（电气工程专业论文）基于损伤理论的电力变压器绝缘纸热老化机理研究.pdf

重庆大学硕士论文 摘要 电力变压器是电网中能量转换、传输的核心，是电网中最重要和最关键的设备 损伤力学是近2 0 发展起来的一门新的学科，它是材料与结构的变形与破坏理论的重 要组成部分，本论文利用损伤力学的基本原理，结合纤维素绝缘纸的结构，探索新 的绝缘纸热老化的研究方法，为变压器绝缘纸热老化理论研究提供新的方法和新的 手段。 本文首先分析了变压器绝缘纸热老化的国内外研究现状，并结合绝缘纸自身的 结构特点，按照材料损伤理论的基本原理，找出了能反映浸油绝缘纸热老化微观结 构及其微区形貌损伤情况的损伤因子； 然后，利用原子力显微镜、扫描电镜、x 光衍射仪、高灵敏度拉力机等仪器设 备对不同热老化阶段的绝缘纸进行取样观测，分析其孔隙率、氢键、相对结晶度和 晶粒尺寸、拉伸强度等损伤参量的变化情况： 接着，采取损伤力学理论结合绝缘纸纡维结构的研究方法，运用专业分析软件 及相关的数学方法分析各个损伤因子与绝缘纸热老化程度之间的关系，并分析了绝 缘纸热老化的损伤机理。 分析结果表明，选取的损伤因子能够很好地去度量绝缘纸热老化的损伤演变过 程，由予老化引起的损伤演化关系基本符合二次多项式d = a x 2 + b x + c ( a ，b ， c 为常熟，根据选择的损伤因子而定) 关系；热应力作用对纤维表面的冲击、剪切 作用，使裂纹发展，并使纤维发生细纤维化；热降解产生的活性粒子可以使界面区 的纤维素分子裂解，“剥离”界面晶区整规排列的分子，导致微晶交小，这就是煞 效应使得纤维素结晶的x 光衍结晶度交小、晶粒尺寸也变小的根本原因。 关键词：绝缘纸热老化损伤理论原子力显微镜扫描电镜x 光衍射拉伸强度 相对结晶度晶粒尺寸 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a sw ek n o w , t h ee l e c t r i cp o w e ri r a n s f o r m e ri st h ec o l eo fp o w e rc o n v e n t i o na n d t r a n s m i s s i o ni ne l e c t r i cn e t w o r k , 鹅w e l la st h em o s td e c i s i v ee q u i p m e n t s d a m a g e m e c b 威c sw h i c hi sap a r to fm a t e r i a l sa p o m o r p h o s i sa n df a i l u r et h e o r yi san e wa n d d e v e l o p i n gb r a n c ho fs o l i d sm e c h a n i c s i nt h i sp a p e rw es e a r c hf o rn e w m e t h o dt o r e s e a r c ho nt h e r m a la g e i n go f o i l i m m e r s e di n s u l a t i o np a p e ru s i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h e 出匠嗡g em e c h a n i c st h e o r yc o m b i n e dw i t ht h ec o n f i g u r a t i o no fc e l l u l o s ei n s u l a t i o n p a p e r o u rr e s e a r c hm a yc o n u i b u t et ot h ef o r m a t i o no fn e w i n s u l a t i o np a p e rt h e r m a l a g e i n gt h e o r y f i r s t l y ，w ed i s c u s s e ds t a t u sa n dt e n d e n c yf o rd e v e l o p m e n ti ni n s u l a t i o np a p e r t h e r m a la g e i n g s e l e c t e d8 0 m ed r m a g ef a c t o r sw h i c h 咖r e f l e c tt h ed a m a g es t a t u so f m i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o s c o p i cm o r p h o l o g yd u r i n gt h e r m a la g e i n ga c c o r d i n gt ot h e p a p e rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g em e c h a n i c st h e o r y t h e n , a f m s e m , x - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d sa 聆u t i l i z e dt oi n v e s t i g a t ei n s u l a t i o n p a p e rs a m p l ea ld i f f e r e n ta g e i n gp h a s e s s o m ep a r a m e t e r ss u c ha sp o r o s i t y h y d r o g e n b o n d , r e l a t i v e l yc r y s t a l f i n i t y c r y s t a ls i z ea n ds 0o na a l s oa n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , w eu s et h em e t h o dw h i c h c o m b i n e dp a p e rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s a n dd a m a g em e c h a n i c st h e o r yt or e s e a r c ht h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nd a m a g ef a c t o r sa n d t h e r m a la g e i n gd e g r e eo fi n s u l a t i o np a p e r ；i na d d i t i o n , w ea l s oa n a l y z e dt h ed a m a g e m e c h a n i s mo f t h e r m a la g e i n g t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed a m a g ef a c t o r sw es e l e c t e dc o u l dr e f l e c t i n s u l a t i o np a p e rt h e r m a la g e i n gp r o c e s se x a c t l y ；w ea l s of o u n dt h a tt h e r ei saq u a d r a t i c p o l y n o m i a le q u a t i o n ：d 茹出2 + 出+ c 淑b ，ci sc o n s t a n td e t e r m i n e db yc h o s e d a m a g ef a c t o r s ) , h 蚋嗍d a m a g ef a c t o r sa n dt h e r m a la g e i n gd e g r e e 1 1 惦i m p a c t i n ga n d c u t t i n ge f f e c tt oc e l l u l o s ei n t e r f a c ec a u s e db yt h e r m a ls t r e s 瞄i n a d et h e c r a c k s e x p a n d e da n dt h ec e l l u l o s eb e c a m et h i n n e r s o m ea c t i v ep a r t i c l e sg e n e r a t e db yt h e r m a l d e g r a d a t i o nm a yc o u r s ec e l l u l o s ed e c o m p o s i t i o n , w h i c hm a d et h em i e r o e r y s t a l l i n e s b a 2 0 n l es m a l l e r t h i si st h ef u n d a m e n t a lc a u s a t i o no ft h ed e c r e a s i n go i lr e l a t i v e l y c r y s t a l l i u i t ya n dc r y s t a ls i z e k e y w o r d s ：i n s u l a t i o np a p e r , t h e r m a la g e i n g , d a m a g et h e o r y , a f m , s e m ，x - r a y d i f f r a c t i o n , t e n s i l es t r e n g t h , r e l a t i v e l yc r y s t a l l i n i t y , c r y s t a ls i z e - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丝 签字嗍缈7 年珀溯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重医太堂有关保留、使用学位论文的 靓定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位做作者签名侈修 签字日期：7 年厂月佛日 导师签名：腐砖主 签字日期：扣司年f 月方日 | 重庆大学硕士论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 电力工业是关系国计民生的基础产业，在党中央坚持科学发展观，全面建设和 谐的小康社会的“十一五”规划的指导下，在我国经济持续快速增长，电力需求不 断加大的背景下，国家电网公司提出了加快建设特高压电网的发展目标。 