溫度對交直流疊加電場下油紙絕緣油流帶電的影響

陳慶國 董振鵬 林林 池明赫 王金龍 魏新勞

摘 要：為研究溫度對疊加電場作用下油紙絕緣油流帶電特性的影響，在實驗室搭建了平板電極結構的典型換流變壓器油紙絕緣模型，利用密閉油循環系統進行了疊加電場下油流帶電的試驗研究，并建立了油紙絕緣油流帶電模型對試驗結果進行理論分析。試驗結果表明：溫度對油紙絕緣沖流電流有較大的影響，隨溫度的升高沖流電流呈先增大后減小的趨勢。理論分析表明：在較低溫度下沖流電流與紙中負離子遷移速度有關；在較高溫度下沖流電流大小不僅取決于紙中負離子遷移速度，同時還與接地電極處正離子泄放速度有關。溫度通過影響絕緣紙電導率、變壓器油電導率以及變壓器油粘度而影響油流帶電特性。

關鍵詞：換流變壓器；交直流疊加電壓；油紙絕緣；油流帶電；離子遷移

中圖分類號：TM 411

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）05-0035-07

Abstract：In order to study the influence of temperature on flow electrification characteristics of oilpaper insulation under the AC superimposed DC electric field， an oilpaper tube model with the typical plane electrode geometry was built in laboratory. Experiment on flow electrification under AC superimposed DC electric field was carried out with the closed oil circulating system， and the oil flow electrification model of oilpaper insulation was built in order to analyze the experiment results. The experiment results show that the temperature has a great effect on oil flow electrification of oilpaper insulation，and the current increases and then decreases with the increase of temperature. The theoretical analysis demonstrates that the streaming current depends on migration rate of the negative ion in paper at low temperature. However， at high temperature， it not only depends on the migration rate of the negative ion in paper， but also is related to the positive ion leakage rate at the grounding electrode. The temperature influences the flow electrification characteristics by affecting the conductivity of insulation paper，the conductivity of transformer oil， and the viscosity of transformer oil.

Keywords：converter transformer； AC superimposed DC electric field； oilpaper insulation； flow electrification； ion migration

0 引 言

換流變壓器作為直流輸電系統中的關鍵設備，其運行的安全穩定性對于整個系統來說極其重要。隨著對輸電要求的提高，換流變壓器電壓等級隨著提高，絕緣結構更加復雜，變壓器繞組的油流帶電問題也愈加嚴重。油紙復合絕緣是換流變壓器采用主要絕緣結構，其中變壓器油起到絕緣和冷卻的雙重作用[1]。油流帶電指的是循環流動的變壓器油流過絕緣紙及絕緣紙板的表面時由于摩擦、油溫以及水分等因素就會產生電荷分離，使絕緣紙及絕緣紙板帶負電、變壓器油帶正電 [2]。運行中的換流變壓器閥側繞組絕緣因受到交直流疊加電場的作用，所以其油流帶電特性不同于普通交流電力變壓器 [3-12]。

國內外關于疊加電場作用下油紙絕緣的油流帶電特性的研究還沒有廣泛開展，針對油中離子的轉移機理的研究也不多，并且沒有得到統一的結論。H.Miyao、R. M. Radwan、H. Wu 和楊嘉祥等專家均研究了直流電場對油紙絕緣的油流帶電特性的影響[12-15]，為本文研究交直流疊加電場作用下的油流帶電特性提供了參考。I. A.metwally 曾研究過交直流疊加電場對油紙絕緣油流帶電特性的影響[16]，但其研究的溫度范圍較小，不足以全面反映溫度與油流帶電特性的關系。此外，國內很多科研人員也對油紙絕緣方面的問題進行了理論分析和試驗研究，金福寶等在外施交流電場作用下采用變壓器典型并聯油道結構研究了油流溫度和流速等對油流帶電特性的影響，并且在試驗研究的基礎上對相應的仿真模型進行了有限元仿真計算，得出了油道內部的電場分布[17]。于欽學等學者對油中帶電離子的產生及其在固體表面的吸附過程進行了研究[18]。池明赫等研究了溫度對復合電場下油紙絕緣中電場分布的影響 [19]，廖瑞金等對油紙絕緣中空間電荷的形成及遷移特性進行了研究[20]，以上研究成果均為本文的研究提供了參考。

