溫度對(duì)交直流疊加電場(chǎng)下油紙絕緣油流帶電的影響

陳慶國(guó) 董振鵬 林林 池明赫 王金龍 魏新勞

摘 要：為研究溫度對(duì)疊加電場(chǎng)作用下油紙絕緣油流帶電特性的影響，在實(shí)驗(yàn)室搭建了平板電極結(jié)構(gòu)的典型換流變壓器油紙絕緣模型，利用密閉油循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了疊加電場(chǎng)下油流帶電的試驗(yàn)研究，并建立了油紙絕緣油流帶電模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：溫度對(duì)油紙絕緣沖流電流有較大的影響，隨溫度的升高沖流電流呈先增大后減小的趨勢(shì)。理論分析表明：在較低溫度下沖流電流與紙中負(fù)離子遷移速度有關(guān)；在較高溫度下沖流電流大小不僅取決于紙中負(fù)離子遷移速度，同時(shí)還與接地電極處正離子泄放速度有關(guān)。溫度通過(guò)影響絕緣紙電導(dǎo)率、變壓器油電導(dǎo)率以及變壓器油粘度而影響油流帶電特性。

關(guān)鍵詞：換流變壓器；交直流疊加電壓；油紙絕緣；油流帶電；離子遷移

中圖分類號(hào)：TM 411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）05-0035-07

Abstract：In order to study the influence of temperature on flow electrification characteristics of oilpaper insulation under the AC superimposed DC electric field， an oilpaper tube model with the typical plane electrode geometry was built in laboratory. Experiment on flow electrification under AC superimposed DC electric field was carried out with the closed oil circulating system， and the oil flow electrification model of oilpaper insulation was built in order to analyze the experiment results. The experiment results show that the temperature has a great effect on oil flow electrification of oilpaper insulation，and the current increases and then decreases with the increase of temperature. The theoretical analysis demonstrates that the streaming current depends on migration rate of the negative ion in paper at low temperature. However， at high temperature， it not only depends on the migration rate of the negative ion in paper， but also is related to the positive ion leakage rate at the grounding electrode. The temperature influences the flow electrification characteristics by affecting the conductivity of insulation paper，the conductivity of transformer oil， and the viscosity of transformer oil.

Keywords：converter transformer； AC superimposed DC electric field； oilpaper insulation； flow electrification； ion migration

0 引 言

換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的安全穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極其重要。隨著對(duì)輸電要求的提高，換流變壓器電壓等級(jí)隨著提高，絕緣結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，變壓器繞組的油流帶電問(wèn)題也愈加嚴(yán)重。油紙復(fù)合絕緣是換流變壓器采用主要絕緣結(jié)構(gòu)，其中變壓器油起到絕緣和冷卻的雙重作用[1]。油流帶電指的是循環(huán)流動(dòng)的變壓器油流過(guò)絕緣紙及絕緣紙板的表面時(shí)由于摩擦、油溫以及水分等因素就會(huì)產(chǎn)生電荷分離，使絕緣紙及絕緣紙板帶負(fù)電、變壓器油帶正電 [2]。運(yùn)行中的換流變壓器閥側(cè)繞組絕緣因受到交直流疊加電場(chǎng)的作用，所以其油流帶電特性不同于普通交流電力變壓器 [3-12]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于疊加電場(chǎng)作用下油紙絕緣的油流帶電特性的研究還沒(méi)有廣泛開(kāi)展，針對(duì)油中離子的轉(zhuǎn)移機(jī)理的研究也不多，并且沒(méi)有得到統(tǒng)一的結(jié)論。H.Miyao、R. M. Radwan、H. Wu 和楊嘉祥等專家均研究了直流電場(chǎng)對(duì)油紙絕緣的油流帶電特性的影響[12-15]，為本文研究交直流疊加電場(chǎng)作用下的油流帶電特性提供了參考。I. A.metwally 曾研究過(guò)交直流疊加電場(chǎng)對(duì)油紙絕緣油流帶電特性的影響[16]，但其研究的溫度范圍較小，不足以全面反映溫度與油流帶電特性的關(guān)系。此外，國(guó)內(nèi)很多科研人員也對(duì)油紙絕緣方面的問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，金福寶等在外施交流電場(chǎng)作用下采用變壓器典型并聯(lián)油道結(jié)構(gòu)研究了油流溫度和流速等對(duì)油流帶電特性的影響，并且在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的仿真模型進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，得出了油道內(nèi)部的電場(chǎng)分布[17]。于欽學(xué)等學(xué)者對(duì)油中帶電離子的產(chǎn)生及其在固體表面的吸附過(guò)程進(jìn)行了研究[18]。池明赫等研究了溫度對(duì)復(fù)合電場(chǎng)下油紙絕緣中電場(chǎng)分布的影響 [19]，廖瑞金等對(duì)油紙絕緣中空間電荷的形成及遷移特性進(jìn)行了研究[20]，以上研究成果均為本文的研究提供了參考。

