化過程中絕緣油酸值變化的對(duì)比結(jié)果表明，銅物質(zhì)對(duì)絕緣油的老化起到了較明顯的加速作用。另外，CPS130絕緣油酸值要明顯大于老化同期的CPH130絕緣油酸值，S130絕緣油酸值要大于老化同期的H130絕緣油酸值。從油品顏色和油品酸值的變化均能反映油品老化程度的角度來看，圖2與圖1表明的結(jié)果正相吻合。

圖2 油紙絕緣試品老化過程中絕緣油酸值變化Fig.2 Changes of oil acid value during oil-paper insulation samples aging process

四種組合油紙絕緣試品老化過程中絕緣油擊穿電壓變化如圖3所示。在每個(gè)取樣點(diǎn)，含銅樣品CPS130、CPH130絕緣油的擊穿電壓分別低于不含銅樣品S130、H130絕緣油的擊穿電壓；CPH130絕緣油的擊穿電壓均高于CPS130絕緣油的擊穿電壓，H130絕緣油的擊穿電壓也均高于S130絕緣油的擊穿電壓?？梢姡匣^程中銅物質(zhì)對(duì)絕緣油絕緣性能的劣化程度很大。與25#環(huán)烷基油相比，25#石蠟基油的絕緣性能被銅物質(zhì)劣化的程度更大?？梢姡~油紙絕緣試品中銅物質(zhì)對(duì)絕緣油性能產(chǎn)生了很大的影響，因此，采取合理有效的措施，減輕金屬產(chǎn)物對(duì)絕緣油老化的催化加速作用，將對(duì)延長(zhǎng)絕緣油使用壽命和提高絕緣油絕緣性能具有重要的意義。

圖3 絕緣油擊穿電壓變化Fig.3 Variation of breakdown voltage of insulation oil

3.1.3 絕緣油中溶解的銅類產(chǎn)物含量

CPS130和CPH130試品老化過程中絕緣油中溶解的銅類產(chǎn)物含量變化如圖4所示。可見，CPS130和CPH130試品油中溶解的銅類產(chǎn)物含量與老化時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因主要在于油紙絕緣試品中銅的侵蝕是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程[18]。變壓器銅繞組在制作過程中不可避免地會(huì)接觸空氣，以及變壓器油中會(huì)有一定量的溶解氧存在，導(dǎo)致銅繞組局部表面會(huì)產(chǎn)生很薄的氧化物薄膜層，造成銅表面不同電勢(shì)的存在[18]。銅侵蝕電化學(xué)反應(yīng)的陰陽(yáng)極反應(yīng)可同時(shí)發(fā)生在銅表面相鄰處，銅作為陽(yáng)極，銅的氧化物作為陰極。但若陰極和陽(yáng)極相距較遠(yuǎn)，就需要變壓器油充當(dāng)電解液來實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。CPS130和CPH130試品絕緣油在老化過程中油酸值會(huì)不斷增加，這就導(dǎo)致帶電質(zhì)點(diǎn)在油中的傳導(dǎo)率不斷增加，則以絕緣油為電解液的電化學(xué)反應(yīng)速率必隨之加快，造成更多的銅被腐蝕，使得油中溶解的銅類產(chǎn)物含量增加。另一方面，油中溶解的銅類產(chǎn)物又會(huì)加速絕緣油已有的老化，導(dǎo)致更多的銅被腐蝕溶解。當(dāng)油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣油因老化嚴(yán)重產(chǎn)生油泥，會(huì)使得油中溶解的銅類產(chǎn)物沉積在油泥中[18,19]，由此引起油中溶解的銅類產(chǎn)物含量減少。本文油中溶解的銅類產(chǎn)物含量減少的時(shí)刻（見圖3）正好與試驗(yàn)過程中觀察到油泥產(chǎn)生的時(shí)刻相對(duì)應(yīng)。所以，絕緣油中溶解的銅類產(chǎn)物含量在老化過程中呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

