直流和極性反轉電壓下石蠟基與環烷基變壓器油紙界面電荷積聚特性及動態過程

張書琦 趙曉林 齊 波 劉 鑫 李成榕

直流和極性反轉電壓下石蠟基與環烷基變壓器油紙界面電荷積聚特性及動態過程

張書琦1趙曉林2齊 波1劉 鑫3李成榕1

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 2. 中國電力科學研究院有限公司 北京 100192 3. 國網安徽省電力有限公司超高壓分公司 合肥 230000）

以環烷基變壓器油（N油）和石蠟基變壓器油（P油）為研究對象，實測得到直流和極性反轉電壓下油紙絕緣空間電場和界面電荷動態過程。結果表明：恒定直流電壓下，P油和N油紙界面電荷積聚速率和量值存在明顯差別，P油油紙界面電荷積聚量為N油的0.86倍，電荷積聚速率小于N油的30%；極性反轉電壓下，極性反轉時間對這兩種油紙界面電荷動態特性影響較大，當極性反轉時間1s時第一次極性反轉后電場強度P油為N油的0.54倍，而當極性反轉時間120s時P油為N油的1.65倍。從不同于理化特性、電氣參數等傳統性能指標的角度揭示了石蠟基油和環烷基油對油紙絕緣空間電場時空分布的影響機制，即不同品類變壓器油中載流子遷移特性不同，導致油紙界面電荷分布形態出現不同規律。該文研究成果可為換流變壓器設計時合理選用變壓器油、校核優化絕緣結構提供新的思路方法和指導依據。

石蠟基 環烷基 變壓器油 電場 電荷 直流 極性反轉

0 引言

變壓器油是構成變壓器絕緣系統的關鍵介質之一，主要起到絕緣、散熱和熄弧作用[1]。隨著絕緣材料新技術的發展，出現了不同種類的變壓器油，比如從基礎油來源劃分有礦物油、植物油、硅油和合成脂等[2-5]，從油基類型劃分有石蠟基油和環烷基油[6]。它們的制備過程和組成成分有所不同，理化性質和電氣性能也有所差異，對變壓器絕緣會產生不同的影響。

目前，特高壓換流變壓器基本都采用環烷基礦物油。但近年來相關研究表明，以直鏈烷烴為主要成分的石蠟基油經過加氫異構處理后在介質損耗、體積電阻率、帶電傾向性等方面優于環烷基油[7]，因此在特高壓換流變壓器上有良好的潛在應用前景。國內外學者針對這兩種變壓器油在理化特性（密度、黏度、傾點、閃點等）、電氣參數（擊穿電壓、介損、相對介電常數、體積電導率、離子遷移率等）、抗氧化安定性等方面開展了大量研究[8-12]。換流變壓器運行中存在承受交直流復合電壓的特殊工況，在直流分量電壓作用下，油紙界面電荷積聚及其對油紙絕緣系統的影響問題是近年來備受關注的熱點[13-14]。因此有必要開展不同品類變壓器油在直流和極性反轉電壓下的界面電荷特性研究，為變壓器油選用和換流變壓器絕緣校核評估提供參考依據。

國外學者已開展了部分研究工作，瑞典ABB公司Uno G?fvert早期通過Kerr效應電光測量試驗研究發現變壓器油中芳香烴含量對純油介質內部空間電荷影響不明顯[15]，最近他們通過對比普通礦物油和氣制油（Gas to Fluid, GTL）中的直流電荷特性發現氣制油因電阻率很高，在高溫下油紙界面電荷可能反而加強原電場[16]。日本學者T. Takada在變壓器油中分別添加抗靜電劑、抗氧化劑、阻活劑、擴散劑、乳化劑五種添加劑后開展直流電場實測，試驗結果表明添加了抗靜電劑的變壓器油空間電場畸變率達到50%[17]。日本學者H. Okubo研究了不同雜質對油中電場分布的影響，結果表明瀝青導致單極性電荷積聚而油酮酸導致雙極性電荷積聚；以植物油和礦物油為研究對象，開展了油流帶電對油中電荷積聚的影響研究，獲得了兩種油極性反轉過程中的電場暫態特性[18-20]；以礦物油和硅油為研究對象，試驗對比了兩種油與紙板界面電荷動態遷移特性，發現硅油相比于礦物油有更大的時間常數[21]。H. Okubo用電阻率-介電常數模型（RC模型）和負電子注入理論做定性分析，未能合理解釋試驗結果。綜上所述，不同油品類型的油紙界面電荷積聚和遷移特性對換流變壓器設計影響較大，對設計選用變壓器油具有指導意義，但國內尚未有相關方面研究成果見諸報道。

