采用納米改性紙板的換流變壓器出線裝置電場分布

陳慶國, 諸葛祥麗, 劉賀千, 池明赫, 魏新勞

(哈爾濱理工大學 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

?

采用納米改性紙板的換流變壓器出線裝置電場分布

陳慶國, 諸葛祥麗, 劉賀千, 池明赫, 魏新勞

(哈爾濱理工大學 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

針對換流變壓器出線裝置在直流及極性反轉(zhuǎn)電壓作用下電場分布不均的問題,探究了非線性納米SiC對絕緣紙板進行改性的方法,制備了納米改性絕緣紙板試樣,并測量了改性紙板的介電特性;結(jié)合換流變壓器出線裝置的實際結(jié)構(gòu)建立了電場分布的仿真模型,分析了紙板改性對出線裝置電場分布的均化作用。試驗結(jié)果表明:納米改性絕緣紙板的相對介電常數(shù)隨納米SiC摻雜濃度的增加而增加,但增加的幅度不大,隨電場強度的增加呈略微上升的趨勢;其電導率隨著納米摻雜濃度的增加而增加,當摻雜濃度達到一定值時,電導率隨場強增加表現(xiàn)出明顯的非線性特征。仿真結(jié)果表明:在直流和極性反轉(zhuǎn)電壓下,紙板改性可降低絕緣紙板中的場強,提高變壓器油中的場強,使油紙絕緣結(jié)構(gòu)中的電場分布更趨于均勻。

換流變壓器; 出線裝置; 電場分布; 納米SiC; 非線性

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,負荷中心對電力需求的日益增加,帶動了我國高壓和特高壓電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展[1-4]。高壓直流輸電(High Voltage Direct Current Transmission,HVDC)以其功率調(diào)節(jié)的快速靈活、不增加系統(tǒng)的短路容量、可協(xié)助系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、損耗低和占地少等優(yōu)點,在遠距離大容量輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、海底電纜輸電等方面獲得了廣泛的應(yīng)用[5-6]。直流輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與輸電設(shè)備制造技術(shù)的進步是息息相關(guān)的[7],換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中的樞紐設(shè)備,其運行可靠性直接影響直流系統(tǒng)的安全運行。

出線裝置是換流變壓器中的關(guān)鍵部件,運行時將承受交直流疊加及極性反轉(zhuǎn)電壓作用,在該電壓作用下如何實現(xiàn)出線裝置電場的均勻分布是出線裝置絕緣設(shè)計的關(guān)鍵[8-9]。目前國內(nèi)外在出線裝置設(shè)計時主要采用更多的絕緣紙板用以承擔大部分的直流電壓,并合理地調(diào)節(jié)油隙尺寸及數(shù)量來承擔大部分的交流電壓。但由于變壓器油和絕緣紙板的電阻率相差較大,且受溫度、含水率等因素影響嚴重,單純從結(jié)構(gòu)上調(diào)整并不能有效解決上述問題,而有關(guān)從材料自身角度出發(fā)來解決電場分布不均和空間電荷積聚問題在國內(nèi)外未見詳細報道。

針對以上問題,本文提出了利用非線性納米SiC對絕緣紙板進行改性的方法來實現(xiàn)出線裝置中油、紙絕緣電阻率盡可能的匹配,并利用改性紙板的非線性特性實現(xiàn)電場集中區(qū)域的自動均化。為驗證該方法的有效性,在實驗室中制備了納米改性絕緣紙板,試驗研究了改性紙板電阻率和相對介電常數(shù)隨摻雜濃度及場強變化特性,并通過仿真手段研究了納米改性紙板對電場分布的均化作用。

