特高压换流变压器油纸绝缘交直流击穿特性及选型
2024-06-17 15:42:32 来源：工厂展示
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆市 沙坪坝区 400044
廖瑞金(1963),男,通信作者,教授,博士生导师,长江学者奖励计划特聘教授,主要是做电气设备绝缘在线监测与故障诊断研究和高电压测试技术工作,E-mail：
作为特高压直流系统的核心设备,特高压换流变压器的国产化对我国特高压直流技术的发展具备极其重大的推动作用。针对特高压换流变压器的实际运行工况,基于不同油纸组合交直流击穿特性,对其油纸选型进行研究。试验根据结果得出：绝缘油的击穿电压随交流分量的降低而缓慢下降;油纸绝缘的击穿场强随着交流分量的降低而快速上升;油纸绝缘的性能主要由绝缘纸决定,绝缘油对油纸绝缘强度影响较小。从特高压换流变压器网侧与阀侧出发,同时考虑交流、直流电压在油纸复合绝缘中的分布特点,分析油纸选型需要仔细考虑的因素,根据实验结果,最终得到KI-50X绝缘油与魏德曼DPE绝缘纸为最佳油纸组合。研究结果可为特高压换流变压器的制造提供有关数据参考。
我国一次能源基地和用电负荷中心呈现“逆向分布”的特点,煤炭、水能、陆地风能主要分布在西部以及西北部地区;而2/3以上的能源需求集中在北上广等沿海地区,二者相距甚远,这就迫切地需要电力资源实现经济高效的大规模输送及大范围消纳。建设特高压电网,就是为实现大规模、远距离、高效的电力输送以及安全的能源供应[1-7]。
换流变压器是直流输电系统的关键设备之一,其运行的可靠性直接影响着直流系统的安全运行。换流变压器的结构和性能虽与普通电力变压器不一样,但绝缘油、纸仍是换流变压器最主要的在允许电压下不导电的材料[8]。换流变压器运行温度比普通电力变压器高,其阀侧油纸绝缘承受着交直流复合电压的作用,因此换流变压器需要绝缘油、纸具备优秀能力的抗老化性能、较高的绝缘强度以及绝缘油具备优秀能力的散热性能。
目前国内外学者对换流变压器的研究大多分布在在油纸空间电荷[9-10]、换流变压器阀侧绝缘结构电场仿线]、油纸绝缘的复合电压击穿特性[17-20]。哈尔滨理工大学(简称哈理工)对油纸复合绝缘的击穿特性做了深入的研究,得到绝缘油隙的击穿电压不随交直流电压比例的变化而变化,其击穿电压与电压峰值有关,对于油纸绝缘,其击穿电压随着交流分量的降低呈现先快速上升再缓慢降低的变化趋势。此外哈理工还探究了不一样的温度下油纸绝缘复合电压的击穿特性,发现油纸绝缘击穿场强随温度的上升呈现先上升再降低的变化规律。重庆大学李剑[21]对不一样的温度下绝缘纸板交流、直流、脉动电压的击穿特性研究之后发现,油浸纸板在脉动电压作用下的击穿特性与直流类似;温度对直流击穿电压的影响远大于交流;直流击穿电压随着温度的上升呈线性下降的变化趋势。国外学者Y. Ebisawa[22]通过模拟换流变压器阀侧绝缘结构,研究之后发现在直流电压的作用下,绝缘破坏发生在油纸复合绝缘的分界面。目前国内特高压换流变压器的制造技术仍处于起步阶段,为推动国产特高压换流变压器的制造,本文在基于前期市场调查与研究的基础上,如表1所示,初步确定可用绝缘油、纸类型,本文将不同绝缘油、纸两两组合,深入分析不同组合的复合电压击穿特性,为特高压换流变压器的油纸选型工作提供有关数据参考。
Tab. 1 Current market insulation production
Tab. 2 Different insulation compositions expressed by alphabet
对实验样品进行预处理,步骤如下：1）裁剪大量绝缘纸试样,绝缘纸样品为40×40mm;2）将不一样的种类绝缘纸样品分别装入烧杯内,置于线h,使绝缘纸水分含量低于0.5%;3）将绝缘油放入90℃/50Pa的干燥箱中进行脱气干燥48h;4）绝缘纸干燥完毕后,设置干燥箱温度为40℃,并在40℃的温度下,分别向烧杯中加入脱气干燥后的KI-50X、S4 ZX-I、Nytro-10XN绝缘油并在50Pa线h后冷却至室温,密封保存并立即开展后续试验。
