温度对油、纸介电参数及复合电场分布的影响

张秋也　朱学成　高自伟　池明赫　陈庆国　魏新劳

摘要：为研究极限运行温度（-40～100℃）内温度对换流变压器油纸复合绝缘电场分布的影响，在不同温度下对浸油纸板和变压器油的电阻率及相对介电常数进行了测试，并通过公式推导来研究复合电场下温度对油纸绝缘电场分布的影响。试验结果表明，温度对浸油纸板和变压器油相对介电常数的影响较小，且两者的比值随温度变化也较小；但温度对浸油纸板和变压器油电阻率的影响较大，虽然两者的电阻率总体上随温度的升高都呈下降趋势，但两者下降的速度不同，从而造成不同温度下两者电阻率比值的差异显著。由计算结果可知，温度对复合电压作用下油和纸电场分布有显著影响，油中的最大场强出现在高温和交流电压作用的条件下，而纸板中的最大场强出现在低温和直流电压作用的条件下。

关键词：油纸绝缘；复合电场；温度；绝缘电阻率；相对介电常数；电场分布

中图分类号：TM85 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0059-06

0 引言

随着我国远距离、特高压直流输电线路的投运，直流输电工程的优越性逐渐显露出来。作为直流输电系统的核心设备，换流变压器的可靠性直接影响电网安全稳定的运行。换流变压器与传统电力变压器相比，其阀侧主绝缘除了承受交流电压、雷电冲击电压和操作过电压以外，还承受直流电压、交直流叠加电压和极性反转电压的作用。国内外学者针对换流变压器油纸绝缘在复合电压下的电场分布进行了大量的研究，日本学者E.Takahashi等人的研究结果表明：非线性条件下电场分布明显不同于线性条件下结果；交直流叠加起始局放电压与直流电压分量无关。华北电力大学的李琳等人得出结论：媒质的非线性和各向异性会降低油隙中的场强；同时也可能会在局部产生较大场强。哈尔滨理工大学的池明赫等人的研究表明：变压器油及油浸纸板的介电参数受水分和温度的影响，进而影响油纸绝缘结构再复合电压下的电场分布。L.E.Lundgaard等学者的研究结果说明：水分及温度会改变直流下油纸绝缘空间电荷分布，降低绝缘纸板的击穿电压及电阻率等介电参数。但这些工作大多是在常温下开展的。温度会引起变压器中油和纸板电阻率及相对介电常数的变化，进而引起复合电场作用下油纸绝缘电场分布的变化。我国幅员辽阔，地域间温差较大，再之变压器运行过程中载荷变化，使得换流变压器有可能在较宽的温度范围内工作运行。因此有必要开展较宽温度范围内换流变压器油纸绝缘电场分布及击穿特性方面的研究。

为此，本文首先测量了不同温度下浸油纸板和变压器油的介电参数，在此基础上对不同温度下油纸绝缘在复合电压作用下的电场分布进行数值分析，以期为国内特高压换流变压器制造与运行提供参考。为方便起见，后文所述纸板和油均指浸油纸板和变压器油。

1 不同温度下纸板和油的介电参数

温度的变化会导致纸板和油的电阻率及相对介电常数发生改变，因此需要测量不同温度下纸板和油的电阻率及相对介电常数，以便进一步研究温度对电场分布的影响。

1.1 试样的预处理及测量方法

本文试验采用魏德曼公司生产的1mm厚层压纸板，将其剪裁至所需尺寸，经干燥、真空注油后密封保存，处理后的浸油纸板含水量应小于0.6%；采用昆仑公司生产的45#变压器油，试验前对其进行脱水、脱气和除杂处理。参照标准GB2536-90《变压器油》，处理以后的变压器油的含水率应小于10ppm，并且满足在2.5mm间隙下的击穿电压大于50kV、90℃时的介质损耗小于0.5%等要求。

测试时将试样置入高低温试验箱，控制试样温度并保持恒定后，参照标准《GB/T10064-2006固体绝缘电阻》对其电阻率进行测量，同时利用介电谱仪进行相对介电常数的测量。

1.2 温度对纸板介电参数的影响

不同温度下纸板电阻率和相对介电常数测量结果，分别如图1和图2所示。

由图1可见，在-40～100℃温度范围内，随温度升高纸板的电阻率总体上呈下降趋势。其原因是纸板电导主要是由杂质离子引起的，随温度升高杂质离子的活化能下降，增加了离子在电场作用下的定向迁移率，导致电导电流增加、电阻率下降。

由图2可见，随温度升高纸板的相对介电常数呈上升趋势，其原因是纸板由分子量较高的纤维素和木质素组成，温度的升高使得这些高分子链易在电场作用下发生转向、使得极化率升高、相对介电常数增大。纸板的电阻率与温度的关系可拟合为式中：ρ_p为浸油纸板的电阻率，Ω×m；T为温度，℃；a₁、a₂、A₁、A₂、t、h、n、m为与介质特性有关的参数。

纸板相对介电常数与温度的关系可拟合为式中：ε_p为浸油纸板的相对介电常数；a、b及t为与介质特性有关的参数。

1.3 温度对变压器油介电参数的影响

不同温度下变压器油的电阻率和相对介电常数测量结果，分别如图3和图4所示。

工程上变压器油的电导率（电阻率）主要由杂质离子浓度、含水量及油的粘度所取定的。由图3可见，在较低温度范围内变压器油的电阻率随温度的升高变化较小，其原因为在较低温度下油中的水分子及杂质粒子的离解度较低，且易被变压器油的有机高分子所束缚，使其参与导电的几率下降；同时，低温下油的粘度较高，导致油中杂质离子在电场作用下的迁移率较低。随着温度的升高，油中的水分子及杂质粒子的离解活化能提高、易发生离解，且组成变压器油的有机高分子对水分子及杂质离子的束缚力减小以及油的粘度降低，导致载流子在电场作用下的迁移率增加、电阻率下降。

