溫度對油、紙介電參數(shù)及復(fù)合電場分布的影響

張秋也　朱學成　高自偉　池明赫　陳慶國　魏新勞

摘要：為研究極限運行溫度（-40～100℃）內(nèi)溫度對換流變壓器油紙復(fù)合絕緣電場分布的影響，在不同溫度下對浸油紙板和變壓器油的電阻率及相對介電常數(shù)進行了測試，并通過公式推導(dǎo)來研究復(fù)合電場下溫度對油紙絕緣電場分布的影響。試驗結(jié)果表明，溫度對浸油紙板和變壓器油相對介電常數(shù)的影響較小，且兩者的比值隨溫度變化也較小；但溫度對浸油紙板和變壓器油電阻率的影響較大，雖然兩者的電阻率總體上隨溫度的升高都呈下降趨勢，但兩者下降的速度不同，從而造成不同溫度下兩者電阻率比值的差異顯著。由計算結(jié)果可知，溫度對復(fù)合電壓作用下油和紙電場分布有顯著影響，油中的最大場強出現(xiàn)在高溫和交流電壓作用的條件下，而紙板中的最大場強出現(xiàn)在低溫和直流電壓作用的條件下。

關(guān)鍵詞：油紙絕緣；復(fù)合電場；溫度；絕緣電阻率；相對介電常數(shù)；電場分布

中圖分類號：TM85 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2015）06-0059-06

0 引言

隨著我國遠距離、特高壓直流輸電線路的投運，直流輸電工程的優(yōu)越性逐漸顯露出來。作為直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，換流變壓器的可靠性直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行。換流變壓器與傳統(tǒng)電力變壓器相比，其閥側(cè)主絕緣除了承受交流電壓、雷電沖擊電壓和操作過電壓以外，還承受直流電壓、交直流疊加電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓的作用。國內(nèi)外學者針對換流變壓器油紙絕緣在復(fù)合電壓下的電場分布進行了大量的研究，日本學者E.Takahashi等人的研究結(jié)果表明：非線性條件下電場分布明顯不同于線性條件下結(jié)果；交直流疊加起始局放電壓與直流電壓分量無關(guān)。華北電力大學的李琳等人得出結(jié)論：媒質(zhì)的非線性和各向異性會降低油隙中的場強；同時也可能會在局部產(chǎn)生較大場強。哈爾濱理工大學的池明赫等人的研究表明：變壓器油及油浸紙板的介電參數(shù)受水分和溫度的影響，進而影響油紙絕緣結(jié)構(gòu)再復(fù)合電壓下的電場分布。L.E.Lundgaard等學者的研究結(jié)果說明：水分及溫度會改變直流下油紙絕緣空間電荷分布，降低絕緣紙板的擊穿電壓及電阻率等介電參數(shù)。但這些工作大多是在常溫下開展的。溫度會引起變壓器中油和紙板電阻率及相對介電常數(shù)的變化，進而引起復(fù)合電場作用下油紙絕緣電場分布的變化。我國幅員遼闊，地域間溫差較大，再之變壓器運行過程中載荷變化，使得換流變壓器有可能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作運行。因此有必要開展較寬溫度范圍內(nèi)換流變壓器油紙絕緣電場分布及擊穿特性方面的研究。

為此，本文首先測量了不同溫度下浸油紙板和變壓器油的介電參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對不同溫度下油紙絕緣在復(fù)合電壓作用下的電場分布進行數(shù)值分析，以期為國內(nèi)特高壓換流變壓器制造與運行提供參考。為方便起見，后文所述紙板和油均指浸油紙板和變壓器油。

1 不同溫度下紙板和油的介電參數(shù)

溫度的變化會導(dǎo)致紙板和油的電阻率及相對介電常數(shù)發(fā)生改變，因此需要測量不同溫度下紙板和油的電阻率及相對介電常數(shù)，以便進一步研究溫度對電場分布的影響。

1.1 試樣的預(yù)處理及測量方法

本文試驗采用魏德曼公司生產(chǎn)的1mm厚層壓紙板，將其剪裁至所需尺寸，經(jīng)干燥、真空注油后密封保存，處理后的浸油紙板含水量應(yīng)小于0.6%；采用昆侖公司生產(chǎn)的45#變壓器油，試驗前對其進行脫水、脫氣和除雜處理。參照標準GB2536-90《變壓器油》，處理以后的變壓器油的含水率應(yīng)小于10ppm，并且滿足在2.5mm間隙下的擊穿電壓大于50kV、90℃時的介質(zhì)損耗小于0.5%等要求。