根据特高压换流变压器的设计的基本要求,本文试验交直流电压比例选择为1:1,1:3,1:5,1:7,其中交流分量为交流峰值电压,并通过交流分量电压分数表述其交直流电压参数。
Fig. 1 Breakdown test platform of AC/DC
油纸交直流击穿试验参照GB/T 1408—2006进行,交流升压速率为500V/s,直流升压速率为2kV/s,交流与直流按预先设定比例匀速上升直到样品被击穿,每个试验点至少击穿10个样品,取其平均值。绝缘纸的击穿电极如
Fig. 2 Test electrode of breakdown voltage
绝缘油击穿试验参照GB/T507—1986《绝缘油介电强度测定法》进行。击穿平台仍采用交直流电源平台,电极采用平板圆形电极,电极直径为25mm,厚度为6mm,考虑到绝缘油性能以及设备条件,选取电极间距为2mm。交流以及直流升压速率均为2kV/s,均匀升压直到绝缘被击穿,每次击穿后采取了自动磁振子搅拌90s,再静置10min,而后开始第2次测试,每个试验进行6次测量,最后取中值。
油中含水量影响绝缘油的击穿特性,因此本文分别测试了3种绝缘油干燥前后的含水量。绝缘油的含水量如
所示,3种绝缘油的初始水分含量相似,均在28mg/L左右,经过脱气干燥后,2种矿物绝缘油(KI-50X、Nytro-10XN)的水分含量降到10mg/L以下,而天然气制绝缘油(S4 ZX-I)不易脱水,经过相同干燥处理后,其水分含量只降到14.3mg/L。
Tab. 3 Moisture content of insulation oil before and after dried
为绝缘油复合电压击穿特性,能够获得3种绝缘油随着交流分量的降低,击穿电压均具有相同的变化规律,图中绝缘油的击穿电压随交流分量的降低而缓慢下降,当交流分量为0时,绝缘油的击穿电压达到最低值;绝缘油的交流击穿电压与直流击穿电压较为接近,哈理工王永红也得到类似的结论
Fig. 3 Peak breakdown voltage of oil
Fig. 4 Same insulation paper impregnated with different kinds of insulation oils breakdown strength of different oil-paper
表示3种绝缘纸浸渍相同绝缘油的复合电压击穿特性,(a)、(b)、(c)分别表示KI-50X、S4 ZX-I、Nytro-10XN绝缘油所构成的油纸组合。图中所有油纸组合的复合电压击穿特性均具有类似的变化规律,即击穿场强随交流分量电压的降低,呈现快速增大的变化规律。在低交流分量电压作用下,不一样的种类绝缘纸的复合击穿场强呈现较大差异,其中魏德曼绝缘纸的绝缘强度明显优于明士克以及普通牛皮绝缘纸。
可知,绝缘纸性能对油纸复合绝缘的绝缘强度提升远大于绝缘油的提升效果,当不一样的种类绝缘纸浸渍相同绝缘油时,魏德曼绝缘纸的绝缘强度明显优于明士克以及普通绝缘纸;当不一样的种类绝缘油浸渍相同绝缘纸时,S4 ZX-I所浸渍绝缘纸的绝缘强度要略微高于KI-50X与Nytro-10XN。表明绝缘纸是决定油纸复合绝缘系统绝缘性能的关键。
Fig. 5 Different kinds of insulation papers impregnated with the same insulation oil breakdown strength of different oil-paper
在复合电压的作用下,交流分量在油纸复合绝缘中呈容性分布,即${{E}_{1}}/{{E}_{2}}={{\varepsilon }_{2}}/{{\varepsilon }_{1}}$,绝缘纸的相对介电常数在3.4~4.4之间,而绝缘油相对介电常数约为2.2,因此在交流电压作用下,绝缘油中的电场强度约为绝缘纸的1.5倍左右;直流分量在油纸复合绝缘中呈阻性分布,即${{E}_{1}}/{{E}_{2}}={{\rho }_{1}}/{{\rho }_{2}}$,其中绝缘纸的电阻率比绝缘油高2个数量级左右
