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换流变压器油纸绝缘存在的问题

2019/05/11

油纸绝缘作为阀侧出线设备的主绝缘,长时间遭到交/直流复合电场以及极性回转等杂乱工况的影响,在遭到电场、热场以及机械应力等多场耦合效果下易发生绝缘劣化堆集空间电荷,而油纸绝缘介电参数和电导参数的不匹配也将使得界面电荷堆集严峻,导致沿面闪络或绝缘击穿,这也是目前换流变压器阀侧出线设备油纸绝缘结构开展面临的严峻问题。
研讨团队综合国内外研讨现状论说了换流变压器阀侧出线设备油纸绝缘研讨进展,分析了油纸绝缘在不同环境工况下电荷行为、部分放电和击穿特性,探讨了电场、温度、水分、老化等要素对其的影响,并对绝缘纸改性进行论说,展望了未来换流变压器阀侧出线设备油纸绝缘结构改性的开展趋势。这些研讨成果的总结能为油纸绝缘材料的开展、改善供给参考和借鉴。
1 纤维素绝缘纸及其结构

换流变压器的绝缘纸首要以木浆为原材料,纤维素、半纤维素和木质素构成其首要成分。纤维素化学式为C6H10O5,分子结构如图1所示,首要通过1,4--糖苷键连接-D-呲呋喃葡萄糖基而构成的链状高分子化合物,分子式为(C6H10O5)n,由两个呲喃环组成的纤维二糖为最小重复结构单元,通过具有较强柔性的醚键连接起来。
其中,纤维素每个环中均有一个氧原子,还有三个羟基,具有必定极性和较强亲水性,可以在分子内部或者与其他纤维素分子上的羟基生成氢键。别的,C6位羟基能与许多替代基反应,其首要原因在于C6位羟基的空间位阻最小。
根据X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)结果表明,纤维素大分子存在结晶区或无定型区。分子在结晶区能整齐规矩地摆放,呈现明晰的X射线衍射图,密度较高,为1.588g/cm3,晶胞结构为单斜晶胞模型;分子在无定型区则杂乱松散地摆放,取向各异,因此密度较低,为1.500g/cm3。
纤维素的结晶区和无定型区彼此交织且没有明显界限,是由一种形状逐渐过渡到另一种形状。一个纤维素分子主链可以存在于几个区间内,一部分处于摆放规矩的结晶区,一部分处于摆放无序的不定形区。
在结晶区内,氢键首要构成在葡萄糖基2、3和6位的原游离羟基方位上,一起纤维素分子链的线性完好度和刚性首要遭到C3位羟基与附近环上的氧构成的分子间氢键的影响,这也是分子链紧密且有序摆放的原因;而在无定型区,彼此之间构成的氢键也较少,仍有部分游离的羟基。
2 油纸绝缘存在的问题

与电力变压器比较,换流变压器阀侧套管接受电场较杂乱,首要包含直流叠加多种谐波重量,当换流阀换相失败或内部故障时,还会呈现操作冲击过电压或者陡波。因为谐波损耗和直流偏磁等原因,换流变压器更易呈现部分过热。在必定温度和电场条件下,油纸内水分和气体将以气泡形式存在或分出。
更为严峻的是,部分过热会加重纤维素链的氧化分化而产生气泡,在油流和电场的效果下发生搬迁和堆集,然后构成小桥,并引发部分放电,继而发生沿面闪络,乃至绝缘击穿。别的,因为长时间工作在交直流复合电场及高温环境,油纸绝缘在酸、碱水解效果下,其纤维素分子间糖苷键会发生断裂,易产生自由纤维,在直流电场下受单向电场力效果更易掉落,构成杂质。
纤维杂质在油流和电场复合效果下发生搬迁和堆集,也会构成小桥,极易诱发部分放电,乃至形成击穿。油中发生部分放电时,可以在短期内分化为很多含氢气体及含氢聚合物,形成变压器油劣化,绝缘功能下降,而当油纸外表或内部发生部分放电时,纤维素分子链也会因遭到损坏而断裂,长时间效果下油纸电气功能也会发生不可逆的劣化。
在交流电压下,电场散布取决于油和绝缘纸的介电常数,不同温度绝缘油和纸介电常数随温度改变关系如图2所示,纤维素的相对介电常数可达4.4,几乎是绝缘油相对介电常数的2倍。油纸绝缘介电常数不匹配,使得两者所接受电场在交流下散布不均。一起,在稳态直流电压下,电场散布则取决于绝缘油和绝缘纸的电导率,不同温度绝缘油和绝缘纸电导率随温度改变的关系曲线如图3所示。
因为纤维素电导率与变压器油相差近100倍,使得两者接受的电场强度在直流场下散布更不均匀。然而,温度对绝缘纸电导率的影响远高于对变压器油电导率的影响,这也加重油纸绝缘电导参数的不匹配程度,同样会引发沿面闪络等绝缘事端。
此外,直流电压或交直流复合的直流重量效果下会存在恒定电场的持续堆集效应,油纸绝缘结构作为不均匀介质,因为注入或电离等极化效应,易在油纸绝缘结构外表或内部注入电荷,使电场发生畸变,并发生电荷搬迁与堆集。电荷的脱陷和入陷均伴随着能量转移和释放,会损坏油纸绝缘微观结构。
一起,杂乱电场和高温以及机械应力等多场耦合效果会加重油纸绝缘电荷堆集效应,形成不可逆的损坏。与堆集在介质体内的空间电荷比较,多层油纸液-固绝缘结构的物理界面比介质本体更易堆集界面电荷,界面处电荷密度远大于介质体内的电荷密度,在极性回转等特殊工况下,因为界面电荷消散速度要比外施电场改变速度慢,界面电荷产生的电场与极性回转后与外施电场相叠加,导致油纸绝缘电场发生畸变,偏离绝缘设计值,极易诱发部分放电,乃至引发沿面闪络和绝缘击穿。
综上所述,油纸绝缘的部分放电、沿面放电或击穿以及空间电荷特性是约束换流变压器安全运行的底子要素,在多场耦合条件下电荷注入和输运特性以及由此引发部分放电特征、沿面闪络或击穿机理是亟需解决的关键问题,研讨绝缘材料在杂乱工况下的微观劣化规律和损坏机理,已然被视为满足换流变压器绝缘材料研制需求的核心基础。
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