運行溫度下直流預(yù)壓對油紙絕緣擊穿特性的影響

王兆偉，周遠翔，，張 靈，王健一，3，黃 欣，張云霄，滕陳源

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室風(fēng)光儲分室，新疆 烏魯木齊 830047；2.清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

隨著昌吉—古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程實現(xiàn)全壓送電，標志著我國特高壓直流輸電領(lǐng)域邁入嶄新的發(fā)展階段[1-2]。換流變壓器是特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備，在實際工作過程中安全穩(wěn)定運行是其首要任務(wù)[3]。長期以來，變壓器油與絕緣紙組合而成的油紙絕緣被廣泛用作電力變壓器的主絕緣材料[4]。

換流變壓器在正常運行過程中，閥側(cè)繞組處油紙絕緣長期處于高壓直流工況下，承擔(dān)著換流變壓器主要的絕緣任務(wù)[5]?，F(xiàn)有研究常用直流預(yù)壓模擬長期處于高強度直流場下的油紙絕緣實際工況，以探究直流預(yù)壓對絕緣性能的影響[6]。相關(guān)文獻表明，長時間的直流預(yù)壓會引發(fā)油紙絕緣電荷積聚，導(dǎo)致出現(xiàn)局部放電起始電壓降低、老化加速、絕緣提前擊穿等問題，對換流變壓器的絕緣性能造成威脅[7-8]。與傳統(tǒng)電力變壓器相比，換流變壓器運行工況復(fù)雜，運行溫度比普通變壓器高10～20℃，且局部熱點溫度更高，油紙絕緣的穩(wěn)定性受溫度影響較大，導(dǎo)致油紙絕緣發(fā)生故障的概率較高[9]。

目前，油紙絕緣在直流電壓下?lián)舸┨匦缘难芯總涫荜P(guān)注。周遠翔等[10]研究了預(yù)壓對油紙絕緣直流擊穿強度的影響，發(fā)現(xiàn)由于空間電荷的影響，當(dāng)擊穿電壓極性與預(yù)壓極性相反時，會使得直流擊穿強度有所下降。王輝等[11]研究了預(yù)加直流電壓對油紙絕緣擊穿性能的影響，提出了不同電壓等級換流變壓器中油紙絕緣材料的選擇方案。魏艷慧等[12]通過測量老化油紙絕緣內(nèi)部空間電荷，結(jié)合直流預(yù)壓擊穿實驗，發(fā)現(xiàn)油紙絕緣老化的加劇會使得電極-界面電荷積聚增多，同極性空間電荷效應(yīng)顯著，造成電氣強度提高。

綜上所述，直流預(yù)壓會引起電荷積聚，進而影響油紙絕緣的擊穿特性。雖然近年來許多學(xué)者在油紙絕緣的擊穿特性方面取得了一定的成果，但是對于運行溫度下直流預(yù)壓與擊穿特性的關(guān)系尚不明確。因此研究直流預(yù)壓對擊穿特性的影響，對換流變壓器的安全可靠運行具有重要的工程意義。

由于運行工況的特殊性，換流變壓器閥側(cè)繞組中油紙絕緣的溫度遠高于普通電力變壓器。湯浩等[13]測量了±800 kV特高壓直流金華換流站在夏季負荷高峰期的運行溫度，發(fā)現(xiàn)戶外環(huán)境溫度為36.5℃時，閥側(cè)局部油溫可達90℃。考慮換流變壓器正常運行工況，選擇70℃作為本次實驗的運行溫度，30℃作為環(huán)境溫度。

為模擬換流變壓器實際運行工況，本研究選取厚度為250 μm和500 μm的兩種油紙絕緣，分別在30℃和70℃進行負極性直流電壓下的無預(yù)壓擊穿實驗和預(yù)壓擊穿實驗，展開不同條件下預(yù)壓對油紙絕緣擊穿特性的影響研究。