1 納米改性試樣制備及測試結(jié)果

1.1 試樣制備

參考工業(yè)紙板的制作方法,以進口電工級未漂針葉木材硫酸鹽紙漿、蒸餾水、納米SiC(粒徑60 nm)為原料,利用打漿機、紙樣抄取器、打漿度測定儀、標準疏解器、平板硫化機、蒸餾水機等實驗設(shè)備,完成打漿、成形、壓榨、干燥等過程。試樣制備過程中,利用標準疏解器將濕紙漿與納米顆粒充分混合,通過改變顆粒加入量,控制成型紙板填料的摻雜比例(以質(zhì)量分數(shù)計)。為模擬絕緣紙板層壓式結(jié)構(gòu),保證納米顆粒在紙板中均勻分布,采用平板硫化機將一定數(shù)量的濕紙頁壓為一張紙板,最后經(jīng)干燥、真空注油、常溫真空浸漬等工藝制成改性紙板試樣,制作流程如圖1所示。

圖1 試樣制備流程

1.2 試驗測試結(jié)果與分析

為測量和分析納米摻雜比例對改性紙板介電特性影響,將試樣表面貼上鋁箔電極,利用三電極裝置構(gòu)成測量系統(tǒng),其中測試電極直徑為50 mm,保護間隙為2 mm。測試過程中利用高壓直流電源和皮安表來測量改性紙板的電導率,利用高壓高精密西林電橋來測量相對介電常數(shù)。

1.2.1 改性紙板的相對介電常數(shù)

在室溫下測試了納米SiC摻雜濃度分別為0%、0.1%、0.7%、2.5%、7.5%時,浸油紙板相對介電常數(shù)εr隨場強的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 改性紙板相對介電常數(shù)與場強的關(guān)系

Fig.2 Relationship between relative dielectric constant and electric field strength of modification pressboard

由圖2可知,改性紙板的相對介電常數(shù)隨納米摻雜濃度的增加而增加,但增加的幅度不大;相對介電常數(shù)隨電場強度的增加呈略微上升的趨勢。

1.2.2 改性紙板的電導率

在室溫下試驗得到了摻雜濃度分別為0%、1%、2.5%、5%、7.5%時改性浸油紙板電導率隨場強的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 改性紙板電導率與場強的關(guān)系

Fig.3 Relationship between conductivity and electric field strength of modification pressboard

由圖3可知,改性紙板的電導率隨著納米摻雜濃度的增加而增加;在較低摻雜濃度下改性紙板電導率與電場強度的關(guān)系沒有表現(xiàn)出明顯的非線性特性,隨著摻雜濃度的增加,改性紙板電導率隨場強增加表現(xiàn)出明顯的非線性特征,且摻雜濃度越高出現(xiàn)非線性特性的臨界電場強度越低。在納米摻雜濃度為7.5%時改性紙板的電導率與變壓器油的電導率相接近,其電導率與場強的關(guān)系可擬合為

γ=3.995×10-15×e2.761×10-7×E。

(1)

式中:γ為紙板的電導率,E為施加的電場強度。

2 換流變壓器出線裝置仿真模型

2.1 絕緣結(jié)構(gòu)

2.1 光動力治療(PDT) 經(jīng)靜脈注射光敏劑后以激光對氣道內(nèi)腫瘤組織進行局部照射，激發(fā)光敏劑產(chǎn)生高活性單態(tài)氧，單態(tài)氧在腫瘤細胞膜、細胞漿及細胞器中產(chǎn)生過氧化氫反應(yīng)，從而導致腫瘤細胞損傷和死亡，已廣泛應(yīng)用于早期肺癌的治療。我科采用PDT治療40例肺癌患者，3個月后36例患者腫瘤明顯縮小，4例患者腫瘤無明顯變化，近期有效率90%。PDT最大的優(yōu)點在于可對腫瘤組織進行選擇性破壞、創(chuàng)傷輕、痛苦小且不傷外表，不良反應(yīng)小，反復使用也不會產(chǎn)生耐藥性。主要不良反應(yīng)是皮膚光過敏反應(yīng)，術(shù)后護理應(yīng)指導患者及家屬嚴格按要求做好避光的各項措施，可避免發(fā)生。

換流變壓器出線裝置是指閥側(cè)繞組引出線與閥側(cè)出線套管連接處的絕緣結(jié)構(gòu),一般采用油紙復合絕緣結(jié)構(gòu),主要由均壓球、均壓管、紙板筒、絕緣彎管、波紋柵和變壓器油組成[10-11],如圖4所示。