由图4可见：随温度升高油的相对介电常数呈下降趋势，但是变化幅度不大。因为变压器油为非极性液体电介质，极化主要为电子极化，温度的升高导致变压器油的体积增大，这使得每个单位体积内的分子数减小、相对介电常数降低。

油的电阻率与温度的关系可拟合为：式中：ρ₀为油的电阻率，Ω·m；r为温度，℃；b₁、b₂、A₁、A₂、A₃、s、q为与介质特性有关的参数。

油的相对介电常数与温度的关系可拟合为：式中：ε₀为浸油纸板的相对介电常数；c、d、k为与介质特性有关的参数。

1.4 不同温度下浸油纸板和变压器油电阻率与相对介电常数的比值

不同温度下纸板和油的电阻率及相对介电常数的比值分别如图5和图6所示。

由图5可知，在-40～-20℃范围内纸板与油-电阻率的比值随温度上升而升高，-20℃附近出现最大值，然后随温度的升高而逐渐下降。与电阻率相比较，纸板和油相对介电常数的比值如图6所示，随温度升高呈单调上升，但变化范围较小，最大值与最小值仅相差0.312。

2 复合电压下油纸绝缘电场分布表述

2.1 物理模型

为便于研究油纸绝缘的电场分布，本文采用典型的双层油纸绝缘平板电极模型，如图7所示，纸板和油的相对介电常数、电导率及厚度分别是ε_p、γ_p、d_p和ε₀、γ₀、d₀，其等效电路如图8所示。油纸复合绝缘结构两端电压为U，纸板和油两端的等效电压、电容和电阻分别是U_p、C_p、R_p和U₀、C₀、R₀。

2.2 复合电压的定义

交直流叠加电压波形如图9所示。

图9中，U_dc为直流分量平均值，U_m为交流分量峰值。为表述方便，将复合电压中的交流含量η定义为：上式中：η=100%表示交流电压；η=0表示直流电压。

2.3 复合电压下油-纸绝缘电场分布

由于直流电场按阻性分布，交流电场按容性分布，且油纸绝缘介质损耗因数小于0.01，即等效并联电阻至少比容抗值大100倍，因此可将电场进行线性叠加。设电场在介质内均匀分布，由图8所示等效电路模型及E：U/d可得两层介质上的稳态条件下电场强度E_p及E_o：式中：ρ_p=1/γ_p，ρ_o=1/γ_o分别为纸板和油的电阻率。当交流含量一定时，在sin（ωt）=1的情况下，E_p及E₀取得最大值。由式（5）及式（6）可得：

由（7）式可见，当复合电压幅值U保持定值时，若电阻率。ρ、相对介电常数。ε和交流含量。η发生改变，则油纸中直流电场和交流电场分布也会相应发生改变。

3 温度对复合电压下油纸绝缘电场分布影响的计算结果

将通过拟合得到的电阻率和相对介电常数随温度变化的表达式代入式（7），可知E_p和E_o均为。η和T的函数。本文取U=150kV、d_p=1mm、d_o=1.5mm，计算得到E_p、E_o随η和T的变化趋势分别如图10和图11所示。

由图可知，在交流含量为定值时，随温度的升高纸板中场强总体呈下降趋势；当温度为定值时，随交流含量的降低纸板中场强单调上升，而油中场强的变化刚好与之相反。这是由于高交流含量时电场分布主要取决于油纸的相对介电常数比值，而在低交流含量时电场分布主要取决于油纸的电阻率比值。图中纸板中场强的最大值出现在低温、低交流含量下（η=0，T=-20℃），而油中场强的最大值出现在高温高交流含量下（η=100%，T=100℃。因此换流变压器在设计时，对油隙来讲应关注其在高温、高交流含量下的绝缘裕度；而对绝缘纸板来讲应关注其在低温、直流条件下的绝缘裕度。

为量化分析场强的变化规律，本文以20℃为基准，计算纸板和油中的场强增长率v，定义为：式中：E_T表示温度为T时的场强，E₂₀表示温度为20℃时的场强。纸板和油中场强的增长率分别如表1和表2所示。

分析以上两个表中的数据可知，在高交流含量下温度对变压器油和纸板中的场强分布影响较小；而在低交流含量下温度对油纸绝缘中的场强分布影响较大，尤其对变压器油中场强的影响更为显著。

4 结论

本文试验研究了换流变压器油纸绝缘介电参数随温度的变化特性，并针对典型油纸绝缘结构模型，通过数值分析手段研究了温度对复合电压作用下油纸绝缘电场分布的影响规律，得到结论如下：

1）温度对浸油纸板和变压器油相对介电常数的影响较小，且两者的比值随温度变化也较小。

2）温度对浸油纸板和变压器油电阻率有较大的影响，且不同温度下两者的电阻率比值差异显著。

3）温度对复合电压作用下油纸绝缘的电场分布有显著影响，油隙中最大场强分布出现在高温和纯交流电压作用的条件下，而纸板中的最大场强出现在低温和纯直流电压作用的条件下。

4）针对可能在较宽温度范围内运行的换流变压器，设计时应对油隙和纸板在不同温度下介电强度进行分别校核，以确保换流变压器的安全运行。

（编辑：王萍）