低溫下特高壓交流變壓器絕緣裕度分析

李國強(qiáng)

(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

隨著特高壓輸電技術(shù)的日漸成熟，中國特高壓交直流工程進(jìn)入了規(guī)模化建設(shè)的新階段，到2020年將建成“四縱七橫”、“三華”特高壓交流網(wǎng)架，滿足中國西南水電、西部和北部煤電、風(fēng)電及太陽能發(fā)電等大型能源基地電力外送需求，全國形成“三華”、東北、西北、西南和南方五個(gè)同步電網(wǎng)。中國東北、內(nèi)蒙古及新疆等高緯度地區(qū)冬季的氣溫可達(dá)-40 ℃以下，未來特高壓輸變電工程建設(shè)將面臨前所未有的寒冷環(huán)境考驗(yàn)，有關(guān)寒冷條件下特高壓輸變電技術(shù)的研究顯得極為必要，也亟待開展[1]。

近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)低溫下變壓器油交流介電特性進(jìn)行了研究并給出了相應(yīng)變化規(guī)律，即損耗因數(shù)隨著溫度的降低先降低然后升高，并與水分的含量成正比，相對(duì)介電常數(shù)隨著溫度的降低呈單調(diào)上升的趨勢(shì)[2-3]；張秋也等人對(duì)-40～100 ℃不同含水率的變壓器油和浸油紙的相對(duì)介電常數(shù)和體積電阻率進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)值計(jì)算得到了變壓器油和浸油紙中電場(chǎng)分布隨溫度和含水率的變化規(guī)律，并對(duì)油紙復(fù)合絕緣在不同電壓波形下的擊穿特性進(jìn)行了研究[4-5]；郭文敏等人在交流電場(chǎng)下研究了微水對(duì)油紙復(fù)合絕緣低溫介電性能的影響，并通過仿真方法分析了降溫過程中油紙絕緣微水析出的動(dòng)力學(xué)過程[6-8]；徐征宇對(duì)高寒條件下油紙絕緣的局放特性、沿面閃落特性和變壓器油的擊穿特性進(jìn)行了研究，并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律[9-10]。但上述研究大多針對(duì)油紙絕緣的介電性能，對(duì)實(shí)際設(shè)備的研究較少。針對(duì)實(shí)際工程需求，深入研究寒冷條件下變壓器絕緣裕度變化規(guī)律對(duì)于保障高寒地區(qū)變壓器的安全運(yùn)行具有重要的工程價(jià)值。

本文針對(duì)特高壓交流變壓器，對(duì)低溫下變壓器油和浸油紙板的介電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果建立變壓器主絕緣仿真模型，仿真分析其電場(chǎng)分布隨溫度變化的關(guān)系，并計(jì)算得出絕緣裕度隨溫度變化的規(guī)律，為低溫下提高電氣設(shè)備設(shè)計(jì)及運(yùn)維水平提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

采用真空濾油機(jī)對(duì)所用變壓器油進(jìn)行過濾及脫水脫氣處理，直至各參數(shù)經(jīng)測(cè)試符合標(biāo)準(zhǔn)GB 2536—90的要求。所用變壓器油處理后的含水率小于5×10-6，90 ℃下介損值小于0.05%，工頻擊穿電壓不低于60 kV。隨后，利用真空干燥罐對(duì)紙板進(jìn)行浸油處理，所得試樣含水率小于0.5%。

1.2 測(cè)試方法

針對(duì)特高壓交流變壓器，其電場(chǎng)分布及絕緣裕度分別取決于材料的介電常數(shù)與擊穿強(qiáng)度，為研究其與溫度的關(guān)系，借助溫控箱、質(zhì)損耗測(cè)試儀、高壓電源及電極裝置完成低溫下油板相應(yīng)介電參數(shù)的測(cè)量。其中，溫控箱溫度范圍為-60～150 ℃，溫度均勻度為±2 ℃，溫度波動(dòng)度為±0.5 ℃；介質(zhì)損耗測(cè)試儀電容量程為4 pF～50 nF，電容精度為±(0.5%×2 pF)，最小分辨率為0.01 pF。進(jìn)行介電常數(shù)測(cè)試時(shí)，針對(duì)絕緣油時(shí)采用RY1型電極，其自帶屏蔽保護(hù)極，極間距離為2 mm；浸油紙板則按GB/T 1409—2006標(biāo)準(zhǔn)要求采用圓柱形電極，電極實(shí)物如圖1所示。測(cè)量二者擊穿強(qiáng)度時(shí)，則分別按GB 1408.1—2006及ASTM-D149-81的規(guī)定采用相應(yīng)電極，測(cè)試結(jié)果針對(duì)不同的電極結(jié)構(gòu)分別以擊穿電壓和擊穿場(chǎng)強(qiáng)表征。

實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量溫度范圍為-60～20 ℃，為保證試樣溫度均勻穩(wěn)定，待溫度達(dá)到要求并保持1 h后進(jìn)行測(cè)量[11]。

圖1 試驗(yàn)用電極實(shí)物圖

2 溫度對(duì)絕緣材料介電參數(shù)的影響

2.1 溫度對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響

測(cè)試得到變壓器油相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化的曲線如圖2所示。

圖2 變壓器油相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化曲線

分析圖2可以看出，變壓器油的介電常數(shù)隨溫度的降低而增大。這是因?yàn)樽儔浩饔蜑榉菢O性液體電介質(zhì)，其極化主要為電子極化，溫度降低導(dǎo)致體積減小，每個(gè)單位體積內(nèi)的分子數(shù)增加，故相對(duì)介電常數(shù)升高[12]。

