史曉婉，閻明印，趙 晶

(沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

近年來，電力系統(tǒng)已經(jīng)成為實現(xiàn)現(xiàn)代化布局的重要的組成部分，而變壓器則是輸配電系統(tǒng)最重要組成部分之一。據(jù)統(tǒng)計，繞組故障在變壓器故障原因中占比很高，且繞組絕緣紙一旦失效，可能造成大面積停電，對社會經(jīng)濟和人民生活都將帶來極大的影響。目前因絕緣紙老化和變壓器電壓擊穿導致絕緣失效的問題已得到廣泛關注，通常采用添加助劑的方法提高絕緣紙的抗老化性[1-5]。但通過維修發(fā)現(xiàn)，絕緣失效并不是只由絕緣紙老化和電壓擊穿引起，在機械力的作用下，若油浸絕緣紙發(fā)生局部破損，同樣會導致絕緣失效[6,7]。在特變電工沈陽變壓器集團有限公司由絕緣事故引起的變壓器返廠維修中發(fā)現(xiàn)，繞組絕緣紙由于磨損導致的絕緣失效在變壓器中普遍存在，但還未有學者對此現(xiàn)象進行研究。由于變壓器在運行時鐵芯與繞組都會產(chǎn)生振動，而且振動會伴隨變壓器工作一直存在，不僅繞組自身的振動會導致絕緣紙磨損，而且鐵芯的振動與繞組振動疊加也會使繞組絕緣紙發(fā)生磨損。鐵芯的振動主要是由變壓器在運行時鐵芯硅鋼片的磁致伸縮現(xiàn)象導致的。繞組的振動則是由于電流通過繞組使得繞組匝間產(chǎn)生電磁力[8,9]。由于繞組和鐵芯的振動都是由于電磁感應現(xiàn)象，因此稱其為磁激微動現(xiàn)象?；谏鲜霰尘?，本工作針對磁激微動作用下油浸絕緣紙之間的磨損機理進行研究，研究不同厚度的油浸絕緣紙在微動機械力作用下的破損狀態(tài)和破損層數(shù)，以確定油浸絕緣紙之間的磨損機理。

1 油浸絕緣紙破損試驗

1.1 試驗材料

本試驗將0.03，0.05，0.08，0.13 mm 4種厚度的絕緣紙分別浸泡在45號變壓器油中24 h后，將其高溫晾干48 h。在實際應用中，根據(jù)不同種類變壓器的要求，絕緣紙的纏繞層數(shù)在13～25層不等，且纏繞方式為機器緊密纏繞。本工作所研究的大型變壓器油浸絕緣紙纏繞層數(shù)為17層，本試驗所用油浸絕緣紙均由手動纏繞完成，由于在試驗過程中，上球試樣施加的法向載荷使每層油浸絕緣紙之間緊密貼合，即手動纏繞產(chǎn)生的誤差忽略不計。為使試驗結(jié)果更加可靠，本試驗選擇了相同的外部環(huán)境，并且在常溫常壓下進行。

1.2 試驗儀器和參數(shù)設置

本試驗所有摩擦學測試均在圖1所示的摩擦磨損試驗機上進行，在測試過程中上球試樣(外部包裹油浸絕緣紙)保持靜止，而下平面試樣(油浸絕緣紙塊)以線性往復滑動的方式在球端面上滑動，實現(xiàn)油紙 - 油紙摩擦。同時，2個力傳感器分別連續(xù)測量并記錄了摩擦副的法向載荷和摩擦系數(shù)。

由于磁激微動引起的繞組油浸絕緣紙之間的磨損屬于微動磨損，因此將試驗量程設置為2 mm；且在實際工作中，變壓器繞組的線匝沿其軸向依次排列連續(xù)繞制，因此，絕緣紙受到的力是來自于法向的機械力。為了明確加載的法向載荷大小對油浸絕緣紙的影響，分別設置在法向載荷20 N和30 N下進行試驗。本試驗為油浸絕緣紙之間的加速磨損，因此設置試驗加載頻率為20 Hz。

