低溫下特高壓交流變壓器絕緣裕度分析

李國強

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著特高壓輸電技術的日漸成熟，中國特高壓交直流工程進入了規?；ㄔO的新階段，到2020年將建成“四縱七橫”、“三華”特高壓交流網架，滿足中國西南水電、西部和北部煤電、風電及太陽能發電等大型能源基地電力外送需求，全國形成“三華”、東北、西北、西南和南方五個同步電網。中國東北、內蒙古及新疆等高緯度地區冬季的氣溫可達-40 ℃以下，未來特高壓輸變電工程建設將面臨前所未有的寒冷環境考驗，有關寒冷條件下特高壓輸變電技術的研究顯得極為必要，也亟待開展[1]。

近年來，相關學者對低溫下變壓器油交流介電特性進行了研究并給出了相應變化規律，即損耗因數隨著溫度的降低先降低然后升高，并與水分的含量成正比，相對介電常數隨著溫度的降低呈單調上升的趨勢[2-3]；張秋也等人對-40～100 ℃不同含水率的變壓器油和浸油紙的相對介電常數和體積電阻率進行測量，通過數值計算得到了變壓器油和浸油紙中電場分布隨溫度和含水率的變化規律，并對油紙復合絕緣在不同電壓波形下的擊穿特性進行了研究[4-5]；郭文敏等人在交流電場下研究了微水對油紙復合絕緣低溫介電性能的影響，并通過仿真方法分析了降溫過程中油紙絕緣微水析出的動力學過程[6-8]；徐征宇對高寒條件下油紙絕緣的局放特性、沿面閃落特性和變壓器油的擊穿特性進行了研究，并總結了相關規律[9-10]。但上述研究大多針對油紙絕緣的介電性能，對實際設備的研究較少。針對實際工程需求，深入研究寒冷條件下變壓器絕緣裕度變化規律對于保障高寒地區變壓器的安全運行具有重要的工程價值。

本文針對特高壓交流變壓器，對低溫下變壓器油和浸油紙板的介電參數進行測量，并結合試驗結果建立變壓器主絕緣仿真模型，仿真分析其電場分布隨溫度變化的關系，并計算得出絕緣裕度隨溫度變化的規律，為低溫下提高電氣設備設計及運維水平提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

采用真空濾油機對所用變壓器油進行過濾及脫水脫氣處理，直至各參數經測試符合標準GB 2536—90的要求。所用變壓器油處理后的含水率小于5×10-6，90 ℃下介損值小于0.05%，工頻擊穿電壓不低于60 kV。隨后，利用真空干燥罐對紙板進行浸油處理，所得試樣含水率小于0.5%。

1.2 測試方法

針對特高壓交流變壓器，其電場分布及絕緣裕度分別取決于材料的介電常數與擊穿強度，為研究其與溫度的關系，借助溫控箱、質損耗測試儀、高壓電源及電極裝置完成低溫下油板相應介電參數的測量。其中，溫控箱溫度范圍為-60～150 ℃，溫度均勻度為±2 ℃，溫度波動度為±0.5 ℃；介質損耗測試儀電容量程為4 pF～50 nF，電容精度為±(0.5%×2 pF)，最小分辨率為0.01 pF。進行介電常數測試時，針對絕緣油時采用RY1型電極，其自帶屏蔽保護極，極間距離為2 mm；浸油紙板則按GB/T 1409—2006標準要求采用圓柱形電極，電極實物如圖1所示。測量二者擊穿強度時，則分別按GB 1408.1—2006及ASTM-D149-81的規定采用相應電極，測試結果針對不同的電極結構分別以擊穿電壓和擊穿場強表征。

實驗中，測量溫度范圍為-60～20 ℃，為保證試樣溫度均勻穩定，待溫度達到要求并保持1 h后進行測量[11]。

圖1 試驗用電極實物圖

2 溫度對絕緣材料介電參數的影響

2.1 溫度對相對介電常數的影響

測試得到變壓器油相對介電常數隨溫度變化的曲線如圖2所示。

圖2 變壓器油相對介電常數隨溫度變化曲線

分析圖2可以看出，變壓器油的介電常數隨溫度的降低而增大。這是因為變壓器油為非極性液體電介質，其極化主要為電子極化，溫度降低導致體積減小，每個單位體積內的分子數增加，故相對介電常數升高[12]。

