纳米MMT改性绝缘纸板局部放电特性研究

刘贺千，张洪达，李 琳，张德文，许敏虎

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)

0 引 言

换流变压器作为直流输电系统的核心器件，是连接交流网络和直流网络的枢纽，其可靠性直接影响整个系统的安全运行[1-3]。随着中国特高压输电的快速发展，其电压等级逐步提高，对变压器的绝缘强度、结构设计及生产工艺都提出了更加严苛的要求。局部放电作为运维检修中的必要项目，会逐渐腐蚀、损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘系统的击穿，严重威胁变压器的安全运行。因此，从材料改性角度入手，通过改变绝缘纸板的介电特性，抑制局部放电，达到提高油纸复合绝缘的介电强度的目的，对解决上述问题具有重要的意义[1]。

近年来，国内外学者在绝缘纸板纳米改性领域做了一定研究[2-7]。重庆大学及哈尔滨理工大学相关学者经研究发现：掺杂纳米SiO2、纳米TiO2、纳米AlN、纳米Al2O3可以提升改性纸板的击穿电压、降低其相对介电常数、提高电阻率并抑制空间电荷；纳米SiC则可使改性绝缘纸板的电导率随电场强度的增加表现出明显的非线性特性，并能够均化油纸复合绝缘结构中的电场分布；PMP 纤维、纳米 MMT还可提高纸板的热稳定性，延长绝缘纸板的使用寿命。以上研究大多沿袭电缆材料的研究方法，所得成果虽为后续研究提供了理论支撑和数据基础，但对局部放电特性的关注相对较少。

鉴于掺杂纳米MMT可以提高环氧树脂、聚乙烯等材料的介电强度、耐树枝化能力，并可以改善材料的空间电荷特性[8-9]，本文利用纳米MMT对变压器绝缘纸板进行改性，制得不同纳米掺杂比例的改性纸板，研究其介电参数随掺杂比例的变化规律，并通过仿真分析其对局部放电的抑制机理，最终通过油纸复合击穿试验验证其对绝缘强度的提升作用。

1 试样部分

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MMT颗粒(40 nm，钠基改性)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、真空干燥罐等设备，模拟纸板工业制法完成打浆、掺杂、成形、压榨、干燥、真空浸油等流程。制备过程中，利用标准疏解器将湿纸浆与纳米MMT颗粒均匀混合，并通过改变纸浆中纳米颗粒的加入质量，控制成型纸板填料的掺杂比例(以质量分数计)。制得纸板厚度为0.6 mm，浸油后含水率为可以达到0.4%以下。

1.2 试验方法

改性纸板的电导率由高压直流电源、皮安表及三电极装置测得，其相对介电常数则通过QS30A型高精密高压电容电桥测量得到。同时，按照ASTM-D149-81标准测量不同纳米掺杂比例改性纸板及由其构成的油纸复合绝缘结构的击穿特性，测试油纸复合绝缘时调整电极间距d为5 mm并将纸板居中放置。

采用脉冲电流法对局放信号进行测量，测量原理如图1所示。其中，检测仪为美国希波公司的DDX-7000数字式局部放电检测仪，高压电源为工频无局放变压器，R为保护电阻，CK为耦合电容器，ZK为检测阻抗，试样CX的电极结构如图2所示。整个试验在屏蔽室中进行，背景放电量小于5 pC。为模拟变压器中均匀及不均匀的电场分布，采用板-板与针-板两种电极结构研究纸板在不同电场下的局放特性，如图2所示[10]。

图1 局放测试系统原理图

图2 局部放电电极结构示意图

试验时，采用匀速升压方式缓慢升压，并记录各电压下5 min内的最大放电量，为保护设备，升压至放电量超过10 000 pC时停止试验。

2 纳米改性对绝缘纸板介电特性影响

2.1 纳米改性对纸板电导率的影响

不同掺杂比例改性纸板电导率γ随电场强度E变化情况分别如图3所示。由以上试验结果可知，改性纸板的电导率随掺杂比例的提高呈上升趋势，且改性纸板的电导率受电场强度的影响表现出一定的非线性特性。这是由于随MMT掺杂比例的上升，粒子间平均距离变小，形成导电通路的概率上升，同时隧道效应加剧，改性纸板的导电机理的变化使其电导率呈现非线性特性。

