納米MMT改性絕緣紙板局部放電特性研究

劉賀千，張洪達(dá)，李 琳，張德文，許敏虎

(國網(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(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量得到。同時(shí)，按照ASTM-D149-81標(biāo)準(zhǔn)測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(hù)電阻，CK為耦合電容器，ZK為檢測阻抗，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(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，且改性紙板的電導(dǎo)率受電場強(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，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)紙板擊穿場強(qiáng)的影響

改性紙板擊穿場強(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強(qiáng)出現(xiàn)不同程度的下降。

圖5 改性紙板擊穿場強(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(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(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中，油中電場線變密，表明其中場強(qiáng)變大；而交流下則是紙中電場強(qiáng)度增大。

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

表1 油、紙板中最大場強(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強(qiáng)下降，油中最大場強(qiáng)上升，二者最大場強(qiáng)比下降；交流下，油紙復(fù)合絕緣中油中最大場強(qiáng)下降，紙板中最大場強(qiáng)上升，二者最大場強(qiáng)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(jié)合變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，測量得到油紙復(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，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)，可提高其擊穿場強(qiáng)。