1 實驗

1.1 樣品制備

本研究采用的絕緣紙為魏德曼絕緣紙，絕緣油選用克拉瑪依25號變壓器油，樣品制備流程如下：

（1）絕緣紙預(yù)處理：將絕緣紙裁剪成直徑為5 cm的圓形紙片，在真空干燥箱中設(shè)定90℃干燥48 h。

（2）絕緣油預(yù)處理：利用孔徑為0.2 μm的濾膜對變壓器油進行抽濾，除去變壓器油中的水分和雜質(zhì)后，在真空干燥箱中70℃下干燥48 h。

（3）真空浸油：將步驟（1）處理過的絕緣紙浸入步驟（2）過濾后的油中，在50℃下抽真空浸油48 h。

1.2 直流預(yù)壓擊穿實驗

直流擊穿電壓測試系統(tǒng)由負極性直流發(fā)生器、阻容分壓器、保護電阻和測試電極組成。直流發(fā)生器采用武漢華意電力科技有限公司的ZGS-200/3型直流高壓發(fā)生器。擊穿實驗電極結(jié)構(gòu)如圖1所示，為使油紙絕緣處于均勻電場下，預(yù)壓實驗中采用的電極為柱-柱電極，柱電極的直徑為15 mm。由于擊穿電壓較高、放電能量較大，故上、下電極均采用不銹鋼材質(zhì)，以減少擊穿對電極的損傷。實驗中上電極接負極性高壓直流發(fā)生器的高壓端，下電極接地，樣品放置于柱-柱電極中間。

油紙絕緣進行無預(yù)壓擊穿測試時，根據(jù)GB/T 1408.2—2006[14]，采用連續(xù)升壓法，使輸出電壓從0 kV開始，以1 kV/s的升壓速率線性升壓直至擊穿，記錄最大擊穿電壓值。進行預(yù)壓擊穿測試時，首先以1 kV/s的升壓速率升壓至預(yù)先設(shè)定的電壓值，立即停止升壓并開始計時，保持當(dāng)前電壓直到預(yù)壓時間結(jié)束，之后繼續(xù)以1 kV/s的升壓速率持續(xù)升壓直至發(fā)生擊穿。

根據(jù)現(xiàn)有文獻研究，對于油紙絕緣，預(yù)加直流電場在10 kV/mm以下時，電荷注入現(xiàn)象并不明顯，施加負極性電場55 kV/mm時，預(yù)壓40 s后便會發(fā)生擊穿[15]。為保證實驗安全順利開展，選取20 kV/mm進行實驗，預(yù)壓時間為20 min。每組直流預(yù)壓擊穿實驗共進行5次，取平均值作為試樣的直流電氣強度[10]。

圖1 擊穿實驗電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrode structure in breakdown experiment

為防止樣品在實驗過程中發(fā)生沿面閃絡(luò)，測試時將柱-柱電極整體浸入變壓器油中。通過將測試單元中的變壓器油加熱到運行溫度，模擬換流變壓器中油紙絕緣的實際運行工況。

2 實驗結(jié)果

油紙絕緣主要由纖維和半纖維組成，內(nèi)部纖維排列復(fù)雜，制造過程中難免存在一些缺陷或引入雜質(zhì)，因此實驗結(jié)果必然存在分散性[16]。采用圖1所示實驗電極，對油紙絕緣進行無預(yù)壓擊穿實驗和直流預(yù)壓擊穿實驗，結(jié)果如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，在30℃下，250 μm的油紙絕緣經(jīng)直流預(yù)壓后的電氣強度出現(xiàn)提升。在70℃下，油紙絕緣的預(yù)壓電氣強度同樣高于無預(yù)壓的電氣強度。從圖3可以看出，在30℃和70℃下，500 μm的油紙絕緣經(jīng)過直流預(yù)壓后電氣場強度均有提升。但是在70℃下，兩種厚度油紙絕緣的電氣強度均低于30℃下的電氣強度，而且經(jīng)過直流預(yù)壓后電氣強度的提升幅度也都低于30℃下的提升幅度。

圖2 250 μm油紙絕緣的直流預(yù)壓電氣強度Fig.2 Electric strength of 250 μm oil-paper insulation under DC pre-stressing

圖3 500 μm油紙絕緣的直流預(yù)壓電氣強度Fig.3 Electric strength of 500 μm oil-paper insulation under DC pre-stressing

由上述實驗結(jié)果可知，油紙絕緣在30℃和70℃下經(jīng)過直流預(yù)壓后，電氣強度都會有所提升，這一現(xiàn)象可通過同極性電荷效應(yīng)解釋[17-18]。70℃下油紙絕緣電氣強度出現(xiàn)明顯下降，說明同極性電荷效應(yīng)僅僅是影響擊穿特性的一個因素，運行溫度下油紙絕緣的擊穿特性可能還與自由體積擊穿、熱擊穿等機制密切相關(guān)。

同極性電荷效應(yīng)原理如圖4所示，其中E為負極性直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生的外施電場。經(jīng)過直流預(yù)壓后油紙試樣內(nèi)部靠近接地端產(chǎn)生正電荷，靠近負極性高壓端產(chǎn)生負電荷。E1、E4分別是由正、負電荷產(chǎn)生，且與外施電場E方向相反的反向電場；E2、E3分別是由正、負電荷產(chǎn)生，且與外施電場E方向相同的同向電場。