图3 改性纸板电导率随电场强度变化曲线

2.2 纳米改性对纸板相对介电常数的影响

试验得到改性纸板相对介电常数εr随纳米掺杂比例的变化曲线如图4所示。

图4 改性纸板介电常数随纳米掺杂比例变化曲线

通过分析图4曲线可知，改性纸板相对介电常数较未改性纸板降低，且随掺杂比例的增加呈先下降后上升的趋势，在掺杂比例为1%时存在最低值。这是由于MMT剥离后以纳米级片层的形式分散于纸板中，纸板纤维受到MMT片层的限制作用，其中的极性基团难以转动，导致介电常数降低。当MMT含量继续增加时，由于产生界面极化，使得复合材料的介电常数增加[11]。

2.3 纳米改性对纸板击穿场强的影响

改性纸板击穿场强Eb随纳米掺杂比例的变化曲线如图5所示。分析图5可知，改性纸板的击穿场强在1%掺杂比例时出现峰值，直流与交流下分别较未改性纸上升4.1%与16.6%。而当掺杂比例进一步上升时，交、直流下改性纸板的击穿场强出现不同程度的下降。

图5 改性纸板击穿场强随纳米掺杂比例变化曲线

2.4 纳米改性对纸板局部放电特性的影响

综合考虑改性纸板的电阻率、介电常数与击穿场强，选取纳米掺杂比例为1%的绝缘纸板与未改性纸板进行局部放电对比实验，利用上述电极结构测得油纸复合绝缘结构在交、直流电压下，电压与最大放电量的关系如图6所示。

图6 两种电极结构最大放电量与电压关系

分析图6可知，油纸复合绝缘最大放电量在不同电极结构下均随电压的升高呈指数增长趋势，直流局放电压较交流高，且板-板电极局放电压较针-板电极高。而相同电压形式、相同电极结构下，采用纳米改性纸板的油纸复合绝缘结构在相同电压幅值下，最大放电量小，曲线拐点对应的电压幅值增加，曲线整体较未改性纸板曲线右移。故掺杂比例为1%的改性纸板表现出较好的抑制局放特性。

3 讨论与分析

根据实验所得纸板介电参数，按照图2所示电极结构与尺寸建立仿真模型，为观察方便，截取施加交、直流电压得到电场分布仿真结果关键部位[12]，如图7、图8所示。

图7 板-板电极电场分布

图8 针-板电极电场分布

分析图7、图8可知，较未改性相比，直流电压下，在采用改性纸板的油纸复合绝缘结构中，油中电场线变密，表明其中场强变大；而交流下则是纸中电场强度增大。

计算得到两种电极结构油中最大场强Eoil、纸板中最大场强Epaper及二者比值如表1所示。

表1 油、纸板中最大场强及其比值

分析表1可知，针对两种电极形式，通过采用改性纸板，直流下，油纸复合绝缘中纸板中最大场强下降，油中最大场强上升，二者最大场强比下降；交流下，油纸复合绝缘中油中最大场强下降，纸板中最大场强上升，二者最大场强比上升。两种情况下电场分布均趋于均匀，有助于局部放电的抑制。

结合变压器内绝缘结构，测量得到油纸复合绝缘结构击穿电压Vb随纳米掺杂比例变化曲线如图9所示。

图9 油纸复合绝缘结构击穿电压随掺杂比例变化曲线

由图9曲线可知，油纸复合绝缘的击穿场强在1%掺杂比例时最高，较未改性纸板在交流与直流下分别提高8.8%与13.2%。从宏观角度，改性纸板介电参数的变化有利于均化电场，纳米MMT大的比表面积和高的表面能，对载流子造成一定的散射，使得其平均自由程变短，更容易陷入陷阱中而减速，从而抑制局部放电的作用，并最终提高了油纸复合绝缘结构的击穿强度。

4 结 语

针对换流变压器中油纸复合绝缘局部放电问题，采用实验测量、数值仿真及理论分析的方法，对纳米MMT改性绝缘纸板的介电特性进行了系统研究，所得结论如下:

1)改性纸板较未改性相对介电常数下降，在掺杂比例为1%时出现最低值，电导率较未改性时上升，而击穿场强则随纳米掺杂比例的上升先上升后下降，在1%取得最大值，且相同电压下的最大局部放电量减小，局放电压增大。

2)采用改性纸板的绝缘系统在板-板与针-板两种电极形式下，与未改性纸板相比，电场分布趋于均匀，有助于局部放电的抑制。

3)综合考虑介电特性，将纳米掺杂比例为1%的改性纸板应用于油纸复合绝缘结构，可提高其击穿场强。