本文在實驗室建立了換流變壓器典型平板油紙絕緣模型，進行了交直流疊加電場下油流帶電試驗研究和理論分析，以期為特高壓換流變壓器的研究設計以及運行維護提供參考依據。

1 油流帶電試驗系統

實驗室搭建的油流帶電試驗系統的各個組成部分及油流走向如圖1所示。變壓器油在循環泵的作用下從緩沖箱流出，經流量計測速后進入松弛箱，松弛設備會使變壓器油中的原有電荷充分泄放以確保進入油流帶電箱的變壓器油為電中性。變壓器油在流經帶電箱的平板電極模型時會形成電流，之后變壓器油在流經帶有屏蔽的測量箱時微電流表（Keithley 6517A）會對油中電流完成測量，最后變壓器油經溫度控制器后返回緩沖箱待進入下次循環。

油流帶電箱的絕緣模型如圖2所示，電極上、下極由不銹鋼板做成，其外部包繞厚度為0.25 mm的NOMEX絕緣紙層，上下極板間的油隙寬度為5 mm。試驗時上極板為高壓端，下極板為接地端。

在實驗室搭建的交直流疊加電壓發生裝置如圖3所示。直流高壓發生裝置和交流高壓發生裝置的額定輸出均為60 kV/15 mA。試樣的絕緣電阻數值遠大于保護電阻（50 MΩ），所以保護電阻的引入對疊加電壓的測量結果影響很小，求得分壓器對疊加電壓測量的精確度（2%）滿足試驗要求。

試驗電路產生的交直流疊加電壓波形如圖4所示。

在圖4中，U表示交直流疊加電壓的最大值，UDC表示直流電壓分量的幅值。直流電壓分量的占空比為

試驗中λ的可調區間為50%～100%，基本符合換流變壓器的實際運行工況。

2 試驗現象與結果

在電壓幅值U為18 kV、外施交直流疊加電壓的直流分量占空比λ為67%時，試驗得到不同流速下沖流電流隨溫度變化的關系曲線如圖5所示。

如圖5所示，外施交直流疊加電壓作用下沖流電流隨溫度的提高呈先增大后減小趨勢，并且峰值溫度（沖流電流出現峰值時對應的絕緣油溫度）隨流速的提高而增大。

在電壓幅值U為18 kV、油流速度為0.6 m/s時，試驗得到不同直流含量下沖流電流隨溫度變化曲線如圖6所示。

如圖6所示，外施交直流疊加電壓作用下沖流電流隨溫度的提高出現峰值，并且峰值溫度隨直流含量的提高而降低。

3 油流帶電模型及結果分析

3.1 油流帶電理論模型

由于絕緣紙和變壓器油束縛電子的能力不同，界面處變壓器油側電子將會向絕緣紙側轉移，在油紙絕緣界面紙側形成負離子層、變壓器油側形成正離子層。緊貼油紙界面的正離子層稱為緊密層，由于濃度梯度的存在向油中擴散的正離子形成的正離子層稱為擴散層。油紙界面處的離子分布如圖7所示。

結合實際運行換流變壓器絕緣承受電壓的特點，本文試驗中外施交直流疊加電壓中直流含量l的最小值為50%，在此條件下絕緣模型中的電場始終由高壓電極指向接地電極。由于高壓側油紙雙電層中電場方向與外施電場方向相反，絕緣紙中的負離子將在外施電場下向高壓電極移動，移動的負離子形成遷移電流IM。被油流動剝離帶走的正離子由于外施電場的存在會向接地側遷移，能夠遷移至接地電極的離子形成泄露電流IL，被油流帶出絕緣模型的離子形成沖流電流IS，如圖8所示。由此可見，外電場可促使高壓側油紙界面雙電層中的正、負離子遷出界面，當離子離開后界面后流動的變壓器油會在界面產生新的正負離子，為絕緣模型中形成穩定的持續電流創造了條件。而接地電極側油紙絕緣中正、負離子在外施電場下均向油紙界面處遷移，造成油紙界面處正、負電荷的積聚，阻礙了油紙間的電荷轉移和消散，進而抑制了油流帶電的發生[21]。因此，油紙絕緣模型施加正極性直流電壓時，高壓側油紙界面雙電層內離子的產生與消散速度決定了沖流電流的大小。