本文在實(shí)驗(yàn)室建立了換流變壓器典型平板油紙絕緣模型，進(jìn)行了交直流疊加電場(chǎng)下油流帶電試驗(yàn)研究和理論分析，以期為特高壓換流變壓器的研究設(shè)計(jì)以及運(yùn)行維護(hù)提供參考依據(jù)。

1 油流帶電試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室搭建的油流帶電試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分及油流走向如圖1所示。變壓器油在循環(huán)泵的作用下從緩沖箱流出，經(jīng)流量計(jì)測(cè)速后進(jìn)入松弛箱，松弛設(shè)備會(huì)使變壓器油中的原有電荷充分泄放以確保進(jìn)入油流帶電箱的變壓器油為電中性。變壓器油在流經(jīng)帶電箱的平板電極模型時(shí)會(huì)形成電流，之后變壓器油在流經(jīng)帶有屏蔽的測(cè)量箱時(shí)微電流表（Keithley 6517A）會(huì)對(duì)油中電流完成測(cè)量，最后變壓器油經(jīng)溫度控制器后返回緩沖箱待進(jìn)入下次循環(huán)。

油流帶電箱的絕緣模型如圖2所示，電極上、下極由不銹鋼板做成，其外部包繞厚度為0.25 mm的NOMEX絕緣紙層，上下極板間的油隙寬度為5 mm。試驗(yàn)時(shí)上極板為高壓端，下極板為接地端。

在實(shí)驗(yàn)室搭建的交直流疊加電壓發(fā)生裝置如圖3所示。直流高壓發(fā)生裝置和交流高壓發(fā)生裝置的額定輸出均為60 kV/15 mA。試樣的絕緣電阻數(shù)值遠(yuǎn)大于保護(hù)電阻（50 MΩ），所以保護(hù)電阻的引入對(duì)疊加電壓的測(cè)量結(jié)果影響很小，求得分壓器對(duì)疊加電壓測(cè)量的精確度（2%）滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)電路產(chǎn)生的交直流疊加電壓波形如圖4所示。

在圖4中，U表示交直流疊加電壓的最大值，UDC表示直流電壓分量的幅值。直流電壓分量的占空比為

試驗(yàn)中λ的可調(diào)區(qū)間為50%～100%，基本符合換流變壓器的實(shí)際運(yùn)行工況。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

在電壓幅值U為18 kV、外施交直流疊加電壓的直流分量占空比λ為67%時(shí)，試驗(yàn)得到不同流速下沖流電流隨溫度變化的關(guān)系曲線如圖5所示。

如圖5所示，外施交直流疊加電壓作用下沖流電流隨溫度的提高呈先增大后減小趨勢(shì)，并且峰值溫度（沖流電流出現(xiàn)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的絕緣油溫度）隨流速的提高而增大。

