刘青松 邓军 张良 王奇 陈庆国 池明赫

摘 要：为研究水分对油纸绝缘复合电场击穿特性的影响，文章利用试验方法得到了得到了不同含水率下浸油纸板的介电特性、电导特性、介质损耗特性、击穿特性以及油纸组合绝缘的击穿特性。研究结果显示，水分增多将降低油浸纸板电阻率，同时增加介电常数和介损，油浸纸板的击穿电压随水分增加存在峰值，峰值随外施电压中交流含量的增加向高含水区移动，而油纸复合绝缘击穿电压随纸板中水分增加呈下降趋势。为分析油浸纸板和油纸组合绝缘击穿电压随水分增加变化差异的原因，对浸油纸板的微观结构进行了观察，分析结果表明油浸纸板可以看成是尺寸极小的油-纸所组成的复合绝缘结构。在油浸纸板试样中，由于油和纸的体积分数较为接近，水分对二者均产生了影响;在油纸组合绝缘中，由于油浸纸板和油的体积相差较多，水分主要对油浸纸板绝缘特性产生影响。由二者对比可知油纸组合绝缘中油浸纸板的特性对整体绝缘起着至关重要的作用，尤其在直流分量较高时。

关键词：换流变压器; 油浸纸板; 水分; 电导特性; 击穿

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.006

中图分类号： TM855

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）05-0040-07

收稿日期： 2018-07-11

Abstract：In order to study the effect of moisture on breakdown characteristics of oil-paper insulation in complex electric field， this paper obtains the dielectric constant characteristics， conductive characteristics， dielectric loss characteristic and breakdown characteristics of oil-impregnated pressboard and breakdown characteristics of oil-paper insulation via experiments. The result shows that the growth of moisture decreases the resistivity of oil-impregnated pressboard， increases the relative dielectric constant and dielectric dissipation factor. There is a breakdown peak of oil-impregnated pressboard moving with the moisture， which goes to the high moisture area with the AC content increasing in applied voltage. But the breakdown voltage goes down directly in oil-paper insulation. To anlyze the reason which results in the difference between the two insulation structures， the micro structure of oil-impregnated pressboard was boserved. The result shows that the oil-impregnated pressboard can be equaled to a tiny oil-paper insulation. In oil-impregnated pressboard the moisture affects both the paper and the oil for the volumes of paper and oil are similar. But in the oil-paper insulation the moisture mainly affects the paper for the huge gap between the paper and oil. Comparing the breakdown voltage between oil-impregnated pressboard and oil-paper insulation， it can be infered that in oil-paper insulation the paper in more important， especially wiht the high DC content.

Keywords：converter transformer; oil-impregnated pressboard; moisture; conduction; breakdown

0 引 言

換流变压器是直流输电系统中的关键设备，其可靠性对直流电网的稳定性具有重要意义[1-3]。换流变压器主绝缘在工况下要承受强脉动直流电压[4-5]。工程上可将其视为交流电压与直流电压相叠加的结果[6]。交流下电场按照容性分布，而直流下电场按照阻性分布[7-8]。传统交流变压器中绝缘纸板主要起分隔油隙的作用，绝缘的主要介质为变压器油;在换流变压器阀侧主绝缘中纸板承受了很高的直流电压，此时纸板成为影响变压器绝缘的主要介质[9]。在换流变压器运行中随油纸绝缘的老化水分将增加，并且在换流变投运前可能由于存放时间过长或者运输过程中密封不良等问题出现绕组绝缘受潮的情况。因此对换流变压器油浸纸在不同含水率下的介电特性进行研究具有非常重要的工程意义。

以往研究主要针对油纸复合绝缘在水分影响下的老化[10]、空间电荷[11]及击穿特性[12-18]。有部分学者针对水分影响下油纸绝缘电气参数特性及其对电场分布的影响进行了相关研究[19-21]。研究结果表明，水分提高了油纸绝缘间夹层介质界面极化强度和响应速度，在直流电场中对油纸绝缘空间电荷分布影响较大，导致油浸纸板的击穿电压和电阻率下降，加快油纸绝缘的老化速度，增加油中酸值[22-23]。但关于水分对油浸绝缘纸板电气参数的影响以及该参数与其绝缘性能的研究鲜有详细报道。因此，造成設备制造及运行部门在投运前无法对变压器绝缘状况进行准确评估，对变压器的投运造成了干扰。

为此本文对不同含水率下绝缘纸板电阻率、介电常数、介质损耗因数以及复合电场击穿电压进行测试，得到不同含水率下油浸纸板绝缘特性，为换流变压器用油浸纸板的绝缘状态评估奠定基础。