圖4中,在出線套管尾部浸入變壓器油的地方放置均壓球,在導桿周圍布置均壓管,在銅制的均壓球和均壓管表面均勻地涂敷絕緣性能良好的紙漿作為絕緣覆蓋,同時在附近設(shè)置多層絕緣屏障進行分割油隙,提高變壓器油的耐電強度[12-15]。

2.2 仿真模型

由于出線裝置電場集中最容易產(chǎn)生于套管下瓷套部分、均壓球表面、絕緣屏障及周圍的油域中(即圖4中部件1、2、3的部分結(jié)構(gòu)和周圍的油域)。因此,針對上述關(guān)鍵部位所建立的二維仿真模型如圖5所示。

1.套管;2.紙板筒;3.均壓球;4.升高座;5.導桿;6.變壓器油;

Fig.4 Structure diagram of converter transformer

barrier system

圖5 出線裝置仿真模型

為提高仿真時的計算速度,在模型中將高壓套管的電容芯子簡化為20～30層;在均壓球與變壓器箱壁間除絕緣覆蓋與絕緣紙板成型件外共設(shè)置了九層紙板筒。

(2)

式中:φ為電位函數(shù),n為邊界法向方向,U為外施電壓。

利用有限元電場仿真軟件COMSOL Multiphics對換流變壓器出線裝置在直流電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓下的電場進行計算分析,計算時出線裝置的最大外施外施直流電壓為1 691 kV、極性反轉(zhuǎn)電壓為±1 306 kV。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 直流電壓下的電場分布

紙板改性前后出線裝置在直流電壓下的電場分布如圖6所示。

(1)改性前 (2)改性后

Fig.6 Electric field distribution of barrier system under DC voltage before and after pressboard modification

由圖6可知,在直流電壓下出線裝置電場呈阻性分布,紙板中場強遠遠大于油中的場強。電場出現(xiàn)集中的區(qū)域主要是均壓球表面的絕緣覆蓋和絕緣紙板中。采用改性絕緣紙板后可有效改善上述部位的電場分布,均壓球表面絕緣覆蓋中的最大場強由改性前的134.373 kV/mm急劇下降為17.17 kV/mm,紙板中的最大場強由改性前的127.88 kV/mm降到改性后的17.05 kV/mm,變壓器油中最大場強由改性前的4.41 kV/mm升高至6.87 kV/mm。上述結(jié)果表明,采用納米改性絕緣紙板后可降低絕緣紙板中的場強、提高變壓器油中的場強,使油和紙中的電場分布更趨于均勻。

3.2 極性反轉(zhuǎn)電壓下的電場分布

極性反轉(zhuǎn)施加電壓示意圖如圖7所示,極性反轉(zhuǎn)電壓Upr=1306 kV,極性反轉(zhuǎn)時間tpr取為2 min。

紙板改性前后出線裝置在極性反轉(zhuǎn)電壓下的電場分布分別如圖8和圖9所示。

由圖7～圖9可知,5 400 s之前電壓反向且不變,因此其場強分布與直流電壓下場強分布情況相同;5 400 s～5 520 s為極性反轉(zhuǎn)時間,如圖8和圖9的(a)～(e)所示,期間電場分布產(chǎn)生瞬變的過程,由空間電荷和外加電壓疊加作用而成,使油中出現(xiàn)了高場強,紙板中的場強減弱,同時均壓球附近的等位線出現(xiàn)了扭曲現(xiàn)象;5 520 s～10 920 s為極性反轉(zhuǎn)過渡時間,電場分布情況如圖8和圖9中的(f)～

圖7 極性反轉(zhuǎn)電壓示意圖

(a)t=5 400 s(b)t=5 430 s(c)t=5 460 s(d)t=5 490 s

(e)t=5 520 s(f)t=7 320 s(g)t=9 120 s(h)t=10 920 s

Fig.8Electricfielddistributionofbarriersystemunderpolarityreversalvoltagebeforepressboardmodification

