劉賀千，張洪達，李 琳，張德文，許敏虎

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)的核心器件，是連接交流網絡和直流網絡的樞紐，其可靠性直接影響整個系統(tǒng)的安全運行[1-3]。隨著中國特高壓輸電的快速發(fā)展，其電壓等級逐步提高，對變壓器的絕緣強度、結構設計及生產工藝都提出了更加嚴苛的要求。局部放電作為運維檢修中的必要項目，會逐漸腐蝕、損壞絕緣材料，使放電區(qū)域不斷擴大，最終導致整個絕緣系統(tǒng)的擊穿，嚴重威脅變壓器的安全運行。因此，從材料改性角度入手，通過改變絕緣紙板的介電特性，抑制局部放電，達到提高油紙復合絕緣的介電強度的目的，對解決上述問題具有重要的意義[1]。

近年來，國內外學者在絕緣紙板納米改性領域做了一定研究[2-7]。重慶大學及哈爾濱理工大學相關學者經研究發(fā)現(xiàn)：摻雜納米SiO2、納米TiO2、納米AlN、納米Al2O3可以提升改性紙板的擊穿電壓、降低其相對介電常數(shù)、提高電阻率并抑制空間電荷；納米SiC則可使改性絕緣紙板的電導率隨電場強度的增加表現(xiàn)出明顯的非線性特性，并能夠均化油紙復合絕緣結構中的電場分布；PMP 纖維、納米 MMT還可提高紙板的熱穩(wěn)定性，延長絕緣紙板的使用壽命。以上研究大多沿襲電纜材料的研究方法，所得成果雖為后續(xù)研究提供了理論支撐和數(shù)據(jù)基礎，但對局部放電特性的關注相對較少。

鑒于摻雜納米MMT可以提高環(huán)氧樹脂、聚乙烯等材料的介電強度、耐樹枝化能力，并可以改善材料的空間電荷特性[8-9]，本文利用納米MMT對變壓器絕緣紙板進行改性，制得不同納米摻雜比例的改性紙板，研究其介電參數(shù)隨摻雜比例的變化規(guī)律，并通過仿真分析其對局部放電的抑制機理，最終通過油紙復合擊穿試驗驗證其對絕緣強度的提升作用。

1 試樣部分

1.1 試樣制備

參考工業(yè)紙板的制作方法，以進口電工級未漂針葉木材硫酸鹽紙漿、蒸餾水、納米MMT顆粒(40 nm，鈉基改性)為原料，利用打漿機、紙樣抄取器、打漿度測定儀、標準疏解器、平板硫化機、真空干燥罐等設備，模擬紙板工業(yè)制法完成打漿、摻雜、成形、壓榨、干燥、真空浸油等流程。制備過程中，利用標準疏解器將濕紙漿與納米MMT顆粒均勻混合，并通過改變紙漿中納米顆粒的加入質量，控制成型紙板填料的摻雜比例(以質量分數(shù)計)。制得紙板厚度為0.6 mm，浸油后含水率為可以達到0.4%以下。

1.2 試驗方法

改性紙板的電導率由高壓直流電源、皮安表及三電極裝置測得，其相對介電常數(shù)則通過QS30A型高精密高壓電容電橋測量得到。同時，按照ASTM-D149-81標準測量不同納米摻雜比例改性紙板及由其構成的油紙復合絕緣結構的擊穿特性，測試油紙復合絕緣時調整電極間距d為5 mm并將紙板居中放置。

采用脈沖電流法對局放信號進行測量，測量原理如圖1所示。其中，檢測儀為美國希波公司的DDX-7000數(shù)字式局部放電檢測儀，高壓電源為工頻無局放變壓器，R為保護電阻，CK為耦合電容器，ZK為檢測阻抗，試樣CX的電極結構如圖2所示。整個試驗在屏蔽室中進行，背景放電量小于5 pC。為模擬變壓器中均勻及不均勻的電場分布，采用板-板與針-板兩種電極結構研究紙板在不同電場下的局放特性，如圖2所示[10]。

圖1 局放測試系統(tǒng)原理圖

圖2 局部放電電極結構示意圖

試驗時，采用勻速升壓方式緩慢升壓，并記錄各電壓下5 min內的最大放電量，為保護設備，升壓至放電量超過10 000 pC時停止試驗。

2 納米改性對絕緣紙板介電特性影響

2.1 納米改性對紙板電導率的影響

不同摻雜比例改性紙板電導率γ隨電場強度E變化情況分別如圖3所示。由以上試驗結果可知，改性紙板的電導率隨摻雜比例的提高呈上升趨勢，且改性紙板的電導率受電場強度的影響表現(xiàn)出一定的非線性特性。這是由于隨MMT摻雜比例的上升，粒子間平均距離變小，形成導電通路的概率上升，同時隧道效應加劇，改性紙板的導電機理的變化使其電導率呈現(xiàn)非線性特性。