同時(shí)，得到浸油紙板相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化的曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，絕緣紙板的介電常數(shù)隨著溫度的降低呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。這是由于溫度的降低減緩了纖維素鏈段及極性分子運(yùn)動(dòng)速率，不利于轉(zhuǎn)向極化的建立，相對(duì)介電常數(shù)減小[12]。

圖3 浸油紙板相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化曲線

2.2 溫度對(duì)介電強(qiáng)度的影響

按前述方法測(cè)量得到變壓器油擊穿電壓隨溫度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 變壓器油擊穿電壓隨溫度變化曲線

分析圖4可知，變壓器油擊穿電壓隨溫度的降低呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是由于降溫過程中，油中水分溶解度降低，水分逐漸析出呈懸浮狀態(tài)，在電場(chǎng)的作用下聚結(jié)、形變并形成水橋，導(dǎo)致其擊穿電壓降低，并在-10 ℃時(shí)達(dá)到最低值。隨溫度進(jìn)一步下降，油的粘度逐漸增大，復(fù)合體系中的水結(jié)成冰，使擊穿電壓有所回升[13]。

測(cè)試得到浸油紙板擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度變化規(guī)律如圖5所示。

與變壓器油類似，浸油紙板擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的降低同樣呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，并同樣在-10 ℃時(shí)取得最低值。且由于浸油紙板中水分析出滯后于油中，導(dǎo)致其變化幅度較變壓器油小[13]?？紤]到油、紙介電強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律的一致性，可在絕緣裕度校核時(shí)一并考慮。

圖5 浸油紙板擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度變化曲線

3 低溫對(duì)變壓器主絕緣裕度的影響

基于上述測(cè)量結(jié)果，為分析低溫下絕緣材料屬性變化對(duì)電場(chǎng)分布的影響，選取特高壓變壓器繞組主絕緣結(jié)構(gòu)建立模型[14]，如圖6所示，所得仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 1 000 kV變壓器主絕緣仿真模型(高壓-中壓)

分析圖7可知，兩繞組中部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在緊鄰中壓繞組的油域中。與20 ℃相比，-50 ℃時(shí)的最大場(chǎng)強(qiáng)由8.9 kV/mm上升為9.2 kV/mm，故校核絕緣裕度時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮變壓器油。同時(shí)選取兩繞組中部油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步分析常溫與低溫下其電場(chǎng)分布隨距離d的變化曲線，如圖8所示。

圖7 仿真結(jié)果

圖8 電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化曲線

分析圖8可知，油中電場(chǎng)強(qiáng)度高于紙中，且隨著溫度的降低，油中電場(chǎng)強(qiáng)度降低，紙中電場(chǎng)強(qiáng)度升高，二者差距增大。這是由于交流電場(chǎng)下，電場(chǎng)按兩種材料相對(duì)介電常數(shù)的反比分布，二者都隨溫度發(fā)生變化，且油的變化幅度較紙板更大。油中絕緣裕度可由式(1)計(jì)算得出[15]：

絕緣裕度=場(chǎng)強(qiáng)許用值/場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生值

(1)

計(jì)算得出，仿真模型絕緣油中絕緣裕度由20 ℃時(shí)的1.26下降為-50 ℃時(shí)的1.13。進(jìn)一步計(jì)算得到變壓器油中絕緣裕度隨溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 變壓器油中絕緣裕度隨溫度變化曲線

分析圖9可知，特高壓變壓器主絕緣絕緣裕度隨溫度的下降先下降后上升，在-10 ℃附近取得最低值，當(dāng)溫度到達(dá)-50 ℃以下并繼續(xù)降低時(shí)，絕緣裕度反而升高。結(jié)合擊穿場(chǎng)強(qiáng)分析可知，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，按-10 ℃條件考慮電場(chǎng)比較合理。且在變壓器油紙絕緣系統(tǒng)中，變壓器油所承受的場(chǎng)強(qiáng)較油紙高，鑒于變壓器油的耐壓性能低于油紙，故變壓器油為絕緣系統(tǒng)中的薄弱點(diǎn)，所以在極寒條件下，應(yīng)重點(diǎn)考核變壓器各絕緣結(jié)構(gòu)中油的絕緣裕度。

4 結(jié) 語

為研究低溫對(duì)變壓器絕緣裕度的影響，對(duì)低溫下變壓器油和浸油紙板的介電參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并通過仿真計(jì)算得出不同溫度下主絕緣的電場(chǎng)分布及絕緣裕度，得到如下結(jié)論：

1)隨溫度降低，變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)下降，而浸油紙板卻隨之上升，二者擊穿特性都出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì)，并在-10 ℃ 取得最小值；

2)主絕緣中電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在緊鄰中壓繞組的油域中，且隨溫度降低，油中電場(chǎng)強(qiáng)度升高，紙中電場(chǎng)強(qiáng)度降低；

3)特高壓變壓器主絕緣絕緣裕度隨溫度的下降先下降后上升，在-10 ℃附近取得最低值，故設(shè)計(jì)時(shí)按-10 ℃條件重點(diǎn)考慮油中絕緣裕度。