(a)t=5 400 s(b)t=5 430 s(c)t=5 460 s(d)t=5 490 s

(e)t=5 520 s(f)t=7 320 s(g)t=9 120 s(h)t=10 920 s

Fig.9 Electric field distribution of barrier system under polarity reversal voltage after pressboard modification

(h)所示,油紙中的電場進行重新分布,油中場強逐漸減弱,紙中場強逐漸增強,電場變化趨勢與反轉(zhuǎn)過程完全相反,最終趨于直流穩(wěn)態(tài)時的電場分布。在此過程中,電場出現(xiàn)集中的區(qū)域主要是均壓球表面的絕緣覆蓋和絕緣紙板中。采用改性絕緣紙板后可有效改善上述部位的電場分布,均壓球表面絕緣覆蓋中的最大場強由改性前的108.81 kV/mm急劇下降為 38.25 kV/mm,紙板中的最大場強由改性前的97.8 kV/mm下降到改性后的24.86 kV/mm,變壓器油中最大場強由改性前的9.54 kV/mm升高至23.33 kV/mm。上述結(jié)果表明:紙板改性后,絕緣紙板中場強降低,變壓器油中的場強增加,出線裝置中油和紙的電場分布更趨于均勻。

4 結(jié) 論

通過實驗及仿真分析可得出以下結(jié)論：

1)改性紙板的相對介電常數(shù)隨納米摻雜濃度的增加而增加,但增加的幅度不大,隨電場強度的增加呈略微上升的趨勢;其電導率隨著納米摻雜濃度的增加而增加,當摻雜濃度達到一定值時,電導率隨場強增加表現(xiàn)出明顯的非線性特征。

2)在直流及極性反轉(zhuǎn)電壓作用下,采用納米改性絕緣紙板可有效降低換流變壓器出線裝置中紙板中的場強、提高變壓器油中的場強,使油和紙中的電場分布更趨于均勻。

后續(xù)將針對改性紙板的介電強度、機械特性和耐老化等方面開展進一步深入的研究,以使研究成果更具有實際應(yīng)用價值。

[1] 李立涅. 直流輸電技術(shù)的發(fā)展及其在我國電網(wǎng)中的作用[J]. 電力設(shè)備, 2004, 5 (11): 1-3.

LILicheng.DevelopmentofHVDCtransmissiontechnologyanditsroleinpowernetworkinChina[J].ElectricalEquipment, 2004, 5 (11): 1-3.

[2] 袁清云. 我國特高壓直流輸電發(fā)展規(guī)劃與研究成果[J]. 電力設(shè)備, 2007, 8(3): 1-4.

YUAN Qingyun. Development planning and research accomplishments of UHVDC power transmission in China[J]. Electrical Equipment, 2007, 8(3): 1-4.

[3] 彭毅暉. 高壓直流輸電的發(fā)展與展望[J]. 湖南電力, 2007, 27(l): 52-57.

PENG Yihui. Development and prospect of HVDC transmission[J]. Hunan Electric Power, 2007, 27(l): 52-57.

[4] 李季, 羅隆福, 許加柱, 等. 換流變壓器閥側(cè)絕緣電場特性研究[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32 (9): 121-124.

LI Ji, LUO Longfu, XU Jiazhu, et al. Study on electric field characteristics at ends of valve-side winding in converter transformer[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9): 121-124.

[5] 周浩, 鐘一俊. 特高壓交、直流輸電的適用場合及其技術(shù)比較[J]. 電力自動化設(shè)備, 2007, 27(5): 6-12.ZHOU Hao, ZHONG Yijun. Applicable occasions of UHVAC/UHVDC transmission and their technology comparisons in China[J]. Electric Power Automation Equipment, 2007, 27(5):6-12.

[6] 李興源. 高壓直流輸電系統(tǒng)的運行與控制[M]. 北京: 科學技術(shù)出版社, 1998：189-195.