1 试验平台

1.1 试样预处理

不同含水率的油浸纸板试样制取方法为将预处理后的干燥油浸纸板放入相对湿度较大的恒温恒湿箱中，定期取出。

参照国标GB 10580-89对绝缘纸板进行了预处理，处理过程如图1。经真空干燥、浸油后进行检测。浸油后的纸板按电力行业标准《DL 449-1991》进行检测，含水量小于4‰视为合格。变压器油采用昆仑45#变压器油。参照国标《GB 2536-90》进行预处理，处理后需满足如下要求：①按《SHT 0207-1992》测量，含水率小于10mg/kg;②按《GB/T 507-2002》测量，击穿电压大于55kV;③按《GB 5654-1985》测量，90 ℃、2kV条件下介损小于4‰，预处理流程见图2[24]。

1.2 交直流叠加电压表述

击穿试验所用交直流叠加电压波形如图4所示。为表述方便，将交直流叠加电压中的交流含量定义如下：

2 试验结果

2.1 油浸纸板电阻率

图5表明，含水率增加将导致油浸纸板体积电阻率呈指数规律降低，其中当含水量较低时浸油纸板的电阻率下降速度较快;随含水率升高，电阻率变化速度放缓，最终趋于平缓。对比各曲线可知，含水量相同的浸油纸板在不同温度下电阻率差别明显，含水率越低差别越大。

2.2 油浸纸板相对介电常数

2.3 油浸纸板介质损耗因数

工程用变压器油中的水会溶解变压器油中的电解质，导致水的电导率很大，因此水分增加，将导致油浸纸板电导率增加，进一步增大了电导损耗，同时水分也会增加极化分子数目，导致极化损耗增大[25]。

2.4 油浸纸板击穿电压

由图8可见，含水量增加，交流击穿电压基本不变，交直流叠加电压和直流电压下的油浸纸板击穿电压均呈先增后减趋势，峰值对应的含水率随交流含量变化而移动。

图9表明，含水量较低时油浸纸板击穿电压随交流含量增加而下降。但当含水量较高时纸板击穿电压随交流含量上升而先升后降，击穿电压的变化幅值比低含水量的小很多。

在交流电场下不同含水量的油浸纸板击穿电压几乎相等;而交直流叠加电压下不同含水量的浸油纸板击穿电压随交流含量降低而逐渐增大，当交流含量降至零时，各含水量的油浸纸板击穿电压差别最大。

2.5 油纸组合绝缘击穿电压

取含水质量分数分别为0.2%、0.6%、1.2%、1.8%、2.5%的油浸纸板和10ppm左右的变压器油组成8mm的油纸组合绝缘，击穿电压与含水率关系如下图所示。

3 试验结果分析与讨论

油浸纸板可看成是由多个纤维素间隔及被其隔成的极小油隙组成的油纸组合绝缘，油浸纸板在电子显微镜下的形貌如图11所示。

在交流电场作用下，油纸组合绝缘的击穿电压主要由变压器油决定，而变压器油被木质纤维间隔为许多极小的油隙，根据变压器油的体积效应，体积较小的变压器油单位体积所能承受的电压较高，也因此交流电压下浸油纸板的击穿场强高于变压器油[12]。

因此，对应图8所示的浸油纸板击穿实验中也可将油浸纸板视为小尺度上的油纸组合绝缘。当交流含量高时，变压器油中的电场较大，变压器油主要决定了油纸组合绝缘的击穿电压。而水分子主要因毛细效应吸附于纤维等固体物质表面，变压器油所受影响较小，因此含水率对交流电场下油浸纸板的击穿电压影响较小。当交流分量降低，油中场强下降同时纤维中场强上升。由于木质纤维击穿场强较高，所以随交流含量降低油浸纸板的击穿场强升高。

同时，由于水分子吸附在纤维表面，降低了纤维的绝缘性能，因此在交流含量较低时油浸纸板的击穿电压受水分影响较为明显;极端情况下，当交流含量降至0，电场主要集中在纤维中，当水分对纤维的击穿强度影响较大时，油浸纸板的击穿电压将降低，与高含水量的浸油纸板击穿电压随交流分量上升而出现峰值的现象相吻合。

交直流叠加电场下，当含水量升高，纸板中纤维吸附的水增多，电阻率下降，因此所受电场强度中直流分量下降而油中场强直流分量上升，可见纤维和变压器油中电场强度受含水量影响;同时，二者的耐电强度也受水分影响。当两种介质所受场强之比等于其击穿场强之比时，浸油纸板的击穿电压将出现极大值。并且，两种介质中电场强度还与交流分量有关，所以不同交流含量电压下击穿最大值对应的含水量也不同。

