運行環境對換流變壓器油紙絕緣電場分布的影響

池明赫， 李毅恒， 羅青林， 張潮海， 孫文鑫， 關毅， 陳慶國

(1.哈爾濱理工大學 工程電介質及其應用教育部重點實驗室，哈爾濱 150080；2.特變電工股份有限公司，新疆 昌吉 750306；3.哈爾濱工業大學 電氣工程及其自動化學院，哈爾濱 150006)

0 引 言

換流變壓器是高壓直流輸電的核心設備，擔負著電力系統中能量轉換和傳輸的任務，其運行狀況關系著電力系統運行的穩定性[1-3]。實際運行中換流變壓器油紙絕緣結構的絕緣性能會受到溫度、水分和雜質等環境因素影響，是一個動態的值；而設計過程中一般將各材料屬性設為常數，導致油紙絕緣結構設計一般留有較大的裕度[4-8]。同時，在長期運行中油紙絕緣結構受到電和熱等因素的影響，發生老化是不可避免的。油紙絕緣老化產生的水分、有機酸和糠醛等雜質會使其絕緣性能明顯下降，老化產生的水分和有機酸還會進一步加劇油紙絕緣的劣化，對換流變壓器穩定運行造成巨大影響[9-14]。因此，通過測量不同溫度和水分下油紙絕緣介電參數進而獲得其內部電場分布，可以發現油紙絕緣結構各部位裕度，從而增強薄弱點減小過大裕度，以保證換流變壓器安全穩定運行并提高經濟性。

國內外進行了大量油紙絕緣介電特性的研究，哈爾濱理工大學的劉驥等人通過對不同老化程度油紙絕緣的去極化電流和頻域介電譜的測量，發現在一定的頻域范圍內介質的松弛時間隨老化程度增加而減小，并且水分的增加也會造成同樣的影響[15]。重慶大學的廖瑞金等人通過以含水率和老化程度為變量測量浸油紙板的溫度介電譜和頻域介電譜，測量發現隨著老化程度和含水率的增加浸油紙板的介質損耗逐漸增加，含水率對浸油紙板活化能影響巨大，而老化程度對其基本沒有影響[16]。Hassan等人以水分和老化程度為變量對浸油紙板的頻域介電譜進行了研究，發現浸油紙板的介質損耗因數和功率因數出現差異的頻率來表征其老化程度[17]。以往學者雖然對油紙絕緣的介電參數進行了大量的研究，但研究的環境范圍有限，未覆蓋換流變壓器可能面對的極限溫度及老化等情況；并且對參數變化導致的電場變化情況研究較少，缺乏對實際工程問題的直接引導。

考慮到環境及老化會對油紙絕緣介電性能產生影響進而影響電場分布，本文針對實際換流變生產使用的材料，開展了溫度和水分對換流變壓器油紙絕緣介電參數影響的研究，進而計算了其對換流變典型絕緣結構電場分布的影響，以期望對換流變壓器油紙絕緣結構的設計及運維提供參考。

1 試樣制備與測試方法

1.1 試樣制備

選用魏德曼公司生產的厚度為1 mm的絕緣紙板，為了得到有效的試驗數據，在試驗之前對變壓器油和浸油紙板板進行標準化處理，利用真空干燥罐，參照《GB 10580-89固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標準條件》對絕緣紙板進行處理，操作流程如圖1所示。

圖1 紙板處理流程圖Fig.1 Pressboard processing flowchart

考慮到試驗溫度范圍的限制，本文選用昆侖公司生產的KI50X變壓器油。利用真空濾油機對變壓器油按照標準《GB 2536-90變壓器油》進行脫氣、脫水處理，同時濾除掉變壓器油中直徑大于100 μm的雜質，處理流程如圖2所示。

圖2 變壓器油處理流程圖Fig.2 Transformer oil processing flowchart

將處理好的干燥變壓器油和浸油紙板置于恒溫恒濕試驗箱中進行吸潮處理，得到的不同含水率變壓器油和浸油紙板密封保存，并按照《DL449-91油浸纖維質絕緣材料含水量測定法(萃取法)》和《SH/T0207-92絕緣油水含量測定法》標準對其含水率進行測量。

