劉永鑫， 羅　臻

(1. 國網(wǎng)山西電力科學研究院， 山西 太原 030001； 2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院， 北京 102206)

0　引　言

我國多個特高壓直流工程[1]已經(jīng)或即將于東北、 內(nèi)蒙古及新疆等寒冷地區(qū)建成， 而作為直流輸電工程核心設備的換流變壓器， 在寒冷條件下會出現(xiàn)一些由嚴寒引發(fā)的特殊故障， 如極低溫造成的密封間隙增大、 晝夜溫差引發(fā)的局部冷熱不均及油流動死區(qū)結(jié)冰等. 可見， 關于低溫條件下油紙絕緣問題的系統(tǒng)性研究十分必要， 而其中關于低溫條件下油紙絕緣介電特征及機理的研究卻很少. 因此， 探索低溫條件下油紙絕緣介電特征對于進一步明確油紙絕緣系統(tǒng)介電現(xiàn)象具有深刻的理論意義， 深入研究低溫條件下變壓器絕緣裕度變化規(guī)律對于保障寒冷地區(qū)變壓器的安全運行也具有重要的工程價值.

目前， 關于低溫條件下變壓器油紙絕緣特性的研究相對較少， W. Lampe[2]研究了高寒條件下 (-50 ℃) 變壓器油的冷卻性能變化； 王乾等[3]研究了變壓器油的粘度及飽和水分體積分數(shù)與溫度的關系； Gao M等[4]研究了低溫條件下變壓器油絕緣與理化特性的變化規(guī)律； 趙沖[5]研究了不同油紙比例的油紙絕緣在低溫條件下的介電性能變化； 孫艷飛[6]研究了精煉菜籽絕緣油隨頻率及溫度的變化規(guī)律； 此外， 低溫條件下的油紙絕緣介電特性[7]及水分分布特征[8]也有相關研究報道. 可以看出， 低溫下油紙絕緣的相對介電常數(shù)、 電導率等表征參數(shù)的變化規(guī)律還需要進一步探索. 同時， 低溫引起的絕緣材料屬性變化對換流變壓器電場分布及絕緣裕度的影響分析也亟待明確.

鑒于此， 本文建立了低溫條件下油紙絕緣介電特征研究平臺， 闡述了油紙絕緣試品的選擇方法和處理工藝， 并提出了相應的試驗方法. 試驗研究了溫度在-50～50 ℃范圍內(nèi)的油紙絕緣介電特征的變化規(guī)律， 并建立了仿真模型， 根據(jù)試驗結(jié)果分析了低溫對換流變壓器絕緣裕度的影響.

1　試驗條件

1.1　試品選擇及處理

為保證試驗結(jié)果的統(tǒng)一性， 根據(jù)文中研究和試驗需要， 明確油紙絕緣試品種類及其處理方法如下：

1.1.1試品選擇

對于變壓器油， 文獻[9]中指出以凝點為基礎規(guī)定油牌號的編號方法在國際上無法統(tǒng)一， IEC 60296-2003[10]將最低冷態(tài)投運溫度(Lowest Cold Start Energizing Temperature， LCSET)作為區(qū)分絕緣油類別的重要標志之一， 當最低環(huán)境溫度小于等于-30 ℃時， 選用45號油， 當最低環(huán)境溫度高于-30 ℃時， 可選用25號油， 但要求粘度(LCSET)， 傾點比LCSET至少低10 K. 因此， 為研究低溫條件下變壓器油介電特征， 本文采用以烷烴、 環(huán)烷烴為主要成分的牌號為45號的變壓器油作為試驗用油. 對于絕緣紙板， 本文采用 B.3.1型壓紙板. 絕緣紙板的初始規(guī)格為 300 mm×300 mm×6.0 mm.

1.1.2試品處理

對于變壓器油， 本文采用VH500R型濾油機進行預處理， 以降低油中的水分和雜質(zhì)含量， 濾油時間為2 h， 溫度設定為60 ℃. 每次濾油后立即取樣對微水含量、 油中顆粒度及介損因數(shù)等參數(shù)進行測試[11]. 對于絕緣紙板， 需要通過烘干、 真空浸油等一系列工廠工藝流程進行預處理， 此外， 本文配制了微水含量小于10, 10～30及大于30 μL/L的三種變壓器油用于試驗研究， 油浸紙板的水分根據(jù)實測獲得.

