低温对油纸绝缘介电特征及换流变压器内电场分布的影响

刘永鑫， 罗　臻

(1. 国网山西电力科学研究院， 山西 太原 030001； 2. 华北电力大学 电气与电子工程学院， 北京 102206)

0　引　言

我国多个特高压直流工程[1]已经或即将于东北、 内蒙古及新疆等寒冷地区建成， 而作为直流输电工程核心设备的换流变压器， 在寒冷条件下会出现一些由严寒引发的特殊故障， 如极低温造成的密封间隙增大、 昼夜温差引发的局部冷热不均及油流动死区结冰等. 可见， 关于低温条件下油纸绝缘问题的系统性研究十分必要， 而其中关于低温条件下油纸绝缘介电特征及机理的研究却很少. 因此， 探索低温条件下油纸绝缘介电特征对于进一步明确油纸绝缘系统介电现象具有深刻的理论意义， 深入研究低温条件下变压器绝缘裕度变化规律对于保障寒冷地区变压器的安全运行也具有重要的工程价值.

目前， 关于低温条件下变压器油纸绝缘特性的研究相对较少， W. Lampe[2]研究了高寒条件下 (-50 ℃) 变压器油的冷却性能变化； 王乾等[3]研究了变压器油的粘度及饱和水分体积分数与温度的关系； Gao M等[4]研究了低温条件下变压器油绝缘与理化特性的变化规律； 赵冲[5]研究了不同油纸比例的油纸绝缘在低温条件下的介电性能变化； 孙艳飞[6]研究了精炼菜籽绝缘油随频率及温度的变化规律； 此外， 低温条件下的油纸绝缘介电特性[7]及水分分布特征[8]也有相关研究报道. 可以看出， 低温下油纸绝缘的相对介电常数、 电导率等表征参数的变化规律还需要进一步探索. 同时， 低温引起的绝缘材料属性变化对换流变压器电场分布及绝缘裕度的影响分析也亟待明确.

鉴于此， 本文建立了低温条件下油纸绝缘介电特征研究平台， 阐述了油纸绝缘试品的选择方法和处理工艺， 并提出了相应的试验方法. 试验研究了温度在-50～50 ℃范围内的油纸绝缘介电特征的变化规律， 并建立了仿真模型， 根据试验结果分析了低温对换流变压器绝缘裕度的影响.

1　试验条件

1.1　试品选择及处理

为保证试验结果的统一性， 根据文中研究和试验需要， 明确油纸绝缘试品种类及其处理方法如下：

1.1.1试品选择

对于变压器油， 文献[9]中指出以凝点为基础规定油牌号的编号方法在国际上无法统一， IEC 60296-2003[10]将最低冷态投运温度(Lowest Cold Start Energizing Temperature， LCSET)作为区分绝缘油类别的重要标志之一， 当最低环境温度小于等于-30 ℃时， 选用45号油， 当最低环境温度高于-30 ℃时， 可选用25号油， 但要求粘度(LCSET)， 倾点比LCSET至少低10 K. 因此， 为研究低温条件下变压器油介电特征， 本文采用以烷烃、 环烷烃为主要成分的牌号为45号的变压器油作为试验用油. 对于绝缘纸板， 本文采用 B.3.1型压纸板. 绝缘纸板的初始规格为 300 mm×300 mm×6.0 mm.

1.1.2试品处理

对于变压器油， 本文采用VH500R型滤油机进行预处理， 以降低油中的水分和杂质含量， 滤油时间为2 h， 温度设定为60 ℃. 每次滤油后立即取样对微水含量、 油中颗粒度及介损因数等参数进行测试[11]. 对于绝缘纸板， 需要通过烘干、 真空浸油等一系列工厂工艺流程进行预处理， 此外， 本文配制了微水含量小于10, 10～30及大于30 μL/L的三种变压器油用于试验研究， 油浸纸板的水分根据实测获得.

1.2　试验平台及方法

1.2.1相对介电常数研究

油纸绝缘介电现象十分复杂， 影响因素众多， 进行油纸绝缘介电特征试验研究时需要采用合适的试验系统及方法， 本文利用Novocontrol型宽频介电测试系统测量油纸绝缘的相对介电常数.

本文测试的温度范围在-50～50 ℃， 频率范围主要集中在10～104Hz范围内. 试验时， 将处理后的变压器油及油浸纸板放入样品架中， 开启温度控制系统， 达到设定温度并保持1 h， 开始油纸绝缘介电参数在预设温度及预设频率下的测量， 并通过控制软件实现数据的提取.

1.2.2电导率研究

本文采用的试验电极为黄铜材质的三电极模型， 测试电极为直径85 mm的板-板圆形电极， 具体如图 1 所示. 屏蔽电极为内直径200 mm， 外直径220 mm的环形电极.