随着输电线路电压等级与系统容量不断升高和加大，由于受运输及现场安装条 件以及经济技术指标等因素的限制，变压器体积不可能无限的扩大，也就是说绝缘 距离不能进一步增加，反而要求缩小，这样使其绝缘结构中的电场分布更加恶劣， 对绝缘材料性能要求更为苛刻。运行电压等级的提高，线圈中正常与非正常匝的电 压均在增高，必须改进绝缘介电强度，提离绝缘材料的绝缘能力，确保设备运行的 可靠性。 安全、优质的供电，是对现代电力系统运行的基本要求。随着电网容量的逐步 扩大及用户对电能质量要求的不断提高，电力系统能否安全可靠地运行受到极大的 关注。据统计在1 9 8 1 1 9 9 0 年问，我国主要电网有近1 3 的电网事故的直接起因是设 备故障损坏所造成的【l 】，而在“八五”期间，由设备故障直接引发的电网事故占事 故总量的2 6 3 2 1 ，可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。 电力交压器是电力系统的枢纽设备，保证大型交压器的安全运行在电力系统中 有着相当重要的地位近两年来高电压大容量变压器的事故有上升趋势，据统计从 2 0 0 0 2 0 0 1 年，3 3 0 k v 和5 0 0 k v 变压器按事故台次计的平均事故率由前5 年的0 8 4 上升到1 3 1 ，按事故容量计的平均事故率由前5 年的0 。7 9 上升到1 。5 9 ，表1 1 列出 的数据可供参考阱。 表1 12 0 0 0 2 0 0 1 年全国3 3 0 、5 0 0 k v 变压器事故台次、容量以及事故率 t a b l e l 1s t a t i s t i c d a t a a f 3 3 0 k v a n d5 0 0 k v t r a n s f o r m e r s f r o m 2 0 0 0 协2 0 0 1 3 3 0 k v5 k v总事故率， 年份事故，台次事故容量事故台次事故容量 按台数计按容量计 删氏穗n 7 2 0 0 011 2 0 o62 3 1 1 0 0 9 0 1 2 0 2 123 0 0 o1 34 2 0 9 o 1 7 3 1 9 9 总计34 2 0 01 96 5 2 0 o 平均事故率嬲1 2 40 7 51 3 3l 7 21 3 11 5 9 根据国内外的运行经验，电压等级越高、容量越大，电力变压器的故障率一般 重庆大学硕士论文 1 绪论 也就越高，并且修复时间也就越长。表1 2 列出的数据可供参考 4 1 。 表1 2 国外大型电力变压器的部分统计数据 t a b l e1 2s t a t i s t i cd a t ao f f o r e i g nl a r g ew a m f o r m e r s 电压等缓办r v平均年事故率，平均修复对间月 3 0 02 卜。2 3 0 0 5 0 02 9l 4 7 0 06 3 7 9 因此，更深入缝了解变压器绝缘老化的杌理，在电力变压器的运行过程中通过 必要的监测和试验手段有效地确定其绝缘状态，对减少事故的发生、提高设备的运 行可靠性具有重要意义。 1 2 进行电力变压器绝缘纸热老化研究的意义 1 2 1 在变压器状态监测及寿命预测方面的意义 目前，我国电力行业普遍面临着这样一个局面；上个世纪六七十年代或稍后投 运的变压器大多己经接近或者超过设计使用年限，但不少仍在继续服役运行。这些 变压器超过设计年限仍在使用的原因主要是出于降低成本的考虑；否则，电力企业 就会面临大批更换变压器的局面，势必造成大量集中的资金支出及设备安装调试。 商中国电力行业又正处于打破垄断机制、建立新格局的转型期，这个阶段提高经济 效益是非常重要的。因此，尽量延长电力变压器的服役年限、充分挖掘其运行潜力， 不仅可以推迟设备的更新，更可获得因变压器寿命的延长带来的额外效益，有利于 电力企业经济效益的提高。但同时，必须保证所有这些老旧设备的安全运行；也就 是说，不允许因变压器技术可靠性有明显降低而难以满足供电的需要。因此必须解 决好这些老旧变压器面临的一个共同问题，那就是随着固体绝缘老化程度的不断加 深，其机械强度不断下降，将导致变压器绕组抗短路大电流等冲击的能力大大降低， 从两将降低变压器的运行可靠性。因此，如何有效地监控大型油浸电力变压器的固 体绝缘老化状况并采取相应对策，确保老旧变压器安全、可靠运行，己经成为一个 越来越受到重视的问题。有的研究者进一步指出，二十一世纪前四分之一的时间内， 全球电力工业面临的一个共同任务是更好地管理老旧电力变压器群体的可服役性 嘲；而一份来自澳大利亚的调查显示，容量在1 0 m v a 以上电力变压器的老化及剩余 寿命评估是现场最为关注的问题州。 