运行温度下直流预压对油纸绝缘击穿特性的影响

王兆伟，周远翔，，张 灵，王健一，3，黄 欣，张云霄，滕陈源

（1.新疆大学 电气工程学院 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室风光储分室，新疆 乌鲁木齐 830047；2.清华大学 电机工程与应用电子技术系 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，北京 100084；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

随着昌吉—古泉±1 100 kV特高压直流输电工程实现全压送电，标志着我国特高压直流输电领域迈入崭新的发展阶段[1-2]。换流变压器是特高压直流输电工程的关键设备，在实际工作过程中安全稳定运行是其首要任务[3]。长期以来，变压器油与绝缘纸组合而成的油纸绝缘被广泛用作电力变压器的主绝缘材料[4]。

换流变压器在正常运行过程中，阀侧绕组处油纸绝缘长期处于高压直流工况下，承担着换流变压器主要的绝缘任务[5]。现有研究常用直流预压模拟长期处于高强度直流场下的油纸绝缘实际工况，以探究直流预压对绝缘性能的影响[6]。相关文献表明，长时间的直流预压会引发油纸绝缘电荷积聚，导致出现局部放电起始电压降低、老化加速、绝缘提前击穿等问题，对换流变压器的绝缘性能造成威胁[7-8]。与传统电力变压器相比，换流变压器运行工况复杂，运行温度比普通变压器高10～20℃，且局部热点温度更高，油纸绝缘的稳定性受温度影响较大，导致油纸绝缘发生故障的概率较高[9]。

目前，油纸绝缘在直流电压下击穿特性的研究备受关注。周远翔等[10]研究了预压对油纸绝缘直流击穿强度的影响，发现由于空间电荷的影响，当击穿电压极性与预压极性相反时，会使得直流击穿强度有所下降。王辉等[11]研究了预加直流电压对油纸绝缘击穿性能的影响，提出了不同电压等级换流变压器中油纸绝缘材料的选择方案。魏艳慧等[12]通过测量老化油纸绝缘内部空间电荷，结合直流预压击穿实验，发现油纸绝缘老化的加剧会使得电极-界面电荷积聚增多，同极性空间电荷效应显著，造成电气强度提高。

综上所述，直流预压会引起电荷积聚，进而影响油纸绝缘的击穿特性。虽然近年来许多学者在油纸绝缘的击穿特性方面取得了一定的成果，但是对于运行温度下直流预压与击穿特性的关系尚不明确。因此研究直流预压对击穿特性的影响，对换流变压器的安全可靠运行具有重要的工程意义。

由于运行工况的特殊性，换流变压器阀侧绕组中油纸绝缘的温度远高于普通电力变压器。汤浩等[13]测量了±800 kV特高压直流金华换流站在夏季负荷高峰期的运行温度，发现户外环境温度为36.5℃时，阀侧局部油温可达90℃。考虑换流变压器正常运行工况，选择70℃作为本次实验的运行温度，30℃作为环境温度。

为模拟换流变压器实际运行工况，本研究选取厚度为250 μm和500 μm的两种油纸绝缘，分别在30℃和70℃进行负极性直流电压下的无预压击穿实验和预压击穿实验，展开不同条件下预压对油纸绝缘击穿特性的影响研究。

1 实验

1.1 样品制备

本研究采用的绝缘纸为魏德曼绝缘纸，绝缘油选用克拉玛依25号变压器油，样品制备流程如下：

（1）绝缘纸预处理：将绝缘纸裁剪成直径为5 cm的圆形纸片，在真空干燥箱中设定90℃干燥48 h。

（2）绝缘油预处理：利用孔径为0.2 μm的滤膜对变压器油进行抽滤，除去变压器油中的水分和杂质后，在真空干燥箱中70℃下干燥48 h。

（3）真空浸油：将步骤（1）处理过的绝缘纸浸入步骤（2）过滤后的油中，在50℃下抽真空浸油48 h。

1.2 直流预压击穿实验

直流击穿电压测试系统由负极性直流发生器、阻容分压器、保护电阻和测试电极组成。直流发生器采用武汉华意电力科技有限公司的ZGS-200/3型直流高压发生器。击穿实验电极结构如图1所示，为使油纸绝缘处于均匀电场下，预压实验中采用的电极为柱-柱电极，柱电极的直径为15 mm。由于击穿电压较高、放电能量较大，故上、下电极均采用不锈钢材质，以减少击穿对电极的损伤。实验中上电极接负极性高压直流发生器的高压端，下电极接地，样品放置于柱-柱电极中间。

