水分對(duì)油紙絕緣復(fù)合電場(chǎng)擊穿特性的影響

劉青松 鄧軍 張良 王奇 陳慶國(guó) 池明赫

摘 要：為研究水分對(duì)油紙絕緣復(fù)合電場(chǎng)擊穿特性的影響，文章利用試驗(yàn)方法得到了得到了不同含水率下浸油紙板的介電特性、電導(dǎo)特性、介質(zhì)損耗特性、擊穿特性以及油紙組合絕緣的擊穿特性。研究結(jié)果顯示，水分增多將降低油浸紙板電阻率，同時(shí)增加介電常數(shù)和介損，油浸紙板的擊穿電壓隨水分增加存在峰值，峰值隨外施電壓中交流含量的增加向高含水區(qū)移動(dòng)，而油紙復(fù)合絕緣擊穿電壓隨紙板中水分增加呈下降趨勢(shì)。為分析油浸紙板和油紙組合絕緣擊穿電壓隨水分增加變化差異的原因，對(duì)浸油紙板的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，分析結(jié)果表明油浸紙板可以看成是尺寸極小的油-紙所組成的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)。在油浸紙板試樣中，由于油和紙的體積分?jǐn)?shù)較為接近，水分對(duì)二者均產(chǎn)生了影響;在油紙組合絕緣中，由于油浸紙板和油的體積相差較多，水分主要對(duì)油浸紙板絕緣特性產(chǎn)生影響。由二者對(duì)比可知油紙組合絕緣中油浸紙板的特性對(duì)整體絕緣起著至關(guān)重要的作用，尤其在直流分量較高時(shí)。

關(guān)鍵詞：換流變壓器; 油浸紙板; 水分; 電導(dǎo)特性; 擊穿

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.006

中圖分類(lèi)號(hào)： TM855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）05-0040-07

收稿日期： 2018-07-11

Abstract：In order to study the effect of moisture on breakdown characteristics of oil-paper insulation in complex electric field， this paper obtains the dielectric constant characteristics， conductive characteristics， dielectric loss characteristic and breakdown characteristics of oil-impregnated pressboard and breakdown characteristics of oil-paper insulation via experiments. The result shows that the growth of moisture decreases the resistivity of oil-impregnated pressboard， increases the relative dielectric constant and dielectric dissipation factor. There is a breakdown peak of oil-impregnated pressboard moving with the moisture， which goes to the high moisture area with the AC content increasing in applied voltage. But the breakdown voltage goes down directly in oil-paper insulation. To anlyze the reason which results in the difference between the two insulation structures， the micro structure of oil-impregnated pressboard was boserved. The result shows that the oil-impregnated pressboard can be equaled to a tiny oil-paper insulation. In oil-impregnated pressboard the moisture affects both the paper and the oil for the volumes of paper and oil are similar. But in the oil-paper insulation the moisture mainly affects the paper for the huge gap between the paper and oil. Comparing the breakdown voltage between oil-impregnated pressboard and oil-paper insulation， it can be infered that in oil-paper insulation the paper in more important， especially wiht the high DC content.

Keywords：converter transformer; oil-impregnated pressboard; moisture; conduction; breakdown

0 引 言

換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性對(duì)直流電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義[1-3]。換流變壓器主絕緣在工況下要承受強(qiáng)脈動(dòng)直流電壓[4-5]。工程上可將其視為交流電壓與直流電壓相疊加的結(jié)果[6]。交流下電場(chǎng)按照容性分布，而直流下電場(chǎng)按照阻性分布[7-8]。傳統(tǒng)交流變壓器中絕緣紙板主要起分隔油隙的作用，絕緣的主要介質(zhì)為變壓器油;在換流變壓器閥側(cè)主絕緣中紙板承受了很高的直流電壓，此時(shí)紙板成為影響變壓器絕緣的主要介質(zhì)[9]。在換流變壓器運(yùn)行中隨油紙絕緣的老化水分將增加，并且在換流變投運(yùn)前可能由于存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者運(yùn)輸過(guò)程中密封不良等問(wèn)題出現(xiàn)繞組絕緣受潮的情況。因此對(duì)換流變壓器油浸紙?jiān)诓煌氏碌慕殡娞匦赃M(jìn)行研究具有非常重要的工程意義。

以往研究主要針對(duì)油紙復(fù)合絕緣在水分影響下的老化[10]、空間電荷[11]及擊穿特性[12-18]。有部分學(xué)者針對(duì)水分影響下油紙絕緣電氣參數(shù)特性及其對(duì)電場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[19-21]。研究結(jié)果表明，水分提高了油紙絕緣間夾層介質(zhì)界面極化強(qiáng)度和響應(yīng)速度，在直流電場(chǎng)中對(duì)油紙絕緣空間電荷分布影響較大，導(dǎo)致油浸紙板的擊穿電壓和電阻率下降，加快油紙絕緣的老化速度，增加油中酸值[22-23]。但關(guān)于水分對(duì)油浸絕緣紙板電氣參數(shù)的影響以及該參數(shù)與其絕緣性能的研究鮮有詳細(xì)報(bào)道。因此，造成設(shè)備制造及運(yùn)行部門(mén)在投運(yùn)前無(wú)法對(duì)變壓器絕緣狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，對(duì)變壓器的投運(yùn)造成了干擾。