經(jīng)過預(yù)壓處理后的油紙絕緣，在負極性高壓電極與油紙絕緣接觸的界面處，其合成電場為Ea（Ea=E-E4），在接地電極與油紙絕緣接觸界面處的合成電場則為Eb（Eb=E-E1）。當(dāng)外施擊穿場強與預(yù)壓場強極性相同時，經(jīng)直流預(yù)壓后在油紙絕緣與電極接觸界面產(chǎn)生的同極性電荷會產(chǎn)生與外施擊穿場強方向相反的電場，削弱外施電場強度，使得界面處的合成電場小于外施電場。

圖4 直流預(yù)壓擊穿前同極性電荷效應(yīng)Fig.4 Homopolarity charge effect before DC preload breakdown

將未對油紙絕緣進行直流預(yù)壓處理的電氣強度記為EN，從而可以認為EN是油紙絕緣不受空間電荷影響的直流電氣強度。將油紙絕緣經(jīng)過直流預(yù)壓處理之后的電氣強度記為EY，從而可以認為EY是油紙絕緣受空間電荷影響的直流電氣強度。由于預(yù)壓產(chǎn)生的同極性電荷效應(yīng)會提升預(yù)壓電氣強度EY，則預(yù)壓電氣強度大于無預(yù)壓電氣強度EN，即EY≥EN。當(dāng)預(yù)壓后發(fā)生擊穿時，電氣強度大于電極與油紙絕緣界面處的合成電場，即EY≥Ea，EY≥Eb。

3 分析與討論

3.1 直流預(yù)壓與擊穿特性的聯(lián)系

從上述直流預(yù)壓擊穿實驗結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)在30℃和70℃下直流預(yù)壓都會使油紙絕緣的電氣強度得到提升，這是由于直流預(yù)壓會使油紙絕緣內(nèi)部產(chǎn)生電荷，從而引發(fā)同極性電荷效應(yīng)，提高了電氣強度。相關(guān)研究表明，油紙絕緣的直流電氣強度會隨著溫度的升高而降低[11,19]。定義Eq為預(yù)壓后的擊穿強度相比無預(yù)壓時的提升率，Et為70℃下的擊穿強度相比30℃下的下降率。表1是250 μm油紙絕緣在直流預(yù)壓后的電氣強度。

表1 250 μm油紙絕緣直流預(yù)壓電氣強度Tab.1 Electric strength of 250 μm oil-paper insulation under DC prestressing

從表1中可以看出，250 μm的油紙絕緣在預(yù)壓后電氣強度都有所提升。在30℃時油紙絕緣預(yù)壓后電氣強度提升率Eq為10.5%，在70℃時提升率Eq為4.7%，說明在30℃下經(jīng)過直流預(yù)壓后電氣強度的提升較為顯著，即同極性電荷效應(yīng)在30℃下更顯著。

從文獻[20]可知，隨著溫度升高，油紙絕緣內(nèi)部注入電荷量增多。由同極性電荷效應(yīng)可知，大量的電荷注入會使得界面合成電場大幅削弱，導(dǎo)致預(yù)壓電氣強度升高，但是在70℃下，油紙絕緣預(yù)壓電氣強度提升率Eq卻低于30℃，這說明在運行溫度下，同極性電荷效應(yīng)并不是影響預(yù)壓電氣強度的主要因素。隨著溫度從30℃上升至70℃，無預(yù)壓的油紙擊穿溫度下降率Et為4.1%，經(jīng)過預(yù)壓后的油紙電氣溫度下降率Et為9.2%，說明溫度對預(yù)壓后油紙絕緣的擊穿特性影響更大。

表2是500 μm油紙絕緣在直流電壓下的電氣強度。從表2可以看出，30℃時油紙絕緣預(yù)壓后電氣強度提升率Eq為11.0%，在70℃時提升率Eq則為8.6%。當(dāng)溫度從30℃提升至70℃時，無預(yù)壓的油紙絕緣電氣強度下降率Et為29.9%，經(jīng)過預(yù)壓后的油紙電氣強度下降率Et為31.4%。

表2 500 μm油紙絕緣直流預(yù)壓電氣強度Tab.2 Electric strength of 500 μm oil-paper insulation under DC prestressing