油纸绝缘进行无预压击穿测试时，根据GB/T 1408.2—2006[14]，采用连续升压法，使输出电压从0 kV开始，以1 kV/s的升压速率线性升压直至击穿，记录最大击穿电压值。进行预压击穿测试时，首先以1 kV/s的升压速率升压至预先设定的电压值，立即停止升压并开始计时，保持当前电压直到预压时间结束，之后继续以1 kV/s的升压速率持续升压直至发生击穿。

根据现有文献研究，对于油纸绝缘，预加直流电场在10 kV/mm以下时，电荷注入现象并不明显，施加负极性电场55 kV/mm时，预压40 s后便会发生击穿[15]。为保证实验安全顺利开展，选取20 kV/mm进行实验，预压时间为20 min。每组直流预压击穿实验共进行5次，取平均值作为试样的直流电气强度[10]。

图1 击穿实验电极结构示意图Fig.1 Schematic diagram of electrode structure in breakdown experiment

为防止样品在实验过程中发生沿面闪络，测试时将柱-柱电极整体浸入变压器油中。通过将测试单元中的变压器油加热到运行温度，模拟换流变压器中油纸绝缘的实际运行工况。

2 实验结果

油纸绝缘主要由纤维和半纤维组成，内部纤维排列复杂，制造过程中难免存在一些缺陷或引入杂质，因此实验结果必然存在分散性[16]。采用图1所示实验电极，对油纸绝缘进行无预压击穿实验和直流预压击穿实验，结果如图2和图3所示。

从图2可以看出，在30℃下，250 μm的油纸绝缘经直流预压后的电气强度出现提升。在70℃下，油纸绝缘的预压电气强度同样高于无预压的电气强度。从图3可以看出，在30℃和70℃下，500 μm的油纸绝缘经过直流预压后电气场强度均有提升。但是在70℃下，两种厚度油纸绝缘的电气强度均低于30℃下的电气强度，而且经过直流预压后电气强度的提升幅度也都低于30℃下的提升幅度。

图2 250 μm油纸绝缘的直流预压电气强度Fig.2 Electric strength of 250 μm oil-paper insulation under DC pre-stressing

图3 500 μm油纸绝缘的直流预压电气强度Fig.3 Electric strength of 500 μm oil-paper insulation under DC pre-stressing

由上述实验结果可知，油纸绝缘在30℃和70℃下经过直流预压后，电气强度都会有所提升，这一现象可通过同极性电荷效应解释[17-18]。70℃下油纸绝缘电气强度出现明显下降，说明同极性电荷效应仅仅是影响击穿特性的一个因素，运行温度下油纸绝缘的击穿特性可能还与自由体积击穿、热击穿等机制密切相关。

同极性电荷效应原理如图4所示，其中E为负极性直流高压发生器产生的外施电场。经过直流预压后油纸试样内部靠近接地端产生正电荷，靠近负极性高压端产生负电荷。E1、E4分别是由正、负电荷产生，且与外施电场E方向相反的反向电场；E2、E3分别是由正、负电荷产生，且与外施电场E方向相同的同向电场。

经过预压处理后的油纸绝缘，在负极性高压电极与油纸绝缘接触的界面处，其合成电场为Ea（Ea=E-E4），在接地电极与油纸绝缘接触界面处的合成电场则为Eb（Eb=E-E1）。当外施击穿场强与预压场强极性相同时，经直流预压后在油纸绝缘与电极接触界面产生的同极性电荷会产生与外施击穿场强方向相反的电场，削弱外施电场强度，使得界面处的合成电场小于外施电场。

图4 直流预压击穿前同极性电荷效应Fig.4 Homopolarity charge effect before DC preload breakdown

将未对油纸绝缘进行直流预压处理的电气强度记为EN，从而可以认为EN是油纸绝缘不受空间电荷影响的直流电气强度。将油纸绝缘经过直流预压处理之后的电气强度记为EY，从而可以认为EY是油纸绝缘受空间电荷影响的直流电气强度。由于预压产生的同极性电荷效应会提升预压电气强度EY，则预压电气强度大于无预压电气强度EN，即EY≥EN。当预压后发生击穿时，电气强度大于电极与油纸绝缘界面处的合成电场，即EY≥Ea，EY≥Eb。

3 分析与讨论

3.1 直流预压与击穿特性的联系

从上述直流预压击穿实验结果，不难发现在30℃和70℃下直流预压都会使油纸绝缘的电气强度得到提升，这是由于直流预压会使油纸绝缘内部产生电荷，从而引发同极性电荷效应，提高了电气强度。相关研究表明，油纸绝缘的直流电气强度会随着温度的升高而降低[11,19]。定义Eq为预压后的击穿强度相比无预压时的提升率，Et为70℃下的击穿强度相比30℃下的下降率。表1是250 μm油纸绝缘在直流预压后的电气强度。