本文以石蠟基和環烷基兩種變壓器油為研究對象，開展了直流和極性反轉電壓下油紙絕緣空間電場和界面電荷試驗研究，獲得了這兩種類型變壓器油油紙界面電荷積聚特性和動態變化過程，并用離子遷移模型給出了試驗結果的定量分析。模型計算得出的電荷-時間曲線與實測曲線高度一致，闡釋了油品類型對油紙界面電荷的影響規律，提出了不同極性反轉時間考核要求情況下變壓器油的選擇建議，可以為換流變壓器設計和選用變壓器油提供指導。

1 研究對象

1.1 油樣組分

本文所用試樣是石蠟基變壓器油和環烷基變壓器油，主要成分及區別見表1[2,7]，典型參數見表2[32]。前者為石蠟基原油調配而成的變壓器油，其主要成分以鏈烷烴為主；環烷基變壓器油是以環烷基原油為原料，經分餾、精制提純后加入各種添加劑調制而成的變壓器油，其主要成分以飽和環狀碳鏈結構為主。

表1 石蠟基變壓器油和環烷基變壓器油成分對比

Tab.1 Composition comparison between paraffine-base and naphthene-base transformer oils（%）

鏈烷烴為直鏈正構烷烴或含有支鏈的異構烷烴，典型結構形態如圖1a所示，它具有低密度、高閃點和較好的抗氧化安定性；環烷烴分子結構中含有一個或者多個環的飽和烴類化合物，典型結構形態如圖1b所示，它傾點很低，從而低溫流動性能優良，同時溶解性較好[7,22]。

圖1 鏈烷烴與環烷烴分子結構示意圖

表2 石蠟基變壓器油和環烷基變壓器典型參數對比

Tab.2 Typical parameters comparison between paraffine-base and naphthene-base transformer oils

1.2 試樣處理

試驗前，對兩種變壓器油樣進行預處理，用0.45μm微孔濾膜過濾三次后，置于85℃、100Pa真空環境中進行脫水脫氣24h。處理后的變壓器油水分含量為7～8μL/L，符合變壓器油的運行條件[23]。

絕緣紙板采用進口魏德曼的尺寸的TIV層壓紙板，試驗前置于鼓風干燥箱、105℃下處理24h，然后分別用過濾后的P油和N油浸透，置于85℃、100Pa真空環境中脫水脫氣24h。處理后的絕緣紙板水分含量為0.8%左右，符合絕緣紙板的投運條件[24]。

2 研究方法

利用電光Kerr效應原理測量油中電場及油紙界面電荷，測量系統由He-Ne激光器、光學元件、試驗腔體、光電探測器、鎖相放大器、二維移動臺和電源構成[25-27]。因變壓器油的Kerr常數很小，采用交流調制技術[28]提高靈敏度，即在外施直流電壓上疊加一個幅值較小的交流調制電壓，激光輸出端用示波器獲取光強的直流分量，用鎖相放大器解調得到光強的基頻分量和倍頻分量，可計算得到油中直流電場dc和交流電場ac。測量系統的靈敏度可以達到20V/m，電場幅值測量平均偏差小于3%。

3 電場及電荷特性

3.1 直流電場

直流電場試驗為施加-4kV恒定直流電壓下測量單層紙板覆蓋下電極模型的油中電場變化及油紙界面電荷動態積聚過程。紙板覆蓋下電極模型如圖2所示，平板電極間距為10mm，油隙9mm，紙板厚度1mm，測量點位于油紙界面上方，測量時間為5 400s。