綜上可知，直流預(yù)壓在30℃下對油紙絕緣電氣強度的提升效果顯著，這是因為在運行溫度下?lián)舸┨匦允芏喾N擊穿機制影響，同極性電荷效應(yīng)僅僅是影響預(yù)壓擊穿特性的一個因素。當(dāng)溫度從30℃升高到70℃時，經(jīng)直流預(yù)壓的油紙絕緣電氣強度下降明顯，這是因為運行溫度下空間電荷注入量增加，電荷激烈運動，導(dǎo)致電氣強度下降。這說明溫度對油紙絕緣經(jīng)直流預(yù)壓后的空間電荷影響較大，同時運行溫度下空間電荷二次效應(yīng)對擊穿的影響顯著。

除此之外可以發(fā)現(xiàn)，無論是30℃還是70℃，500 μm油紙絕緣對應(yīng)的預(yù)壓與否的擊穿場強提升率Eq都高于250 μm油紙絕緣對應(yīng)的Eq。油紙絕緣的預(yù)壓意味著空間電荷效應(yīng)，這一現(xiàn)象表明樣品厚度與空間電荷效應(yīng)之間有關(guān)聯(lián)，在較厚的樣品中，預(yù)壓導(dǎo)致的空間電荷效應(yīng)更顯著。這是因為樣品厚度越厚，在樣品中空間電荷的遷移所需時間越長，可能會有更多的電荷駐留。相關(guān)文獻表明，厚試樣中陷阱含量可能更多，從而導(dǎo)致更多的空間電荷入陷，增強了空間電荷效應(yīng)[21]。

3.2 電荷運動與擊穿特性的聯(lián)系

空間電荷在復(fù)合絕緣介質(zhì)的擊穿過程中起著重要作用，以往的經(jīng)典擊穿理論包括電荷的注入抽出理論、熱電子理論和光降解理論[22]。G BLAISE等[23]的擊穿模型從空間電荷儲能的角度對擊穿做出解釋，在某一電場作用下油紙絕緣內(nèi)部會產(chǎn)生空間電荷，外施場強增加或溫度升高等原因會造成空間電荷脫離陷阱，大量入陷電荷在短時間內(nèi)脫陷，釋放能量增加，破壞分子鏈，從而造成絕緣擊穿。

在溫度作用下，經(jīng)過直流預(yù)壓后，油紙絕緣中空間電荷的二次效應(yīng)與直流電氣強度密切相關(guān)。LAN L等[24]發(fā)現(xiàn)溫度升高會促進電荷的熱運動，使深陷阱中的空間電荷逸出，增加電荷遷移率。錢凱羽等[21]認為聚合物絕緣擊穿與空間電荷的脫陷有關(guān)，試樣內(nèi)部空間電荷越多，脫陷時釋放的能量越大，從而使直流電氣強度降低。

載流子的遷移率是研究空間電荷積聚和消散演變過程的重要參數(shù)。在極化過程中空間電荷不斷積聚，撤去電壓后在去極化的過程中，試樣內(nèi)部的空間電荷不斷衰減，其衰減速率與載流子遷移率密切相關(guān)[25]，根據(jù)去極化過程中試樣內(nèi)部空間電荷的變化情況，可以計算出載流子遷移率，其計算公式如式（1）所示[26-27]。

式（1）中：ε為試樣的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；q(t)為t時刻凈空間電荷絕對值的平均密度；q′(t)為t時刻凈空間電荷平均密度，q′(t)=q+(t)-q-(t)，q+(t)、q-(t)分別為試樣正、負極性電荷的平均密度，C/m3。

為進一步分析運行溫度下直流預(yù)壓對油紙絕緣擊穿特性的影響。通過電聲脈沖法空間電荷測量系統(tǒng)，測量經(jīng)過預(yù)壓之后的油紙絕緣在撤去電壓過程中的載流子遷移率[28]。為了便于對比，油紙絕緣載流子遷移率測試條件與預(yù)壓擊穿實驗一致，即在不同溫度下施加電場（-20 kV/mm），直流預(yù)壓20 min，撤去電壓后測量油紙絕緣內(nèi)部空間電荷的消散特性，進而計算出載流子遷移率。

圖5為250 μm油紙絕緣在不同溫度下撤去電壓后的載流子遷移率，橫坐標表示撤去電壓時間，縱坐標表示載流子遷移率。從圖5可以看出，在撤去電壓后的去極化過程中，250 μm油紙絕緣在不同溫度下的載流子遷移率變化曲線在總體趨勢上類似，主要差異體現(xiàn)在去極化初期(0～200 s)，70℃下的載流子遷移率明顯高于30℃，在去極化末期逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5 250 μm油紙絕緣在不同溫度下去極化過程中的載流子遷移率Fig.5 Carrier mobility of 250 μm oil-paper insulation during depolarization at different temperatures