圖4 絕緣油中溶解的銅類產(chǎn)物含量變化規(guī)律Fig.4 Content variation of copper products dissolved in insulation oil

3.2 銅類產(chǎn)物對(duì)油浸絕緣紙?zhí)匦缘挠绊?/h3>

3.2.1 絕緣紙顏色

圖5列出了四種組合油紙絕緣試品老化過程中絕緣紙顏色的變化情況。圖5表明，隨著老化時(shí)間的增加，25#環(huán)烷基油和25#石蠟基油浸漬的絕緣紙樣品顏色均逐漸加深。由于25#環(huán)烷基油的抗老化性能優(yōu)于25#石蠟基油，因此，在25#環(huán)烷基油中老化的絕緣紙與在25#石蠟基油中老化同期的絕緣紙相比，其顏色要淺。特別值得關(guān)注的是，取樣過程中觀察到含銅油紙絕緣試品CPH130和CPS130在老化過程中緊貼銅片的絕緣紙表面出現(xiàn)一層沉積物，如圖5老化第43天和第77天絕緣紙樣品圖像所示。絕緣紙的化學(xué)組成主要是碳、氫、氧等元素，為探究清楚本文絕緣紙表面沉積產(chǎn)物的存在形態(tài)，本文對(duì)在25#環(huán)烷基油和25#石蠟基油中老化的含銅絕緣紙樣品老化第77天的絕緣紙進(jìn)行XPS分析，結(jié)果如圖6所示。圖6a表明，CPH130和CPS130絕緣紙XPS譜圖中不僅存在銅的2p衛(wèi)星峰，而且CPH130和CPS130中的Cu2p3/2峰位是933.3eV，Cu2p1/2峰位是953.4eV。查閱銅的Cu2p3/2峰位和Cu2p1/2峰位結(jié)合能和其對(duì)應(yīng)化合物的數(shù)據(jù)庫(kù)[22]，得到本文絕緣紙表面沉積的有銅（銅離子）和氧化銅。

本文所用25#環(huán)烷基和25#石蠟基變壓器油中腐蝕性硫檢測(cè)是依照SH/T0304—1999《電氣絕緣油腐蝕性硫試驗(yàn)法》進(jìn)行測(cè)試[23]，結(jié)果均為非腐蝕性。SH/T0304—1999僅是在規(guī)定條件下定性地檢測(cè)變壓器油中的腐蝕性雜質(zhì)。目前很多學(xué)者提出：變壓器油中腐蝕性硫的定性測(cè)試是不嚴(yán)格的，即使絕緣油檢測(cè)為非腐蝕性，但在變壓器運(yùn)行過程中，絕緣油內(nèi)部的非腐蝕性硫可轉(zhuǎn)化為腐蝕性硫，進(jìn)而腐蝕銅材料，從而危害油紙絕緣系統(tǒng)[24]。鑒于此，對(duì)

圖5 絕緣紙顏色變化（從上至下依次為老化0、21、43、77天）Fig.5 Variation of colors of insulation paper

圖6 CPH130 CPS130試品老化第77天最內(nèi)層絕緣紙的XPSFig.6 XPS results of the innermost insulation paper of

CPH130 and CPS130 samples after aging 77 days CPH130和CPS130絕緣紙樣品表面是否含有硫物質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖6b所示。圖6b中峰位結(jié)合能是168.5eV，為S2p譜峰對(duì)應(yīng)的結(jié)合能，但其光電子的測(cè)量強(qiáng)度很弱?？梢?，絕緣紙表面物質(zhì)含有微量的硫類物質(zhì)。J.E.Castle等對(duì)電流傳感器內(nèi)的絕緣紙進(jìn)行研究后指出絕緣紙表面存在氧化銅和氧化亞銅[20]，T.Amimoto等通過把牛皮紙包覆的銅片和裸銅片放入三種品牌的油中，其中一品牌的油中含有DBPS（dibenzyl disulfide），在空氣和氮?dú)鈨煞N氣氛下進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，運(yùn)用XMA（X-ray Micro Analyzer）分析了沉積在絕緣紙上的銅-硫化合物[21]。本文所得結(jié)果與J.E.Castle等一致，但絕緣紙表面的微量硫類物質(zhì)，是否以硫化亞銅的形式存在，有待嚴(yán)謹(jǐn)求證。

