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        納米MMT改性絕緣紙板局部放電特性研究

        2020-08-03 05:09:56劉賀千張洪達(dá)張德文許敏虎
        黑龍江電力 2020年2期
        關(guān)鍵詞:油紙紙板介電常數(shù)

        劉賀千,張洪達(dá),李 琳,張德文,許敏虎

        (國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)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(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)的樞紐,其可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。隨著中國(guó)特高壓輸電的快速發(fā)展,其電壓等級(jí)逐步提高,對(duì)變壓器的絕緣強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝都提出了更加嚴(yán)苛的要求。局部放電作為運(yùn)維檢修中的必要項(xiàng)目,會(huì)逐漸腐蝕、損壞絕緣材料,使放電區(qū)域不斷擴(kuò)大,最終導(dǎo)致整個(gè)絕緣系統(tǒng)的擊穿,嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)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(dá)到提高油紙復(fù)合絕緣的介電強(qiáng)度的目的,對(duì)解決上述問題具有重要的意義[1]。

        近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在絕緣紙板納米改性領(lǐng)域做了一定研究[2-7]。重慶大學(xué)及哈爾濱理工大學(xué)相關(guān)學(xué)者經(jīng)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(duì)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(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加表現(xiàn)出明顯的非線性特性,并能夠均化油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布;PMP 纖維、納米 MMT還可提高紙板的熱穩(wěn)定性,延長(zhǎng)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(chǔ),但對(duì)局部放電特性的關(guān)注相對(duì)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(qiáng)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(duì)變壓器絕緣紙板進(jìn)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(duì)局部放電的抑制機(jī)理,最終通過油紙復(fù)合擊穿試驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)絕緣強(qiáng)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(jìn)口電工級(jí)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(jī)、紙樣抄取器、打漿度測(cè)定儀、標(biāo)準(zhǔn)疏解器、平板硫化機(jī)、真空干燥罐等設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量,控制成型紙板填料的摻雜比例(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))。制得紙板厚度為0.6 mm,浸油后含水率為可以達(dá)到0.4%以下。

        1.2 試驗(yàn)方法

        改性紙板的電導(dǎo)率由高壓直流電源、皮安表及三電極裝置測(cè)得,其相對(duì)介電常數(shù)則通過QS30A型高精密高壓電容電橋測(cè)量得到。同時(shí),按照ASTM-D149-81標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不同納米摻雜比例改性紙板及由其構(gòu)成的油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿特性,測(cè)試油紙復(fù)合絕緣時(shí)調(diào)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(duì)局放信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量原理如圖1所示。其中,檢測(cè)儀為美國(guó)希波公司的DDX-7000數(shù)字式局部放電檢測(cè)儀,高壓電源為工頻無局放變壓器,R為保護(hù)電阻,CK為耦合電容器,ZK為檢測(cè)阻抗,試樣CX的電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)試驗(yàn)在屏蔽室中進(jìn)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(chǎng)分布,采用板-板與針-板兩種電極結(jié)構(gòu)研究紙板在不同電場(chǎng)下的局放特性,如圖2所示[10]。

        圖1 局放測(cè)試系統(tǒng)原理圖

        圖2 局部放電電極結(jié)構(gòu)示意圖

        試驗(yàn)時(shí),采用勻速升壓方式緩慢升壓,并記錄各電壓下5 min內(nèi)的最大放電量,為保護(hù)設(shè)備,升壓至放電量超過10 000 pC時(shí)停止試驗(yàn)。

        2 納米改性對(duì)絕緣紙板介電特性影響

        2.1 納米改性對(duì)紙板電導(dǎo)率的影響

        不同摻雜比例改性紙板電導(dǎo)率γ隨電場(chǎng)強(qiáng)度E變化情況分別如圖3所示。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,改性紙板的電導(dǎo)率隨摻雜比例的提高呈上升趨勢(shì),且改性紙板的電導(dǎo)率受電場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)電通路的概率上升,同時(shí)隧道效應(yīng)加劇,改性紙板的導(dǎo)電機(jī)理的變化使其電導(dǎo)率呈現(xiàn)非線性特性。

        圖3 改性紙板電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

        2.2 納米改性對(duì)紙板相對(duì)介電常數(shù)的影響

        試驗(yàn)得到改性紙板相對(duì)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(duì)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(shì),在摻雜比例為1%時(shí)存在最低值。這是由于MMT剝離后以納米級(jí)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(tuán)難以轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致介電常數(shù)降低。當(dāng)MMT含量繼續(xù)增加時(shí),由于產(chǎn)生界面極化,使得復(fù)合材料的介電常數(shù)增加[11]。

        2.3 納米改性對(duì)紙板擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響

        改性紙板擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)在1%摻雜比例時(shí)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(dāng)摻雜比例進(jìn)一步上升時(shí),交、直流下改性紙板的擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)不同程度的下降。

        圖5 改性紙板擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨納米摻雜比例變化曲線

        2.4 納米改性對(duì)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(chǎng)強(qiáng),選取納米摻雜比例為1%的絕緣紙板與未改性紙板進(jìn)行局部放電對(duì)比實(shí)驗(yàn),利用上述電極結(jié)構(gòu)測(cè)得油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)在交、直流電壓下,電壓與最大放電量的關(guān)系如圖6所示。

        圖6 兩種電極結(jié)構(gòu)最大放電量與電壓關(guān)系

        分析圖6可知,油紙復(fù)合絕緣最大放電量在不同電極結(jié)構(gòu)下均隨電壓的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),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(jié)構(gòu)下,采用納米改性紙板的油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)在相同電壓幅值下,最大放電量小,曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)所得紙板介電參數(shù),按照?qǐng)D2所示電極結(jié)構(gòu)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(chǎng)分布仿真結(jié)果關(guān)鍵部位[12],如圖7、圖8所示。

        圖7 板-板電極電場(chǎng)分布

        圖8 針-板電極電場(chǎng)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(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中,油中電場(chǎng)線變密,表明其中場(chǎng)強(qiáng)變大;而交流下則是紙中電場(chǎng)強(qiáng)度增大。

        計(jì)算得到兩種電極結(jié)構(gòu)油中最大場(chǎng)強(qiáng)Eoil、紙板中最大場(chǎng)強(qiáng)Epaper及二者比值如表1所示。

        表1 油、紙板中最大場(chǎng)強(qiáng)及其比值

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

        結(jié)合變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu),測(cè)量得到油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)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(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)擊穿電壓隨摻雜比例變化曲線

        由圖9曲線可知,油紙復(fù)合絕緣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)在1%摻雜比例時(shí)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(chǎng),納米MMT大的比表面積和高的表面能,對(duì)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(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿強(qiáng)度。

        4 結(jié) 語

        針對(duì)換流變壓器中油紙復(fù)合絕緣局部放電問題,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值仿真及理論分析的方法,對(duì)納米MMT改性絕緣紙板的介電特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,所得結(jié)論如下:

        1)改性紙板較未改性相對(duì)介電常數(shù)下降,在摻雜比例為1%時(shí)出現(xiàn)最低值,電導(dǎo)率較未改性時(shí)上升,而擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(yīng)用于油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu),可提高其擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

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