在電壓幅值U為18 kV、油流速度為0.6 m/s時(shí)，試驗(yàn)得到不同直流含量下沖流電流隨溫度變化曲線如圖6所示。

如圖6所示，外施交直流疊加電壓作用下沖流電流隨溫度的提高出現(xiàn)峰值，并且峰值溫度隨直流含量的提高而降低。

3 油流帶電模型及結(jié)果分析

3.1 油流帶電理論模型

由于絕緣紙和變壓器油束縛電子的能力不同，界面處變壓器油側(cè)電子將會(huì)向絕緣紙側(cè)轉(zhuǎn)移，在油紙絕緣界面紙側(cè)形成負(fù)離子層、變壓器油側(cè)形成正離子層。緊貼油紙界面的正離子層稱為緊密層，由于濃度梯度的存在向油中擴(kuò)散的正離子形成的正離子層稱為擴(kuò)散層。油紙界面處的離子分布如圖7所示。

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行換流變壓器絕緣承受電壓的特點(diǎn)，本文試驗(yàn)中外施交直流疊加電壓中直流含量l的最小值為50%，在此條件下絕緣模型中的電場(chǎng)始終由高壓電極指向接地電極。由于高壓側(cè)油紙雙電層中電場(chǎng)方向與外施電場(chǎng)方向相反，絕緣紙中的負(fù)離子將在外施電場(chǎng)下向高壓電極移動(dòng)，移動(dòng)的負(fù)離子形成遷移電流IM。被油流動(dòng)剝離帶走的正離子由于外施電場(chǎng)的存在會(huì)向接地側(cè)遷移，能夠遷移至接地電極的離子形成泄露電流IL，被油流帶出絕緣模型的離子形成沖流電流IS，如圖8所示。由此可見(jiàn)，外電場(chǎng)可促使高壓側(cè)油紙界面雙電層中的正、負(fù)離子遷出界面，當(dāng)離子離開(kāi)后界面后流動(dòng)的變壓器油會(huì)在界面產(chǎn)生新的正負(fù)離子，為絕緣模型中形成穩(wěn)定的持續(xù)電流創(chuàng)造了條件。而接地電極側(cè)油紙絕緣中正、負(fù)離子在外施電場(chǎng)下均向油紙界面處遷移，造成油紙界面處正、負(fù)電荷的積聚，阻礙了油紙間的電荷轉(zhuǎn)移和消散，進(jìn)而抑制了油流帶電的發(fā)生[21]。因此，油紙絕緣模型施加正極性直流電壓時(shí)，高壓側(cè)油紙界面雙電層內(nèi)離子的產(chǎn)生與消散速度決定了沖流電流的大小。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)接地電極是否存在泄漏電流，將本文試驗(yàn)所得的疊加電場(chǎng)作用下沖流電流隨溫度變化關(guān)系曲線分為隨溫度的提高而增大（上升階段）和隨溫度的提高而減小（下降階段）兩個(gè)階段。

3.2.1 上升階段

由于該階段溫度較低，變壓器油中離子遷移率不高，外施電場(chǎng)下的遷移速度較小，與高溫情況相比較，相同電場(chǎng)強(qiáng)度下油中正離子的遷移距離較小，不足以遷移至接地電極泄放，此時(shí)泄露電流IL為零，油中正離子全部被油流帶出絕緣模型形成沖油電流IS，即

通過(guò)油流帶電表達(dá)式（12）和式（24），并結(jié)合對(duì)油流帶電機(jī)理的分析可以得出：

1）隨著油流速度的提高，油流剝離油、紙界面處雙電層離子的能力加強(qiáng)，沖流電流得到提高。

2）隨著外施電場(chǎng)強(qiáng)度及直流分量的提高，可促使高壓電極側(cè)油紙絕緣交界面處雙電層中紙側(cè)負(fù)離子向高壓電極遷移，正離子向油中遷移，為持續(xù)的沖流電流形成創(chuàng)造條件。但過(guò)高的外施電場(chǎng)強(qiáng)度將導(dǎo)致正離子在電場(chǎng)作用下向接地電極遷移形成泄漏電流，進(jìn)而引起沖流電流的降低。

