摘要：高压直流输电技术的发展对换流变压器绝缘系统的性能及安全稳定运行提出越来越高的要求，而空间电荷问题是影响和制约变压器油纸绝缘材料耐电强度，导致其老化和破坏的重要因素。本文对换流变压器阀侧绕组中承受直流电压的特点，设计了相应的试验装置。在对油纸绝缘中空间电荷进行直接观测的基础上，研究了直流条件下油纸绝缘的体击穿和沿面闪络问题，讨论了空间电荷对油纸绝缘体击穿和沿面闪络过程的影响，指出在换流变压器的设计制造过程中应对空间电荷问题引起重视。
关键词：换流变压器；油纸绝缘；空间电荷
1 试验
1.1 油纸绝缘试样的处理和准备。首先将厚度为320μm 的商用绝缘纸板在60℃下进行干燥处理24h，然后将其浸入经过干燥、过滤的变压器油中，同时对变压器油抽真空并保持一段时间，以去除变压器油中的气泡，使纸板中的空隙被变压器油充满。上述处理过程尽可能地考虑了与实际工程中绝缘纸板和变压器油的处理过程的类似性，对经处理后的试品进行空间电荷、击穿和沿面闪络试验研究。
1.2 油纸绝缘中空间电荷的测量。使用电声脉冲法对油纸绝缘中的空间电荷进行了测量，所使用的试品为厚度320μm 的浸油商用绝缘纸板。PEA 法的基本原理图。PEA 法的基本原理为对试品施加一个脉冲电压，此时试品中的空间电荷会因而产生响应，该响应以超声波的形式传播，通过传感器检测该超声波信号，经过数据处理后即可得到试品内空间电荷的分布。PEA 法是空间电荷测量领域国际上目前较为流行的一种方法，成功将其应用于浸油绝缘纸板。
1.3 油浸纸绝缘的击穿试验。油浸纸绝缘的击穿试验采用的电极结构根据GB/T 1408[1]设计制作。由于击穿电压较高、放电能量较大，故上、下电极均采用不锈钢材料制作，以减少击穿对电极表面的损伤。试验中上电极接高压直流电源，下电极接地。为防止试样发生沿面闪络，电极及试样均浸没在盛满变压器油的容器中，其中试样为圆形，直径为150mm，厚度为320μm。首先对油纸绝缘施加不同的直流电压，使纸板承受直流电场−80kV/mm、−50kV/mm、0kV/mm、+50kV/mm 或+80kV/mm，保持该场强10min，其目的是使试样中积聚一定数量的空间电荷，其中预压场强为0kV/mm 表示不对试样进行预压处理。预压过程结束后，立即从零开始以一定的升压速度对试样施加正极性直流电压直至击穿，记录试样的正极性直流击穿电压。根据GB/T 1408标准[1]，采取5kV/s 的升压速度使试样上的电压从零开始上升，以使大部分击穿发生在10～20s内。以击穿电压除以试样厚度，得到试样的直流击穿强度。对于不同的直流预压场强，每个场强下测量5 次击穿值并取其平均值作为试样的直流击穿强度。
1.4 油纸绝缘的沿面闪络试验。对沿面闪络进行研究所使用的绝缘纸板尺寸为100mm×100mm×1.5mm，其处理过程同2.1 节所述。试验装置如图所示，电极及绝缘纸板试样均浸没于盛满变压器油的有机玻璃容器内，电极间距离可以根据需要进行调整。
对油浸绝缘纸板沿面施加直流电压，使绝缘纸板沿面承受直流电场−6kV/mm、0kV/mm 或6kV/mm，保持该场强10min。预压过程结束后，立即从0 开始以1kV/s 的升压速度对试样施加正极性直流电压直至击穿，记录试样的正极性直流沿面闪络击穿电压并除以试样厚度，得到试样的直流沿面闪络强度。对于不同的直流预压场强，每个场强下测量5 次沿面闪络场强值取其平均值作为试样的直流沿面闪络强度。
2 结果与讨论