1.2 測試方法

為了測量和分析溫度、水分對油紙絕緣介電特性的影響，通過YTC339絕緣油介質損耗測試儀進行變壓器油介電參數的測量，通過標準三電極系統進行浸油紙板電導率的測量，三電極系統中測量極直徑50 mm，測量極與保護極間距2.5 mm，利用寬頻介電譜儀進行浸油紙板相對介電常數的測量。

2 油紙絕緣的介電參數

2.1 變壓器油電導率

不同含水率變壓器油電導率隨溫度的變化曲線如圖3所示。由圖可知，隨著溫度升高變壓器油電導率呈指數規律上升，且在高溫時變壓器油電導率隨含水率的增加而明顯升高。

圖3 不同含水率變壓器油電導率隨溫度變化曲線Fig.3 Conductivity of transformer oil at different temperatures

2.2 變壓器油相對介電常數

不同含水率變壓器油相對介電常數隨溫度的變化曲線如圖4所示。由圖可知，水分對變壓器油相對介電常數影響較小，隨著溫度升高不同含水率變壓器油的相對介電常數呈線性規律下降。

圖4 不同含水率變壓器油相對介電常數隨溫度變化曲線Fig.4 Relative permittivity of transformer oil at different temperatures

2.3 浸油紙板電導率

不同含水率浸油紙板電導率隨溫度的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同含水率浸油紙板電導率隨溫度變化曲線Fig.5 Conductivity of oil-pregnated pressboard at different temperatures

由圖5可知，隨著溫度升高不同含水率浸油紙板的電導率呈指數規律上升，同時浸油紙板電導率隨含水率的增加而升高。這是由于浸油紙板的電導主要是由雜質離子電導組成的，隨著溫度升高雜質離子的能量增加，雜質離子可以更容易的擺脫紙板中纖維素分子的束縛，紙板內部的載流子數目增加，導致浸油紙板電導率增加。同時水分可以促進雜質離子的電離，使紙板內部的載流子數目增加，致使浸油紙板電導率增加。

浸油紙板電導率隨電場強度的變化曲線如圖6所示。

圖6可知，當溫度較高時隨著電場強度升高不同含水率浸油紙板的電導率呈線性規律上升，當溫度較低時隨著電場強度的升高不同含水率浸油紙板的電導率呈先下降后上升的趨勢。這是由于當溫度較高時電場強度的增加降低了遷移勢壘，浸油紙板內部載流子濃度增加，浸油紙板電導率呈上升趨勢；當溫度較低時浸油紙板內部水分子會以微小冰晶狀態存在，水分解離出的H3O+和OH￣減少，同時水分難以作為雜質離子的溶液進而減弱雜質離子的解離，浸油紙板內部雜質離子數目和動能均較小，隨著電場強度增加雜質離子也無法獲得足夠的動能，浸油紙板內部載流子濃度基本保持不變，浸油紙板電導率呈下降趨勢，隨著電場強度的繼續增加，致使載流子獲得了足夠的動能并降低了離子遷移過程中的勢壘，浸油紙板電導率呈上升趨勢。

圖6 浸油紙板電導率隨電場強度變化曲線Fig.6 Conductivity of oil-pregnated pressboard at different electric-field strength

2.4 浸油紙板相對介電常數

不同含水率浸油紙板相對介電常數隨溫度的變化曲線如圖7所示。

圖7 不同含水率浸油紙板相對介電常數隨溫度變化曲線Fig.7 Relative permittivity of oil-pregnated pressboard at different temperatures

由圖7可知，隨著溫度升高不同含水率浸油紙板相對介電常數呈上升趨勢，且大部分變化幅度不大，含水率為5.22%的浸油紙板的相對介電常數在高溫區上升趨勢明顯，且變化幅度較大。

3 油紙絕緣電場仿真

3.1 模型的建立

換流變壓器在工作時會承受交直流疊加電壓，為了更深入了解其內部油紙絕緣結構的電場分布情況，同時由于換流變壓器的絕緣故障大多發生在線圈端部附近，因此本文建立了簡化的閥側繞組端部二維模型進行電場仿真分析[18]，模型如圖8所示。