3.2.2 絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量

絕緣紙表面的銅類產(chǎn)物含量依照“火焰原子吸收分光光度法”（GB 8943.1—88）進(jìn)行測(cè)試。圖4表明絕緣油中含有微量的銅類產(chǎn)物，圖5絕緣紙宏觀表象以及圖6絕緣紙XPS分析結(jié)果均表明絕緣紙表面也沉積了銅類產(chǎn)物。油紙絕緣體系中銅類產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移和沉積機(jī)理如何，目前尚未得到一致的結(jié)論[25]。本文對(duì)含銅絕緣紙?jiān)嚻防匣^程中不同層絕緣紙面銅類產(chǎn)物含量進(jìn)行了研究，以為更好地揭示銅類產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移和沉積機(jī)理提供參考。本文包裹在銅片上的絕緣紙為5層，最內(nèi)層緊貼銅片，最外層離銅片距離最遠(yuǎn)，中間層次之。含銅絕緣紙?jiān)嚻防匣^程中不同層絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量結(jié)果如圖7所示。

圖7表明，CPH130試品最內(nèi)層、中間層和最外層絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量先增加再減小再增加，其變化規(guī)律與CPS130試品最外層和最內(nèi)層絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量的變化規(guī)律相同，而CPS130試品中間層絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量在老化過程中一直緩慢增加。由于最內(nèi)層絕緣紙和銅片接觸緊密，在老化過程中銅受腐蝕而生成的產(chǎn)物最容易和其接觸，所以老化相同時(shí)間后，CPS130和CPH130試品中緊貼銅片的最內(nèi)層絕緣紙表面銅類產(chǎn)物含量最高。銅類產(chǎn)物在不斷的生成過程中，由于物質(zhì)的擴(kuò)散作用，銅類產(chǎn)物會(huì)向濃度低的地方擴(kuò)散，并進(jìn)入到絕緣油中，所以圖4油中溶解的銅類產(chǎn)物含量在絕緣油未形成油泥前一直增加。另外，由于銅類產(chǎn)物向絕緣油中的擴(kuò)散速度和在絕緣紙表面沉積的速度在老化過程中可能會(huì)受到老化產(chǎn)物水分和酸性產(chǎn)物擴(kuò)散的影響，在某一時(shí)間段，銅類產(chǎn)物向油中擴(kuò)散速度大于向絕緣紙表面沉積速度時(shí)，使得銅類產(chǎn)物在絕緣紙表面沉積的量減小。而當(dāng)絕緣油老化特別嚴(yán)重導(dǎo)致油品酸值顯著增大時(shí)，油品的腐蝕性也更強(qiáng)，使得銅類產(chǎn)物的生成速率加快，此時(shí)沉積在絕緣紙表面的銅類產(chǎn)物含量又會(huì)增加。所以絕緣紙表面銅類產(chǎn)物產(chǎn)量呈現(xiàn)如圖7所示的變化規(guī)律。3.2.4 絕緣紙表面粗糙度

圖7 CPH130 CPS130試品老化過程中絕緣紙表面銅類產(chǎn)物沉積量變化規(guī)律Fig.7 Content variation of copper products deposition on insulation paper surface of CPH130 and CPS130 sample during aging process