同時，得到浸油紙板相對介電常數隨溫度變化的曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，絕緣紙板的介電常數隨著溫度的降低呈現出逐漸減小的趨勢。這是由于溫度的降低減緩了纖維素鏈段及極性分子運動速率，不利于轉向極化的建立，相對介電常數減小[12]。

圖3 浸油紙板相對介電常數隨溫度變化曲線

2.2 溫度對介電強度的影響

按前述方法測量得到變壓器油擊穿電壓隨溫度的變化規律如圖4所示。

圖4 變壓器油擊穿電壓隨溫度變化曲線

分析圖4可知，變壓器油擊穿電壓隨溫度的降低呈先減小后增大的趨勢。這是由于降溫過程中，油中水分溶解度降低，水分逐漸析出呈懸浮狀態，在電場的作用下聚結、形變并形成水橋，導致其擊穿電壓降低，并在-10 ℃時達到最低值。隨溫度進一步下降，油的粘度逐漸增大，復合體系中的水結成冰，使擊穿電壓有所回升[13]。

測試得到浸油紙板擊穿場強隨溫度變化規律如圖5所示。

與變壓器油類似，浸油紙板擊穿場強隨溫度的降低同樣呈先降低后升高的變化趨勢，并同樣在-10 ℃時取得最低值。且由于浸油紙板中水分析出滯后于油中，導致其變化幅度較變壓器油小[13]?？紤]到油、紙介電強度隨溫度變化規律的一致性，可在絕緣裕度校核時一并考慮。

圖5 浸油紙板擊穿場強隨溫度變化曲線

3 低溫對變壓器主絕緣裕度的影響

基于上述測量結果，為分析低溫下絕緣材料屬性變化對電場分布的影響，選取特高壓變壓器繞組主絕緣結構建立模型[14]，如圖6所示，所得仿真結果如圖7所示。

圖6 1 000 kV變壓器主絕緣仿真模型(高壓-中壓)

分析圖7可知，兩繞組中部電場強度最大值出現在緊鄰中壓繞組的油域中。與20 ℃相比，-50 ℃時的最大場強由8.9 kV/mm上升為9.2 kV/mm，故校核絕緣裕度時應優先考慮變壓器油。同時選取兩繞組中部油紙復合絕緣結構，進一步分析常溫與低溫下其電場分布隨距離d的變化曲線，如圖8所示。

圖7 仿真結果

圖8 電場強度隨距離變化曲線

分析圖8可知，油中電場強度高于紙中，且隨著溫度的降低，油中電場強度降低，紙中電場強度升高，二者差距增大。這是由于交流電場下，電場按兩種材料相對介電常數的反比分布，二者都隨溫度發生變化，且油的變化幅度較紙板更大。油中絕緣裕度可由式(1)計算得出[15]：

絕緣裕度=場強許用值/場強發生值

(1)

計算得出，仿真模型絕緣油中絕緣裕度由20 ℃時的1.26下降為-50 ℃時的1.13。進一步計算得到變壓器油中絕緣裕度隨溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 變壓器油中絕緣裕度隨溫度變化曲線

分析圖9可知，特高壓變壓器主絕緣絕緣裕度隨溫度的下降先下降后上升，在-10 ℃附近取得最低值，當溫度到達-50 ℃以下并繼續降低時，絕緣裕度反而升高。結合擊穿場強分析可知，在設計變壓器時，按-10 ℃條件考慮電場比較合理。且在變壓器油紙絕緣系統中，變壓器油所承受的場強較油紙高，鑒于變壓器油的耐壓性能低于油紙，故變壓器油為絕緣系統中的薄弱點，所以在極寒條件下，應重點考核變壓器各絕緣結構中油的絕緣裕度。

4 結 語

為研究低溫對變壓器絕緣裕度的影響，對低溫下變壓器油和浸油紙板的介電參數進行了測量，并通過仿真計算得出不同溫度下主絕緣的電場分布及絕緣裕度，得到如下結論：

1)隨溫度降低，變壓器油的相對介電常數下降，而浸油紙板卻隨之上升，二者擊穿特性都出現先減弱后增強的趨勢，并在-10 ℃ 取得最小值；

2)主絕緣中電場強度最大值出現在緊鄰中壓繞組的油域中，且隨溫度降低，油中電場強度升高，紙中電場強度降低；

3)特高壓變壓器主絕緣絕緣裕度隨溫度的下降先下降后上升，在-10 ℃附近取得最低值，故設計時按-10 ℃條件重點考慮油中絕緣裕度。