,因此直流电压主要由绝缘纸承担。绝缘纸在经过真空浸油后,纤维之间的空气间隙被绝缘油所填充,排除了绝缘强度较低的空气“气隙”,使之变成了绝缘强度较高的“油隙”,从而构成了高绝缘强度的油纸复合绝缘。在外加电场的作用下,绝缘破坏发生在油纸复合绝缘的薄弱环节。当外施电压为交流电压时,油纸复合绝缘中“油隙”电场强度较大,在交流电压的作用下,“油隙”的电场强度易于达到其临界击穿场强。在直流电压的作用下,油纸复合绝缘中的绝缘纸承受的电场强度远大于“油隙”,因此在较大直流电压的作用下,“油隙”的电场强度才达到其临界击穿场强。由于交、直流电压在油纸复合绝缘中分布不同,油纸复合绝缘的直流击穿场强远大于交流击穿场强,因此复合电压作用时,油纸复合绝缘的击穿场强随着交流分量的降低呈现快速上升的变化趋势。
换流变压器正常运行时,网侧油纸绝缘承受交流电压的作用,阀侧油纸绝缘承受交直流叠加电压的作用。交流电压在油纸绝缘中呈容性分布,即交流电压主要由绝缘油承担。因此针对特高压换流变压器油纸选型,从网侧选型考虑,应着重考虑绝缘油的绝缘性能,选择具有较高交流绝缘强度的绝缘油。
Tab. 4 Breakdown voltage of insulation oil
Tab. 4 Breakdown voltage of insulation oil
对于特高压换流变压器,阀侧油纸绝缘承受着较高直流分量的复合电压作用。直流电压在油纸绝缘中呈阻性分布,即直流电压主要由绝缘纸承担。对于特高压换流变压器,单桥数为4时,阀侧交直流电压比例为1:7,绝缘纸承受的直流分量电压较大,因此为提高特高压换流变压器绝缘裕度,需要绝缘纸具有较高的绝缘强度。
Tab. 5 Breakdown voltage of oil-impregnated paper under the AC/DC equal to 1:7 voltages
换流变压器运行工况复杂,运行温度比普通变压器高10~20℃,且阀侧承受复合电压的作用,因此为满足换流变压器的散热条件以及绝缘性能,需要绝缘油、纸具有以下性能：1）低粘度,使换流变压器拥有非常良好的散热性能;2）高绝缘强度,提供充足的绝缘裕度。绝缘油的散热性能与黏度成反比,即黏度越低,绝缘油的散热性能越好。较低的黏度能快速带走换流变压器内部热量,以此来降低换流变压器运行温度,延缓油纸绝缘老化速率,提高油纸绝缘老化寿命,进而提高换流变压器的运行可靠性,因此绝缘油的散热性能对换流变压器的安全运行有着至关重要的影响。
所示,3种绝缘油的黏度远低于KI-25X绝缘油,其中KI-50X的黏度最低,从散热性能上考虑,KI-50X为最佳的选择。
由于变压器体积与电压等级成3次方的关系,因此特高压换流变压器的体积将空前巨大。然而变压器的制造要考虑运输条件,因此就需要油纸绝缘具备优秀能力的绝缘性能,一方面满足特高压换流变压器苛刻的绝缘条件,另一方面在提供相同绝缘裕度的前提下,适度缩小换流变压器体积。综上所述,从散热条件以及绝缘强度考虑,绝缘油的最优选择为KI-50X,绝缘纸的最优选择为魏德曼DPE绝缘纸。
2）油浸纸的绝缘性能主要由绝缘纸决定,绝缘油对油浸纸绝缘强度的影响相较于绝缘纸可忽略不计。
3）根据实验结果,KI-50X绝缘油与魏德曼DPE绝缘纸具有最佳的绝缘性能。
特高压换流变压器绝缘特性研究[D].保定:华北电力大学,2012.[9]唐超.
油纸绝缘介质的直流空间电荷特性研究[D].重庆:重庆大学,2010.[10]Tang
大型换流变压器的电场分析与绝缘结构改进的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2013.[15]李岩,
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温度对换流变压器油纸绝缘击穿特性影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2011.[18]王永红.
换流变压器油纸绝缘击穿特性[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2013.[19]沙彦超,
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