為此本文對(duì)不同含水率下絕緣紙板電阻率、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)以及復(fù)合電場(chǎng)擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試，得到不同含水率下油浸紙板絕緣特性，為換流變壓器用油浸紙板的絕緣狀態(tài)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 試樣預(yù)處理

不同含水率的油浸紙板試樣制取方法為將預(yù)處理后的干燥油浸紙板放入相對(duì)濕度較大的恒溫恒濕箱中，定期取出。

參照國(guó)標(biāo)GB 10580-89對(duì)絕緣紙板進(jìn)行了預(yù)處理，處理過(guò)程如圖1。經(jīng)真空干燥、浸油后進(jìn)行檢測(cè)。浸油后的紙板按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL 449-1991》進(jìn)行檢測(cè)，含水量小于4‰視為合格。變壓器油采用昆侖45#變壓器油。參照國(guó)標(biāo)《GB 2536-90》進(jìn)行預(yù)處理，處理后需滿足如下要求：①按《SHT 0207-1992》測(cè)量，含水率小于10mg/kg;②按《GB/T 507-2002》測(cè)量，擊穿電壓大于55kV;③按《GB 5654-1985》測(cè)量，90 ℃、2kV條件下介損小于4‰，預(yù)處理流程見(jiàn)圖2[24]。

1.2 交直流疊加電壓表述

擊穿試驗(yàn)所用交直流疊加電壓波形如圖4所示。為表述方便，將交直流疊加電壓中的交流含量定義如下：

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 油浸紙板電阻率

圖5表明，含水率增加將導(dǎo)致油浸紙板體積電阻率呈指數(shù)規(guī)律降低，其中當(dāng)含水量較低時(shí)浸油紙板的電阻率下降速度較快;隨含水率升高，電阻率變化速度放緩，最終趨于平緩。對(duì)比各曲線可知，含水量相同的浸油紙板在不同溫度下電阻率差別明顯，含水率越低差別越大。

2.2 油浸紙板相對(duì)介電常數(shù)

2.3 油浸紙板介質(zhì)損耗因數(shù)

工程用變壓器油中的水會(huì)溶解變壓器油中的電解質(zhì)，導(dǎo)致水的電導(dǎo)率很大，因此水分增加，將導(dǎo)致油浸紙板電導(dǎo)率增加，進(jìn)一步增大了電導(dǎo)損耗，同時(shí)水分也會(huì)增加極化分子數(shù)目，導(dǎo)致極化損耗增大[25]。

2.4 油浸紙板擊穿電壓

由圖8可見(jiàn)，含水量增加，交流擊穿電壓基本不變，交直流疊加電壓和直流電壓下的油浸紙板擊穿電壓均呈先增后減趨勢(shì)，峰值對(duì)應(yīng)的含水率隨交流含量變化而移動(dòng)。

圖9表明，含水量較低時(shí)油浸紙板擊穿電壓隨交流含量增加而下降。但當(dāng)含水量較高時(shí)紙板擊穿電壓隨交流含量上升而先升后降，擊穿電壓的變化幅值比低含水量的小很多。

在交流電場(chǎng)下不同含水量的油浸紙板擊穿電壓幾乎相等;而交直流疊加電壓下不同含水量的浸油紙板擊穿電壓隨交流含量降低而逐漸增大，當(dāng)交流含量降至零時(shí)，各含水量的油浸紙板擊穿電壓差別最大。

2.5 油紙組合絕緣擊穿電壓

取含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.6%、1.2%、1.8%、2.5%的油浸紙板和10ppm左右的變壓器油組成8mm的油紙組合絕緣，擊穿電壓與含水率關(guān)系如下圖所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

油浸紙板可看成是由多個(gè)纖維素間隔及被其隔成的極小油隙組成的油紙組合絕緣，油浸紙板在電子顯微鏡下的形貌如圖11所示。

在交流電場(chǎng)作用下，油紙組合絕緣的擊穿電壓主要由變壓器油決定，而變壓器油被木質(zhì)纖維間隔為許多極小的油隙，根據(jù)變壓器油的體積效應(yīng)，體積較小的變壓器油單位體積所能承受的電壓較高，也因此交流電壓下浸油紙板的擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于變壓器油[12]。