[7] 張瑩. 高壓直流輸電控制技術(shù)及換流新技術(shù)[J]. 機械制造與自動化, 2008, 37(2): 123-125.

ZHANG Ying. The control technique and new converting technique of DC high voltage transmission[J]. Machine Building & Automation. 2008, 37(2): 123-125.

[8] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004: 45-50.

[9] 浙江大學直流輸電教研室. 直流輸電[M]. 北京: 水利電力出版社, 1985: 82-87.

[10] MOSER H P, DAHINDEN V. TransformerboardⅡ[M]. Weidmann AG, Rapperswil, 1987: 190-196.

[11] ZHANG L X, CHEN M S, PENG Z R, et al. The DC electric field analysis of valve side outlet device in converter transformer considering nonlinear and anisotropic characteristics[C]//IEEE International Conference on Solid Dielectrics, June 30-July 4, 2013, Bologna, Italy. 2013: 963-966.

[12] RASHWAN M M, MCDERMID W, HAMMER F, et al. On the design, testing, and operating experience of composite dry bushing in HVDC[C]//International Conference on AC and DC Power Transmission, Sep 17-21, 1991, London, England. 1991: 325-330.

[13] LIU P, PENG Z R, CAO L, et al. Electric field calculation and structural optimization of ±800 kV converting transformer bushing outlet terminal[C]//IEEE International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, June, 2006, Bali, Indonesia. 2006: 840-843.

[14] WEN K C, ZHOU Y B, FU J, et al. Calculation method and some features of transient field under polarity reversal voltage in HVDC insulation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1993, 8(1): 223-230.

[15] TAKAHASHI E, TSUTSUMI Y, OKUYAMA K, et al. Partial discharge characteristics of oil-immersed insulation system under DC combined DC-AC and DC reversed polarity voltage[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and System, 1976, 95(1): 411-420.

(編輯：賈志超)

Electric field distribution of converter transformer barrier system using nano modified pressboard

CHEN Qing-guo, ZHUGE Xiang-li, LIU He-qian, CHI Ming-he, WEI Xin-lao

(MOE Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

In order to solve the problem of electric field distribution concentration in converter transformer barrier system under DC and polarity reversal voltages, the method of modification to pressboard with nonlinear nano SiC was explored, and the nano SiC modified pressboard samples were manufactured, the dielectric properties of modified pressboard was measured. The electric field distribution simulation model of converter transformer barrier system was built considering its practical structure, and the homogenization effect of pressboard modification on barrier system electric field distribution was analyzed. The experiment results show that the permittivity of modified pressboard increases with the increase of nano SiC doping ratio but not obviously and there is a slight rising trend with the electric field strength increasing. The conductivity of modified pressboard increases with the increase of nano SiC doping ratio, and it shows obvious nonlinearity between conductivity and electric field strength when the doping ratio exceeds a certain value. The simulation results show that the electric field strength in pressboard can be reduced by using nano modified pressboard, and electric field strength in oil will be heightened, which can make the electric field distribution in oil/pressboard insulation structure more homogeneous under DC and polarity reversal voltages.

converter transformer; barrier system; electric field distribution; nanometer SiC; nonlinearity

2014-01-13

國家自然科學基金(51277047);黑龍江省自然科學基金(ZD201310);教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20132303110006);國家自然科學基金青年基金(51407051)

陳慶國(1970—),男,教授,博士生導師,研究方向為高電壓絕緣、電力設(shè)備絕緣檢測及高電壓應(yīng)用新技術(shù);

諸葛祥麗(1990—),女,碩士研究生,研究方向為高電壓絕緣;

諸葛祥麗

10.15938/j.emc.2016.01.005

TM 215.6

A

1007-449X(2016)01-0029-06

劉賀千(1989—),男,博士研究生,研究方向為高電壓絕緣;

池明赫(1981—),男,博士,研究方向為高電壓絕緣;

魏新勞(1960—),男,教授,博士生導師,研究方向為高電壓絕緣、電力設(shè)備絕緣檢測及高電壓應(yīng)用新技術(shù)。