2 試驗結(jié)果與討論

對比油浸絕緣紙表層和內(nèi)部磨損情況，分析油浸絕緣紙之間的磨損機理，如圖2所示。

對比4種厚度油浸絕緣紙摩擦部分，其破損輪廓都呈現(xiàn)不規(guī)則粗糙截面，且隨著油浸絕緣紙厚度的增加，其破損面積不斷減小，雖然設置的加載量程為2 mm，但磨損輪廓長度都大于2 mm。由于在摩擦過程中，油浸薄絕緣紙較油浸厚絕緣紙磨損輪廓更易出現(xiàn)磨屑堆積，如圖2a所示，厚度為0.03 mm的油浸絕緣紙破損輪廓存在明顯磨屑堆積，因此不斷增加的磨屑導致其破損輪廓范圍隨著摩擦時間的延長而增大。結(jié)果表明，油浸絕緣紙的磨損是由外層向內(nèi)層擴展，最外層紙張破損最嚴重，內(nèi)層紙張隨層數(shù)增加破損面積不斷減小，且每層油浸絕緣紙的磨損都是從受力中心點開始向其外圍擴展。從上述試驗可知，絕緣紙厚度、摩擦次數(shù)和法向載荷大小都會對油浸絕緣紙的磨損產(chǎn)生影響。為研究上述因素對油浸絕緣紙之間磨損情況的影響，開展了進一步的研究和討論。

2.1 絕緣紙厚度對油紙磨損情況的影響

本工作分別對4種厚度的油浸絕緣紙進行了油紙 - 油紙摩擦試驗，以明確厚度對油浸絕緣紙磨損情況的影響，本試驗所得結(jié)果在法向載荷為20 N，摩擦次數(shù)580 000次下進行。為保證數(shù)據(jù)準確性，每組試驗進行3次。試驗結(jié)果如表1所示，0.03 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)分別為14，14，15層；0.05 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)分別為2，3，2層；0.08 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)都為1層；0.13 mm油浸絕緣紙在此參數(shù)下均未破損。試驗表明，在相同法向載荷和摩擦次數(shù)的情況下，油浸絕緣紙厚度越大破損層數(shù)越少。

表1 絕緣紙厚度與破損層數(shù)的關系

研究摩擦過程中摩擦系數(shù)的影響因素和變化規(guī)律，是降低摩擦損耗和控制摩擦過程的有效途徑。因此，提取了部分摩擦過程中的摩擦系數(shù)(Coefficient of Friction,COF)。如圖3所示，試驗結(jié)果顯示在油紙 - 油紙摩擦過程中前600 s的摩擦時間內(nèi)，油浸絕緣紙越厚摩擦系數(shù)越大。這是由于在相同的法向載荷下，油浸厚絕緣紙比油浸薄絕緣紙實際接觸面積大，故表面間的分子相互作用更強。但如圖2所示，0.03 mm油浸絕緣紙磨損輪廓存在明顯的磨屑堆積，即油浸絕緣紙越薄磨屑堆積越明顯，且在油紙 - 油紙摩擦進程結(jié)束后，摩擦副和上球試樣表面都存在大量紙屑，加速了油浸絕緣紙的磨損。因此，薄油浸絕緣紙摩擦系數(shù)會隨著摩擦時間的延長而增加。

2.2 摩擦次數(shù)和法向載荷對油紙磨損情況的影響

為研究油紙 - 油紙摩擦過程中，法向載荷與摩擦次數(shù)對油浸絕緣紙磨損情況的影響，進行了不同載荷和不同摩擦次數(shù)下的試驗。試驗結(jié)果如表2所示，在施加20 N的法向載荷時，當摩擦次數(shù)為300 000次時，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙的破損層數(shù)分別為0和1層；當摩擦次數(shù)為580 000次時，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙的破損層數(shù)分別為1和2層。在施加30 N的法向載荷時，當摩擦次數(shù)為300 000次時，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙破損層數(shù)分別為1和5層；當摩擦次數(shù)為580 000次時，0.08 mm和0.05 mm油浸絕緣紙的破損層數(shù)分別為2和11層。實驗結(jié)果證明，摩擦次數(shù)和法向載荷越大油浸絕緣紙破損層數(shù)越多，對于越薄的油浸絕緣紙，法向載荷的增加對其影響越大。

表2 法向載荷和摩擦次數(shù)對破損層數(shù)的影響

為了研究載荷大小對油浸絕緣紙摩擦情況的影響，提取了不同載荷下的摩擦系數(shù)。如圖5a所示當法向載荷分別為20 N和30 N時，0.05 mm油浸絕緣紙的摩擦系數(shù)對比不明顯，在摩擦前期(前600 s)法向載荷為30 N時的摩擦系數(shù)稍大，摩擦后期(后600 s)法向載荷為20 N時的摩擦系數(shù)稍大。但如圖5b所示，厚度為0.08 mm的油浸絕緣紙，在全部摩擦進程中，施加的法向載荷越大摩擦系數(shù)越小。

