温度对交直流叠加电场下油纸绝缘油流带电的影响

陈庆国 董振鹏 林林 池明赫 王金龙 魏新劳

摘 要：为研究温度对叠加电场作用下油纸绝缘油流带电特性的影响，在实验室搭建了平板电极结构的典型换流变压器油纸绝缘模型，利用密闭油循环系统进行了叠加电场下油流带电的试验研究，并建立了油纸绝缘油流带电模型对试验结果进行理论分析。试验结果表明：温度对油纸绝缘冲流电流有较大的影响，随温度的升高冲流电流呈先增大后减小的趋势。理论分析表明：在较低温度下冲流电流与纸中负离子迁移速度有关；在较高温度下冲流电流大小不仅取决于纸中负离子迁移速度，同时还与接地电极处正离子泄放速度有关。温度通过影响绝缘纸电导率、变压器油电导率以及变压器油粘度而影响油流带电特性。

关键词：换流变压器；交直流叠加电压；油纸绝缘；油流带电；离子迁移

中图分类号：TM 411

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）05-0035-07

Abstract：In order to study the influence of temperature on flow electrification characteristics of oilpaper insulation under the AC superimposed DC electric field， an oilpaper tube model with the typical plane electrode geometry was built in laboratory. Experiment on flow electrification under AC superimposed DC electric field was carried out with the closed oil circulating system， and the oil flow electrification model of oilpaper insulation was built in order to analyze the experiment results. The experiment results show that the temperature has a great effect on oil flow electrification of oilpaper insulation，and the current increases and then decreases with the increase of temperature. The theoretical analysis demonstrates that the streaming current depends on migration rate of the negative ion in paper at low temperature. However， at high temperature， it not only depends on the migration rate of the negative ion in paper， but also is related to the positive ion leakage rate at the grounding electrode. The temperature influences the flow electrification characteristics by affecting the conductivity of insulation paper，the conductivity of transformer oil， and the viscosity of transformer oil.

Keywords：converter transformer； AC superimposed DC electric field； oilpaper insulation； flow electrification； ion migration

0 引 言

換流变压器作为直流输电系统中的关键设备，其运行的安全稳定性对于整个系统来说极其重要。随着对输电要求的提高，换流变压器电压等级随着提高，绝缘结构更加复杂，变压器绕组的油流带电问题也愈加严重。油纸复合绝缘是换流变压器采用主要绝缘结构，其中变压器油起到绝缘和冷却的双重作用[1]。油流带电指的是循环流动的变压器油流过绝缘纸及绝缘纸板的表面时由于摩擦、油温以及水分等因素就会产生电荷分离，使绝缘纸及绝缘纸板带负电、变压器油带正电 [2]。运行中的换流变压器阀侧绕组绝缘因受到交直流叠加电场的作用，所以其油流带电特性不同于普通交流电力变压器 [3-12]。

国内外关于叠加电场作用下油纸绝缘的油流带电特性的研究还没有广泛开展，针对油中离子的转移机理的研究也不多，并且没有得到统一的结论。H.Miyao、R. M. Radwan、H. Wu 和杨嘉祥等专家均研究了直流电场对油纸绝缘的油流带电特性的影响[12-15]，为本文研究交直流叠加电场作用下的油流带电特性提供了参考。I. A.metwally 曾研究过交直流叠加电场对油纸绝缘油流带电特性的影响[16]，但其研究的温度范围较小，不足以全面反映温度与油流带电特性的关系。此外，国内很多科研人员也对油纸绝缘方面的问题进行了理论分析和试验研究，金福宝等在外施交流电场作用下采用变压器典型并联油道结构研究了油流温度和流速等对油流带电特性的影响，并且在试验研究的基础上对相应的仿真模型进行了有限元仿真计算，得出了油道内部的电场分布[17]。于钦学等学者对油中带电离子的产生及其在固体表面的吸附过程进行了研究[18]。池明赫等研究了温度对复合电场下油纸绝缘中电场分布的影响 [19]，廖瑞金等对油纸绝缘中空间电荷的形成及迁移特性进行了研究[20]，以上研究成果均为本文的研究提供了参考。

本文在实验室建立了换流变压器典型平板油纸绝缘模型，进行了交直流叠加电场下油流带电试验研究和理论分析，以期为特高压换流变压器的研究设计以及运行维护提供参考依据。

1 油流带电试验系统

实验室搭建的油流带电试验系统的各个组成部分及油流走向如图1所示。变压器油在循环泵的作用下从缓冲箱流出，经流量计测速后进入松弛箱，松弛设备会使变压器油中的原有电荷充分泄放以确保进入油流带电箱的变压器油为电中性。变压器油在流经带电箱的平板电极模型时会形成电流，之后变压器油在流经带有屏蔽的测量箱时微电流表（Keithley 6517A）会对油中电流完成测量，最后变压器油经温度控制器后返回缓冲箱待进入下次循环。

油流带电箱的绝缘模型如图2所示，电极上、下极由不锈钢板做成，其外部包绕厚度为0.25 mm的NOMEX绝缘纸层，上下极板间的油隙宽度为5 mm。试验时上极板为高压端，下极板为接地端。