1.2　試驗平臺及方法

1.2.1相對介電常數(shù)研究

油紙絕緣介電現(xiàn)象十分復雜， 影響因素眾多， 進行油紙絕緣介電特征試驗研究時需要采用合適的試驗系統(tǒng)及方法， 本文利用Novocontrol型寬頻介電測試系統(tǒng)測量油紙絕緣的相對介電常數(shù).

本文測試的溫度范圍在-50～50 ℃， 頻率范圍主要集中在10～104Hz范圍內(nèi). 試驗時， 將處理后的變壓器油及油浸紙板放入樣品架中， 開啟溫度控制系統(tǒng)， 達到設定溫度并保持1 h， 開始油紙絕緣介電參數(shù)在預設溫度及預設頻率下的測量， 并通過控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取.

1.2.2電導率研究

本文采用的試驗電極為黃銅材質(zhì)的三電極模型， 測試電極為直徑85 mm的板-板圓形電極， 具體如圖 1 所示. 屏蔽電極為內(nèi)直徑200 mm， 外直徑220 mm的環(huán)形電極.

圖 1　試驗電極Fig.1　Experimental electrode

試驗時首先開啟低溫環(huán)境箱， 增加或降低試品溫度到要求值并保持， 然后采用逐級升壓方法升高電壓并記錄每次電壓下15 min后的泄漏電流值.

2　試驗結(jié)果與討論

2.1　油紙絕緣相對介電常數(shù)

圖 2 是頻率為50 Hz下變壓器油在溫度范圍為-50～50 ℃的相對介電常數(shù)變化曲線， 變壓器油水分含量如前所述.

圖 2　變壓器油相對介電常數(shù)隨溫度的變化Fig.2　Relative permittivity of transformer oil vs. temperature

由圖 2 可看出， 變壓器油相對介電常數(shù)在 -50～50 ℃ 溫度范圍內(nèi)最大值和最小值分別為 2.235 0 和2.035 5， 隨溫度的降低， 不同微水含量的變壓器油相對介電常數(shù)基本呈線性升高趨勢， 升高幅值不大， 如微水含量為5.5 μL/L時， 溫度 -50 ℃ 比50 ℃的相對介電常數(shù)絕對值僅大 0.110 8. 從機理上看， 變壓器油屬于非極性電介質(zhì)， 其相對介電常數(shù)隨溫度的下降逐漸升高， 這是由于溫度下降造成變壓器油體積壓縮， 單位體積內(nèi)的分子數(shù)量增大， 介質(zhì)極化強度增大， 導致介電常數(shù)增加.

由圖 2 可知， 在同一溫度下， 變壓器油相對介電常數(shù)隨水分含量的增加而增加， 在低溫段 (-50 ℃～0 ℃范圍) 該升高趨勢放緩， 即曲線的斜率逐漸減小. 水分的相對介電常數(shù)為81， 屬于強極性電介質(zhì)， 這導致變壓器油內(nèi)部偶極子式轉(zhuǎn)向極化強度上升， 因此變壓器油相對介電常數(shù)隨含水量增加有上升趨勢. 然而， 一方面， 由于水分在變壓器油中并沒有出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象， 即水分在變壓器油中存在方式為溶解水而不是懸濁或乳濁狀態(tài)； 另一方面， 低溫對變壓器油內(nèi)部水分子定向存在抑制作用， 且部分析出的微水在低溫下結(jié)冰形成微小冰粒， 其相對介電常數(shù)為3.2～4， 極化強度減弱.

圖 3　油浸紙板相對介電常數(shù)隨溫度的變化Fig.3　Relative permittivity of oil-impregnated pressboard vs. temperature

由圖 3 可見， 試驗得到的油浸紙板相對介電常數(shù)在-50～50 ℃溫度范圍內(nèi)最大值和最小值分別為6.35和4.4， 在50 Hz頻率下， 隨著溫度的下降， 油浸紙板相對介電常數(shù)基本呈線性下降趨勢.

