溫度對油、紙介電參數(shù)及復合電場分布的影響

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℃）內溫度對換流變壓器油紙復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，并通過公式推導來研究復合電場下溫度對油紙絕緣電場分布的影響。試驗結果表明，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??；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。由計算結果可知，溫度對復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。

關鍵詞：油紙絕緣；復合電場；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電壓的作用。國內外學者針對換流變壓器油紙絕緣在復合電壓下的電場分布進行了大量的研究，日本學者E.Takahashi等人的研究結果表明：非線性條件下電場分布明顯不同于線性條件下結果；交直流疊加起始局放電壓與直流電壓分量無關。華北電力大學的李琳等人得出結論：媒質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構再復合電壓下的電場分布。L.E.Lundgaard等學者的研究結果說明：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工作運行。因此有必要開展較寬溫度范圍內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)，在此基礎上對不同溫度下油紙絕緣在復合電壓作用下的電場分布進行數(shù)值分析，以期為國內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)測量結果，分別如圖1和圖2所示。

由圖1可見，在-40～100℃溫度范圍內，隨溫度升高紙板的電阻率總體上呈下降趨勢。其原因是紙板電導主要是由雜質離子引起的，隨溫度升高雜質離子的活化能下降，增加了離子在電場作用下的定向遷移率，導致電導電流增加、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為與介質特性有關的參數(shù)。

紙板相對介電常數(shù)與溫度的關系可擬合為式中：ε_p為浸油紙板的相對介電常數(shù)；a、b及t為與介質特性有關的參數(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)測量結果，分別如圖3和圖4所示。

工程上變壓器油的電導率（電阻率）主要由雜質離子濃度、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，使其參與導電的幾率下降；同時，低溫下油的粘度較高，導致油中雜質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離子的束縛力減小以及油的粘度降低，導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，極化主要為電子極化，溫度的升高導致變壓器油的體積增大，這使得每個單位體積內的分子數(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為與介質特性有關的參數(shù)。

油的相對介電常數(shù)與溫度的關系可擬合為：式中：ε₀為浸油紙板的相對介電常數(shù)；c、d、k為與介質特性有關的參數(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，隨溫度升高呈單調上升，但變化范圍較小，最大值與最小值僅相差0.312。

2 復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。油紙復合絕緣結構兩端電壓為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。設電場在介質內均勻分布，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發(fā)生改變。

3 溫度對復合電壓下油紙絕緣電場分布影響的計算結果

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計時，對油隙來講應關注其在高溫、高交流含量下的絕緣裕度；而對絕緣紙板來講應關注其在低溫、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構模型，通過數(shù)值分析手段研究了溫度對復合電壓作用下油紙絕緣電場分布的影響規(guī)律，得到結論如下：

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運行的換流變壓器，設計時應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）