油浸式变压器如何保护（换流变压器油纸绝缘存在的问题）

天津大学电气自动化与信息工程学院的研究人员杜伯学、朱闻博、李进、姜金鹏，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文指出，换流变压器作为连接高压直流输电系统交流侧和直流侧的关键设备，其阀侧出线装置可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行。

油纸绝缘作为阀侧出线装置的主绝缘，长期受到交/直流复合电场以及极性反转等复杂工况的影响，在受到电场、热场以及机械应力等多场耦合作用下易发生绝缘劣化积累空间电荷，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积累严重，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装置油纸绝缘结构发展面临的严峻问题。

研究团队综合国内外研究现状论述了换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘研究进展，分析了油纸绝缘在不同环境工况下电荷行为、局部放电和击穿特性，探讨了电场、温度、水分、老化等因素对其的影响，并对绝缘纸改性进行论述，展望了未来换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构改性的发展趋势。这些研究成果的总结能为油纸绝缘材料的发展、改善提供参考和借鉴。

换流变压器的绝缘纸主要以木浆为原材料，纤维素、半纤维素和木质素构成其主要成分。纤维素化学式为C6H10O5，分子结构如图1所示，主要通过1，4--糖苷键连接-D-呲呋喃葡萄糖基而形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，具有一定极性和较强亲水性，能够在分子内部或者与其他纤维素分子上的羟基生成氢键。另外，C6位羟基能与许多取代基反应，其主要原因在于C6位羟基的空间位阻最小。

图1 聚合度为n的纤维素分子链结构

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则地排列，呈现清晰的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排列，取向各异，因而密度较低，为1.500g/cm3。

纤维素的结晶区和无定型区相互交错且没有明显界线，是由一种形态逐步过渡到另一种形态。一个纤维素分子主链可以存在于几个区间内，一部分处于排列规则的结晶区，一部分处于排列无序的不定形区。

在结晶区内，氢键主要形成在葡萄糖基2、3和6位的原游离羟基位置上，同时纤维素分子链的线性完整度和刚性主要受到C3位羟基与邻近环上的氧形成的分子间氢键的影响，这也是分子链紧密且有序排列的原因；而在无定型区，相互之间形成的氢键也较少，仍有部分游离的羟基。

与电力变压器相比，换流变压器阀侧套管承受电场较复杂，主要包含直流叠加多种谐波分量，当换流阀换相失败或内部故障时，还会出现操作冲击过电压或者陡波。由于谐波损耗和直流偏磁等原因，换流变压器更易出现局部过热。在一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析出。

更为严重的是，局部过热会加剧纤维素链的氧化分解而产生气泡，在油流和电场的作用下发生迁移和积聚，从而形成小桥，并引发局部放电，继而发生沿面闪络，甚至绝缘击穿。另外，由于长期工作在交直流复合电场及高温环境，油纸绝缘在酸、碱水解作用下，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作用更易脱落，形成杂质。

纤维杂质在油流和电场复合作用下发生迁移和积聚，也会形成小桥，极易诱发局部放电，甚至造成击穿。油中发生局部放电时，能够在短期内分解为大量含氢气体及含氢聚合物，造成变压器油劣化，绝缘性能下降，而当油纸表面或内部发生局部放电时，纤维素分子链也会因受到破坏而断裂，长期作用下油纸电气性能也会发生不可逆的劣化。

在交流电压下，电场分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变化关系如图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，使得两者所承受电场在交流下分布不均。同时，在稳态直流电压下，电场分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变化的关系曲线如图3所示。

由于纤维素电导率与变压器油相差近100倍，使得两者承受的电场强度在直流场下分布更不均匀。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，这也加剧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故。

图2 不同温度绝缘油和纸介电常数随温度变化关系

图3 不同温度绝缘油和纸电导率随温度的变化关系

此外，直流电压或交直流复合的直流分量作用下会存在恒定电场的持续积累效应，油纸绝缘结构作为不均匀介质，由于注入或电离等极化效应，易在油纸绝缘结构表面或内部注入电荷，使电场发生畸变，并发生电荷迁移与积聚。电荷的脱陷和入陷均伴随着能量转移和释放，会破坏油纸绝缘微观结构。

同时，复杂电场和高温以及机械应力等多场耦合作用会加剧油纸绝缘电荷积聚效应，造成不可逆的破坏。与积聚在介质体内的空间电荷相比，多层油纸液-固绝缘结构的物理界面比介质本体更易积聚界面电荷，界面处电荷密度远大于介质体内的电荷密度，在极性反转等特殊工况下，由于界面电荷消散速度要比外施电场变化速度慢，界面电荷产生的电场与极性反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，极易诱发局部放电，甚至引发沿面闪络和绝缘击穿。

综上所述，油纸绝缘的局部放电、沿面放电或击穿以及空间电荷特性是限制换流变压器安全运行的根本因素，在多场耦合条件下电荷注入和输运特性以及由此引发局部放电特征、沿面闪络或击穿机理是亟需解决的关键问题，研究绝缘材料在复杂工况下的微观劣化规律和破坏机理，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。

（摘编自《电工技术学报》，原文标题为“换流变压器阀侧套管油纸绝缘研究现状”，作者为杜伯学、朱闻博等。）换流变压器阀侧套管油纸绝缘研究现状