融合科研成果的综合创新实验教学探讨

周一恒，严家明，吴新忠，任子晖

（1. 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116）

培养专业基础扎实、科研能力强、综合素质高的创新型人才，已成为当前高校教学改革和可持续发展面临的一个现实而又迫切的问题[1]。近年来，在国家重点建设下，高等学校取得了令人瞩目的科研成果，有力地推动了产业和社会进步[2-3]。将先进的科学知识、科研成果融入教学，特别是实验教学，充实并更新现有教学内容，是深化教学改革的重要抓手，也是提高学生科研意识和创新能力的重要途径[4-6]。

电气设备绝缘实验是诊断电力设备运行状态的重要措施，也是电气工程专业学生在本科期间必须掌握的基本技能。在传统实验教学中，针对绝缘设立了几个演示验证性实验，如绝缘电阻测量、绝缘泄漏电流测量、介质损耗因数测量等，实验所包含的知识相对陈旧，与前沿科学技术发展严重脱节，很难激发学生自主学习的热情，不利于创新思维能力的培养。

为了确保实验教学内容的先进性和前沿性，能够让学生及时了解电气绝缘实验的新内容、新方法，掌握电气绝缘状态诊断的新手段，结合教师科研成果，设计了“油浸绝缘纸热老化的微观结构及性能测量”的综合创新实验，将科研中的新成果、新方法引入实验教学，丰富实验教学内容。

1 实验原理

油纸绝缘是电力变压器内绝缘的主要形式，在长期运行中，油纸绝缘系统受温度作用而逐渐劣化即热老化。绝缘油热老化时导致其绝缘性能下降，可通过滤油、换油的方式解决；但绝缘纸热老化时导致其机械强度逐渐下降，在绕组电动力作用下，绝缘纸将因机械强度降低而发生不可逆的损伤断裂，从而引起绝缘故障并最终导致设备寿命终结，故电力变压器的寿命主要取决于绝缘纸的机械强度。

绝缘纸的机械强度与其主要成分纤维素的聚合度成正比，故聚合度是评估绝缘纸热老化状态最有效的方法。热老化过程中，纤维素绝缘纸的聚合度必将发生变化，绝缘纸的微观结构也必将发生改变；同时，绝缘纸微观结构的变化也必将导致其电气性能（如局部放电、击穿电压等）发生改变。

2 实验目的

（1）了解绝缘纸浸渍绝缘油的工艺流程、加速老化实验方法以及微观结构测量方法；掌握电气性能的测量方法。

（2）熟悉老化过程中油浸绝缘纸微观结构及电气性能的变化，理解绝缘材料结构与性能之间的关系。

（3）培养学生检索科技文献、设计实验方案、处理实验数据、撰写学术论文等方面的能力。

3 实验内容

实验前，要求学生利用图书馆数据库自行检索油纸绝缘热老化的相关文献，检索微观结构测量、电气性能测量的相关标准；向学生演示实验电力变压器、自动粘度测试仪、扫描电子显微镜等贵重仪器的控制及操作流程；强调高压实验的安全等。

3.1 油浸绝缘纸的热老化

3.1.1 实验材料制备

绝缘油：克拉玛依25#矿物油。

绝缘纸：厚度0.5 mm普通纤维素绝缘纸。

根据实际电力变压器绝缘材料的处理工艺[7]，对绝缘纸进行浸渍绝缘油处理：

首先，将绝缘纸裁剪成直径为80 mm的圆片试品120个；其次，将绝缘纸试品放入真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），在90 ℃/50 Pa下干燥48 h；然后，将加热到 40 ℃的矿物油通入真空干燥箱中，并使绝缘纸在绝缘油中浸渍24 h；最后，将浸渍后的绝缘纸试品平均放入8个不锈钢罐中，按照油纸比例10∶1注入新油并密封。具体浸渍流程如图1所示。

图1 绝缘油浸渍绝缘纸流程

3.1.2 热老化过程

根据标准GB1094.2—2013《电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升》[8]，油浸式变压器平均温度在75～85 ℃，局部最高温度可达 95 ℃左右。但在绝缘老化实验中，若温度过低则老化时间过长，若温度过高则可能使老化机理发生变化。根据文献[9]及前期研究成果，本实验采用130 ℃的温度对绝缘纸进行加速热老化。

首先，将7个装有绝缘纸的密封罐放入130 ℃热老化箱（南京泰斯特试验设备有限公司）；然后，分别在第1天、2天、4天、7天、11天、16天、22天各取出1罐老化试品，以供进行微观结构和电气性能的测量。