3）溫度通過(guò)影響絕緣紙電導(dǎo)率、變壓器油電導(dǎo)率以及變壓器油粘度來(lái)改變沖流電流。隨著溫度的升高絕緣紙的電導(dǎo)率升高，導(dǎo)致高壓電極側(cè)油紙絕緣交界面處雙電層中紙側(cè)負(fù)離子向高壓電極遷移率提高，雙電層中的正負(fù)離子消散速度加快。同時(shí)，溫度升高使變壓器油的粘度降低，更易使雙電層中油側(cè)正離子在油流作用下被剝離，導(dǎo)致沖流電流的升高。但溫度的升高也會(huì)使雙電層中被剝離的正離子在油中的遷移率提高，使正離子易在電場(chǎng)作用下向接地電極遷移形成泄漏電流，進(jìn)而導(dǎo)致沖流電流的下降。

4 結(jié) 論

本文利用典型平板油紙絕緣結(jié)構(gòu)，對(duì)不同溫度下交直流疊加電場(chǎng)作用下油紙絕緣油流帶電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并得出以下結(jié)論：

1）溫度對(duì)油紙絕緣油流帶電有顯著影響。溫度的升高會(huì)造成絕緣界面處正、負(fù)離子的遷移速度的增大，有利于界面處再次生成新的離子，使沖流電流有所提高，但溫度的升高將提高正離子的泄放速度，引起沖流電流的降低。

2）沖流電流隨溫度的提高出現(xiàn)峰值，峰值溫度隨流速的提高而增大；隨交直流疊加電壓中直流分量占空比的提高而降低。

3）溫度通過(guò)影響絕緣紙電導(dǎo)率、變壓器油電導(dǎo)率以及變壓器油粘度而影響油流帶電特性。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 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(shù)，2010，36（1）：255.

ZHANG Yanbing， ZHENG Jin， WANG Dehua， et al. Development of UHVDC converter transformer[J]. High Voltage Engineering， 2010，36（1）： 255.

[2] 李忠全，許鵬. 1 000 kV特高壓變壓器油流帶電分析及抑制對(duì)策[J]. 高電壓技術(shù)，2010，36（4）：907.

LI Zhongquan， XU Peng. Analysis on oilflow electrification phenomenon in 1 000 kV UHV transformer and restrain measure[J]. High Voltage Engineering， 2010，36（4）：907.

[3] SHIMIZU S，MURATA H，HONDA M.Electrostatics in power transformers[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1979，98（4）：1244.

[4] Klinkenberg A，Minne J.Elektrostatics in the petroleum industry[M].Amsterdam：Elsvier Publishing Company，1958：16-17.

[5] OKUBO H，INOUE N，WAKAMATSU M，et al.Charge behavior in flowing oil at oil/pressboard interface by electrooptic field measurement[C]//International Conference on Dielectric Liquids.Graz，Austria：IEEE，2002：178-181.

[6] TOUCHARD G，GRIMAUD P O，ROMAT H，et al.Flow electrification in power transformers： explanation of the wallcurrent measurements[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1994，1（4）：728.

[7] CROFTS D W. The static electrification phenomena in power transformer[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1988，23（1）：137.

[8] KEDZIA J.Investigation of transformer oil electrification in a spinning disk system[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1989，24（1）：59.

[9] KEDZIA J，WILLNER B.Electrification current in the spinning disk system[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1994，1（1）：58.

[10] WASHABAUGH A P ， ZAHN M . Flow electrification measurements of transformer insulation using a coquette flow facility[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3（2）：161.

[11] 張秋也，朱學(xué)成，高自偉，等. 溫度對(duì)油、紙介電參數(shù)及復(fù)合電場(chǎng)分布的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20（6）：59.