而大型油浸电力变压器主要采用的是油一纸绝缘结构，其主要绝缘材料为绝缘 油、绝缘纸和纸板等。当变压器内部固体绝缘材料发生故障或劣化变质时，通常认 为比绝缘油的缺陷更为严重。因为固体绝缘材料绝缘性能的下降，不但可能导致变 重庆大学硕士论文1 绪论 压器主绝缘或纵绝缘的击穿事故，而且固体绝缘材料又很难像绝缘油那样可通过脱 气、过滤、甚至换油的方法来改善其绝缘性能。所以，在故障诊断中，由固体绝缘 材料性能劣化所产生的影响受到了更为广泛的重视 7 1 。因此，对电力变压器绝缘纸 热老化进行深入研究，不仅具有较强的理论意义，还能对现场中变压器状态监测及 寿命评估起到很好的参考作用。 1 2 2 在绝缘材料研究发展及其改进方面的意义 采用植物纤维原料可以抄造电容器纸、电缆纸和绝缘纸板等绝缘纸产品。但由 予植物纤维原料本身性质的局限，很难在较高的温度下工作。如采用植物纤维抄造 的b 级电机绝缘纸的最高允许工作温度为1 3 0 ，超过了最高允许工作温度就会加速 纸张纤维的老化，产生热降解，甚至引起电击穿，损坏电机电器。因此，为了满足 电绝缘纸耐高温、抗强电的使用要求，一般需要选择非植物纤维作为耐高温绝缘纸 的基本原料。 近年来，耐高温合成纤维绝缘纸发展很快，它是一种具有优良的耐热性能、机 械性能和电气性能的新型绝缘材料，可以直接或与电工薄膜复合后，用作电机电器 中的绝缘材料，己被世界各国绝缘材料和电器行业所使用。国内外耐高温合成纤维 绝缘纸主要使用美因杜邦公司生产的聚芳酞胺纸( n o m e x 纸) ，国内一些企业也开 展了耐高温合成纤维绝缘纸的研制开发工作。本课题的目的也是以纤维绝缘纸为重 点研究内容，开展其老化机理研究与改性的初步工作。 改革开放以来，随着我国电力、电器、电子、通讯和家电等行业的快速发展， 全国绝缘材料产品的产销量持续增长。据资料介绍，我国绝缘材料总产量在2 0 世纪 末已居世界首位，1 9 9 5 年产量为1 2 9 8 万吨，2 0 0 0 年已达至t j l 6 8 万吨。进入2 1 世纪后， 全国绝缘材料除产量继续增长外，在品种需求结构方面也将发生较大变化。根据“十 一五”及2 0 1 0 年国民经济和社会发展规划，参照国外绝缘材料发展趋势，考虑未来 的绝缘材料市场需求，我国绝缘材料行业将加强各种新型绝缘材料的开发与应用研 究。其中，研究耐高温绝缘材料对各种电机实现小型化、大容量化和使用环境多样 苛刻化有着重要意义，是现代绝缘材料产品的重点发展方向。根据我国国情，今后 将加强现有f 、h 级绝缘材料的推广应用，开拓新用途，并在此基础上发展价格适中 的新型f 、h 级耐热纤维纸、牵引电机和航空电机用c 级绝缘材料、超耐热( 3 0 0 以 上) 有机或半无机绝缘材料等新产品。 在电机电器行业用耐高温绝缘材料发展过程中，美国杜邦公司居世界领先地位， 它所生产的n o m e x 纸占领了世界的绝大部分市场。n o m e x 纸是聚芳酞胺纸的商品名 称，它是由聚苯二胺高分子聚合物通过纺丝、制浆、抄纸、热轧等方法加工而成的 合成纤维纸。它将优良的电气特性、耐高温特性、机械韧性及柔性集予一体，因此 成为发展高档f 、h 级电机电器必不可少的材料，得到世界各国大多数用户的认可和 - 3 重庆大学硕士论文1 绪论 接受。 从国内电机电器行业用耐高温绝缘材料发展情况看，无论是在产品品种、规格、 数量上，或是在电气性能及机械性能上，还远远不能满足国内电机电器行业的需求。 根据市场调查，全国每年高档f 、h 级电机绝缘纸需求量约在2 0 0 3 0 0 吨，而目前全 国f 、h 级电机绝缘纸年总产量不足百吨，其余大部分需要进口美国的n 伽坳【纸。随 着我国电机电器行业的不断发展，对于高性能的绝缘材料需求量也会越来越大，因 此开发和研究新型耐高温绝缘纸以适应国产电机电器对高档f 、h 级电绝缘材料的 需求有着重要的经济意义和政治意义。 1 2 3 在学术研究方面的意义 损伤力学( d a m a g em e c h a n i c s ) 是近2 0 发展起来的- - f - j 新的学科，它是材料与 结构的变形与破坏理论的重要组成部分，本研究将利用损伤力学的基本原理，结合 纤维素绝缘纸的结构，探索新的绝缘纸热老化的研究方法，为变压器绝缘纸热老化 理论研究提供新的方法和新的手段，其研究成果将有助于建立一套绝缘纸热损伤和 破坏的新理论。试验过程中采用原子力显微镜、扫描电镜、x 光衍射、高灵敏度拉 力机等先进设备，宏、微观手段相结合地方法分析变压器中绝缘纸热老化过程的变 化情况，对我们更为深入地了解其老化机理，分析其老化特征，提取老化的特征量， 从而有的放矢地研究提高其电气性能有着重要的意义；同时，这种分析方法也是材 料力学、化学及电学等学科相互联系，相互配合的一种多学科综合的分析方法，具 有较大的学术意义。 1 3 基于损伤理论的电力变压器用绝缘纸老化的基本原理 1 3 。l 绝缘纸的老化 电力变压器经过长期运行，绝缘纸会逐渐老化。绝缘纸的老化就是纸的主要成 分纤维素发生降解，由此导致纸的机械强度下降。当变压器的全部或部分绝缘纸严 重老化时，设备的安全运行可靠性大大降低口这可能使设备在正常运行中，尤其是 外部发生短路时，出现事故。 