從施加電壓開始，石蠟基油（以下簡稱P油）和環烷基油（以下簡稱N油）中電場和界面電荷的變化過程如圖3和圖4所示，圖中均為采用同一基準值的歸一化值。

圖2 紙板覆蓋下電極模型

圖3 直流電壓下電場變化過程

圖4 直流電壓下界面電荷變化過程

圖3中，試驗開始時P油和N油中電場強度均為1，P油中電場強度緩慢衰減至-0.29(pu)且至測量結束仍未達到穩態；N油中電場強度在1 600s內迅速衰減至-0.18(pu)且至測量結束保持該狀態。圖4中，界面電荷密度變化過程與電場強度變化類似，至測量結束時P油油紙界面電荷密度為-0.86(pu)，N油油紙界面電荷密度為-1(pu)。因此，相同條件下P油油紙界面電荷積聚量為N油的86%，電荷積聚速率小于N油的30%，兩種油與同一種紙板組成的復合絕緣在油中電場及電荷特性方面呈現出較大差異。

文獻[16]中，環烷基油中直流電荷積聚量大，極性與外施電場反向，對原電場削弱作用明顯；石蠟基油中電場隨時間無明顯變化。ABB研究人員認為產生上述試驗現象的原因是環烷基油電阻率遠低于絕緣紙板，因此油紙界面累積大量反極性電荷；石蠟基油電阻率很高，接近并且達到絕緣紙板電阻率水平，油紙界面積累極少量電荷，因此對電場作用不明顯。與本文試驗結果存在一定的相似性，但缺乏進一步理論分析，本文將利用離子遷移模型分析并提出變壓器油選用建議。

3.2 極性反轉電場

按照IEC 60076—57—129規定，換流變壓器例行試驗開展包括局部放電測量的極性反轉試驗，負極性/正極性/負極性的雙極性反轉電壓波形施加于閥側繞組端子上，每次反轉在120s內完成[29]。為了探究極性反轉過程中兩種變壓器油中電場及油紙界面電荷的動態特性，本文采用如圖5所示-4kV（5 400s）/+4kV（5 400s）/-4kV（2 700s）極性反轉電壓在圖2模型油下進行了測量。通常認為，在極性反轉前的恒定直流電壓作用下油紙界面有電荷積累，極性反轉過程中隨著外部電壓極性的改變電荷逐漸消散，極性反轉時間分別采用1s和120s作為對比。

圖5 極性反轉電壓波形

極性反轉時間r分別為1s和120s時，P油和N油的電場強度和電荷密度的測量結果如圖6和圖7所示，圖中數據為采用同一基準值歸一化的結果。

圖6 極性反轉時間1s時測量結果

圖7 極性反轉時間120s時測量結果

表3統計了不同極性反轉時間下兩種變壓器油中電場和油紙界面電荷情況。對于P油，極性反轉時間為1s時，第一次反轉后油中電場歸一化值為0.54(pu)，第一次反轉后至第二次反轉前油紙界面均為負電荷；極性反轉時間為120s時，第一次反轉后油中電場歸一化值為0.51(pu)，第一次反轉后至 8 000s時油紙界面出現正電荷。對于N油，極性反轉時間為1s時，第一次反轉后油中電場歸一化值為1(pu)，第一次反轉后瞬間為負電荷；極性反轉時間為120s時，第一次反轉后電場相對值為0.31(pu)，第一次反轉后電荷極性即由負變正。

表3 第一次極性反轉后油中電場和界面電荷值

Tab.3 Electric field in oil and interfacial charge after the first polarity reversal

極性反轉電壓下的P油和N油中電場和界面電荷動態特性與恒定直流電壓下測量結果有很大相似度，二者關聯關系可作如下說明。

P油在油紙界面電荷特性方面為“相對穩定型”，電荷積聚和消散速率較為緩慢：當極性反轉時間較短時，累積電荷來不及在極性反轉過程中消散，而在正極性電壓持續期間產生的正電荷又不足以全部中和負電荷，因此極性反轉時間1s時，第一次反轉后至第二次反轉前一直是負電荷；當極性反轉時間較長時，累積電荷在極性反轉過程中已經開始消散，在正極性電壓持續期間產生的正電荷中和了全部負電荷后開始積累，因此極性反轉時間120s時，第一次反轉后至第二次反轉前出現了正電荷。從第一次極性反轉后的電荷疊加電場來看，極性反轉時間對P油反轉后電場影響不大。