測試時將試樣置入高低溫試驗箱，控制試樣溫度并保持恒定后，參照標準《GB/T10064-2006固體絕緣電阻》對其電阻率進行測量，同時利用介電譜儀進行相對介電常數(shù)的測量。

1.2 溫度對紙板介電參數(shù)的影響

不同溫度下紙板電阻率和相對介電常數(shù)測量結(jié)果，分別如圖1和圖2所示。

由圖1可見，在-40～100℃溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高紙板的電阻率總體上呈下降趨勢。其原因是紙板電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子引起的，隨溫度升高雜質(zhì)離子的活化能下降，增加了離子在電場作用下的定向遷移率，導(dǎo)致電導(dǎo)電流增加、電阻率下降。

由圖2可見，隨溫度升高紙板的相對介電常數(shù)呈上升趨勢，其原因是紙板由分子量較高的纖維素和木質(zhì)素組成，溫度的升高使得這些高分子鏈易在電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向、使得極化率升高、相對介電常數(shù)增大。紙板的電阻率與溫度的關(guān)系可擬合為式中：ρ_p為浸油紙板的電阻率，Ω×m；T為溫度，℃；a₁、a₂、A₁、A₂、t、h、n、m為與介質(zhì)特性有關(guān)的參數(shù)。

紙板相對介電常數(shù)與溫度的關(guān)系可擬合為式中：ε_p為浸油紙板的相對介電常數(shù)；a、b及t為與介質(zhì)特性有關(guān)的參數(shù)。

1.3 溫度對變壓器油介電參數(shù)的影響

不同溫度下變壓器油的電阻率和相對介電常數(shù)測量結(jié)果，分別如圖3和圖4所示。

工程上變壓器油的電導(dǎo)率（電阻率）主要由雜質(zhì)離子濃度、含水量及油的粘度所取定的。由圖3可見，在較低溫度范圍內(nèi)變壓器油的電阻率隨溫度的升高變化較小，其原因為在較低溫度下油中的水分子及雜質(zhì)粒子的離解度較低，且易被變壓器油的有機高分子所束縛，使其參與導(dǎo)電的幾率下降；同時，低溫下油的粘度較高，導(dǎo)致油中雜質(zhì)離子在電場作用下的遷移率較低。隨著溫度的升高，油中的水分子及雜質(zhì)粒子的離解活化能提高、易發(fā)生離解，且組成變壓器油的有機高分子對水分子及雜質(zhì)離子的束縛力減小以及油的粘度降低，導(dǎo)致載流子在電場作用下的遷移率增加、電阻率下降。

由圖4可見：隨溫度升高油的相對介電常數(shù)呈下降趨勢，但是變化幅度不大。因為變壓器油為非極性液體電介質(zhì)，極化主要為電子極化，溫度的升高導(dǎo)致變壓器油的體積增大，這使得每個單位體積內(nèi)的分子數(shù)減小、相對介電常數(shù)降低。

油的電阻率與溫度的關(guān)系可擬合為：式中：ρ₀為油的電阻率，Ω·m；r為溫度，℃；b₁、b₂、A₁、A₂、A₃、s、q為與介質(zhì)特性有關(guān)的參數(shù)。

油的相對介電常數(shù)與溫度的關(guān)系可擬合為：式中：ε₀為浸油紙板的相對介電常數(shù)；c、d、k為與介質(zhì)特性有關(guān)的參數(shù)。

1.4 不同溫度下浸油紙板和變壓器油電阻率與相對介電常數(shù)的比值

不同溫度下紙板和油的電阻率及相對介電常數(shù)的比值分別如圖5和圖6所示。

由圖5可知，在-40～-20℃范圍內(nèi)紙板與油-電阻率的比值隨溫度上升而升高，-20℃附近出現(xiàn)最大值，然后隨溫度的升高而逐漸下降。與電阻率相比較，紙板和油相對介電常數(shù)的比值如圖6所示，隨溫度升高呈單調(diào)上升，但變化范圍較小，最大值與最小值僅相差0.312。

2 復(fù)合電壓下油紙絕緣電場分布表述

2.1 物理模型

為便于研究油紙絕緣的電場分布，本文采用典型的雙層油紙絕緣平板電極模型，如圖7所示，紙板和油的相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率及厚度分別是ε_p、γ_p、d_p和ε₀、γ₀、d₀，其等效電路如圖8所示。油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)兩端電壓為U，紙板和油兩端的等效電壓、電容和電阻分別是U_p、C_p、R_p和U₀、C₀、R₀。