圖6為500 μm油紙絕緣在不同溫度下撤去電壓后的載流子遷移率。根據(jù)圖6中500 μm油紙絕緣的載流子遷移率曲線，可以得出與250 μm油紙絕緣相同的結(jié)論，即70℃下油紙絕緣具有更大的載流子遷移率，有利于空間電荷的快速脫陷和消散。

圖6 500 μm油紙絕緣在不同溫度下去極化過程中的載流子遷移率Fig.6 Carrier mobility of 500 μm oil-paper insulation during depolarization at different temperatures

由上述實驗結(jié)果可知，溫度對油紙絕緣擊穿特性有著重要的影響，不同溫度下影響擊穿的機制各不相同[29]。HUANG M等[30]認為油紙絕緣在0～90℃內(nèi)發(fā)生的是熱擊穿或者電熱聯(lián)合擊穿，載流子遷移率對直流擊穿特性有較大影響，當(dāng)遷移率較高時，電荷移動產(chǎn)生能量會導(dǎo)致絕緣擊穿。

結(jié)合載流子遷移率測量結(jié)果可以看出，運行溫度下，溫度對空間電荷的二次效應(yīng)與直流預(yù)壓擊穿特性關(guān)系密切。首先在運行溫度下，載流子遷移率更大，使空間電荷脫陷的概率增大，從而加速了電荷脫陷，釋放的能量增多。其次，溫度升高，使油紙絕緣內(nèi)部注入電荷數(shù)量增加，進一步增加了電荷脫陷時釋放的能量[20]。最后，運行溫度下的擊穿特性還與自由體積擊穿、熱擊穿等機制有關(guān)。根據(jù)自由體積擊穿理論，溫度升高會增大試樣內(nèi)部的自由體積，電子的平均自由行程增大，能夠積累更多的動能，從而撞擊分子鏈，促進微孔、裂紋和纖維斷裂的發(fā)展，導(dǎo)致電氣強度降低[31]。熱擊穿理論中由于溫度的升高也使得內(nèi)部熱量積累，電流連續(xù)增加，從而導(dǎo)致電氣強度降低[32]。

另一方面30℃時油紙絕緣中的載流子遷移率較低，使得碰撞電離和倍增過程難以形成[33]。綜合兩方面的影響因素，最終使得70℃時的直流預(yù)壓電氣強度低于30℃。此結(jié)論也進一步解釋說明了3.1中溫度對預(yù)壓后的油紙絕緣擊穿特性的影響更加顯著的結(jié)果。

綜上所述，直流預(yù)壓引起的同極性電荷效應(yīng)和溫度對空間電荷的二次效應(yīng)嚴重影響直流擊穿特性。同極性電荷效應(yīng)可以解釋油紙絕緣預(yù)壓電氣強度的一些實驗現(xiàn)象，但并非唯一的影響因素。直流預(yù)壓下空間電荷的二次效應(yīng)受溫度的影響較大，且與油紙絕緣的擊穿特性密切相關(guān)。

另外，根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，油紙絕緣的直流預(yù)壓電氣強度還與厚度有關(guān)，研究表明厚度效應(yīng)與空間電荷的遷移和消散過程有關(guān)[34]。由于受實驗條件和研究手段的限制，更多厚度下直流預(yù)壓對擊穿特性的影響規(guī)律還需進一步研究。

4 結(jié)論

（1）在常溫（30 ℃）下，250 μm和500 μm油紙絕緣的預(yù)壓電氣強度提升率均在10%以上，但在運行溫度（70℃）下，直流預(yù)壓擊穿強度的提升率均低于常溫下的提升率。這說明同極性電荷效應(yīng)僅僅是影響預(yù)壓擊穿特性的一個因素，運行溫度嚴重影響油紙絕緣的預(yù)壓擊穿特性。

（2）溫度從30℃升高到70℃時，對比未經(jīng)預(yù)壓處理的油紙絕緣，經(jīng)過直流預(yù)壓后的油紙絕緣電氣強度下降明顯。說明在運行溫度下，油紙絕緣的擊穿特性不僅與自由體積擊穿和電熱擊穿有關(guān)，還受到溫度對空間電荷二次效應(yīng)的影響。即在運行溫度下，電荷注入量增加，載流子遷移率更大，導(dǎo)致電荷脫陷概率增加，電荷脫陷時釋放能量增多，造成油紙絕緣直流預(yù)壓電氣強度降低。