变压器用绝缘纸中的主要化学成分是纤维素。纤维素是由许多d 吡喃型葡萄糖 彼此以l p 苷键连接而成的线性高分子聚合物，分子结构式如图1 1 所示。纤维素 是一种天然的商分子化合物，其分之结构中有环状结构，环和环之间是醚键连接的， 每一个六角环中有一个氧原子，每一个环上连有三个羟基，其中有一个是伯醇，反 应能力较强，而醚键具有一定的柔软性，羟基具有一定的极性和亲水性，纤维素大 分子内部或分之间都可以生成氢键嗍。 重庆大学硕士论文1 绪论 c h i o h i 图1 1 绝缘纸纤维素中葡萄糖单体分子结构式 f i g 1 1f i g u r eo f a n h y a b o g l u c o s e - m o n o m e r i ct r a i t s 一个纤维素线性分子中所包含的重复结构单元或d 毗喃型葡萄糖基的数量，称 作该分子的聚合度。绝缘纸中纤维素分子的大小不等，组成每个分子的m 葡萄糖单 体数量有一定分散性。在实验室测定出的聚合度代表绝缘纸中纤维素分子聚合度的 整体平均水平。新绝缘纸中纤维素分子的平均聚合度一般在l1 0 0 左右，这时的绝缘 纸有很好的韧性和强度。 绝缘纸的纤维素分子在外界环境( 温度、氧和水分) 长期作用下发生降解，大 分子断链成为较小的分子。聚合度降低，绝缘纸的韧性和强度下降。试验表明，纸 的张应力随聚合度下降而逐渐下降。聚合度降至0 2 5 0 时，张应力出现突降【9 】。当聚合 度为1 5 0 时，绝缘纸完全丧失机械强度f l o l 。纸在长期使用中，纤维素会发生降解。 一般来说，纤维素可能经历酸性水或碱性水解、氧化裂解、光化学裂解、热裂解、 微生物分解等过程【1 1 】。对于变压器这一特定环境，由于设备全密封、使用的材料清 洁度高，可以忽略光化学和微生物对绝缘纸的影响。另外，在一般情况下变压器油 显弱酸性，所以碱性水解也可不必考虑。因此，在变压器的油纸系统中，造成绝缘 纸降解的主要因素为酸性水解、氧化裂解和热裂解。 水解：当出现水解降解时，纤维素大分子中的l 争p 苷键发生断裂，从而导致纤 维素的聚合度降低。变压器油中和绝缘纸内部均含有微量水分。但是促使纤维素水 解反应还应有两个条件：一个是温度，另一个是催化荆，缺一不可。提高温度能够 加快水解反应速度；h + 离子则是水解反应中的一种必不可少的催化剂。尽管变压器 油酸性很弱，离解出的h 离子量很少，但是这种微量的催化作用在变压器长期运行 中，足以使绝缘纸发生水髂。如果变压器油在运行中发生老化，将会离解出更多的 h + 离子，加快绝缘纸水解。 氧化裂解；纤维素中的葡萄糖基上存在醇羟基，它们很容易被氧化剂氧化，根 据不同条件生成醛基、酮基或羧基。再进一步反应，可引起聚合物断链。在变压器 中，除了器身内部残留的氧和外部渗入的少量氧之外，交压器油的老化产物中也含 有不容忽视的氧化剂。 、l 1 l 日_ c 。人ho衄 一 i 一 口丫r 咖r 鼬 重庆大学硕士论文 1 绪论 热裂解：纤维素的热裂解就是纤维素在受热过程中，其聚合度降低，甚至发生 石墨化反应的现象。较高的温度可以加快纤维素的水解反应和氧化反应。但是提到 热裂解，则特指高温直接对纤维素的作用。当环境温度超过1 5 0 2 4 0 时，纤维 素结构中的化学结合水开始被脱除，间或有去氢反应。如果温度再高，纤维素大分 子的苷键和一些碳一碳键逐渐断开，并产生低分子挥发性产物及其他产物。当温度 升高到7 0 0 ( 2 以上时，逐渐形成石墨化结构，即碳化。在变压器中，纤维素的热裂 解产物主要为水和一氧化碳这类低分子化合物。一个纤维素大分子断链后，将产生 两个聚合度较低的纤维素分子。假如一个聚合度为1 0 0 0 的大分子在分子中部出现单 纯断链，则形成两个聚合度为5 0 0 的纤维素分子这样看起来绝缘纸的聚合度降低将 是一个很快的过程，短时间就可以从1 0 0 0 下降到5 0 0 。但是事实并非如此一台正常 运行的变压器，绝缘纸聚合度下降到新纸聚合度的一半( 5 0 0 6 0 0 ) ，大约需要花 费1 5 年或更长的时闻这就是说，在变压器正常运行环境下。绝缘纸的纤维素大分 子不是同时发生断链，只有少部分大分子出现断链。在实验室测定的绝缘纸聚合度， 反映各纤维素分子中d 葡萄糖单体数量的均值。因而少部分断链的分子对纤维素整 体聚合度只产生部分的影响。 在变压器正常运行环境中纤维素分子断链可能有以下特征： ( 1 ) 在整个反应系统中，纤维素分子发生断链的概率远远低于不发生断链的概 率。 ( 2 ) 断链造成系统各分子中d 葡萄糖单体数量分布不均匀，从而削弱了系统 的稳定性。系统中各纤维素分子的n 葡萄糖单体数量有趋于一致的要求，m 葡萄糖 单体数量较多或链长较长的分子有较强的断链趋向，优先断链。因此，纤维素分子 d 葡萄糖单体数量或链长是导致分子断链的基本动力。 ( 3 ) 分子在最薄弱的位置上进行断链。这个位置受纤维素分子链空河构型和分 子周围各种元素的排布影响。 ( 4 ) 纤维素分子断链随机进行。 在一定外界环境下( 温度、氧、水分) ，纤维素分子m 葡萄糖单体数量或链长 是导致分子断链的基本动力，它决定了纤维素的断链速率或绝缘纸聚合度的下降速 率。这里不妨采用化学反应速率方程来分析分子的断链速率，前提是将纤维素分子 的d 葡萄糖单体数量代替反应速率方程式中的反应物浓度。