2.2 復(fù)合電壓的定義

交直流疊加電壓波形如圖9所示。

圖9中，U_dc為直流分量平均值，U_m為交流分量峰值。為表述方便，將復(fù)合電壓中的交流含量η定義為：上式中：η=100%表示交流電壓；η=0表示直流電壓。

2.3 復(fù)合電壓下油-紙絕緣電場分布

由于直流電場按阻性分布，交流電場按容性分布，且油紙絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)小于0.01，即等效并聯(lián)電阻至少比容抗值大100倍，因此可將電場進行線性疊加。設(shè)電場在介質(zhì)內(nèi)均勻分布，由圖8所示等效電路模型及E：U/d可得兩層介質(zhì)上的穩(wěn)態(tài)條件下電場強度E_p及E_o：式中：ρ_p=1/γ_p，ρ_o=1/γ_o分別為紙板和油的電阻率。當交流含量一定時，在sin（ωt）=1的情況下，E_p及E₀取得最大值。由式（5）及式（6）可得：

由（7）式可見，當復(fù)合電壓幅值U保持定值時，若電阻率。ρ、相對介電常數(shù)。ε和交流含量。η發(fā)生改變，則油紙中直流電場和交流電場分布也會相應(yīng)發(fā)生改變。

3 溫度對復(fù)合電壓下油紙絕緣電場分布影響的計算結(jié)果

將通過擬合得到的電阻率和相對介電常數(shù)隨溫度變化的表達式代入式（7），可知E_p和E_o均為。η和T的函數(shù)。本文取U=150kV、d_p=1mm、d_o=1.5mm，計算得到E_p、E_o隨η和T的變化趨勢分別如圖10和圖11所示。

由圖可知，在交流含量為定值時，隨溫度的升高紙板中場強總體呈下降趨勢；當溫度為定值時，隨交流含量的降低紙板中場強單調(diào)上升，而油中場強的變化剛好與之相反。這是由于高交流含量時電場分布主要取決于油紙的相對介電常數(shù)比值，而在低交流含量時電場分布主要取決于油紙的電阻率比值。圖中紙板中場強的最大值出現(xiàn)在低溫、低交流含量下（η=0，T=-20℃），而油中場強的最大值出現(xiàn)在高溫高交流含量下（η=100%，T=100℃。因此換流變壓器在設(shè)計時，對油隙來講應(yīng)關(guān)注其在高溫、高交流含量下的絕緣裕度；而對絕緣紙板來講應(yīng)關(guān)注其在低溫、直流條件下的絕緣裕度。

為量化分析場強的變化規(guī)律，本文以20℃為基準，計算紙板和油中的場強增長率v，定義為：式中：E_T表示溫度為T時的場強，E₂₀表示溫度為20℃時的場強。紙板和油中場強的增長率分別如表1和表2所示。

分析以上兩個表中的數(shù)據(jù)可知，在高交流含量下溫度對變壓器油和紙板中的場強分布影響較??；而在低交流含量下溫度對油紙絕緣中的場強分布影響較大，尤其對變壓器油中場強的影響更為顯著。

4 結(jié)論

本文試驗研究了換流變壓器油紙絕緣介電參數(shù)隨溫度的變化特性，并針對典型油紙絕緣結(jié)構(gòu)模型，通過數(shù)值分析手段研究了溫度對復(fù)合電壓作用下油紙絕緣電場分布的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下：

1）溫度對浸油紙板和變壓器油相對介電常數(shù)的影響較小，且兩者的比值隨溫度變化也較小。

2）溫度對浸油紙板和變壓器油電阻率有較大的影響，且不同溫度下兩者的電阻率比值差異顯著。

3）溫度對復(fù)合電壓作用下油紙絕緣的電場分布有顯著影響，油隙中最大場強分布出現(xiàn)在高溫和純交流電壓作用的條件下，而紙板中的最大場強出現(xiàn)在低溫和純直流電壓作用的條件下。

4）針對可能在較寬溫度范圍內(nèi)運行的換流變壓器，設(shè)計時應(yīng)對油隙和紙板在不同溫度下介電強度進行分別校核，以確保換流變壓器的安全運行。

（編輯：王萍）