表1 250 μm油纸绝缘直流预压电气强度Tab.1 Electric strength of 250 μm oil-paper insulation under DC prestressing

从表1中可以看出，250 μm的油纸绝缘在预压后电气强度都有所提升。在30℃时油纸绝缘预压后电气强度提升率Eq为10.5%，在70℃时提升率Eq为4.7%，说明在30℃下经过直流预压后电气强度的提升较为显著，即同极性电荷效应在30℃下更显著。

从文献[20]可知，随着温度升高，油纸绝缘内部注入电荷量增多。由同极性电荷效应可知，大量的电荷注入会使得界面合成电场大幅削弱，导致预压电气强度升高，但是在70℃下，油纸绝缘预压电气强度提升率Eq却低于30℃，这说明在运行温度下，同极性电荷效应并不是影响预压电气强度的主要因素。随着温度从30℃上升至70℃，无预压的油纸击穿温度下降率Et为4.1%，经过预压后的油纸电气温度下降率Et为9.2%，说明温度对预压后油纸绝缘的击穿特性影响更大。

表2是500 μm油纸绝缘在直流电压下的电气强度。从表2可以看出，30℃时油纸绝缘预压后电气强度提升率Eq为11.0%，在70℃时提升率Eq则为8.6%。当温度从30℃提升至70℃时，无预压的油纸绝缘电气强度下降率Et为29.9%，经过预压后的油纸电气强度下降率Et为31.4%。

表2 500 μm油纸绝缘直流预压电气强度Tab.2 Electric strength of 500 μm oil-paper insulation under DC prestressing

综上可知，直流预压在30℃下对油纸绝缘电气强度的提升效果显著，这是因为在运行温度下击穿特性受多种击穿机制影响，同极性电荷效应仅仅是影响预压击穿特性的一个因素。当温度从30℃升高到70℃时，经直流预压的油纸绝缘电气强度下降明显，这是因为运行温度下空间电荷注入量增加，电荷激烈运动，导致电气强度下降。这说明温度对油纸绝缘经直流预压后的空间电荷影响较大，同时运行温度下空间电荷二次效应对击穿的影响显著。

除此之外可以发现，无论是30℃还是70℃，500 μm油纸绝缘对应的预压与否的击穿场强提升率Eq都高于250 μm油纸绝缘对应的Eq。油纸绝缘的预压意味着空间电荷效应，这一现象表明样品厚度与空间电荷效应之间有关联，在较厚的样品中，预压导致的空间电荷效应更显著。这是因为样品厚度越厚，在样品中空间电荷的迁移所需时间越长，可能会有更多的电荷驻留。相关文献表明，厚试样中陷阱含量可能更多，从而导致更多的空间电荷入陷，增强了空间电荷效应[21]。

3.2 电荷运动与击穿特性的联系

空间电荷在复合绝缘介质的击穿过程中起着重要作用，以往的经典击穿理论包括电荷的注入抽出理论、热电子理论和光降解理论[22]。G BLAISE等[23]的击穿模型从空间电荷储能的角度对击穿做出解释，在某一电场作用下油纸绝缘内部会产生空间电荷，外施场强增加或温度升高等原因会造成空间电荷脱离陷阱，大量入陷电荷在短时间内脱陷，释放能量增加，破坏分子链，从而造成绝缘击穿。

在温度作用下，经过直流预压后，油纸绝缘中空间电荷的二次效应与直流电气强度密切相关。LAN L等[24]发现温度升高会促进电荷的热运动，使深陷阱中的空间电荷逸出，增加电荷迁移率。钱凯羽等[21]认为聚合物绝缘击穿与空间电荷的脱陷有关，试样内部空间电荷越多，脱陷时释放的能量越大，从而使直流电气强度降低。

载流子的迁移率是研究空间电荷积聚和消散演变过程的重要参数。在极化过程中空间电荷不断积聚，撤去电压后在去极化的过程中，试样内部的空间电荷不断衰减，其衰减速率与载流子迁移率密切相关[25]，根据去极化过程中试样内部空间电荷的变化情况，可以计算出载流子迁移率，其计算公式如式（1）所示[26-27]。

式（1）中：ε为试样的介电常数，F/m；q(t)为t时刻净空间电荷绝对值的平均密度；q′(t)为t时刻净空间电荷平均密度，q′(t)=q+(t)-q-(t)，q+(t)、q-(t)分别为试样正、负极性电荷的平均密度，C/m3。