可见，含水量及交流含量对纤维和变压器油场强分布的影响，以及含水量和交流含量对纤维和变压器油击穿特性的影响，共同决定了油浸纸板的击穿电压。

将以上规律在尺度上放大，得到不同含水率的油纸组合绝缘击穿电压随交流含量的变化趋势，如图12所示。

由图12可见，不同含水率下，油纸组合绝缘击穿电压均随交流分量的增加呈先升后降的趋势。但含水率越高直流交流分量越低的电压下击穿电压下降的越明显。

与前文影响机制相似：在油纸组合绝缘结构中，电压是由变压器油和浸油纸板共同承担的。直流电场下场强分布与电阻率成正比，而交流场强与介电常数成反比;变压器油与纸板的介电常数和电阻率的相差较大，故直流分量主要由绝缘纸板承担;交流分量主要由变压器油承担。在直流电压下，油浸纸板的了油纸组合绝缘的整体击穿电压;当外施电压中含交流分量时，变压器油会承担主要的交流分量，二者分担了交直流电压下的交直流分量，因此油纸组合绝缘的击穿电压呈增大的趋势。但此趋势不会一直保持下去，当外施电压中交流分量上升到一定值，变压器油中的场强將超过其击穿值，由于绝缘纸板的击穿场强比变压器油高很多，所以变压器油会先击穿，进而将外施电压全部施加在油浸纸板上，导致绝缘纸板也跟着击穿，最终致使油纸组合绝缘结构的整体击穿。

4 结 论

本文通过对不同含水率的浸油纸板进行电导率、介电常数、介质损耗因数、击穿特性以及由其组成的油纸组合绝缘击穿特性进行试验研究，得出以下结论：

1）水分增多将降低油浸纸板电阻率，同时增加介电常数和介损，油浸纸板的击穿电压随水分增加存在峰值，峰值随外施电压中交流含量的增加向高含水区移动，而油纸复合绝缘击穿电压随纸板中水分增加呈下降趋势。

2）油纸组合绝缘中油浸纸板的特性对整体绝缘起着至关重要的作用，尤其在直流分量较高时。

参 考 文 献：

[1] GUAN Zhicheng，ZHANG Fuzeng，WANG Guoli，et al.Challenge of Ultra High Voltage Transmission Technology in China[R].Beijing，China：ISH，2005.

[2] 国家电网公司. 2008年国家电网公司变压器类设备专业总结报告[R].中国电力科学研究院， 北京， 2009.

[3] 刘文里， 唐宇， 李赢，等. 电力变压器高压绕组辐向稳定性评估[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2016， 21（4）：90.

LIU Wenli，TANG Yu，LI Ying，et al.Assessment of Radial Stability of Power Transformer High Voltage Winding[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2012，17（2）：76.

[4] 孙建锋，葛睿，郑力， 等. 2010年国家电网安全运行情况分析[J]. 中国电力， 2010， 44（5）：1.

SUN Jianfeng， GE Rui， ZHENG Li，et al. Analysis of State Grid Security Operation in 2010[J]. ELECTRIC POWER， 2010， 44（5）：1.

[5] HASEGAWA T，YAMAJI K.Dielectric Strength of Transformer Insulation at DC Polarity Reversal[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（7）：1526.

[6] TULASI Ram S S，KAMARAJU V，SINGH B P.Flashover Behavior of Converter Transformer Insulation Subjected to Superimposed AC and DC Voltages[C]//IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.Ontario，Canada：IEEE，1994：810.

[7] 张沛红， 单涛， 时亚娟，等. 变压器端部绝缘结构参数化设计及电场分析[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2012， 17（2）：76.

ZHANG Peihong，SHAN Tao，SHI Yajuan，et al.Parametric Design of Insulation Structure and Analysis of the Electric Field at Winding End of Transformer[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2012，17（2）：76.

[8] WEN K C，ZHOU Y B，FU J，et al.A Calculation Method and Some Features of Transient Field Under Polarity Reversal Voltage in HVDC Insulation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（1）：223.

[9] 刘泽洪，郭贤珊.特高压变压器绝缘结构[J].高电压技术，2010，36（1）：7.

LIU Hongze，GUO Xianshun.Insulation Structure of UHV Power Transformer[J].High Voltage Engineering，2010，36（1）：7.

[10]唐超，廖瑞金，黄飞龙，等.电力变压器绝缘纸热老化的击穿电压特性[J]. 电工技术学报， 2010， 25（11）： 1.

TANG Chao， LIAO Ruijin， HUANG Feilong， et al. The Breakdown Voltage of Power Transformer Insulation Paper After Thermal Aging[J]. TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY， 2010， 25（11）： 1.

[11]周遠翔， 孙清华， 李光范，等. 空间电荷对油纸绝缘击穿和沿面闪络的影响[J]. 电工技术学报， 2011， 26（2）：27.

