采用纳米改性纸板的换流变压器出线装置电场分布

陈庆国, 诸葛祥丽, 刘贺千, 池明赫, 魏新劳

(哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)



采用纳米改性纸板的换流变压器出线装置电场分布

陈庆国, 诸葛祥丽, 刘贺千, 池明赫, 魏新劳

(哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

针对换流变压器出线装置在直流及极性反转电压作用下电场分布不均的问题,探究了非线性纳米SiC对绝缘纸板进行改性的方法,制备了纳米改性绝缘纸板试样,并测量了改性纸板的介电特性;结合换流变压器出线装置的实际结构建立了电场分布的仿真模型,分析了纸板改性对出线装置电场分布的均化作用。试验结果表明:纳米改性绝缘纸板的相对介电常数随纳米SiC掺杂浓度的增加而增加,但增加的幅度不大,随电场强度的增加呈略微上升的趋势;其电导率随着纳米掺杂浓度的增加而增加,当掺杂浓度达到一定值时,电导率随场强增加表现出明显的非线性特征。仿真结果表明:在直流和极性反转电压下,纸板改性可降低绝缘纸板中的场强,提高变压器油中的场强,使油纸绝缘结构中的电场分布更趋于均匀。

换流变压器; 出线装置; 电场分布; 纳米SiC; 非线性

0 引 言

随着我国社会经济的快速发展,负荷中心对电力需求的日益增加,带动了我国高压和特高压电网建设的快速发展[1-4]。高压直流输电(High Voltage Direct Current Transmission,HVDC)以其功率调节的快速灵活、不增加系统的短路容量、可协助系统的暂态稳定性、损耗低和占地少等优点,在远距离大容量输电、异步联网、海底电缆输电等方面获得了广泛的应用[5-6]。直流输电网络建设与输电设备制造技术的进步是息息相关的[7],换流变压器作为直流输电系统中的枢纽设备,其运行可靠性直接影响直流系统的安全运行。

出线装置是换流变压器中的关键部件,运行时将承受交直流叠加及极性反转电压作用,在该电压作用下如何实现出线装置电场的均匀分布是出线装置绝缘设计的关键[8-9]。目前国内外在出线装置设计时主要采用更多的绝缘纸板用以承担大部分的直流电压,并合理地调节油隙尺寸及数量来承担大部分的交流电压。但由于变压器油和绝缘纸板的电阻率相差较大,且受温度、含水率等因素影响严重,单纯从结构上调整并不能有效解决上述问题,而有关从材料自身角度出发来解决电场分布不均和空间电荷积聚问题在国内外未见详细报道。

针对以上问题,本文提出了利用非线性纳米SiC对绝缘纸板进行改性的方法来实现出线装置中油、纸绝缘电阻率尽可能的匹配,并利用改性纸板的非线性特性实现电场集中区域的自动均化。为验证该方法的有效性,在实验室中制备了纳米改性绝缘纸板,试验研究了改性纸板电阻率和相对介电常数随掺杂浓度及场强变化特性,并通过仿真手段研究了纳米改性纸板对电场分布的均化作用。

1 纳米改性试样制备及测试结果

1.1 试样制备

参考工业纸板的制作方法,以进口电工级未漂针叶木材硫酸盐纸浆、蒸馏水、纳米SiC(粒径60 nm)为原料,利用打浆机、纸样抄取器、打浆度测定仪、标准疏解器、平板硫化机、蒸馏水机等实验设备,完成打浆、成形、压榨、干燥等过程。试样制备过程中,利用标准疏解器将湿纸浆与纳米颗粒充分混合,通过改变颗粒加入量,控制成型纸板填料的掺杂比例(以质量分数计)。为模拟绝缘纸板层压式结构,保证纳米颗粒在纸板中均匀分布,采用平板硫化机将一定数量的湿纸页压为一张纸板,最后经干燥、真空注油、常温真空浸渍等工艺制成改性纸板试样,制作流程如图1所示。

图1 试样制备流程

1.2 试验测试结果与分析

为测量和分析纳米掺杂比例对改性纸板介电特性影响,将试样表面贴上铝箔电极,利用三电极装置构成测量系统,其中测试电极直径为50 mm,保护间隙为2 mm。测试过程中利用高压直流电源和皮安表来测量改性纸板的电导率,利用高压高精密西林电桥来测量相对介电常数。