因此，對(duì)應(yīng)圖8所示的浸油紙板擊穿實(shí)驗(yàn)中也可將油浸紙板視為小尺度上的油紙組合絕緣。當(dāng)交流含量高時(shí)，變壓器油中的電場(chǎng)較大，變壓器油主要決定了油紙組合絕緣的擊穿電壓。而水分子主要因毛細(xì)效應(yīng)吸附于纖維等固體物質(zhì)表面，變壓器油所受影響較小，因此含水率對(duì)交流電場(chǎng)下油浸紙板的擊穿電壓影響較小。當(dāng)交流分量降低，油中場(chǎng)強(qiáng)下降同時(shí)纖維中場(chǎng)強(qiáng)上升。由于木質(zhì)纖維擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，所以隨交流含量降低油浸紙板的擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高。

同時(shí)，由于水分子吸附在纖維表面，降低了纖維的絕緣性能，因此在交流含量較低時(shí)油浸紙板的擊穿電壓受水分影響較為明顯;極端情況下，當(dāng)交流含量降至0，電場(chǎng)主要集中在纖維中，當(dāng)水分對(duì)纖維的擊穿強(qiáng)度影響較大時(shí)，油浸紙板的擊穿電壓將降低，與高含水量的浸油紙板擊穿電壓隨交流分量上升而出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象相吻合。

交直流疊加電場(chǎng)下，當(dāng)含水量升高，紙板中纖維吸附的水增多，電阻率下降，因此所受電場(chǎng)強(qiáng)度中直流分量下降而油中場(chǎng)強(qiáng)直流分量上升，可見(jiàn)纖維和變壓器油中電場(chǎng)強(qiáng)度受含水量影響;同時(shí)，二者的耐電強(qiáng)度也受水分影響。當(dāng)兩種介質(zhì)所受場(chǎng)強(qiáng)之比等于其擊穿場(chǎng)強(qiáng)之比時(shí)，浸油紙板的擊穿電壓將出現(xiàn)極大值。并且，兩種介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度還與交流分量有關(guān)，所以不同交流含量電壓下?lián)舸┳畲笾祵?duì)應(yīng)的含水量也不同。

可見(jiàn)，含水量及交流含量對(duì)纖維和變壓器油場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，以及含水量和交流含量對(duì)纖維和變壓器油擊穿特性的影響，共同決定了油浸紙板的擊穿電壓。

將以上規(guī)律在尺度上放大，得到不同含水率的油紙組合絕緣擊穿電壓隨交流含量的變化趨勢(shì)，如圖12所示。

由圖12可見(jiàn)，不同含水率下，油紙組合絕緣擊穿電壓均隨交流分量的增加呈先升后降的趨勢(shì)。但含水率越高直流交流分量越低的電壓下?lián)舸╇妷合陆档脑矫黠@。

與前文影響機(jī)制相似：在油紙組合絕緣結(jié)構(gòu)中，電壓是由變壓器油和浸油紙板共同承擔(dān)的。直流電場(chǎng)下場(chǎng)強(qiáng)分布與電阻率成正比，而交流場(chǎng)強(qiáng)與介電常數(shù)成反比;變壓器油與紙板的介電常數(shù)和電阻率的相差較大，故直流分量主要由絕緣紙板承擔(dān);交流分量主要由變壓器油承擔(dān)。在直流電壓下，油浸紙板的了油紙組合絕緣的整體擊穿電壓;當(dāng)外施電壓中含交流分量時(shí)，變壓器油會(huì)承擔(dān)主要的交流分量，二者分擔(dān)了交直流電壓下的交直流分量，因此油紙組合絕緣的擊穿電壓呈增大的趨勢(shì)。但此趨勢(shì)不會(huì)一直保持下去，當(dāng)外施電壓中交流分量上升到一定值，變壓器油中的場(chǎng)強(qiáng)將超過(guò)其擊穿值，由于絕緣紙板的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比變壓器油高很多，所以變壓器油會(huì)先擊穿，進(jìn)而將外施電壓全部施加在油浸紙板上，導(dǎo)致絕緣紙板也跟著擊穿，最終致使油紙組合絕緣結(jié)構(gòu)的整體擊穿。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)不同含水率的浸油紙板進(jìn)行電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿特性以及由其組成的油紙組合絕緣擊穿特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）水分增多將降低油浸紙板電阻率，同時(shí)增加介電常數(shù)和介損，油浸紙板的擊穿電壓隨水分增加存在峰值，峰值隨外施電壓中交流含量的增加向高含水區(qū)移動(dòng)，而油紙復(fù)合絕緣擊穿電壓隨紙板中水分增加呈下降趨勢(shì)。

2）油紙組合絕緣中油浸紙板的特性對(duì)整體絕緣起著至關(guān)重要的作用，尤其在直流分量較高時(shí)。

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（編輯：溫澤宇）