圖8 閥側繞組端部模型Fig.8 Model of the ends of valve sidewinding

圖中：浸油紙板厚度為10 mm；變壓器油隙寬度為20 mm；CDE為電容環；FGH為高壓線圈端部。在理想狀態下，ABI處可以設置為接地，CDE和FGH處均為高壓端，ABI、CDE和FGH均屬于第一類邊界條件；AC、EF和HI為COMSOL軟件默認的電絕緣，屬于第二類邊界條件，邊界條件如下所示：

(1)

其中：Ф為電勢；U為激勵施加方式為電壓，kV；n為單位法向量；J為傳導電流密度，A/m2。仿真使用comsol電流模塊，方程描述如下：

(2)

其中：E為電場強度，kV/mm；D為電位移矢量，C/m2；σ為電導率，S/m；ε為介電常數，F/m；Je為外部電流密度，默認為0。

3.2 不同直流分量對電場分布的影響

對閥側繞組端部模型在交流、直流和交直流疊加電壓作用下電場分布情況進行了計算，其中直流電壓為800 kV，交流和交直流疊加電壓幅值為800 kV，交直流疊加電壓直流含量分別為83%和87.5%(即交直流電壓比分別為1∶5和1∶7)，頻率為50 Hz，溫度為80 ℃，浸油紙板含水率為0.48%，變壓器油含水率為8 mg/kg。設定運算時間為3 600 s，取樣時間為1 s，并對運算過程中每個時刻的整體結構的電場強度最大值進行統計，如圖9。在1 000 s左右之后電場強度逐漸趨于穩定，在直流電場下244 s時、83%直流含量電場下226 s時以及87.5%直流含量電場下226 s時電場達到最大值，而交流電場下在225 s時達到極大值但在穩態下達到最大值，存在一定差異。

圖9 80 ℃閥側電場強度最大值統計曲線Fig.9 Statistical curve of the maximum point of the electric field in ends of valve sidewinding at 80 ℃

取加壓后3 600 s內電場分布的最大值進行比較，得到交流、直流和交直流疊加電壓作用下電場分布情況，如圖10所示。

圖10 80 ℃閥側電場分布Fig.10 Electric field distribution in ends of valve sidewinding at 80 ℃

由圖10可知，電場穩定前最大場強位置與直流含量有關。在交流電壓作用下變壓器油隙中電場強度較大，電場強度最大點位于繞組端部油隙處(圖10(e)中a點)。在交直流疊加電壓及直流電壓作用下，電場強度最大點均位于電容環內側(圖10(e)中b點)，且最大場強與直流分量正相關。

3.3 不同溫度、含水率對電場分布的影響

溫度和含水率會影響油紙絕緣的介電參數，進而會影響電場分布。為此，在不同溫度下以及不同紙板含水率情況下對電場分布進行了對比。由圖9可知，交直流疊加電壓和直流電壓下電場最大值在226 s左右達到，交流電壓下電場最大值在穩態時達到，因此在不同溫度下，取交直流疊加電壓和直流電壓下226 s時的電場最大值與交流電壓下穩態時電場最大值進行了比較，如表1所示。直流電壓為800 kV，交流和交直流疊加電壓幅值為800 kV，頻率為50 Hz，變壓器油含水率為8 mg/kg(變壓器油含水飽和度較低且易于通過濾油等措施降低含水率，為便于分析設變壓器油為常量)。

表1 不同溫度下最大電場強度(浸油紙板含水率0.48%)

由表1可知，溫度由-20 ℃升高至80 ℃過程中，交流電場強度最大值由11.0 kV/mm升至11.31 kV/mm，變化不大。直流電場中電場強度最大值較大，電場強度最大值由11.61 kV/mm升至17.89 kV/mm。交直流疊加電壓下電場強度最大值由11.29 kV/mm和11.39 kV/mm升至15.19 kV/mm和15.90 kV/mm，并且最大電場強度隨直流含量的增加呈一定的上升趨勢。可見，運行工況下換流變主絕緣承受的考核要嚴與常溫下。