ZHANG Qiuye， ZHU Xuecheng， GAO Ziwei， et al. Influence of temperature on dielectric parameters of oil & pressboard and the electric field distribution of oil-paper insulation under compound voltage[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2015， 20（6）： 59.

[12] MIYAO H， HIGAKI M，KAMATA Y.Influence of AC and DC fields on streaming electrification of transformer oil[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1988， 23（1）：129.

[13] RADWAN R M， ELDewieny R M，METWALLY I A. Investigation of Static Electrification Phenomenon due to Transformer Oil Flow in Electric Power Apparatus[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1992， 27（2）： 278.

[14] WU H ，JAYARAM S.DC field effects on streaming electrification in insulating oils[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1996 ， 3（4）：499.

[15] YANG Jiaxiang，DING Lijian，CHI Xiaochun，et al.Study of the influence of injected charge on streaming electrification[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，5（4）：513.

[16] Metwally I A. Flow electrification of transformer oil effects of mixed fields[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，5（4）： 518.

[17] 金福寶，周遠(yuǎn)翔，賀俊杰，等. 變壓器油道內(nèi)油流帶電現(xiàn)象與油道電場(chǎng)的仿真計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù)，2013，39（6）：1367.

JIN Fubao， ZHOU Yuanxiang， HE Junjie， et al. Streaming electrification measurement and electric field simulation in oil duct of power transformer[J]. High Voltage Engineering， 2013，39（6）：1367.

[18] 于欽學(xué)，任文娥，謝恒坤. 變壓器油流帶電電荷分離過(guò)程的研究[J]. 高電壓技術(shù)，2000，26（5）：36.

YU Qinxue， REN Wene， XIE Hengkun. Study on the process of charge separation at solidliquid interface due to flow electrification[J]. High Voltage Engineering， 2000，26（5）：36.

[19] 池明赫，陳慶國(guó)，王新宇，等. 溫度對(duì)復(fù)合電壓下油紙絕緣電場(chǎng)分布的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（6）：1524.

CHI Minghe， CHEN Qingguo， WANG Xinyu， et al. Influence of temperature on electric field distribution of oilpaper insulation under compound voltage[J]. Proceedings of the CSEE， 2015，35（6）：1524.

[20] 廖瑞金，柳海濱，周年榮，等. 絕緣紙熱老化對(duì)油浸絕緣紙空間電荷生成及遷移特性的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（22）：206.

LIAO Ruijin， LIU Haibin， ZHOU Nianrong， et al. Influence of insulation papers thermal aging on the formation and migration behavior of space charge in oilpaper insulation dielectrics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30（22）：206.

[21] 陳慶國(guó)，林林，高源，等. 換流變壓器中典型平板油紙絕緣結(jié)構(gòu)的油流帶電特性[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19（2）：14.

CHEN Qingguo， LIN Lin， GAO Yuan， et al. Flow electrification characteristics of typical plane oilpressboard insulation in converter transformer. Electric Machines and Control， 2015，19（2）：14.

[22] Crofts D W. The static electrification phenomena in power transformer[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1988， 23（1）： 137.

[23] Muto H， Tsuji K，Kise K. Novel charge generation model for simulation of streaming current based on shearing stress at the oil/pressboard interface [C]//Electrical Insulation and Dielectric Phenomena， 2007. CEIDP 2007. Annual ReportConference on. IEEE， 2007： 380-383.

[24] 杜鵬，李偉，李國(guó)輝，等.油流帶電參數(shù)相關(guān)性及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，10（1）：69.

DU Peng， LI Wei， LI Guohui， et al. Relativity of the parameters of simulated oil flow electrification and validating with experiment[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2005，10（1）：69.

[25] 林建忠，阮曉東，陳邦國(guó)，等. 流體力學(xué)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2012： 224-226.

[26] Touchard G， Grimaud P O， Romat H， et al.Flow electrification in power transformers： explanation of the wallcurrent measurements[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1994， 1（4）： 728.

（編輯：張 楠）