（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 伊敏换流站呼伦贝尔 021008）
摘要：随着特高压输电工程列入大气污染防治计划，特高压直流输电工程迎来了更大的发展机遇。特高压输电工程成为电力行业“十三五”规划的主战场。本文主要对直流特高压设备绝缘系统在复合电场作用下的击穿原理进行分析探讨。
关键词：直流特高压；设备绝缘系统；复合电场；击穿原理
一、我国直流输电技术发展概况
直流输电技术在我国起步相对较晚，但发展十分迅速。我国在直流输电方面无论是在输送距离还是在输送容量，都已成为直流输电第一大国，在直流输电技术方面也处于国际领先地位。20世纪90年代以来，我国的高压直流输电工程已有20余项投入运行，并且计划在2020年前将有超过30项高压直流输电工程投入运行。如今，我国在高压直流输电方式上形成了如舟山架空线路和海底电缆交替混合型、葛南(葛洲坝一南桥)1045.6km的架空输电和灵宝背靠背直流输电的三种方式。2005年，国家电网公司启动关于士800kV特高压直流输电工程可行性和关键技术研究。通过科研人员的不断努力，对士800kV特高压直流输电工程取得了一系列重大创新性成果。为了使研究成果得到实验验证，国家电网公司先后在北京、西藏分别建成了特高压直流实验基地和高海拔直流实验基地。近年来，我国加快推进特高压直流输电工程建设，完成特高压直流输电工程的成套设计，逐步实现设备国产化。
二、绝缘击穿试验
1、复合电场及电压表述方法
本文所指的复合电场包括交流电场、直流电场和交流叠加直流电场,通过交流电压分量百分数表述其波形参数,把这些电场统一表述成复合电场。
复合电场的电压源通过交流高压与直流高压设备组合来实现。复合电压波形如图1。图中,Uac为交流电压分量的峰值;Udc为直流电压分量的平均值;U为复合电压;t为时间。
3、试验过程
成型纸板高温真空干燥处理,浸变压器油,放置在真空干燥罐中密闭保存。变压器油经过过滤干燥处理,除掉杂质和水分,水的质量分数<10-5,2.5mm标准间隙击穿电压>60kV。每次试验都进行样品更换,再经过抽真空处理5min,静止5min,确保样品击穿不受气泡或击穿残留物影响。
试验在室温下进行,电压按照2kV/s速度缓慢上升一直到样品被击穿。每个试验点保证至少20个样品。
4、试验结果
在复合电场下,对6mm和8mm油隙,1mm浸油纸板,6mm和8mm油纸复合绝缘(其中浸油纸板置于中间,为1mm)进行了击穿试验,多个样品的平均击穿电压与交流电压分量的关系见图3,击穿场强与交流电压分量的关系见图4。图中,Ecom为击穿场强。
由图3和图4可以看出,在复合电场下,具有如下击穿结果
变压器油隙的击穿电压或击穿场强随交流电压分量增加会有一些增加。考虑到击穿电压的分散性,这种变化可以忽略。6mm油隙与8mm油隙的试验结果进行比较,任一交流电压分量下的击穿场强都提高,具有“体积效应”现象。
浸油纸板的击穿场强比油隙的击穿场强高得多,但其随交流电压分量的增长而迅速降低。
油纸复合绝缘的击穿电压、击穿场强与交流电压分量相关。在交流电压分量较小时,击穿场强比相同间隙的变压器油击穿场强明显提高。在交流电压分量大时,击穿场强和相同间隙油隙的击穿场强基本一致。6mm油纸复合绝缘和8mm油纸复合绝缘的试验结果对比,发现油隙减小(纸板比例在增加)击穿场强提高,也存在交流电压分量越小越明显的规律。
5、试验结果分析
经过净化处理的变压器油为纯净液体绝缘介质。液体电介质击穿还没有成熟理论,从试验结果可以看出,直流电压和交流电压下的击穿电压结果有一些差别,但差距并不大,从工程应用角度可以认为它与交流电压分量无关。
浸油纸板虽然可以认为是单一绝缘介质,实际上是一种均匀复合绝缘。纯纸板中存在微孔,变压器油浸入微孔中。变压器油的介电常数和绝缘电阻率小于纯纸板的介电常数和绝缘电阻率。交流电压分量按照介电常数确定的规律分布,直流电压分量按照绝缘电阻率确定的规律分布。在复合电压下,随交流电压分量增加,微孔中变压器油承担的电压增加,导致浸油纸板的击穿电压下降。
油纸复合绝缘是典型的分层绝缘结构,它的击穿特性取决于复合电场在变压器油和浸油纸板中的电压分布关系以及油隙和浸油纸板的击穿特性。从复合电压在变压器油和浸油纸板中的分布关系看,交流电压分量小时,复合电压在浸油纸板中形成强场强;交流电压分量大时,复合电压在变压器油隙中形成强场强。这样,交流电压分量越小,击穿电压受纸板的击穿特性影响越严重;交流电压分量越大,击穿电压受变压器油隙的击穿特性影响越严重。
二、换流变压器主绝缘工况电压与出厂试验方法
1、换流变压器阀侧主绝缘承受电压工况
换流变压器在换流站中运行时,每个6脉动单桥的输出直流电压Ud与对应的换流变压器直流侧绕组线电压Uvo之间的关系为Ud=1.175Uvo,n为单桥个数时,换流变压器阀侧主绝缘上承受受的交流叠加直流电压为(n-0.5)Ud+Uvo/√3,其中,(n-0.5)Ud为直流电压，Uvo/√3为交流电压。在±500kV直流输电线路中,n=1,2;在±800kV直流输电线路中,n=1,2,3,4。
2、换流变压器出厂交流和直流试验项目
由于换流变压器阀侧主绝缘承受交流叠加直流电压作用,为了考核该绝缘承受这种电压的能力,换流变压器出厂试验标准中对直流侧绕组规定了交流和直流电压试验项目。其中,交流试验电压为1.5(n-0.5)Ud+√2Uvo/√3)/√2,试验时间为60min;直流试验电压为1.5((n-0.5)Ud+0.7Uvo),试验时间为150min。试验在室温下进行。
在交流电压下,分配到变压器油隙中的场强比浸油纸板中场强高,浸油纸板击穿场强也比变压器油隙的击穿场强高得多,所以交流电压试验主要考核变压器油隙的介电强度。在直流电压下,浸油纸板中的场强比变压器油隙中的场强高得多,所以直流电压试验主要考核浸油纸板的介电强度。
结束语
（1）在复合电场下,考虑到击穿的分散性,不论交流电压分量如何,油隙击穿电场强度几乎不变。
（2）在复合电场下,浸油纸板的击穿场强虽然比油隙的击穿场强高,但随交流电压分量增加而迅速降低。
（3）在复合电场下,油纸复合绝缘的击穿场强与交流电压分量有关。在交流电压分量较小时,受纸板击穿特性影响大;在交流电压分量较大时,受变压器油隙击穿特性影响大。
参考文献
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论文作者:姜绪军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/15
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