ZHOU Yuanxiang，SUN Qinghua，LI Guangfan，et al.Effects of Space Charge on Breakdown and Creeping Discharge of Oil-Paper Insulation[J]. TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY， 2011， 26（2）： 27.

[12]陈庆国; 池明赫; 高源， 等. 复合电场下油纸（板）绝缘击穿特性及其数学模型[J]. 中国电机工程学报， 2013，33（31）：170.

CHEN Qingguo， CHI Minghe， GAO Yuan， et al.Breakdown Characteristics and Its Mathematical Model of the Oil-Pressboard Insulation under Compound Electric Field[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33（31）：170.

[13]TAKAHASHI E，TSUTSUMI Y，OKUYAMA K，et al.Partial Discharge Characteristics of Oil-immersed Insulation Systems Under DC， Combined AC-DC and DC Reversed Polarity Voltage[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1976，PAS-95（1）：411.

[14]张秋也， 朱学成， 高自伟，等. 温度对油、纸介电参数及复合电场分布的影响[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2015， 20（6）：59.

ZHANG Qiuye，ZHU Xuecheng，GAO Ziwei，et al.Influence of Temperature on Dielectric Parameters of Oil & pressboard and the Electric Field Distribution of Oil-paper Insulation Under Compound Voltage[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2015，20（6）：59.

[15]International Electrotechnical Commission. IEC60270. High Voltage Test Techniques-partial Discharge Measurements[S]. Switzerland. IEC Publication， 2000.12.1

[16]朱宝森， 聂洪岩， 王永红，等. 极性反转电压下油纸绝缘电场分布的影响因素[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2011， 16（1）：85.

ZHU Baosen，NIE Hongyan，WANGg Yonghong， et al.The Influencing Factors of the Electric Field Distribution in Oil-cardboard Insulation under the Polarity Reversed Voltag[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2011，16（1）：85.

[17]王飞风， 张沛红， 高铭泽. 纳米碳化硅/硅橡胶复合物介电性研究[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2015， 20（3）：82.

WANG Feifeng，ZHANG Peihong，GAO Mingze， et al. Research on the Dielectric Characteristics of Nano-SiC/Silicone Rubber Composites[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2015，20（3）：82.

[18]王辉， 李成榕， 贺惠民， 等. 温度对油纸绝缘沿面放电发展过程的影响[J]. 高电压技术， 2010， 36（4）： 884.

WANG Hui， LI Chengrong， HE Huimin， et al. Influence of Temperature on Developing Processes of Surface Discharges in Oil-paper Insulation[J]. High Voltage Engineering，2010， 36（4）： 884.

[19]王正伟， 赵大伟， 杨嘉祥，等. 阶跃电压下液体电介质击穿过程数值分析[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2014， 19（3）：80.

WANG Zhengwei，ZHAO Dawei，YANG Jiaxiang，et al.Numerical Analysis of Liquid Dielectric Breakdown Process Applied in Step Voltage[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2014，19（3）：80.

[20]张明泽， 赵东旭， 黄玲，等. 变压器油纸绝缘含水量的介电响应测量方法[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2016， 21（2）：84.

ZHANG Mingze，ZHAO Dongxu，HUANG Ling，et al.Dielectric Response Measuring Method on Moisture Content of Oil-Paper Insulation in Transformer[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2016，21（2）：84.

[21]DU Y.， ZAHN M.， LESIEUTRE B. C.， et al. Moisture Equilibrium in Transformer Paper-oil Systems[J].IEEE Electric Insulation Magazine， 1999，15（1）：11.

[22]陈庆国， 池明赫， 王刚， 等. 含水率对复合电场下油纸绝缘电场分布的影响[J]. 电机与控制学报， 2013， 17（7）：54.

CHEN Qingguo， CHI Minghe， WANG Gang， et al.Moisture Influence on the Electric Field Distribution of Oil-pressboard Insulation Under Compound Electric Field[J]. ELECTRIC MACHINES AND CONTROL， 2013， 17（7）：54.

[23]廖瑞金，周之，郝建，等.水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性[J]. 高电压技术， 2012， 38（10）： 2647.

LIAO Ruijin， ZHOU Zhi， HAO Jian， et al. Space Charge Characteristics of Oil Immersed Paper Under Moisture and Temperature Effect[J].High Voltage Engineering， 2012， 38（10）： 2647.

[24]刘海丽. 含水率对复合电场下油纸绝缘介电性能影响的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2014.

LIU Haili. Study of Moisture Content Influence on the Dielectric Properties of Oil-pressboard Insulation under Compound Voltage[D]. Harbin University of Science and Technology， 2014.

[25]王剛. 含水率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， 2013.

（编辑：温泽宇）