以上規(guī)律取決于絕緣紙板內(nèi)偶極子轉(zhuǎn)向極化強度隨溫度的變化以及分子熱運動強度隨溫度的變化. 50 Hz頻率下， 溫度在-50～50 ℃范圍內(nèi)變化時， 低溫下紙板內(nèi)部分子熱運動強度低， 即分子處于束縛狀態(tài)， 不利于轉(zhuǎn)向極化的進行； 溫度升高造成熱運動的加劇， 轉(zhuǎn)向極化的強度增大， 介電常數(shù)隨之增大. 然而， 隨著溫度繼續(xù)升高， 分子熱運動的另一作用——偶極子取向無序化將越來越明顯， 這種無序化的作用效果將減弱電場作用下的偶極子轉(zhuǎn)向極化， 可以預計在高溫下(如100 ℃)油浸紙板介電常數(shù)可能將隨溫度的升高而減小， 因此， 這里油浸紙板介電常數(shù)與溫度的正相關關系僅適用于 -50～50 ℃ 這一特定溫度范圍.

2.2　油紙絕緣電導率

為與特高壓工程實際接近， 本文研究了油隙距離為8 mm變壓器油電導率的取值范圍及其與溫度和場強的關系. 文獻[12]指出針板電極模型在直流電場作用下變壓器油的傳導電流存在一定極性效應， 但在場強2.5 kV/mm時， 正負電壓作用下的傳導電流仍處于同一數(shù)量級[13]， 由于本文采用平板電極， 均勻電場下極性效應更加不明顯， 施加正極性電壓， 變壓器油微水含量約5.8 μL/L.

圖 4　變壓器油電導率隨溫度的變化Fig.4　Conductivity of transformer oil vs. temperature

由圖 4 可知， 變壓器油電導率在場強小于 3 kV/mm 時， 隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律上升. 低溫范圍內(nèi)， 同一場強下的變壓器油電導率基本處于同一數(shù)量級， 當溫度大于0 ℃時， 同一場強下的變壓器油電導率增加幅度開始變大.

低溫條件下， 變壓器油的視在密度由于其粘度增大而相應增大， 根據(jù)式(1)可知， 低溫范圍內(nèi)變壓器油密度的增加使得決定變壓器油內(nèi)部載流子的視在遷移率μh降低， 載流子熱運動減弱， 從而導致變壓器油在低溫下電導率基本保持同一數(shù)量級. 低溫范圍內(nèi)， 隨著場強的增加， 變壓器油的電導機制由歐姆電阻階段轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼佬A段， 隧道效應階段場致發(fā)射形成的電子電流占據(jù)主導地位.

(1)

式中：ε為變壓器油相對介電常數(shù)；ρ為視在密度.

由圖 5 可知， 隨溫度的增加， 油浸紙板體積電導率呈指數(shù)規(guī)律上升， 在-50～50 ℃溫度范圍內(nèi)其電導率變化范圍在10-16～10-18S/m數(shù)量級， 相對較穩(wěn)定.

圖 5　油浸紙板電導率隨溫度的變化Fig.5　Conductivity of oil-impregnated pressboard vs. temperature

參考非離子晶體電介質(zhì)說明其電導機制， 絕緣紙板是纖維素組成的高聚合碳氫化合物， 纖維素分子間通過共價鍵結(jié)合起來. 在弱電場作用下， 絕緣紙板等非離子性介質(zhì)的電導主要由雜質(zhì)離子引起， 其電導率γ隨溫度的變化遵循熱離子電導規(guī)律， 即符合如下方程

(2)

式中：A,B均為常數(shù).

3　仿真分析與討論

3.1　仿真模型

本文的仿真計算模型為某±500 kV換流變壓器模型， 如圖 6 所示. 本文采用經(jīng)過二次開發(fā)的有限元數(shù)值計算方法計算模型的電場分布.

圖 6　仿真計算模型Fig.6　Simulation calculation model

首先， 將連續(xù)的工程結(jié)構(gòu)離散成有限個單元. 對圖6的簡化模型進行網(wǎng)格剖分， 剖分示意如圖 7 所示.

圖 7　模型剖分Fig.7　Model subdivision

換流變壓器器身由內(nèi)至外依次為“鐵心—調(diào)壓繞組—網(wǎng)側(cè)繞組—閥側(cè)繞組”. 主絕緣采用薄紙筒-小油隙結(jié)構(gòu)， 多層紙筒合理均勻分割油隙， 繞組端部放置靜電板和多層絕緣成型件以改變電場線分布. 模型建立時作如下假設：① 變壓器器身在圓周方向上呈幾何對稱分布； ② 變壓器器身軸向關于中心線對稱. 模型的電場分布通過二次開發(fā)的有限元數(shù)值計算方法進行計算.