在80 ℃下對紙板含水率不同時的最大場強進行比較，如表2所示。

表2 不同含水率浸油紙板最大電場強度值(80 ℃)

由表2可見，隨水分增加，交流下的最大場強會上升，直流下的最大場強下降，交直流疊加電場強度值始終介于交流與直流之間，最大場強均隨直流分量的增加而上升。隨著含水率的升高交直流疊加電壓下最大場強呈下降趨勢。

4 討 論

對比80℃下交流、直流以及交直流疊加電壓下電場分布可見，最大場強位置出現了變化，如圖10所示。交流電壓下，電場強度最大點位于繞組端部油隙處(圖10(e)中a點)。符合交流電場下電場分布原則：首先在交流電場下場強分布與介電常數成反比，油的介電常數小于紙板，因此油中的場強大于紙板中的；其次曲率半徑小的地方場強較大，而a點位置為高壓繞組端部曲率半徑較小；2個影響因素均會使得a點電場強度增加，因此交流電場下最大場強會出現在繞組端部的油隙中。直流電壓與交直流疊加電壓下最大場強位置均位于電容環上(圖10(e)中b點處)。在直流電場中場強分布與電阻率成正比，紙板的電導率大于絕緣油，因此最大場強應出現在電容環、角環或圍屏上。電場強度與曲率半徑成反比，電容環位于最內側曲率半徑最小，因此最大場強出現在電容環內側。以上因素共同導致了直流電壓下場強最大位置出現在電容環內側。交直流疊加電壓下電場分布比較復雜，交流分量和直流分量同時影響了電場分布[19]。圖10可見，交直流疊加電壓下電場分布與直流電壓下電場分布更為接近，說明直流分量占主要影響成分。

含水率會對最大場強位置產生影響。對比如圖10(b)和圖11(a)、圖10(c)和圖11(b)可見，80 ℃時交直流疊加電壓下，由于紙板含水率由0.48%上升到2.85%，最大電場位置從電容環內側移動到了電容環外側，并且油中電場明顯高于紙板中電場。從圖12紙板電導率與絕緣油在80 ℃時的電導率對比可以看出，此時絕緣油的電導率是低于絕緣紙板的，導致絕緣油中的電場高于紙板中。

圖11 80 ℃閥側2.85%含水率電場分布Fig.11 Electric field distribution in ends of valve sidewinding at 80 ℃ with 2.85% moisture content

圖12 80 ℃時2.85%含水率紙板及8 mg/kg含水率絕緣油電導率Fig.12 Conductivity of cardboard with moisture content of 2.85% and insulating oil with moisture content of 8 mg/kg at 80 ℃

由于篇幅原因，對于運行環境對過渡過程的影響在此不過多論述，將在以后詳細展開論述。并且，本文在討論過程中未考慮空間電荷注入造成的電場畸變。文獻[20]研究顯示，直流電場下穩態時在油紙絕緣曲率半徑小的油道中電場強度高于初始電場分布而曲率半徑大的地方穩態電場強度小于初始分布，可見空間電荷注入行為將使電場畸變更嚴重。對于交直流疊加電壓下最大場強位置由直流分量、電場不均勻程度(部件曲率半徑有關)以及油紙參數不匹配程度有關，應考慮以上影響因素進一步深入研究。

5 結 論

1)當溫度較低時浸油紙板電導率隨電場強度升高呈先降后升的趨勢，而當溫度較高時浸油紙板電導率隨電場強度呈上升趨勢。

2)最大場強位置會隨外施電壓直流分量的變化而改變。交流電壓下，場強最大位置位于繞組端部的油隙內；在交直流疊加電壓及直流電壓作用下，電場強度最大點均位于電容環內側絕緣紙中，且最大場強與直流分量正相關。

3)運行溫度下換流變主絕緣承受的場強高于常溫下。

4)最大場強位置會隨浸油紙含水率的變化而改變，并且水分會使絕緣紙板電導率明顯上升甚至高過絕緣油，導致油中場強高于紙板中。