N油在油紙界面電荷特性方面為“快速積聚、快速消散”型，電荷積聚和消散速率較快且相同時間內累積電荷量高于P油：當極性反轉時間較短時，累積電荷來不及在極性反轉過程中消散，反轉后負極性電荷場與正極性外施電場疊加導致第一次反轉后油中電場強度峰值較高；當極性反轉時間較長時，累積電荷在極性反轉過程中已經消散殆盡，并開始積累正電荷，反向削弱外施電場，導致第一次反轉后油中電場強度峰值較低，甚至低于初始容性電場。因此，極性反轉時間對N油反轉后電場影響較大。

4 分析討論

4.1 理論分析

研究結果表明，相比于傳統的RC（電阻率-介電常數）模型[30]，離子遷移模型能更準確地描述油紙界面電荷積聚的動態發展過程，油紙界面電荷的載體是變壓器油和紙板中的雜質電離出的正、負離子，它們解離與復合是一個動態平衡過程，其遷移速率不同會導致在不同結構中正、負電荷濃度的分布形態不同[30-33]。

本文所用兩種變壓器油和絕緣紙板的離子遷移率實測值見表4，以此為輸入條件，按照離子遷移模型進行仿真計算，得到油紙界面電荷動態積聚過程如圖8所示。對于P油，離子遷移模型計算值與試驗測量值之間偏差不大于1.6%；對于N油，離子遷移模型計算值與試驗測量值之間偏差不大于2.1%。用離子遷移模型計算而得到的油紙界面電荷在變化趨勢和數值上與實測曲線均有較高的一致性。

表4 離子遷移率實測值

Tab.4 Measured values of ion mobility

圖8 離子遷移模型電荷積聚動態變化過程

圖8仿真曲線可看成具有不同時間常數的指數曲線，而時間常數是某按指數規律衰變的物理量，其幅值衰變為1/e倍時所對應的時間。對于圖8所示曲線，界面電荷密度增長至1-1/e=0.63倍時所消耗的時間即為該條曲線的時間常數，P油為P=2 935s，N油為N=72s，是電荷積聚開始進入穩態的重要標志。油紙界面負電荷的積聚與消散時間常數相差不大[27]，因此分析負電荷消散過程也可取用上述數值。

4.2 對絕緣的影響

在長時間的恒定直流電壓下油紙絕緣系統的界面電荷積聚趨于穩定，且產生的與外施電壓同極性電荷對電場為削弱作用，因此換流變壓器實際運行過程中若閥側直流電壓極性不發生變化，電荷對絕緣為良性影響。考慮實際運行過程中發生潮流反轉的情況，例如德寶直流正常每年反轉2次，5月為德陽送寶雞，11月轉為寶雞送德陽。站內極性反轉操作時，主要流程為直流閥組閉鎖、電壓瞬間降至零和反向解鎖、電壓瞬時升至運行電壓，閉鎖和解鎖之間聽取調度指令、主控系統檢查、倒閘操作等耗時達60～85min，在此過程中電荷已逐漸消散，電壓再次提升時對絕緣影響可忽略。

本文主要考慮極性發生反轉時電荷對電場的疊加效應，從是否滿足換流變壓器出廠時極性反轉試驗考核的角度討論變壓器油類型對絕緣的影響。現行IEC標準規定常規極性反轉試驗中的極性反轉時間不超過120s，但同時也提出在實際運行中可能會發生快速極性反轉過程，用戶可根據自身應用需求與制造廠協商制定極性反轉特殊試驗方案，縮短極性反轉時間來提高對產品的考核要求。以下結合時間常數分析法舉例說明。

如果用戶要求按照標準規定的120s來考核，N＜r≤120s＜P，對于N油，從負到零的半周期電荷已基本消散完畢，且在從零到正的半周期內逐漸積聚正電荷來削弱外部電場，因此反轉后的電場弱于P油，此時建議選用N油。

如果用戶提高極性反轉時間考核要求，使r＜N＜P，電壓反轉時兩種油中界面電荷均來不及反應變化，電荷積聚速率較慢的P油在恒壓階段積聚的電荷量少于N油，N油在電壓反轉時的電荷疊加效應強于P油，產生的較高反向電場對絕緣不利，此時建議選用P油。

今后開展換流變壓器設計和選用變壓器油時，可參考本文方法，從電荷對絕緣影響的角度，通過測量離子遷移率建立離子遷移模型仿真曲線，獲得幾種備選變壓器油的電荷時間常數，結合用戶對極性反轉時間的考核要求提出選用建議。