3.2 热老化绝缘纸的测量

3.2.1 微观结构测量

1）聚合度。

根据IEC 60450—2004标准[10]，采用粘度法测量纤维素绝缘纸的聚合度，实验采用NCY-2型自动粘度测试仪（上海思尔达科学仪器有限公司）。

首先，将不同老化阶段的绝缘纸试品3片裁剪成小块，与25 mL铜乙二胺溶液及25 mL蒸馏水一起放于溶解瓶中；接着，加入2粒小玻璃球，塞紧瓶塞，用垂直震荡仪匀速摇荡24 h，使绝缘纸试品完全溶解并分散；然后，将溶解完成的试品过滤，将过滤后的试品溶液注入乌氏粘度计，并放入粘度测试仪中进行粘度η的测量；最后，利用公式（1）计算绝缘纸的平均聚合度数值

其中取k=1.7 g/mL。

2）微观形貌。

利用 JSM-6460扫描电子显微镜（日本电子株式会社），观察不同老化阶段绝缘纸的表面形貌。

首先，将不同老化阶段待测的绝缘纸试品裁剪成块状，用导电胶把样品固定在样品基座上；然后，对样品进行喷金处理，使其表面形成一层导电膜；最后，调节扫描电镜，使其在加速电压20 kV、放大倍数1000的条件下，检测绝缘纸的微观结构形貌。

3.2.2 电气性能测量

1）局部放电起始电压。

根据标准GB/T 7354—2003[11]，利用柱-板电极系统测量绝缘纸沿面局部放电的起始电压，其中柱电极直径和高度均为25 mm，板电极直径75 mm、高度15 mm。

首先，将试品平放于柱-板电极中间并浸于矿物油中，并按照高压实验电路[12]将实验变压器、电极系统、检测阻抗、示波器连接好；然后，以100 V/s速率均匀升压，当示波器出现放电信号时，记录下实验变压器的电压，该电压即为局部放电起始电压，且每个阶段测量5个试品；最后，计算每个阶段5个试品测量值的平均值，作为该阶段局部放电的起始电压。

2）绝缘电气强度。

根据标准GB/T 1048.1—2006[13]，利用柱-柱电极系统测量工频下绝缘的电气强度，其中柱电极直径和高度均为25 mm。

首先，将试品平放于柱-柱电极中间并浸于矿物油中，并按照高压实验电路将实验变压器、电极系统连接好；然后，以500 V/s速率均匀升压，当试品被击穿时，记录下实验变压器的电压，该电压即为绝缘的电气强度，且每个阶段测量5个试品；最后，计算每个阶段5个试品测量值的平均值，作为该阶段绝缘的电气强度。

4 实验结果及讨论

4.1 微观结构变化

4.1.1 聚合度变化

热老化过程中，绝缘纸从开始的淡黄色，逐渐变为黄褐色、褐色，最后变成了黑色（如图2）；同时，其机械强度也由开始的柔韧性较强而逐渐下降，到后期已完全脆化，在微弱外力作用下即会断裂，其聚合度的测试结果如图3所示。

热老化过程中，绝缘纸的聚合度呈逐渐下降的趋势（图3），特别是老化后期，聚合度下降到300左右，已经接近油纸绝缘的寿命终点；同时，聚合度下降速度在老化初期迅速，在老化中后期缓慢。聚合度下降的同时，相应地绝缘纸的机械强度也逐渐下降。

图2 绝缘纸外观

图3 绝缘纸的聚合度

纤维素是由 β-D-吡喃葡萄糖基（C6H10O5）彼此以(1-4)-β-苷键连接而成的线性高分子聚合物[14]，分子结构如图4所示，其中重复结构单元数量n称为聚合度。热老化过程中，纤维素分子首先在薄弱的苷键位置上断裂，同时还会破坏葡萄糖单体的吡喃环状结构，导致聚合度下降。在老化初期，由于分子中含有大量苷键和吡喃环，故此时在热的作用下聚合段下降较快；但在老化中后期，纤维素中苷键和吡喃环的数量减少，其中能够发生断裂和解体的位置变少，从而导致此时聚合度下降趋缓。

图4 纤维素分子链结构单元

4.1.2 微观形貌

扫描电镜测试热老化过程中绝缘纸的微观形貌如图5所示。根据图 5，新纸中纤维纹路清晰、纤维表面致密光滑（图5(a)）；老化4天后，绝缘纸表面出现剥皮分丝现象，粗糙度增加（图5(b)）；老化11天后，绝缘纸表面因大面积剥皮分丝而出现龟裂现象，并伴随有孔隙生成（图5(c)）；老化后期，绝缘纸表面出现脆化断裂现象，并有起皮现象发生（图5(d)）。