因为反应物浓度和d 葡 萄糖单体数量在方程中都充当发生反应的动力，修改后的速率方程如式1 1 ； 一i d m ：i o n 一 ( 1 1 ) 出 、 式中：肘一一纤维素分子的平均d - 葡萄糖单体数量； f 一一时间： 重庆大学硕士论文1 绪论 k 一一速度常数； 痒一一化学反应速率方程的反应级数。 绝缘纸的聚合度d p 表示的正是各纤维素分子d 葡萄糖单体数量的均值。将 m = d p 代入( 1 1 ) 式，则有： j ，n d 、 一竺兰竺上= k ( d p ) ( 1 2 ) 出 变压器油纸绝缘是一个复杂的混合体，随着老化产生的衍生物成分及含量也不 同。各种组分的极性及组分间的键价力、分子结构变异这些微观上的不同，也会造 成宏观分析上的差异。测定充油电气设备绝缘纸的降解产物从一定程度上可以了解 绝缘老化情况但还不能从根本上确定。 老化过程的发展，如热老化可以导致电气绝缘结构的改变，以至于应力分布发 生变化。别的应力也可以变成主要因素，从丽改变劣化进程。目前评估材料老化的 方法如内部或外部局部放电( p d ) 已成为值得考虑的主要研究内容；聚合度的测定 也已成为评定绝缘纸的一种有效手段；将液相色谱、气相色谱、油中含水量等技术 分析综合应用也成为设备整体绝缘状况评估的一种方法，如果能将降解过程量化， 并能与消耗的老化能量联系起来，必将进一步提高充油电气设备内部整体绝缘老化 程度的评估水平。 1 3 2 损伤理论的基本原理 材料的内部有许多孔隙和微裂缝，在一定外部载荷下，微裂缝会不断的扩展， 使材料的强度和刚度等力学性能下降，这些导致材料的结构力学性能劣化的微观结 构的变化称为损伤。结构材料中的损伤，有的是在制造和加工过程中产生的，称为 初始损伤；有时是在外力作用下或环境因素影响下发生和演变的；有的是在自然状 态下就是一种疏松介质，这类材料受力时，会在体内产生弥散裂纹。这些以孔洞或 微裂纹形式表现的材料损伤，将在载荷、温度或环境效应等因素持续作用下进一步 增长、扩展、逐渐并集、聚合，形成一定尺度的宏观裂纹，导致结构的强度、刚度 下降，以至破坏。这种属于工程材料抗力性能的损伤劣化现象，在塑性变形、疲劳 和蠕交等力学行为中都能观察到，它决定着结构的使用寿命和安全可靠性，从而成 为材料科学、力学和工程技术界所共同关心的课题。损伤力学是研究含损伤介质的 材料性质，以及在变形过程中损伤的演化发展直至破坏的力学过程的学科【1 2 】。损伤 理论是将固体理论、材料强度理论和连续介质力学统一起来进行研究的。因此，用 损伤理论导出的结果，既反映材料微观结构的变化，又能说明材料宏观力学性能的 实际变化情况，而且计算的参数还应是宏观可测的，这在一定程度上弥补微观研究 和断裂力学研究的不足，也为这些学科的发展和相互结合开拓新的前景。 物体内存在的损伤( 微裂纹) ，可以理解为一种连续的变量场( 损伤场) ，它 重庆大学硕士论文 1 绪论 和应力一应变场以及温度场的概念相似。所以在分析时首先在物体某点处选取“体积 元”，并假定该体积元内的应力一应交以及损伤都是均匀分布的，这样，就能在连续 介质力学的框架内对损伤及其材料力学性能的影响作系统的处理【l 硼。 用损伤理论分析材料受力后的力学状态时，首先选择恰当的损伤变量以描述材 料的损伤状态。由于材料的损伤引起材料微观结构和某些宏观物理性能的变化，因 此，可以从微观和宏观两方面选择度量损伤的基准。从微观方面，可以选用空隙的 数目、长度、面积和体积；从宏观方面，可选用弹性系数、屈服应力、拉伸强度、 伸长率、密度、电阻、超声波和声辐射等。在这两类基准中，最常用的是： ( 1 ) 空隙的数目、长度、面积和体积； ( 2 ) 由空隙的形状、排列和取向决定的有效面积； ( 3 ) 弹性系数( 弹性模量和泊松比) ； ( 4 ) 密度等。 纸页的损伤力学是损伤理论与纸页结构有机结合的刚刚研究的新领域。众所周 知，材料的破坏首先是由材料的损伤产生的，纸张的破坏行为是纸页的一个重要使 用性能。纸页是由纤维构成的多维网络型结构材料，含有大量孔隙，客观上存在缺 陷，是个多孔性的弹塑性材料。其本身在抄造过程又会造成许多其它缺陷。在受到 外力作用时又会产生新的缺陷，最后发生破坏。变压器用绝缘纸作为特殊的电力行 业用纸，其本身的制造工艺及其所承受的外界应力作用与一般的其它纸张有较大的 区别，但是我们可以根据损失理论的基本原理，将绝缘纸看作主要由纤维类物质构 成的有缺陷、不均匀的多孔材料，利用材料的损伤力学理论，充分考虑绝缘纸中纤 维和非纤维材料的结构特征，定量研究绝缘纸中结构缺陷及在不同类型的应力( 电、 热、机械等等) 条件下的蠕变、疲劳和破坏过程和行为，建立绝缘纸的结构特性和 绝缘纸的损伤力学的关系。 从其理论部分来看，损伤力学的核心内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据所研究问题的特点，引入恰当的标量或张量型的损伤内变量，以反映 局部缺陷对材料物理性能的影晌。损伤变量可以是与刚度或质量密度相关的，也可 以是与微裂纹或微孔穴的密度相关的，还可以是与有效应力相关的。损伤变量的物 理含义可以通过单独的定义式来表达，也可以由其在本构关系中的位置反推出来。 ( 2 ) 建立损伤材料的本构关系。