图 1　试验电极Fig.1　Experimental electrode

试验时首先开启低温环境箱， 增加或降低试品温度到要求值并保持， 然后采用逐级升压方法升高电压并记录每次电压下15 min后的泄漏电流值.

2　试验结果与讨论

2.1　油纸绝缘相对介电常数

图 2 是频率为50 Hz下变压器油在温度范围为-50～50 ℃的相对介电常数变化曲线， 变压器油水分含量如前所述.

图 2　变压器油相对介电常数随温度的变化Fig.2　Relative permittivity of transformer oil vs. temperature

由图 2 可看出， 变压器油相对介电常数在 -50～50 ℃ 温度范围内最大值和最小值分别为 2.235 0 和2.035 5， 随温度的降低， 不同微水含量的变压器油相对介电常数基本呈线性升高趋势， 升高幅值不大， 如微水含量为5.5 μL/L时， 温度 -50 ℃ 比50 ℃的相对介电常数绝对值仅大 0.110 8. 从机理上看， 变压器油属于非极性电介质， 其相对介电常数随温度的下降逐渐升高， 这是由于温度下降造成变压器油体积压缩， 单位体积内的分子数量增大， 介质极化强度增大， 导致介电常数增加.

由图 2 可知， 在同一温度下， 变压器油相对介电常数随水分含量的增加而增加， 在低温段 (-50 ℃～0 ℃范围) 该升高趋势放缓， 即曲线的斜率逐渐减小. 水分的相对介电常数为81， 属于强极性电介质， 这导致变压器油内部偶极子式转向极化强度上升， 因此变压器油相对介电常数随含水量增加有上升趋势. 然而， 一方面， 由于水分在变压器油中并没有出现过饱和现象， 即水分在变压器油中存在方式为溶解水而不是悬浊或乳浊状态； 另一方面， 低温对变压器油内部水分子定向存在抑制作用， 且部分析出的微水在低温下结冰形成微小冰粒， 其相对介电常数为3.2～4， 极化强度减弱.

图 3　油浸纸板相对介电常数随温度的变化Fig.3　Relative permittivity of oil-impregnated pressboard vs. temperature

由图 3 可见， 试验得到的油浸纸板相对介电常数在-50～50 ℃温度范围内最大值和最小值分别为6.35和4.4， 在50 Hz频率下， 随着温度的下降， 油浸纸板相对介电常数基本呈线性下降趋势.

以上规律取决于绝缘纸板内偶极子转向极化强度随温度的变化以及分子热运动强度随温度的变化. 50 Hz频率下， 温度在-50～50 ℃范围内变化时， 低温下纸板内部分子热运动强度低， 即分子处于束缚状态， 不利于转向极化的进行； 温度升高造成热运动的加剧， 转向极化的强度增大， 介电常数随之增大. 然而， 随着温度继续升高， 分子热运动的另一作用——偶极子取向无序化将越来越明显， 这种无序化的作用效果将减弱电场作用下的偶极子转向极化， 可以预计在高温下(如100 ℃)油浸纸板介电常数可能将随温度的升高而减小， 因此， 这里油浸纸板介电常数与温度的正相关关系仅适用于 -50～50 ℃ 这一特定温度范围.

2.2　油纸绝缘电导率

为与特高压工程实际接近， 本文研究了油隙距离为8 mm变压器油电导率的取值范围及其与温度和场强的关系. 文献[12]指出针板电极模型在直流电场作用下变压器油的传导电流存在一定极性效应， 但在场强2.5 kV/mm时， 正负电压作用下的传导电流仍处于同一数量级[13]， 由于本文采用平板电极， 均匀电场下极性效应更加不明显， 施加正极性电压， 变压器油微水含量约5.8 μL/L.

图 4　变压器油电导率随温度的变化Fig.4　Conductivity of transformer oil vs. temperature

由图 4 可知， 变压器油电导率在场强小于 3 kV/mm 时， 随温度的升高呈指数规律上升. 低温范围内， 同一场强下的变压器油电导率基本处于同一数量级， 当温度大于0 ℃时， 同一场强下的变压器油电导率增加幅度开始变大.

低温条件下， 变压器油的视在密度由于其粘度增大而相应增大， 根据式(1)可知， 低温范围内变压器油密度的增加使得决定变压器油内部载流子的视在迁移率μh降低， 载流子热运动减弱， 从而导致变压器油在低温下电导率基本保持同一数量级. 低温范围内， 随着场强的增加， 变压器油的电导机制由欧姆电阻阶段转变为隧道效应阶段， 隧道效应阶段场致发射形成的电子电流占据主导地位.

(1)

式中：ε为变压器油相对介电常数；ρ为视在密度.

由图 5 可知， 随温度的增加， 油浸纸板体积电导率呈指数规律上升， 在-50～50 ℃温度范围内其电导率变化范围在10-16～10-18S/m数量级， 相对较稳定.