图5 绝缘纸扫描电镜（SEM）图

热老化过程中，由于纤维素分子链逐渐断裂，导致绝缘纸表面逐渐变得粗糙，甚至产生孔隙；同时，断裂的分子链将在热场作用下排列重整，重整时绝缘聚合物中的结晶区域将越来越大[15]，从而导致热老化过程中绝缘纸的柔韧性逐渐降低、脆性逐渐增加。

4.2 电气性能变化

4.2.1 局部放电起始电压

局部放电起始电压是衡量绝缘耐受局部放电的重要指标。热老化过程中绝缘纸局部放电起始电压的测试结果如图6所示。

图6 绝缘纸局部放电起始电压

根据图 6，热老化过程中，油浸绝缘纸的局部放电起始电压呈下降趋势，表明随着热老化，油浸绝缘纸越来越易于发生局部放电。

根据绝缘纸微观结构的测试结果，热老化过程中绝缘纸中有孔隙形成，由于孔隙本身比固体材料易于放电，同时热老化过程中绝缘纸表面粗糙度变大，必将畸变了电场，从而导致热老化过程中绝缘纸的局部放电起始电压逐渐下降。

4.2.2 电气强度

绝缘材料须具有较高的电气强度，这也是材料作为绝缘的内在要求。热老化过程绝缘纸击穿电压的测试结果如图7所示。

图7 绝缘纸击穿电压

根据图 7，热老化过程中，油浸绝缘纸的击穿电压呈现微弱上升的趋势，表明随着热老化，油浸绝缘纸的电气强度越来越高。

结合绝缘纸微观结构的测试结果，热老化过程中绝缘纸因纤维素断裂重整而导致结晶区域扩大，这是引起绝缘纸电气强度升高的主要原因，这也与文献[16]的分析相一致。

5 实验教学拓展

5.1 加强学生自主研究能力

传统实验教学在实验内容、实验操作到问题思考讨论等环节基本都预先设定，学生没有太多选择、发挥与自主设计的机会；同时，实验内容往往与生产实际脱节，学生缺乏应用所学知识解决实际问题的能力。

有鉴于此，在本次实验教学过程中，将学生置于研究者的地位，鼓励学生基于电力变压器绝缘材料的生产实际，在检索相关文献及电力标准的基础上，自主设计实验方案、自主分析实验结果并进行相应的讨论等，如自主设计绝缘纸浸渍绝缘油的处理工艺，自主设计热老化实验并分析选择老化温度、取样时间，引导学生对老化过程中的微观结构、电气性能进行自主分析讨论等，学生自主地完成一项实验研究工作，培养学生理论联系实际的能力，激发学生自主学习热情和探索创新精神。

此外，鼓励学生在教师指导下，积极参与教师的科研项目、参加社会实践活动以及“挑战杯”大学生课外学术科技作品大赛等，引导学生开展自主创新实践活动，并培养学生撰写论文、申请专利等方面的能力及科学思维。

5.2 培养学生学科交叉意识

学科交叉是现代科学技术发展的趋势，是科技创新的源泉，也是学科增长的重要来源；学科交叉意识是科研人员的必备素质之一。但传统的实验教学主要以单科内容为主，缺乏学科知识的交叉，学生综合应用、融会贯通的能力得不到锻炼，不利于学科交叉意识的培养。

电气绝缘学科本身具有学科交叉的基本属性，该学科既包含电气学科的基本内容，又包含材料学科及其他学科的相关知识。因此，在本次实验教学过程中，基于电气绝缘学科的基本属性，引导学生分别分析了热老化过程中绝缘材料的微观结构以及电气性能，并本着学科交叉的原则，启发学生从微观角度解释材料结构和性能的变化机理，使学生建立起“结构决定性能、性能反映结构”的研究意识和科学思维方式，为进一步科学研究储备理论基础。

6 结语

本实验将先进的科研成果转化为实验教学资源，把科研意识的培养融入实验教学过程，实现科研与教学的交互和融合，一方面使学生在实验过程中充分了解前沿的科研成果及实验方法，另一方面还锻炼了学生的科学思维能力及探索创新能力。

同时，实验过程中，从绝缘纸浸渍绝缘油工艺的设计，到老化温度、取样时间的选择，从绝缘材料微观结构的表征，再到绝缘材料电气性能的测量，最后到绝缘材料微观结构和电气性能之间关系的讨论，整个过程中学生都自主检索文献资料、设计实验方案、分析实验数据等，学生自主地完成一项实验研究工作，而老师仅仅是帮助学生的辅助角色，大大激发了学生的研究兴趣，不仅使学生了解了科学研究的基本过程，还提高了学生综合实验、创新和解决实际问题的能力。