圖3 改性紙板電導率隨電場強度變化曲線

2.2 納米改性對紙板相對介電常數(shù)的影響

試驗得到改性紙板相對介電常數(shù)εr隨納米摻雜比例的變化曲線如圖4所示。

圖4 改性紙板介電常數(shù)隨納米摻雜比例變化曲線

通過分析圖4曲線可知，改性紙板相對介電常數(shù)較未改性紙板降低，且隨摻雜比例的增加呈先下降后上升的趨勢，在摻雜比例為1%時存在最低值。這是由于MMT剝離后以納米級片層的形式分散于紙板中，紙板纖維受到MMT片層的限制作用，其中的極性基團難以轉動，導致介電常數(shù)降低。當MMT含量繼續(xù)增加時，由于產生界面極化，使得復合材料的介電常數(shù)增加[11]。

2.3 納米改性對紙板擊穿場強的影響

改性紙板擊穿場強Eb隨納米摻雜比例的變化曲線如圖5所示。分析圖5可知，改性紙板的擊穿場強在1%摻雜比例時出現(xiàn)峰值，直流與交流下分別較未改性紙上升4.1%與16.6%。而當摻雜比例進一步上升時，交、直流下改性紙板的擊穿場強出現(xiàn)不同程度的下降。

圖5 改性紙板擊穿場強隨納米摻雜比例變化曲線

2.4 納米改性對紙板局部放電特性的影響

綜合考慮改性紙板的電阻率、介電常數(shù)與擊穿場強，選取納米摻雜比例為1%的絕緣紙板與未改性紙板進行局部放電對比實驗，利用上述電極結構測得油紙復合絕緣結構在交、直流電壓下，電壓與最大放電量的關系如圖6所示。

圖6 兩種電極結構最大放電量與電壓關系

分析圖6可知，油紙復合絕緣最大放電量在不同電極結構下均隨電壓的升高呈指數(shù)增長趨勢，直流局放電壓較交流高，且板-板電極局放電壓較針-板電極高。而相同電壓形式、相同電極結構下，采用納米改性紙板的油紙復合絕緣結構在相同電壓幅值下，最大放電量小，曲線拐點對應的電壓幅值增加，曲線整體較未改性紙板曲線右移。故摻雜比例為1%的改性紙板表現(xiàn)出較好的抑制局放特性。

3 討論與分析

根據(jù)實驗所得紙板介電參數(shù)，按照圖2所示電極結構與尺寸建立仿真模型，為觀察方便，截取施加交、直流電壓得到電場分布仿真結果關鍵部位[12]，如圖7、圖8所示。

圖7 板-板電極電場分布

圖8 針-板電極電場分布

分析圖7、圖8可知，較未改性相比，直流電壓下，在采用改性紙板的油紙復合絕緣結構中，油中電場線變密，表明其中場強變大；而交流下則是紙中電場強度增大。

計算得到兩種電極結構油中最大場強Eoil、紙板中最大場強Epaper及二者比值如表1所示。

表1 油、紙板中最大場強及其比值

分析表1可知，針對兩種電極形式，通過采用改性紙板，直流下，油紙復合絕緣中紙板中最大場強下降，油中最大場強上升，二者最大場強比下降；交流下，油紙復合絕緣中油中最大場強下降，紙板中最大場強上升，二者最大場強比上升。兩種情況下電場分布均趨于均勻，有助于局部放電的抑制。

結合變壓器內絕緣結構，測量得到油紙復合絕緣結構擊穿電壓Vb隨納米摻雜比例變化曲線如圖9所示。

圖9 油紙復合絕緣結構擊穿電壓隨摻雜比例變化曲線

由圖9曲線可知，油紙復合絕緣的擊穿場強在1%摻雜比例時最高，較未改性紙板在交流與直流下分別提高8.8%與13.2%。從宏觀角度，改性紙板介電參數(shù)的變化有利于均化電場，納米MMT大的比表面積和高的表面能，對載流子造成一定的散射，使得其平均自由程變短，更容易陷入陷阱中而減速，從而抑制局部放電的作用，并最終提高了油紙復合絕緣結構的擊穿強度。

4 結 語

針對換流變壓器中油紙復合絕緣局部放電問題，采用實驗測量、數(shù)值仿真及理論分析的方法，對納米MMT改性絕緣紙板的介電特性進行了系統(tǒng)研究，所得結論如下:

1)改性紙板較未改性相對介電常數(shù)下降，在摻雜比例為1%時出現(xiàn)最低值，電導率較未改性時上升，而擊穿場強則隨納米摻雜比例的上升先上升后下降，在1%取得最大值，且相同電壓下的最大局部放電量減小，局放電壓增大。

2)采用改性紙板的絕緣系統(tǒng)在板-板與針-板兩種電極形式下，與未改性紙板相比，電場分布趨于均勻，有助于局部放電的抑制。

3)綜合考慮介電特性，將納米摻雜比例為1%的改性紙板應用于油紙復合絕緣結構，可提高其擊穿場強。