3.2 試驗結果分析

根據接地電極是否存在泄漏電流，將本文試驗所得的疊加電場作用下沖流電流隨溫度變化關系曲線分為隨溫度的提高而增大（上升階段）和隨溫度的提高而減小（下降階段）兩個階段。

3.2.1 上升階段

由于該階段溫度較低，變壓器油中離子遷移率不高，外施電場下的遷移速度較小，與高溫情況相比較，相同電場強度下油中正離子的遷移距離較小，不足以遷移至接地電極泄放，此時泄露電流IL為零，油中正離子全部被油流帶出絕緣模型形成沖油電流IS，即

通過油流帶電表達式（12）和式（24），并結合對油流帶電機理的分析可以得出：

1）隨著油流速度的提高，油流剝離油、紙界面處雙電層離子的能力加強，沖流電流得到提高。

2）隨著外施電場強度及直流分量的提高，可促使高壓電極側油紙絕緣交界面處雙電層中紙側負離子向高壓電極遷移，正離子向油中遷移，為持續的沖流電流形成創造條件。但過高的外施電場強度將導致正離子在電場作用下向接地電極遷移形成泄漏電流，進而引起沖流電流的降低。

3）溫度通過影響絕緣紙電導率、變壓器油電導率以及變壓器油粘度來改變沖流電流。隨著溫度的升高絕緣紙的電導率升高，導致高壓電極側油紙絕緣交界面處雙電層中紙側負離子向高壓電極遷移率提高，雙電層中的正負離子消散速度加快。同時，溫度升高使變壓器油的粘度降低，更易使雙電層中油側正離子在油流作用下被剝離，導致沖流電流的升高。但溫度的升高也會使雙電層中被剝離的正離子在油中的遷移率提高，使正離子易在電場作用下向接地電極遷移形成泄漏電流，進而導致沖流電流的下降。

4 結 論

本文利用典型平板油紙絕緣結構，對不同溫度下交直流疊加電場作用下油紙絕緣油流帶電特性進行了試驗研究，并得出以下結論：

1）溫度對油紙絕緣油流帶電有顯著影響。溫度的升高會造成絕緣界面處正、負離子的遷移速度的增大，有利于界面處再次生成新的離子，使沖流電流有所提高，但溫度的升高將提高正離子的泄放速度，引起沖流電流的降低。

2）沖流電流隨溫度的提高出現峰值，峰值溫度隨流速的提高而增大；隨交直流疊加電壓中直流分量占空比的提高而降低。

3）溫度通過影響絕緣紙電導率、變壓器油電導率以及變壓器油粘度而影響油流帶電特性。

參 考 文 獻：

[1] 張燕秉，鄭勁，汪德華，等.特高壓直流換流變壓器的研制[J].高電壓技術，2010，36（1）：255.

ZHANG Yanbing， ZHENG Jin， WANG Dehua， et al. Development of UHVDC converter transformer[J]. High Voltage Engineering， 2010，36（1）： 255.

[2] 李忠全，許鵬. 1 000 kV特高壓變壓器油流帶電分析及抑制對策[J]. 高電壓技術，2010，36（4）：907.

LI Zhongquan， XU Peng. Analysis on oilflow electrification phenomenon in 1 000 kV UHV transformer and restrain measure[J]. High Voltage Engineering， 2010，36（4）：907.

[3] SHIMIZU S，MURATA H，HONDA M.Electrostatics in power transformers[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1979，98（4）：1244.

[4] Klinkenberg A，Minne J.Elektrostatics in the petroleum industry[M].Amsterdam：Elsvier Publishing Company，1958：16-17.

[5] OKUBO H，INOUE N，WAKAMATSU M，et al.Charge behavior in flowing oil at oil/pressboard interface by electrooptic field measurement[C]//International Conference on Dielectric Liquids.Graz，Austria：IEEE，2002：178-181.

[6] TOUCHARD G，GRIMAUD P O，ROMAT H，et al.Flow electrification in power transformers： explanation of the wallcurrent measurements[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1994，1（4）：728.

[7] CROFTS D W. The static electrification phenomena in power transformer[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1988，23（1）：137.