為了明確產(chǎn)生圖5a現(xiàn)象的原因，使用超景深顯微鏡觀察了不同法向載荷的絕緣紙表面形貌，如圖6所示為0.05 mm油浸絕緣紙在分別施加20 N和30 N法向載荷后的摩擦形貌。由圖6b所示，在30 N法向載荷作用下，油浸絕緣紙表面出現(xiàn)大量白色蠟狀物質(zhì)。由于在摩擦過程中，絕緣紙并未接觸到其他物質(zhì)，因此其表面的蠟狀物質(zhì)是從其內(nèi)部析出。在制作絕緣紙過程中，絕緣紙原材料包括果膠、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂等絕緣用樹脂[10]；并且當施加的法向載荷越大，油浸絕緣紙之間受到的壓縮力越大，其內(nèi)部的樹脂和果膠等物質(zhì)更易析出，導致絕緣紙摩擦系數(shù)降低[11-14]；且在變壓器油中浸泡24 h后，厚絕緣紙內(nèi)部纖維會吸收更多變壓器油，導致纖維被壓緊后析出更多變壓器油，也導致油浸絕緣紙摩擦系數(shù)降低。

由于本試驗摩擦副與上球試樣(外部包裹油浸絕緣紙)材料性質(zhì)相同，分子或原子結(jié)構(gòu)相同的材料互溶性大，兩者之間容易發(fā)生黏著導致其摩擦系數(shù)增大。如圖2所示，0.03 mm油浸絕緣紙破損輪廓存在大量磨屑堆積，即材料表面被移去的材料一部分隨著上球試樣的流動堆積到輪廓兩側(cè)，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，游離顆粒的形成在一定程度上增加了摩擦系數(shù)，此時磨損機理主要為磨粒磨損。但隨著材料厚度不斷增加，磨屑堆積現(xiàn)象不斷減少，因此，隨著材料厚度的增加，磨粒磨損對其磨損作用不斷減??；0.13 mm油浸絕緣紙破損輪廓周圍呈現(xiàn)白色，且白色部分厚度明顯減少，紙張纖維裸露較明顯，即被摩擦過的部分以片狀磨屑的形式脫落，此現(xiàn)象隨著絕緣紙厚度的增加表現(xiàn)越明顯，此時磨損機理主要為剝層磨損。因此，油紙 - 油紙摩擦中主要磨損機制為黏著磨損、磨粒磨損和剝層磨損共同作用。

3 結(jié) 論

本工作通過試驗的方式研究了，在油紙 - 油紙摩擦過程中紙張厚度、法向載荷大小和摩擦次數(shù)對油浸絕緣紙磨損情況的影響，分析了油浸絕緣紙之間的磨損機理，主要得出以下結(jié)論：

(1)油浸絕緣紙破損輪廓都呈現(xiàn)不規(guī)則的粗糙截面。隨著紙張厚度減少，其破損面積不斷增加，且破損輪廓更加粗糙，輪廓周圍磨屑堆積越明顯。

(2)在相同的法向載荷和摩擦次數(shù)的情況下，隨著油浸絕緣紙厚度增加破損層數(shù)越少，但摩擦系數(shù)隨之增大。由于在相同的法向載荷下，油浸厚絕緣紙比油浸薄絕緣紙實際接觸面積大，表面間分子相互作用更強，導致其摩擦系數(shù)增加。

(3)隨著摩擦次數(shù)和法向載荷的增加，油浸絕緣紙破損層數(shù)越多。對于越薄的油浸絕緣紙，法向載荷的增加對其磨損影響越大；但隨著法向載荷的增加，油浸絕緣紙摩擦系數(shù)變小。由于法向載荷的增大，使油浸絕緣紙表面的樹脂和果膠被析出，且油浸厚絕緣紙比油浸薄絕緣紙析出更多的變壓器油，使其摩擦系數(shù)不斷減小。油浸絕緣紙之間主要磨損機制為黏著磨損、磨粒磨損和剝層磨損共同作用。

在變壓器運行過程中絕緣紙的磨損現(xiàn)象較常見，因此本工作對常用的油浸絕緣紙進行了摩擦磨損試驗，根據(jù)以上結(jié)論，可以在絕緣紙中添加更適合劑量的樹脂或果膠等物質(zhì)，以減小絕緣紙的摩擦系數(shù)。