2.1 油浸纸绝缘的击穿特性。采用试验电极系统，对油纸绝缘施加直流电场10min 使其内部积聚空间电荷后，其直流击穿强度数据及误差曲线，其中预压场强为零处表示未对油纸绝缘施加直流预压处理，对应的数据为未积聚空间电荷时油纸绝缘的击穿强度，将此时的击穿强度记为E0，从而可以认为E0 是油纸绝缘在不受预压引起的空间电荷影响下的直流击穿强度。当预压场强与击穿电压均为正极性时，油纸绝缘的击穿强度与E0 相比有一定程度的上升，最高点上升约3%。而当预压场强极性为负、击穿电压极性为正时，油纸绝缘的击穿强度与E0 相比有一定程度的下降，最低点下降约5%。油纸绝缘中空间电荷的典型测量结果，油纸绝缘中的空间电荷为同极性效应分布，即靠近阳极附近积聚正空间电荷，靠近阴极附近积聚负空间电荷。由于空间电荷的存在，使油纸绝缘内部的电场畸变，使直流击穿强度升高或者下降，而类似的现象早已在交联聚乙烯绝缘系统中被报道[2]并作为极性反转效应为人们熟知。试验研究，说明了在油纸绝缘系统中存在着同样的极性反转效应，而换流变压器在出厂试验及运行中，均存在极性反转过程引起的绝缘问题，本实验结果进一步表明，空间电荷问题会给换流变压器的设计、制造和运行环节带来一定影响，需要引起重视，避免空间电荷可能造成的油纸绝缘的击穿。
2.2 油纸绝缘的沿面闪络特性。采用试验系统，取电极间距为5 mm，对油纸绝缘进行预压操作10min ， 预压场强为−6kV/mm，0kV/mm 或+6kV/mm，随后以1kV/s 的速度升高电压直至试样发生沿面闪络，得到油浸绝缘纸板中沿面闪络强度与预压场强的关系。在预压过程中油纸绝缘表面积聚的空间电荷，显著增加了其沿面闪络强度，最大增量约为20%，即经过预压处理过的油纸绝缘试样，其沿面闪络强度均大于未经预压处理的试样。与油纸绝缘体击穿试验结果相比较，可以看出，沿面闪络试验结果并没有表现出类似的同极性预压后击穿场强值升高而异极性降低的趋势，而是在两种极性下沿面闪络强度均有所提高，这种差异可以解释为，变压器油的电导率比绝缘纸板的大，预压过程中空间电荷在绝缘纸板表面以类似于泄漏电流的形式沿电场方向流动，同时直流电场下变压器油沿电场方向还处于流动状态而扰动扩散了积聚的空间电荷，这两方面原因造成预压过程中绝缘纸板表面的空间电荷积聚量较少且在预压结束后会很快消散，从而沿面闪络试验没有体击穿试验中类似的极性效应现象。而且，预压时空间电荷在绝缘纸板表面的运动，对绝缘纸板表面的缺陷具有一定的老炼效果，其结果表现为预压处理后，油浸绝缘纸板的沿面闪络强度与未预压前相比得到了一定程度的提高。
3 结论
空间电荷对油纸绝缘沿面闪络过程具有一定影响，但其规律、机理尚需进一步研究。由于多层油纸介质的存在，空间电荷不易消散，导致换流变压器极性反转试验中局部放电持续时间较长。在换流变压器的设计制造中，不能忽视空间电荷的存在所带来的问题。
参考文献
[1] 张成峰. 浅谈换流变压器内部电场分析及油纸绝缘试验系统设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2015.
[2] 罗隆福，许加柱．高压直流换流变压器阀侧非线性电场的求解[J].高电压技术，2015，（09）.
[3] 文闿成, 王瑞珍. 换流变压器阀侧试验对绝缘考核的有效性(下) [J]. 变压器, 2014, (12).
[4] 涂愈明, 王赞基.浅谈超高压变压器油流静电带电问题的研究现状[J]. 变压器,2015，(6).
论文作者:王昆鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/25
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