5 結論

本文以兩種典型特高壓直流用變壓器油為研究對象，通過直流和極性反轉電壓下油紙絕緣界面電荷行為特性動態過程實測和結果分析，發現不同品類變壓器油與絕緣紙/紙板組合使用后在界面電荷特性方面呈現出差異性，從不同于理化特性、電氣特性等傳統性能指標的角度揭示了油品對換流變壓器絕緣的影響，為換流變壓器設計時合理選用變壓器油、校核優化絕緣結構提供了新的思路方法和指導依據。主要結論如下：

1）恒定直流電壓下，P油油紙界面電荷積聚量為環烷基油的86%，電荷積聚速率小于N油的30%，不同油品對油紙界面電荷積聚特性有明顯影響。

2）極性反轉電壓下，當極性反轉時間1s時，第一次極性反轉后電場P油為N油的0.54倍；而當極性反轉時間120s時，P油為N油的1.65倍。N油在油紙界面電荷特性方面為“快速積聚、快速消散”型，P油為“相對穩定型”，所以極性反轉時間對N油中反轉后電場影響較大，而對P油中反轉后電場不明顯。

3）利用離子遷移模型給出了P油和N油的電荷積聚與消散時間常數，基于時間常數分析法，結合極性反轉試驗中對極性反轉時間的不同考核要求，提出了不同品類變壓器油選用建議。

[1] 張文亮, 張國兵. 特高壓變壓器用油技術指標及若干問題探討[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(7): 1-6.

Zhang Wenliang, Zhang Guobing. Discussion on technical specifications and some issues for UHV transformer oil[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(7): 1-6.

[2] 王健一, 李金忠, 張書琦, 等. 以天然氣為原料的氣制變壓器油的典型性能分析[J]. 高電壓技術, 2016, 42(9): 2974-2979.

Wang Jianyi, Li Jinzhong, Zhang Shuqi, et al. Typical properties analysis of gas-to-liquid transformer oil with natural gas as raw material[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(9): 2974-2979.

[3] 李劍, 姚舒瀚, 杜斌, 等. 植物絕緣油及其應用研究關鍵問題分析與展望[J]. 高電壓技術, 2015, 41(2): 353-363.

Li Jian, Yao Shuhan, Du Bin, et al. Analysis to principle problems and future prospect of research on vegetable insulating oils and their applications[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(2): 353-363.

[4] 張永澤, 唐炬, 潘成, 等. 溫度對流動變壓器油中懸移氣泡局部放電特性的影響與作用機制[J]. 電工技術學報, 2020, 35(6): 1357-1367.

Zhang Yongze, Tang Ju, Pan Cheng, et al. Effects of temperature on partial discharge characteristics induced by suspended bubbles in flowing transformer oil and the mechanism[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1357-1367.

[5] 姚雨杭, 潘成, 唐炬, 等. 交直流復合電壓下流動變壓器油中金屬微粒運動規律和局部放電特性研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(15): 3101-3112.

Yao Yuhang, Pan Cheng, Tang Ju, et al. Motion behaviors and partial discharge characteristics of metallic particles in moving transformer oil under AC/DC composite voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3101-3112.

[6] 劉楓林, 徐魏. 石蠟基和環烷基變壓器油的性能比較[J]. 變壓器, 2004, 41(7): 27-30.

Liu Fenglin, Xu Wei. Characteristic comparison between paraffine-base and naphthene-base transformer oils[J]. Transformer, 2004, 41(7): 27-30.

[7] 王健一, 周遠翔, 程渙超, 等. 加氫異構非環烷基變壓器油的最新進展與展望[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(16): 5373-5383.

Wang Jianyi, Zhou Yuanxiang, Cheng Huanchao, et al. Recent progress and prospect of hydroisomerized non-naphthenic transformer oil[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(16): 5373-5383.

[8] 錢藝華, 吳海燕, 蘇偉, 等. 不同變壓器油電氣性能的對比研究[J]. 變壓器, 2012, 49(4): 29-33.

Qian Yihua, Wu Haiyan, Su Wei, et al. Comparison and research on electrical properties of different transformer oils [J]. Transformer, 2012, 49(4): 29-33.

[9] 叢浩熹, 舒想, 張敏昊, 等. 噻吩對變壓器油紙絕緣系統熱老化特性研究[J]. 電工技術學報, 2018, 33(21): 5136-5142.

