變壓器油烴組成及添加劑與其介電常數、介質(zhì)損耗因數和電阻率的關(guān)聯(lián)性研究

　　本文中作者選擇了幾種變壓器油進(jìn)行了試驗，給出了試驗結果并進(jìn)行了討論。根據試驗結果，介紹了在交流和直流電場(chǎng)下變壓器油烴組成及添加劑對其介電常數、介質(zhì)損耗因素和電阻率的影響。

1、前言

　　目前，我國輸變電已經(jīng)進(jìn)入大電網(wǎng)、特高壓和智能電網(wǎng)的發(fā)展時(shí)期。在“十一五”期間，我國開(kāi)展±800kV電壓等級的特高壓直流輸電項目，如云廣±800kV和向上±800kV特高壓直流輸電工程等。換流變壓器是直流輸電系統的關(guān)鍵設備，也是交、直流輸電系統連接兩端換流站和逆變站的核心設備。國內一些公司吸收了外國公司的技術(shù)，以±500kV等級換流變壓器的設計經(jīng)驗為基礎，完成了±800kV等級換流變壓器的研發(fā)制造工作。用于直流輸電的特高壓換流變壓器與一般超高壓交流變壓器不同，其每相除具有一個(gè)超高壓網(wǎng)側繞組外，還有一個(gè)到兩個(gè)全絕緣的超高壓直流用閥側繞組。閥側繞組除承受一般交流變壓器的交流和沖擊電壓外，還要承受疊加的直流電壓作用。而交流電壓和直流電壓對絕緣的作用完全不同，以前采用的交流變壓器絕緣結構分析方法不再適用于超高壓換流變壓器絕緣設計。±800kV換流變壓器的絕緣結構由油、紙和紙板的復合絕緣材料構成，與一般的電力變壓器相比，換流變壓器閥側在運行時(shí)不但承受交流電壓和沖擊電壓，還要承受直流電壓作用。相應的換流變壓器要受到交流電場(chǎng)、直流電場(chǎng)和極性反轉電場(chǎng)的作用。

　　換流變壓器承受正弦交流電壓時(shí),其電場(chǎng)在不同絕緣材料中的分布為電容性分布,即取決于不同材料的電容率(介電常數ε)。在介電常數較低的變壓器油中電場(chǎng)強度比較高,而介電常數相對較高的紙板中交流場(chǎng)強較低。換流變壓器承受穩態(tài)直流電壓作用時(shí),其穩態(tài)直流電場(chǎng)分布取決于復合絕緣結構中不同材料的電阻率值。穩態(tài)直流場(chǎng)集中分布于電阻率高的絕緣紙板中，對于電阻率最低的變壓器油來(lái)說(shuō),接近于短路狀態(tài),即此時(shí)油中穩態(tài)直流電場(chǎng)分布很少。換流變壓器承受極性反轉電場(chǎng)的情況時(shí),根據加電時(shí)間的不同過(guò)程,其電場(chǎng)分布是不同的。在極性反轉后瞬間,在電阻率最低的變壓器油中具有較高的場(chǎng)強。這說(shuō)明反轉后瞬間,場(chǎng)強在復合絕緣結構中的分布是電容性分布,即瞬間絕緣結構電場(chǎng)分布的決定因素是絕緣材料的介電常數。相對于紙和紙板,變壓器油的耐受場(chǎng)強較低,但其在反轉后瞬間承受極高的場(chǎng)強,此處為換流變的絕緣薄弱部位。在電壓極性反轉過(guò)程中,絕緣介質(zhì)的交界面上出現了孤立的空間電荷,而且此種電荷的分布比較復雜,大量的空間電荷造成了局部電位的升高或降低而形成“電位高峰”或“電位低谷”并進(jìn)一步形成了空間電荷間的附加電場(chǎng),此附加電場(chǎng)疊加到原電場(chǎng)上,引起了電場(chǎng)的畸變。

　　變壓器油作為換流變壓器的絕緣用油，其介電常數和電阻率的大小直接影響換流變壓器的絕緣結構設計，其電阻率的高低直接影響換流變壓器中空間電荷的消散速率、畸變電場(chǎng)的存在時(shí)間。因此，開(kāi)展換流變壓器油的基礎油組成與添加劑與其介電常數、介質(zhì)損耗因數和電阻率的關(guān)聯(lián)性研究，其結論能為直流變壓器油質(zhì)量改進(jìn)和換流變壓器的絕緣設計提供技術(shù)支持。

2、試驗材料及試驗方法

2.1、試驗材料

　　隨著(zhù)我國特高壓直流設備國產(chǎn)化的發(fā)展，目前運行的±800kV換流變壓器大部分采用國產(chǎn)的變壓器油。因此，基礎油選擇生產(chǎn)變壓器的幾種基礎油，添加劑選擇變壓器油制造行業(yè)廣泛使用的抗氧劑，以及近年來(lái)，為了抑制變壓器油的硫腐蝕問(wèn)題而在油中加入金屬鈍化劑，作為考察對象�；�礎油性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 樣品性質(zhì)

　　表1的結果表明，N1、N2和N3的Cp值小于50%，是不同芳烴含量的環(huán)烷基基礎油，N4的Cp值大于56%，是低芳烴的石蠟基基礎油。試驗室選擇了國內外變壓器油制造行業(yè)常用的主要抗氧劑和金屬鈍化劑，詳細情況見(jiàn)表2。

表2 添加劑及其制造商

2.2、試驗方法及設備

　　目前，用于變壓器油介損、介電常數和電阻率測量的方法主要用GB/T5654(等效于IEC60247)、IEC61620和ASTMD924，變壓器油電阻率測量方法還有DL/T421和ASTMD1169，電阻率測定值不僅與測試電場(chǎng)強度、充電時(shí)間和液體溫度有關(guān)，還與變壓器油的組成和溶解性電導粒子的數量有關(guān)，其原理：在250kV/mm～500kV/mm直流電場(chǎng)下，在1min時(shí)間內測量極化電流，計算得到電阻率。試驗設備見(jiàn)表3。

表3 主要試驗儀器及設備

結論

　　(1)溫度與換流變壓器油的介電常數、介質(zhì)損耗因數和電阻率相關(guān)，隨著(zhù)溫度升高介電常數減小，介質(zhì)損耗因數增大，電阻率減小，電阻率大的減小幅度也大，不呈線(xiàn)性關(guān)系。

　　(2)芳烴含量(CA值)的高低與換流變壓器油的擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數沒(méi)有相關(guān)性，與體積電阻率有相關(guān)性，且呈反比關(guān)系，體積電阻率的大小與原油屬性沒(méi)有關(guān)系。

　　(3)變壓器油常用抗氧劑在通常的加入量下，對介質(zhì)損耗因數和體積電阻率沒(méi)有負面影響，鈍化劑加入對介質(zhì)損耗因數沒(méi)有負面影響，對體積電阻率有明顯的降低作用，即在直流電場(chǎng)下鈍化劑會(huì )增加基礎油的電導性能。

　　(4)降低換流變壓器油的電阻率比較適宜的途徑是調整基礎油的芳烴含量或加入適當的添加劑。