这通常是指包括损伤演化规律在内的对各状态 变量之间关系的描述。其建模原则可以是经验性的，也可以是由热力学或由细观力 学的角度出发所得到的。然而不论通过哪种途径，如果要得到实用表达式的话，我 们都很难完全避免主观设定的成分。此外，对于一个损伤本构模型的评价，应包括 其适用范围、操作可行性及实验的吻合程度等指标。这是我们在建模过程中所应考 虑的。 重庆大学硕士论文1 绪论 ( 3 ) 损伤力学的计算实现。这包括对该非线性边值问题一般性算法的研究，以 及针对某一类型损伤过程的特定计算模型的选择。伤演参数的获取( 如通过拟合) 也可以规划为这方面的内容。借助这些工作，我们就仍然能够在宏观连续介质力学 的范畴内，分析在细观层次上分布着离散缺陷的材料的力学行为了 此外，损伤力学可以分成两大类：一是连续损伤力学。它利用连续介质热力学 与连续介质力学的唯象学方法，研究损伤的力学过程。它着重考察损伤对材料宏观 力学性质的影响以及材料和结构损伤演化的过程和规律，而不细查其损伤演化的细 观物理和力学过程。二是细观损伤力学，它通过对典型损伤基元，如微裂纹、微孔 洞、剪切带等以及各种基元的组合，根据损伤基元的变形与演化过程，通过某种力 学平均化的方法，求得材料变形和损伤过程与细观损伤参量之间的关联。近年发展 起来的基于细观的唯象损伤理论，则是介于上述两者之问的一种损伤力学理论，这 些理论主要限定在确定性现象的范围内。此外还有随机损伤理论，研究随机损伤问 题。 纸页的力学性质一直处于经验和定性研究阶段，国内外纸页力学研究主要集中 在纸页上述性质变化的影响方面，也有部分研究人员对纸页的应力一应变特性作了 一定程度的研究【件用。但迄今为止，国内外尚未见到对纸页本身存在缺陷并受到损 伤时的力学特性，特别是纸页的结构特性及其受到损伤和破坏时的力学特性进行定 量的研究，在电力变压器用绝缘纸的研究方面，更是比较少见。 1 4 绝缘纸老化的国内外研究现状 1 4 1 绝缘纸老化的研究现状 “老化”一词已经被广泛使用，但具体解释有很多种不同的说法。本文所提及 的老化被理解成变压器在服役过程中，因正常运行或故障状况下各种综合作用所导 致的整体技术性能发生的缓慢的、不可逆的降低。其表现效应主要为电气绝缘性能 及机械强度的降低或运动部件磨损过度，从而导致老旧变压器抵抗运行方式的改变 或外力冲击的能力明显不如投运不久的新变压器n q 运行变压器中的油纸绝缘，是在电、热、机械等应力的联合作用下逐渐发展、 并最终导致绝缘失效的。因此，变压器的寿命取决于油纸绝缘结构的寿命，而绝缘 材料的寿命问题一般包括热老化寿命和电老化寿命。由于在变压器中，绝缘受到的 连续电气应力最大为3 4 m v m ，因而电场对绝缘材料老化的直接影响较小。电场 强度对油纤维素绝缘系统老化过程仅产生轻微的影响【1 9 1 。温度对绝缘材料的各种性 能有很大的影响，包括电气性能、机械强度、粘度等。高压电气设备在运行中产生 的热量导致绝缘的温度升高，产生物理和化学变化，导致绝缘材料变质而老化。i e c 第3 5 4 号出版物、a n s i 第1 2 5 7 、9 2 号标准和i e e e 号标准等都阐述过变压器老化和 重庆大学硕士论文 1 绪论 和应力一应变场以及温度场的概念相似。所以在分析时首先在物体某点处选取“体积 元”，并假定该体积元内的应力一应交以及损伤都是均匀分布的，这样，就能在连续 介质力学的框架内对损伤及其材料力学性能的影响作系统的处理【l 硼。 用损伤理论分析材料受力后的力学状态时，首先选择恰当的损伤变量以描述材 料的损伤状态。由于材料的损伤引起材料微观结构和某些宏观物理性能的变化，因 此，可以从微观和宏观两方面选择度量损伤的基准。从微观方面，可以选用空隙的 数目、长度、面积和体积；从宏观方面，可选用弹性系数、屈服应力、拉伸强度、 伸长率、密度、电阻、超声波和声辐射等。在这两类基准中，最常用的是： ( 1 ) 空隙的数目、长度、面积和体积； ( 2 ) 由空隙的形状、排列和取向决定的有效面积； ( 3 ) 弹性系数( 弹性模量和泊松比) ； ( 4 ) 密度等。 纸页的损伤力学是损伤理论与纸页结构有机结合的刚刚研究的新领域。众所周 知，材料的破坏首先是由材料的损伤产生的，纸张的破坏行为是纸页的一个重要使 用性能。纸页是由纤维构成的多维网络型结构材料，含有大量孔隙，客观上存在缺 陷，是个多孔性的弹塑性材料。其本身在抄造过程又会造成许多其它缺陷。在受到 外力作用时又会产生新的缺陷，最后发生破坏。变压器用绝缘纸作为特殊的电力行 业用纸，其本身的制造工艺及其所承受的外界应力作用与一般的其它纸张有较大的 区别，但是我们可以根据损失理论的基本原理，将绝缘纸看作主要由纤维类物质构 成的有缺陷、不均匀的多孔材料，利用材料的损伤力学理论，充分考虑绝缘纸中纤 维和非纤维材料的结构特征，定量研究绝缘纸中结构缺陷及在不同类型的应力( 电、 热、机械等等) 条件下的蠕变、疲劳和破坏过程和行为，建立绝缘纸的结构特性和 绝缘纸的损伤力学的关系。 从其理论部分来看，损伤力学的核心内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据所研究问题的特点，引入恰当的标量或张量型的损伤内变量，以反映 局部缺陷对材料物理性能的影晌。损伤变量可以是与刚度或质量密度相关的，也可 以是与微裂纹或微孔穴的密度相关的，还可以是与有效应力相关的。