图 5　油浸纸板电导率随温度的变化Fig.5　Conductivity of oil-impregnated pressboard vs. temperature

参考非离子晶体电介质说明其电导机制， 绝缘纸板是纤维素组成的高聚合碳氢化合物， 纤维素分子间通过共价键结合起来. 在弱电场作用下， 绝缘纸板等非离子性介质的电导主要由杂质离子引起， 其电导率γ随温度的变化遵循热离子电导规律， 即符合如下方程

(2)

式中：A,B均为常数.

3　仿真分析与讨论

3.1　仿真模型

本文的仿真计算模型为某±500 kV换流变压器模型， 如图 6 所示. 本文采用经过二次开发的有限元数值计算方法计算模型的电场分布.

图 6　仿真计算模型Fig.6　Simulation calculation model

首先， 将连续的工程结构离散成有限个单元. 对图6的简化模型进行网格剖分， 剖分示意如图 7 所示.

图 7　模型剖分Fig.7　Model subdivision

换流变压器器身由内至外依次为“铁心—调压绕组—网侧绕组—阀侧绕组”. 主绝缘采用薄纸筒-小油隙结构， 多层纸筒合理均匀分割油隙， 绕组端部放置静电板和多层绝缘成型件以改变电场线分布. 模型建立时作如下假设：① 变压器器身在圆周方向上呈几何对称分布； ② 变压器器身轴向关于中心线对称. 模型的电场分布通过二次开发的有限元数值计算方法进行计算.

需要说明的是， 变压器绝缘设计通常需要进行全场域的裕度校核， 本文考虑研究的侧重点是分析温度对绝缘裕度的影响， 因此， 这里规定核场域选择网侧绕组端部.

3.2　仿真结果

基于前述试验研究结论， 低温条件下油纸绝缘相对介电常数及电导率会发生改变， 现讨论如下：

3.2.1网侧绕组对地工频电场

随温度变化校核路径上的绝缘裕度变化规律如图 8 所示， 从图中可以看出， 随着温度的降低， 校核路径上的工频场强绝缘裕度呈增加趋势， 即低温下工频场强绝缘裕度比常温或高温下的绝缘裕度大. 根据Weidaman裕度计算方法， 假设第一油隙的场强许用值不变， 那么工频电场绝缘裕度会由于平均场强减小而增大. 从上面的分析可以得出推论， 若常温下换流变压器关键区域的工频场强绝缘裕度校核满足要求， 那么寒冷条件下的工频场强绝缘裕度也会满足要求.

3.2.2阀侧绕组对地直流电场

根据上文的试验数据可知， 变压器油及纸板的电导率随温度降低而降低， 但纸板的降低幅度较大， 这使得γ纸/γ油的比值变小， 因此随温度的降低纸板承担的直流电场逐渐增加.

为便于仿真分析， 选择路径为阀侧线圈外第一道围屏上， 对其进行1/2轴对称仿真， 零点位置在围屏中部， 仿真长度为零点位置向上1.3 m， 仿真结果如图 9 所示.

图 8　绝缘裕度随温度的变化Fig.8　Insulation margin vs. temperature

图 9　场强随温度的变化Fig.9　Electric strength vs. temperature

从图 9 可以看出， 外侧线圈外第一道围屏处的场强曲线有多个峰值， 最大场强峰值位于角环与围屏相切处， 且随着温度的下降， 该处的场强也呈增大趋势， -50 ℃时该处的场强为 42.44 kV/mm， 50 ℃时同样位置的场强为 27.19 kV/mm， 当温度下降到一定程度程度后某些位置的最大场强会超过绝缘裕度的限值； 如果该换流变压器在寒冷地区使用， 就需要重新校核直流场强下的绝缘裕度， 对比校核结果与变压器厂的控制值， 换流变压器的安全可靠性可以通过适当增大绝缘裕度来实现.

4　结　论

本文提出了低温下油纸绝缘介电特征的试验方法， 研究了温度在-50～50 ℃范围内的油纸绝缘介电特征的变化规律， 并建立了仿真模型， 根据试验结果分析了低温对换流变压器绝缘裕度的影响. 最后， 得出如下结论：

1)-50～50 ℃范围内， 随着温度的降低， 变压器油相对介电常数仅仅有小幅度的提高， 而油浸纸板相对介电常数有较大幅度的下降.

2)-50～50 ℃范围内， 温度对变压器油电导率的影响大于对油浸纸板电导率的影响， -50 ℃ 时变压器油电导率较50 ℃时的电导率小3个数量级， 而-50 ℃时油浸纸板电导率较-50 ℃时的电导率小2个数量级.

3)随着温度的降低， 校核路径上的工频场强绝缘裕度呈增加趋势， 即工频电场下低温比常温或高温具有更大的绝缘裕度.

4)校核路径上的最大直流场强随温度的减小呈增大趋势. 因此， 位于低温地区的换流变压器需在设计时考虑适当增大直流场强绝缘裕度.