絕緣紙表面沉積的銅類化合物有可能會(huì)影響絕緣紙表面微觀形貌。限于篇幅，本文以CPH130和H130試品為例，通過對(duì)比CPH130和H130老化第77天時(shí)最內(nèi)層絕緣紙的微觀形貌，來表征銅類化合物對(duì)絕緣紙微觀形貌的影響。表面粗糙度指物體表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性，被廣泛應(yīng)用于金屬材料、生物醫(yī)學(xué)、采礦、造紙、考古等眾多領(lǐng)域。GB7220—87中規(guī)定主要采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz和輪廓最大高度Ry這三個(gè)參數(shù)之一來定量評(píng)定表面的二維粗糙度，其中以輪廓算術(shù)平均偏差Ra應(yīng)用最為廣泛。由于該參數(shù)僅僅基于一段二維輪廓，不能全面反應(yīng)AFM測(cè)量得到的纖維表面的微區(qū)形貌，本文采用三維粗糙度Sa來定量表征絕緣紙的形貌狀態(tài)。表面的三維算術(shù)平均偏差Sa定義為在采樣區(qū)域內(nèi)，表面粗糙度相對(duì)名義高度μ偏距絕對(duì)值Sa和μ的算術(shù)平均值可表示為[26]

式中，M、N分別為在采樣區(qū)域內(nèi)x向和y向的離散采樣點(diǎn)數(shù)，本文AFM掃描圖中M和N均為256。CPH130與H130試品的AFM對(duì)比結(jié)果如圖8所示。按照式（1）和式（2）計(jì)算出來的CPH130試品和H130試品絕緣紙表面三維粗糙度分別為3 268.34nm和2 055.57nm?？梢?，絕緣紙表面銅類化合物的沉積增大了絕緣紙的粗糙度（CPS130和S130對(duì)比結(jié)果與CPH130和H130對(duì)比結(jié)果相同）。

圖8 H130和CPH130試品老化77天的絕緣紙AFMFig.8 Insulation paper morphology of H130 and CPH130 samples aged 77 days

當(dāng)絕緣油以一定的流速在變壓器內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，油流與絕緣材料表面發(fā)生摩擦而產(chǎn)生靜電效應(yīng)，使固體絕緣材料表面和絕緣油帶電的現(xiàn)象稱之為油流帶電。絕緣紙表面粗糙程度會(huì)對(duì)變壓器中油流帶電產(chǎn)生較大的影響。絕緣紙表面粗糙度增大會(huì)引起油與紙的接觸面增大，容易因摩擦產(chǎn)生大量靜電電荷。由于固體紙絕緣表面吸附電荷的能力也隨其表面粗糙度增加而增加，當(dāng)絕緣紙表面的積累電荷一旦放電后，將會(huì)使材料表面變得更粗糙，絕緣紙表面就更易積累電荷[25]。可見，絕緣紙表面銅類產(chǎn)物的沉積會(huì)間接加重油流帶電現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，絕緣紙表面銅類產(chǎn)物的存在應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

相同熱老化條件下，銅類產(chǎn)物的存在增大了絕緣油酸值，降低了絕緣油擊穿電壓；在熱老化過程中，絕緣油中未出現(xiàn)油泥前，25#石蠟基變壓器油中溶解的銅類產(chǎn)物含量大于老化同期的25#環(huán)烷基變壓器油中溶解的銅類產(chǎn)物含量。

含銅油紙絕緣試品絕緣油中溶解的銅類產(chǎn)物含量隨油紙絕緣系統(tǒng)老化時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；銅類產(chǎn)物可在絕緣紙表面的沉積并在絕緣紙層與層之間轉(zhuǎn)移，距離銅片最近的絕緣紙表面沉積的銅類產(chǎn)物含量最大。

絕緣紙XPS分析結(jié)果表明在25#環(huán)烷基變壓器油和25#石蠟基變壓器油中老化的含銅絕緣紙樣品中，絕緣紙表面銅類產(chǎn)物中含有銅（銅離子）和氧化銅，以及微量的硫類物質(zhì)。

首次通過AFM得到了絕緣紙表面的沉積產(chǎn)物能增大絕緣紙表面粗糙度，間接加重油紙絕緣系統(tǒng)油流帶電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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