1.2.1 改性纸板的相对介电常数

在室温下测试了纳米SiC掺杂浓度分别为0%、0.1%、0.7%、2.5%、7.5%时,浸油纸板相对介电常数εr随场强的变化关系如图2所示。

图2 改性纸板相对介电常数与场强的关系

Fig.2 Relationship between relative dielectric constant and electric field strength of modification pressboard

由图2可知,改性纸板的相对介电常数随纳米掺杂浓度的增加而增加,但增加的幅度不大;相对介电常数随电场强度的增加呈略微上升的趋势。

1.2.2 改性纸板的电导率

在室温下试验得到了掺杂浓度分别为0%、1%、2.5%、5%、7.5%时改性浸油纸板电导率随场强的变化关系如图3所示。

图3 改性纸板电导率与场强的关系

Fig.3 Relationship between conductivity and electric field strength of modification pressboard

由图3可知,改性纸板的电导率随着纳米掺杂浓度的增加而增加;在较低掺杂浓度下改性纸板电导率与电场强度的关系没有表现出明显的非线性特性,随着掺杂浓度的增加,改性纸板电导率随场强增加表现出明显的非线性特征,且掺杂浓度越高出现非线性特性的临界电场强度越低。在纳米掺杂浓度为7.5%时改性纸板的电导率与变压器油的电导率相接近,其电导率与场强的关系可拟合为

γ=3.995×10-15×e2.761×10-7×E。

(1)

式中:γ为纸板的电导率,E为施加的电场强度。

2 换流变压器出线装置仿真模型

2.1 绝缘结构

2.1 光动力治疗(PDT) 经静脉注射光敏剂后以激光对气道内肿瘤组织进行局部照射，激发光敏剂产生高活性单态氧，单态氧在肿瘤细胞膜、细胞浆及细胞器中产生过氧化氢反应，从而导致肿瘤细胞损伤和死亡，已广泛应用于早期肺癌的治疗。我科采用PDT治疗40例肺癌患者，3个月后36例患者肿瘤明显缩小，4例患者肿瘤无明显变化，近期有效率90%。PDT最大的优点在于可对肿瘤组织进行选择性破坏、创伤轻、痛苦小且不伤外表，不良反应小，反复使用也不会产生耐药性。主要不良反应是皮肤光过敏反应，术后护理应指导患者及家属严格按要求做好避光的各项措施，可避免发生。

换流变压器出线装置是指阀侧绕组引出线与阀侧出线套管连接处的绝缘结构,一般采用油纸复合绝缘结构,主要由均压球、均压管、纸板筒、绝缘弯管、波纹栅和变压器油组成[10-11],如图4所示。

图4中,在出线套管尾部浸入变压器油的地方放置均压球,在导杆周围布置均压管,在铜制的均压球和均压管表面均匀地涂敷绝缘性能良好的纸浆作为绝缘覆盖,同时在附近设置多层绝缘屏障进行分割油隙,提高变压器油的耐电强度[12-15]。

2.2 仿真模型

由于出线装置电场集中最容易产生于套管下瓷套部分、均压球表面、绝缘屏障及周围的油域中(即图4中部件1、2、3的部分结构和周围的油域)。因此,针对上述关键部位所建立的二维仿真模型如图5所示。

1.套管;2.纸板筒;3.均压球;4.升高座;5.导杆;6.变压器油;

Fig.4 Structure diagram of converter transformer

barrier system

图5 出线装置仿真模型

为提高仿真时的计算速度,在模型中将高压套管的电容芯子简化为20～30层;在均压球与变压器箱壁间除绝缘覆盖与绝缘纸板成型件外共设置了九层纸板筒。

(2)

式中:φ为电位函数,n为边界法向方向,U为外施电压。

利用有限元电场仿真软件COMSOL Multiphics对换流变压器出线装置在直流电压和极性反转电压下的电场进行计算分析,计算时出线装置的最大外施外施直流电压为1 691 kV、极性反转电压为±1 306 kV。

3 仿真结果与分析

3.1 直流电压下的电场分布

纸板改性前后出线装置在直流电压下的电场分布如图6所示。

(1)改性前 (2)改性后

Fig.6 Electric field distribution of barrier system under DC voltage before and after pressboard modification

由图6可知,在直流电压下出线装置电场呈阻性分布,纸板中场强远远大于油中的场强。电场出现集中的区域主要是均压球表面的绝缘覆盖和绝缘纸板中。采用改性绝缘纸板后可有效改善上述部位的电场分布,均压球表面绝缘覆盖中的最大场强由改性前的134.373 kV/mm急剧下降为17.17 kV/mm,纸板中的最大场强由改性前的127.88 kV/mm降到改性后的17.05 kV/mm,变压器油中最大场强由改性前的4.41 kV/mm升高至6.87 kV/mm。上述结果表明,采用纳米改性绝缘纸板后可降低绝缘纸板中的场强、提高变压器油中的场强,使油和纸中的电场分布更趋于均匀。