需要說明的是， 變壓器絕緣設計通常需要進行全場域的裕度校核， 本文考慮研究的側(cè)重點是分析溫度對絕緣裕度的影響， 因此， 這里規(guī)定核場域選擇網(wǎng)側(cè)繞組端部.

3.2　仿真結(jié)果

基于前述試驗研究結(jié)論， 低溫條件下油紙絕緣相對介電常數(shù)及電導率會發(fā)生改變， 現(xiàn)討論如下：

3.2.1網(wǎng)側(cè)繞組對地工頻電場

隨溫度變化校核路徑上的絕緣裕度變化規(guī)律如圖 8 所示， 從圖中可以看出， 隨著溫度的降低， 校核路徑上的工頻場強絕緣裕度呈增加趨勢， 即低溫下工頻場強絕緣裕度比常溫或高溫下的絕緣裕度大. 根據(jù)Weidaman裕度計算方法， 假設第一油隙的場強許用值不變， 那么工頻電場絕緣裕度會由于平均場強減小而增大. 從上面的分析可以得出推論， 若常溫下?lián)Q流變壓器關鍵區(qū)域的工頻場強絕緣裕度校核滿足要求， 那么寒冷條件下的工頻場強絕緣裕度也會滿足要求.

3.2.2閥側(cè)繞組對地直流電場

根據(jù)上文的試驗數(shù)據(jù)可知， 變壓器油及紙板的電導率隨溫度降低而降低， 但紙板的降低幅度較大， 這使得γ紙/γ油的比值變小， 因此隨溫度的降低紙板承擔的直流電場逐漸增加.

為便于仿真分析， 選擇路徑為閥側(cè)線圈外第一道圍屏上， 對其進行1/2軸對稱仿真， 零點位置在圍屏中部， 仿真長度為零點位置向上1.3 m， 仿真結(jié)果如圖 9 所示.

圖 8　絕緣裕度隨溫度的變化Fig.8　Insulation margin vs. temperature

圖 9　場強隨溫度的變化Fig.9　Electric strength vs. temperature

從圖 9 可以看出， 外側(cè)線圈外第一道圍屏處的場強曲線有多個峰值， 最大場強峰值位于角環(huán)與圍屏相切處， 且隨著溫度的下降， 該處的場強也呈增大趨勢， -50 ℃時該處的場強為 42.44 kV/mm， 50 ℃時同樣位置的場強為 27.19 kV/mm， 當溫度下降到一定程度程度后某些位置的最大場強會超過絕緣裕度的限值； 如果該換流變壓器在寒冷地區(qū)使用， 就需要重新校核直流場強下的絕緣裕度， 對比校核結(jié)果與變壓器廠的控制值， 換流變壓器的安全可靠性可以通過適當增大絕緣裕度來實現(xiàn).

4　結(jié)　論

本文提出了低溫下油紙絕緣介電特征的試驗方法， 研究了溫度在-50～50 ℃范圍內(nèi)的油紙絕緣介電特征的變化規(guī)律， 并建立了仿真模型， 根據(jù)試驗結(jié)果分析了低溫對換流變壓器絕緣裕度的影響. 最后， 得出如下結(jié)論：

1)-50～50 ℃范圍內(nèi)， 隨著溫度的降低， 變壓器油相對介電常數(shù)僅僅有小幅度的提高， 而油浸紙板相對介電常數(shù)有較大幅度的下降.

2)-50～50 ℃范圍內(nèi)， 溫度對變壓器油電導率的影響大于對油浸紙板電導率的影響， -50 ℃ 時變壓器油電導率較50 ℃時的電導率小3個數(shù)量級， 而-50 ℃時油浸紙板電導率較-50 ℃時的電導率小2個數(shù)量級.

3)隨著溫度的降低， 校核路徑上的工頻場強絕緣裕度呈增加趨勢， 即工頻電場下低溫比常溫或高溫具有更大的絕緣裕度.

4)校核路徑上的最大直流場強隨溫度的減小呈增大趨勢. 因此， 位于低溫地區(qū)的換流變壓器需在設計時考慮適當增大直流場強絕緣裕度.