[8] KEDZIA J.Investigation of transformer oil electrification in a spinning disk system[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1989，24（1）：59.

[9] KEDZIA J，WILLNER B.Electrification current in the spinning disk system[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1994，1（1）：58.

[10] WASHABAUGH A P ， ZAHN M . Flow electrification measurements of transformer insulation using a coquette flow facility[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3（2）：161.

[11] 張秋也，朱學成，高自偉，等. 溫度對油、紙介電參數及復合電場分布的影響[J].哈爾濱理工大學學報，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.

[12] MIYAO H， HIGAKI M，KAMATA Y.Influence of AC and DC fields on streaming electrification of transformer oil[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1988， 23（1）：129.

[13] RADWAN R M， ELDewieny R M，METWALLY I A. Investigation of Static Electrification Phenomenon due to Transformer Oil Flow in Electric Power Apparatus[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1992， 27（2）： 278.

[14] WU H ，JAYARAM S.DC field effects on streaming electrification in insulating oils[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1996 ， 3（4）：499.

[15] YANG Jiaxiang，DING Lijian，CHI Xiaochun，et al.Study of the influence of injected charge on streaming electrification[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，5（4）：513.

[16] Metwally I A. Flow electrification of transformer oil effects of mixed fields[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，5（4）： 518.

[17] 金福寶，周遠翔，賀俊杰，等. 變壓器油道內油流帶電現象與油道電場的仿真計算[J]. 高電壓技術，2013，39（6）：1367.

JIN Fubao， ZHOU Yuanxiang， HE Junjie， et al. Streaming electrification measurement and electric field simulation in oil duct of power transformer[J]. High Voltage Engineering， 2013，39（6）：1367.

[18] 于欽學，任文娥，謝恒坤. 變壓器油流帶電電荷分離過程的研究[J]. 高電壓技術，2000，26（5）：36.

YU Qinxue， REN Wene， XIE Hengkun. Study on the process of charge separation at solidliquid interface due to flow electrification[J]. High Voltage Engineering， 2000，26（5）：36.

[19] 池明赫，陳慶國，王新宇，等. 溫度對復合電壓下油紙絕緣電場分布的影響[J]. 中國電機工程學報，2015，35（6）：1524.

CHI Minghe， CHEN Qingguo， WANG Xinyu， et al. Influence of temperature on electric field distribution of oilpaper insulation under compound voltage[J]. Proceedings of the CSEE， 2015，35（6）：1524.

[20] 廖瑞金，柳海濱，周年榮，等. 絕緣紙熱老化對油浸絕緣紙空間電荷生成及遷移特性的影響[J]. 電工技術學報，2015，30（22）：206.

LIAO Ruijin， LIU Haibin， ZHOU Nianrong， et al. Influence of insulation papers thermal aging on the formation and migration behavior of space charge in oilpaper insulation dielectrics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30（22）：206.

[21] 陳慶國，林林，高源，等. 換流變壓器中典型平板油紙絕緣結構的油流帶電特性[J]. 電機與控制學報，2015，19（2）：14.

CHEN Qingguo， LIN Lin， GAO Yuan， et al. Flow electrification characteristics of typical plane oilpressboard insulation in converter transformer. Electric Machines and Control， 2015，19（2）：14.

[22] Crofts D W. The static electrification phenomena in power transformer[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1988， 23（1）： 137.

[23] Muto H， Tsuji K，Kise K. Novel charge generation model for simulation of streaming current based on shearing stress at the oil/pressboard interface [C]//Electrical Insulation and Dielectric Phenomena， 2007. CEIDP 2007. Annual ReportConference on. IEEE， 2007： 380-383.

[24] 杜鵬，李偉，李國輝，等.油流帶電參數相關性及實驗驗證[J].哈爾濱理工大學學報，2005，10（1）：69.

DU Peng， LI Wei， LI Guohui， et al. Relativity of the parameters of simulated oil flow electrification and validating with experiment[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2005，10（1）：69.

[25] 林建忠，阮曉東，陳邦國，等. 流體力學[M]. 北京： 清華大學出版社， 2012： 224-226.

[26] Touchard G， Grimaud P O， Romat H， et al.Flow electrification in power transformers： explanation of the wallcurrent measurements[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1994， 1（4）： 728.

（編輯：張 楠）