Cong Haoxi, Shu Xiang, Zhang Minhao, et al. Influence of thiophene on thermal aging of the transformer oil-paper insulation system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(21): 5136-5142.

[10] 董明, 楊凱歌, 馬馨逸, 等. 納米改性變壓器油中載流子輸運特性分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(21): 4597-4608.

Dong Ming, Yang Kaige, Ma Xinyi, et al. Analysis of charge-carrier transport characteristics of transformer oil-based nanofluids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4597-4608.

[11] 范賢浩, 劉捷豐, 張鐿議, 等. 融合頻域介電譜及支持向量機的變壓器油浸紙絕緣老化狀態評估[J]. 電工技術學報, 2021, 36(10): 2161-2168.

Fan Xianhao, Liu Jiefeng, Zhang Yiyi, et al. Aging evaluation of transformer oil-immersed insulation combining frequency domain spectroscopy and support vector machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(10): 2161-2168.

[12] 劉驥, 張明澤, 趙春明, 等. 基于頻域介電響應分頻段優化計算的變壓器油紙絕緣老化參數定量計算方法[J]. 電工技術學報, 2020, 35(9): 2020-2031.

Liu Ji, Zhang Mingze, Zhao Chunming, et al. Quantitative calculation method of transformer oil-paper insulation aging parameters based on frequency dielectric spectrum frequency range optimized calculation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 2020-2031.

[13] 劉澤洪, 郭賢珊. 特高壓變壓器絕緣結構[J]. 高電壓技術, 2010, 36(1): 7-12.

Liu Zhehong, Guo Xianshan. Insulation structure of UHV power transformer[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(1):7-12.

[14] 張燕秉, 鄭勁, 汪德華, 等. 特高壓直流換流變壓器的研制[J]. 高電壓技術, 2010, 36(1): 255-264.

Zhang Yanbing, Zheng Jin, Wang Dehua, et al. Development of UHVDC converter transformer[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(1):255-264.

[15] G?fvert U, Kols H, Marinko J. Influence of oil quality on field distortion in transformer oil under DC stress[C]//Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena-Annual Report 1986, Claymont, DE, 1986: 278-286.

[16] Lavesson N, Walfridsson L, Schiessling J. DC characterization of isoparaffinic insulation oil[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(5): 1525-1528.

[17] Nonaka Y H, Sato T, Maeno T, et al. Electric field in transformer oil measured with the Kerr-effect technique[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1991, 26(2): 210-216.

[18] Kojima H, Hayakawa N, Okubo H, et al. Charge behavior in palm fatty acid ester oil (PFAE)/ pressboard composite insulation system under voltage application[C]// 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, San Juan, PR, 2012: 419-423.

[19] Hikita M, Matsuoka M, Shimizu R, et al. Kerr electro-optic field mapping and charge dynamics in impurity-doped transformer oil[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1996, 3(1): 80-86.

[20] Kato K, Nara T, Okubo H, et al. Space charge behavior in palm oil fatty acid ester (PFAE) by electro-optic field measurement[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, 16(6): 1566-1573.

[21] Kato K, Okubo H, Endo F, et al. Investigation of charge behavior in low viscosity silicone liquid by Kerr electro-optic field measurement[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, 17(4):1214-1220.

[22] 于會民, 王會娟, 張培恒, 等. 不同類型變壓器油的油紙復合絕緣空間電荷積聚與消散特性研究[J]. 絕緣材料, 2021, 54(6): 84-90.

Yu Huimin, Wang Huijuan, Zhang Peiheng, et al. Space charge accumulation and dissipation characteristics of oil-paper composite insulation with different types of transformer oils[J]. Insulating Materials, 2021, 54(6): 84-90.

[23] 西安熱工研究院有限公司. GB/T 7595—2017 運行中變壓器油質量[S]. 2017.

[24] 湖南廣信電工科技股份有限公司, 泰州新源電工器材有限公司, 桂林電器科學研究院. GB/T 19264.1—2011 電氣用壓紙板和薄紙板第1部分：定義和一般要求[S]. 2011.

[25] 吳昊, 齊波, 李成榕, 等. 基于Kerr效應法的油紙復合絕緣交直流復合電場測量[J]. 電工技術學報, 2013, 28(4): 28-34.