3.2 极性反转电压下的电场分布

极性反转施加电压示意图如图7所示,极性反转电压Upr=1306 kV,极性反转时间tpr取为2 min。

纸板改性前后出线装置在极性反转电压下的电场分布分别如图8和图9所示。

由图7～图9可知,5 400 s之前电压反向且不变,因此其场强分布与直流电压下场强分布情况相同;5 400 s～5 520 s为极性反转时间,如图8和图9的(a)～(e)所示,期间电场分布产生瞬变的过程,由空间电荷和外加电压叠加作用而成,使油中出现了高场强,纸板中的场强减弱,同时均压球附近的等位线出现了扭曲现象;5 520 s～10 920 s为极性反转过渡时间,电场分布情况如图8和图9中的(f)～

图7 极性反转电压示意图

(a)t=5 400 s(b)t=5 430 s(c)t=5 460 s(d)t=5 490 s

(e)t=5 520 s(f)t=7 320 s(g)t=9 120 s(h)t=10 920 s

Fig.8Electricfielddistributionofbarriersystemunderpolarityreversalvoltagebeforepressboardmodification

(a)t=5 400 s(b)t=5 430 s(c)t=5 460 s(d)t=5 490 s

(e)t=5 520 s(f)t=7 320 s(g)t=9 120 s(h)t=10 920 s

Fig.9 Electric field distribution of barrier system under polarity reversal voltage after pressboard modification

(h)所示,油纸中的电场进行重新分布,油中场强逐渐减弱,纸中场强逐渐增强,电场变化趋势与反转过程完全相反,最终趋于直流稳态时的电场分布。在此过程中,电场出现集中的区域主要是均压球表面的绝缘覆盖和绝缘纸板中。采用改性绝缘纸板后可有效改善上述部位的电场分布,均压球表面绝缘覆盖中的最大场强由改性前的108.81 kV/mm急剧下降为 38.25 kV/mm,纸板中的最大场强由改性前的97.8 kV/mm下降到改性后的24.86 kV/mm,变压器油中最大场强由改性前的9.54 kV/mm升高至23.33 kV/mm。上述结果表明:纸板改性后,绝缘纸板中场强降低,变压器油中的场强增加,出线装置中油和纸的电场分布更趋于均匀。

4 结 论

通过实验及仿真分析可得出以下结论：

1)改性纸板的相对介电常数随纳米掺杂浓度的增加而增加,但增加的幅度不大,随电场强度的增加呈略微上升的趋势;其电导率随着纳米掺杂浓度的增加而增加,当掺杂浓度达到一定值时,电导率随场强增加表现出明显的非线性特征。

2)在直流及极性反转电压作用下,采用纳米改性绝缘纸板可有效降低换流变压器出线装置中纸板中的场强、提高变压器油中的场强,使油和纸中的电场分布更趋于均匀。

后续将针对改性纸板的介电强度、机械特性和耐老化等方面开展进一步深入的研究,以使研究成果更具有实际应用价值。

[1] 李立涅. 直流输电技术的发展及其在我国电网中的作用[J]. 电力设备, 2004, 5 (11): 1-3.

LILicheng.DevelopmentofHVDCtransmissiontechnologyanditsroleinpowernetworkinChina[J].ElectricalEquipment, 2004, 5 (11): 1-3.

[2] 袁清云. 我国特高压直流输电发展规划与研究成果[J]. 电力设备, 2007, 8(3): 1-4.

YUAN Qingyun. Development planning and research accomplishments of UHVDC power transmission in China[J]. Electrical Equipment, 2007, 8(3): 1-4.

[3] 彭毅晖. 高压直流输电的发展与展望[J]. 湖南电力, 2007, 27(l): 52-57.

PENG Yihui. Development and prospect of HVDC transmission[J]. Hunan Electric Power, 2007, 27(l): 52-57.

[4] 李季, 罗隆福, 许加柱, 等. 换流变压器阀侧绝缘电场特性研究[J]. 高电压技术, 2006, 32 (9): 121-124.

LI Ji, LUO Longfu, XU Jiazhu, et al. Study on electric field characteristics at ends of valve-side winding in converter transformer[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9): 121-124.