在实验室搭建的交直流叠加电压发生装置如图3所示。直流高压发生装置和交流高压发生装置的额定输出均为60 kV/15 mA。试样的绝缘电阻数值远大于保护电阻（50 MΩ），所以保护电阻的引入对叠加电压的测量结果影响很小，求得分压器对叠加电压测量的精确度（2%）满足试验要求。

试验电路产生的交直流叠加电压波形如图4所示。

在图4中，U表示交直流叠加电压的最大值，UDC表示直流电压分量的幅值。直流电压分量的占空比为

试验中λ的可调区间为50%～100%，基本符合换流变压器的实际运行工况。

2 试验现象与结果

在电压幅值U为18 kV、外施交直流叠加电压的直流分量占空比λ为67%时，试验得到不同流速下冲流电流随温度变化的关系曲线如图5所示。

如图5所示，外施交直流叠加电压作用下冲流电流随温度的提高呈先增大后减小趋势，并且峰值温度（冲流电流出现峰值时对应的绝缘油温度）随流速的提高而增大。

在电压幅值U为18 kV、油流速度为0.6 m/s时，试验得到不同直流含量下冲流电流随温度变化曲线如图6所示。

如图6所示，外施交直流叠加电压作用下冲流电流随温度的提高出现峰值，并且峰值温度随直流含量的提高而降低。

3 油流带电模型及结果分析

3.1 油流带电理论模型

由于绝缘纸和变压器油束缚电子的能力不同，界面处变压器油侧电子将会向绝缘纸侧转移，在油纸绝缘界面纸侧形成负离子层、变压器油侧形成正离子层。紧贴油纸界面的正离子层称为紧密层，由于浓度梯度的存在向油中扩散的正离子形成的正离子层称为扩散层。油纸界面处的离子分布如图7所示。

结合实际运行换流变压器绝缘承受电压的特点，本文试验中外施交直流叠加电压中直流含量l的最小值为50%，在此条件下绝缘模型中的电场始终由高压电极指向接地电极。由于高压侧油纸双电层中电场方向与外施电场方向相反，绝缘纸中的负离子将在外施电场下向高压电极移动，移动的负离子形成迁移电流IM。被油流动剥离带走的正离子由于外施电场的存在会向接地侧迁移，能够迁移至接地电极的离子形成泄露电流IL，被油流帶出绝缘模型的离子形成冲流电流IS，如图8所示。由此可见，外电场可促使高压侧油纸界面双电层中的正、负离子迁出界面，当离子离开后界面后流动的变压器油会在界面产生新的正负离子，为绝缘模型中形成稳定的持续电流创造了条件。而接地电极侧油纸绝缘中正、负离子在外施电场下均向油纸界面处迁移，造成油纸界面处正、负电荷的积聚，阻碍了油纸间的电荷转移和消散，进而抑制了油流带电的发生[21]。因此，油纸绝缘模型施加正极性直流电压时，高压侧油纸界面双电层内离子的产生与消散速度决定了冲流电流的大小。

3.2 试验结果分析

根据接地电极是否存在泄漏电流，将本文试验所得的叠加电场作用下冲流电流随温度变化关系曲线分为随温度的提高而增大（上升阶段）和随温度的提高而减小（下降阶段）两个阶段。

3.2.1 上升阶段

由于该阶段温度较低，变压器油中离子迁移率不高，外施电场下的迁移速度较小，与高温情况相比较，相同电场强度下油中正离子的迁移距离较小，不足以迁移至接地电极泄放，此时泄露电流IL为零，油中正离子全部被油流带出绝缘模型形成冲油电流IS，即

通过油流带电表达式（12）和式（24），并结合对油流带电机理的分析可以得出：

1）随着油流速度的提高，油流剥离油、纸界面处双电层离子的能力加强，冲流电流得到提高。

2）随着外施电场强度及直流分量的提高，可促使高压电极侧油纸绝缘交界面处双电层中纸侧负离子向高压电极迁移，正离子向油中迁移，为持续的冲流电流形成创造条件。但过高的外施电场强度将导致正离子在电场作用下向接地电极迁移形成泄漏电流，进而引起冲流电流的降低。

3）温度通过影响绝缘纸电导率、变压器油电导率以及变压器油粘度来改变冲流电流。随着温度的升高绝缘纸的电导率升高，导致高压电极侧油纸绝缘交界面处双电层中纸侧负离子向高压电极迁移率提高，双电层中的正负离子消散速度加快。同时，温度升高使变压器油的粘度降低，更易使双电层中油侧正离子在油流作用下被剥离，导致冲流电流的升高。但温度的升高也会使双电层中被剥离的正离子在油中的迁移率提高，使正离子易在电场作用下向接地电极迁移形成泄漏电流，进而导致冲流电流的下降。

4 结 论

本文利用典型平板油纸绝缘结构，对不同温度下交直流叠加电场作用下油纸绝缘油流带电特性进行了试验研究，并得出以下结论：

1）温度对油纸绝缘油流带电有显著影响。温度的升高会造成绝缘界面处正、负离子的迁移速度的增大，有利于界面处再次生成新的离子，使冲流电流有所提高，但温度的升高将提高正离子的泄放速度，引起冲流电流的降低。

2）冲流电流随温度的提高出现峰值，峰值温度随流速的提高而增大；随交直流叠加电压中直流分量占空比的提高而降低。

3）温度通过影响绝缘纸电导率、变压器油电导率以及变压器油粘度而影响油流带电特性。

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（编辑：张 楠）