Wu Hao, Qi Bo, Li Chengrong, et al. The measurement of AC-DC composite field for oil-paper insulation system based on the Kerr electro-optic effect[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(4): 28-34.

[26] 高春嘉, 齊波, 韓昊, 等. 大尺寸油紙絕緣結構多電壓應力下空間電場特性[J]. 電工技術學報, 2019, 34(22): 4816-4826.

Gao Chunjia, Qi Bo, Han Hao, et al. Space electric field characteristics in oil of large-scale oil-pressboard structure under various voltage stresses[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(22): 4816-4826.

[27] 吳昊, 李成榕, 齊波, 等. 直流電壓下油、紙絕緣結構不連續界面空間電荷積聚特性[J]. 高電壓技術, 2013, 39(6): 1419-1425.

Wu Hao, Li Chengrong, Qi Bo, et al．Accumulation characteristics of interface charge in the oil-paper insulation under DC voltage[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(6): 1419-1425.

[28] Liu R, Satoh A, Kawasaki T, et al. High-sensitivity Kerr-effect technique for determination of 2-dimensional electric fields[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1992, 27(2): 245-254.

[29] IEC/IEEE 60076—57—129 Power transformers - transformers for HVDC applications[S]. 2017.

[30] 池明赫, 陳慶國, 王新宇, 等. 溫度對復合電壓下油紙絕緣電場分布的影響[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(6): 1524-1532.

Chi Minghe, Cheng Qingguo, Wang Xinyu, et al. Influence of temperature on electric field distribution of oil-paper insulation under compound voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(6): 1524-1532.

[31] O'Sullivan F, Lee S H, Zahn M, et al. Modeling the effect of ionic dissociation on charge transport in transformer oil[C]//2006 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Kansas City, MO, 2006: 756-759.

[32] Ustundag A, Gung T J, Zahn M. Kerr electro-optic theory and measurements of electric fields with magnitude and direction varying along the light path[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1998, 5(3): 421-442.

[33] 楊麗君, 黃加佳, 胡恩德, 等. 二芐基二硫含量對礦物絕緣油老化特性的影響[J]. 電工技術學報, 2017, 32(12): 251-258.

Yang Lijun, Huang Jiajia, Hu Ende, et al. Influence of dibenzyl disulfide content on aging characteristic of insulation oil[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(12): 251-258.

Interface Charge Accumulation Characteristics and Dynamic Process of Paraffine-Base and Naphthene-Base Transformer Oils under DC and Polarity Reversal Voltage

Zhang Shuqi1Zhao Xiaolin2Qi Bo1Liu Xin3Li Chengrong1

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 3. State Grid Anhui Ultra High Voltage Company Hefei 230000 China）

Regarding naphthene-base transformer oil (N oil) and hydroisomerized paraffine-base transformer oil (P oil) as the research objects, the dynamic process of space electric field and interface charge of oil-pressboard insulation under DC voltage and polarity reversal (PR) voltage was obtained. Under constant DC voltage, the amount of charge accumulation at the interface of P oil-pressboard was 86% of that of N oil, and the rate of charge accumulation was less than 30% of that of N oil. Under the PR voltage, polarity reversal time had a great influence. While the polarity reversal time was 1s, the electric field of P oil was 0.54 times that of N oil after the first reversal, and while the polarity reversal time was 120 s, the electric field of P oil was 1.65 times that of N oil. The influence of oil character on the converter transformer insulation is revealed from the point of view different from the conventional performance indexes such as physical, chemical and electrical characteristics. It is that different types of transformer oil have different mobility of positive and negative ions, resulting in different distribution patterns at the oil-pressboard interface. It provides a new method and guidance for selecting transformer oil reasonably and optimizing insulation design of converter transformer.

Paraffine-base, naphthene-base, transformer oil, electric field, charge, DC, polarity reversal

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210127

TM85

國家自然科學基金聯合基金（U1866603）和國網安徽省電力有限公司重點科技項目（52120320006W）資助。

2021-01-22

2021-07-05

張書琦 男，1981年生，博士研究生，研究方向為變壓器設備研制、運維及新技術研發。E-mail：sqzhang@epri.sgcc.com.cn

趙曉林 男，1988年生，高級工程師，研究方向為變壓器油紙絕緣技術。E-mail：zhaoxiaolin@epri.sgcc.com.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）