[5] 周浩, 钟一俊. 特高压交、直流输电的适用场合及其技术比较[J]. 电力自动化设备, 2007, 27(5): 6-12.ZHOU Hao, ZHONG Yijun. Applicable occasions of UHVAC/UHVDC transmission and their technology comparisons in China[J]. Electric Power Automation Equipment, 2007, 27(5):6-12.

[6] 李兴源. 高压直流输电系统的运行与控制[M]. 北京: 科学技术出版社, 1998：189-195.

[7] 张莹. 高压直流输电控制技术及换流新技术[J]. 机械制造与自动化, 2008, 37(2): 123-125.

ZHANG Ying. The control technique and new converting technique of DC high voltage transmission[J]. Machine Building & Automation. 2008, 37(2): 123-125.

[8] 赵畹君. 高压直流输电工程技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004: 45-50.

[9] 浙江大学直流输电教研室. 直流输电[M]. 北京: 水利电力出版社, 1985: 82-87.

[10] MOSER H P, DAHINDEN V. TransformerboardⅡ[M]. Weidmann AG, Rapperswil, 1987: 190-196.

[11] ZHANG L X, CHEN M S, PENG Z R, et al. The DC electric field analysis of valve side outlet device in converter transformer considering nonlinear and anisotropic characteristics[C]//IEEE International Conference on Solid Dielectrics, June 30-July 4, 2013, Bologna, Italy. 2013: 963-966.

[12] RASHWAN M M, MCDERMID W, HAMMER F, et al. On the design, testing, and operating experience of composite dry bushing in HVDC[C]//International Conference on AC and DC Power Transmission, Sep 17-21, 1991, London, England. 1991: 325-330.

[13] LIU P, PENG Z R, CAO L, et al. Electric field calculation and structural optimization of ±800 kV converting transformer bushing outlet terminal[C]//IEEE International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, June, 2006, Bali, Indonesia. 2006: 840-843.

[14] WEN K C, ZHOU Y B, FU J, et al. Calculation method and some features of transient field under polarity reversal voltage in HVDC insulation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1993, 8(1): 223-230.

[15] TAKAHASHI E, TSUTSUMI Y, OKUYAMA K, et al. Partial discharge characteristics of oil-immersed insulation system under DC combined DC-AC and DC reversed polarity voltage[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and System, 1976, 95(1): 411-420.

(编辑：贾志超)

Electric field distribution of converter transformer barrier system using nano modified pressboard

CHEN Qing-guo, ZHUGE Xiang-li, LIU He-qian, CHI Ming-he, WEI Xin-lao

(MOE Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

In order to solve the problem of electric field distribution concentration in converter transformer barrier system under DC and polarity reversal voltages, the method of modification to pressboard with nonlinear nano SiC was explored, and the nano SiC modified pressboard samples were manufactured, the dielectric properties of modified pressboard was measured. The electric field distribution simulation model of converter transformer barrier system was built considering its practical structure, and the homogenization effect of pressboard modification on barrier system electric field distribution was analyzed. The experiment results show that the permittivity of modified pressboard increases with the increase of nano SiC doping ratio but not obviously and there is a slight rising trend with the electric field strength increasing. The conductivity of modified pressboard increases with the increase of nano SiC doping ratio, and it shows obvious nonlinearity between conductivity and electric field strength when the doping ratio exceeds a certain value. The simulation results show that the electric field strength in pressboard can be reduced by using nano modified pressboard, and electric field strength in oil will be heightened, which can make the electric field distribution in oil/pressboard insulation structure more homogeneous under DC and polarity reversal voltages.

converter transformer; barrier system; electric field distribution; nanometer SiC; nonlinearity

2014-01-13

国家自然科学基金(51277047);黑龙江省自然科学基金(ZD201310);教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20132303110006);国家自然科学基金青年基金(51407051)

陈庆国(1970—),男,教授,博士生导师,研究方向为高电压绝缘、电力设备绝缘检测及高电压应用新技术;

诸葛祥丽(1990—),女,硕士研究生,研究方向为高电压绝缘;

诸葛祥丽

10.15938/j.emc.2016.01.005

TM 215.6

A

1007-449X(2016)01-0029-06

刘贺千(1989—),男,博士研究生,研究方向为高电压绝缘;

池明赫(1981—),男,博士,研究方向为高电压绝缘;

魏新劳(1960—),男,教授,博士生导师,研究方向为高电压绝缘、电力设备绝缘检测及高电压应用新技术。