损伤变量的物 理含义可以通过单独的定义式来表达，也可以由其在本构关系中的位置反推出来。 ( 2 ) 建立损伤材料的本构关系。这通常是指包括损伤演化规律在内的对各状态 变量之间关系的描述。其建模原则可以是经验性的，也可以是由热力学或由细观力 学的角度出发所得到的。然而不论通过哪种途径，如果要得到实用表达式的话，我 们都很难完全避免主观设定的成分。此外，对于一个损伤本构模型的评价，应包括 其适用范围、操作可行性及实验的吻合程度等指标。这是我们在建模过程中所应考 虑的。 重庆大学硕士论文1 绪论 ( 3 ) 损伤力学的计算实现。这包括对该非线性边值问题一般性算法的研究，以 及针对某一类型损伤过程的特定计算模型的选择。伤演参数的获取( 如通过拟合) 也可以规划为这方面的内容。借助这些工作，我们就仍然能够在宏观连续介质力学 的范畴内，分析在细观层次上分布着离散缺陷的材料的力学行为了 此外，损伤力学可以分成两大类：一是连续损伤力学。它利用连续介质热力学 与连续介质力学的唯象学方法，研究损伤的力学过程。它着重考察损伤对材料宏观 力学性质的影响以及材料和结构损伤演化的过程和规律，而不细查其损伤演化的细 观物理和力学过程。二是细观损伤力学，它通过对典型损伤基元，如微裂纹、微孔 洞、剪切带等以及各种基元的组合，根据损伤基元的变形与演化过程，通过某种力 学平均化的方法，求得材料变形和损伤过程与细观损伤参量之间的关联。近年发展 起来的基于细观的唯象损伤理论，则是介于上述两者之问的一种损伤力学理论，这 些理论主要限定在确定性现象的范围内。此外还有随机损伤理论，研究随机损伤问 题。 纸页的力学性质一直处于经验和定性研究阶段，国内外纸页力学研究主要集中 在纸页上述性质变化的影响方面，也有部分研究人员对纸页的应力一应变特性作了 一定程度的研究【件用。但迄今为止，国内外尚未见到对纸页本身存在缺陷并受到损 伤时的力学特性，特别是纸页的结构特性及其受到损伤和破坏时的力学特性进行定 量的研究，在电力变压器用绝缘纸的研究方面，更是比较少见。 1 4 绝缘纸老化的国内外研究现状 1 4 1 绝缘纸老化的研究现状 “老化”一词已经被广泛使用，但具体解释有很多种不同的说法。本文所提及 的老化被理解成变压器在服役过程中，因正常运行或故障状况下各种综合作用所导 致的整体技术性能发生的缓慢的、不可逆的降低。其表现效应主要为电气绝缘性能 及机械强度的降低或运动部件磨损过度，从而导致老旧变压器抵抗运行方式的改变 或外力冲击的能力明显不如投运不久的新变压器n q 运行变压器中的油纸绝缘，是在电、热、机械等应力的联合作用下逐渐发展、 并最终导致绝缘失效的。因此，变压器的寿命取决于油纸绝缘结构的寿命，而绝缘 材料的寿命问题一般包括热老化寿命和电老化寿命。由于在变压器中，绝缘受到的 连续电气应力最大为3 4 m v m ，因而电场对绝缘材料老化的直接影响较小。电场 强度对油纤维素绝缘系统老化过程仅产生轻微的影响【1 9 1 。温度对绝缘材料的各种性 能有很大的影响，包括电气性能、机械强度、粘度等。高压电气设备在运行中产生 的热量导致绝缘的温度升高，产生物理和化学变化，导致绝缘材料变质而老化。i e c 第3 5 4 号出版物、a n s i 第1 2 5 7 、9 2 号标准和i e e e 号标准等都阐述过变压器老化和 重庆大学硕士论文1 绪论 老化速率的问题，它们都将老化归结为各种负载共同作用的结果，都认为影响变压 器油纸绝缘老化和预期寿命的主要因素是热应力。因此，变压器寿命主要取决于纸 ( 板) 纤维素的热老化寿命 2 0 , 2 “。诊断固体绝缘的老化状态最初采用测定绝缘纸抗 拉强度( t e n s i l es a e n g t h ，t s ) 的方法；该方法最为直接，但存在取纸样困难及测 试结果的重复性欠佳等缺点。 1 9 3 0 年v m m o n t s i n g e r 首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系即1 0 规 则，认为温度每升高1 0 则绝缘寿命约减半：而日本的归纳月冈的论文中则提出了 6 减半法则。但实际上，不同的绝缘介质老化速度应该不同，因此l o 规则及6 减半法则不能简单地应用于所有的绝缘系统。1 9 4 8 年d a k i n 提出的新观点认为熟老 化实为有聚合链分解等作用的氧化效应，本质为一种化学反应过程，因此应当遵循 化学反应速率的a r r h e n i u s 方程( 式1 3 ) ： l n l = i n 爿+ b t( 1 3 ) 其中，彳、b 分别是由特定老化反应所决定的常数，工为绝缘寿命，r 为绝对 温度。该方程的提出，为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据，弥 补了1 0 ( 2 规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点1 2 2 1 。 七十年代出现的用粘度法测试绝缘纸聚合度( d e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ，d p ) 的方法克服了试验重复性不好的困难，至今仍是