为进一步分析运行温度下直流预压对油纸绝缘击穿特性的影响。通过电声脉冲法空间电荷测量系统，测量经过预压之后的油纸绝缘在撤去电压过程中的载流子迁移率[28]。为了便于对比，油纸绝缘载流子迁移率测试条件与预压击穿实验一致，即在不同温度下施加电场（-20 kV/mm），直流预压20 min，撤去电压后测量油纸绝缘内部空间电荷的消散特性，进而计算出载流子迁移率。

图5为250 μm油纸绝缘在不同温度下撤去电压后的载流子迁移率，横坐标表示撤去电压时间，纵坐标表示载流子迁移率。从图5可以看出，在撤去电压后的去极化过程中，250 μm油纸绝缘在不同温度下的载流子迁移率变化曲线在总体趋势上类似，主要差异体现在去极化初期(0～200 s)，70℃下的载流子迁移率明显高于30℃，在去极化末期逐渐趋于平稳。

图5 250 μm油纸绝缘在不同温度下去极化过程中的载流子迁移率Fig.5 Carrier mobility of 250 μm oil-paper insulation during depolarization at different temperatures

图6为500 μm油纸绝缘在不同温度下撤去电压后的载流子迁移率。根据图6中500 μm油纸绝缘的载流子迁移率曲线，可以得出与250 μm油纸绝缘相同的结论，即70℃下油纸绝缘具有更大的载流子迁移率，有利于空间电荷的快速脱陷和消散。

图6 500 μm油纸绝缘在不同温度下去极化过程中的载流子迁移率Fig.6 Carrier mobility of 500 μm oil-paper insulation during depolarization at different temperatures

由上述实验结果可知，温度对油纸绝缘击穿特性有着重要的影响，不同温度下影响击穿的机制各不相同[29]。HUANG M等[30]认为油纸绝缘在0～90℃内发生的是热击穿或者电热联合击穿，载流子迁移率对直流击穿特性有较大影响，当迁移率较高时，电荷移动产生能量会导致绝缘击穿。

结合载流子迁移率测量结果可以看出，运行温度下，温度对空间电荷的二次效应与直流预压击穿特性关系密切。首先在运行温度下，载流子迁移率更大，使空间电荷脱陷的概率增大，从而加速了电荷脱陷，释放的能量增多。其次，温度升高，使油纸绝缘内部注入电荷数量增加，进一步增加了电荷脱陷时释放的能量[20]。最后，运行温度下的击穿特性还与自由体积击穿、热击穿等机制有关。根据自由体积击穿理论，温度升高会增大试样内部的自由体积，电子的平均自由行程增大，能够积累更多的动能，从而撞击分子链，促进微孔、裂纹和纤维断裂的发展，导致电气强度降低[31]。热击穿理论中由于温度的升高也使得内部热量积累，电流连续增加，从而导致电气强度降低[32]。

另一方面30℃时油纸绝缘中的载流子迁移率较低，使得碰撞电离和倍增过程难以形成[33]。综合两方面的影响因素，最终使得70℃时的直流预压电气强度低于30℃。此结论也进一步解释说明了3.1中温度对预压后的油纸绝缘击穿特性的影响更加显著的结果。

综上所述，直流预压引起的同极性电荷效应和温度对空间电荷的二次效应严重影响直流击穿特性。同极性电荷效应可以解释油纸绝缘预压电气强度的一些实验现象，但并非唯一的影响因素。直流预压下空间电荷的二次效应受温度的影响较大，且与油纸绝缘的击穿特性密切相关。

另外，根据实验结果发现，油纸绝缘的直流预压电气强度还与厚度有关，研究表明厚度效应与空间电荷的迁移和消散过程有关[34]。由于受实验条件和研究手段的限制，更多厚度下直流预压对击穿特性的影响规律还需进一步研究。

4 结论

（1）在常温（30 ℃）下，250 μm和500 μm油纸绝缘的预压电气强度提升率均在10%以上，但在运行温度（70℃）下，直流预压击穿强度的提升率均低于常温下的提升率。这说明同极性电荷效应仅仅是影响预压击穿特性的一个因素，运行温度严重影响油纸绝缘的预压击穿特性。

（2）温度从30℃升高到70℃时，对比未经预压处理的油纸绝缘，经过直流预压后的油纸绝缘电气强度下降明显。说明在运行温度下，油纸绝缘的击穿特性不仅与自由体积击穿和电热击穿有关，还受到温度对空间电荷二次效应的影响。即在运行温度下，电荷注入量增加，载流子迁移率更大，导致电荷脱陷概率增加，电荷脱陷时释放能量增多，造成油纸绝缘直流预压电气强度降低。