摘要
换流变压器是特高压直流输电工程的核心设备，油纸绝缘是其绝缘主要形式，水分是影响油纸绝缘性能的关键因素。目前主要采用欧曼曲线根据油中水分推算纸板水分。换流变工况复杂，对油纸绝缘材料选型提出了更高要求;我国部分换流变投运已超过20年，纤维素老化会导致纸板吸湿特性改变;换流变内部还存在复杂的电场，如阀侧油纸绝缘承受交直流复合电压的作用。欧曼曲线使用原浆吸湿特性及与KI50X绝缘油饱和水分溶解度差异较大的绝缘油，且未考虑适用于换流变绝缘材料、纤维素老化和电场的影响，在实际应用中会造成误差。针对此问题，本文开展了电场和纤维素老化对换流变油纸绝缘水分迁移特性的影响的试验研究，主要工作及取得的主要结论如下: (1)针对符合换流变材料选型的KI50X变压器油和典型电工纸板泰州魏德曼纸板和Figeholm纸板，试验获得了不同油纸组合的水分平衡曲线及关系式并与欧曼曲线对比分析，结果表明:欧曼曲线评估典型油纸绝缘时存在误差，这主要是由于绝缘油和固体绝缘吸湿特性不同。绝缘油吸湿特性用Arrhenius公式表示，其参数主要受芳香烃比例影响，欧曼用油相同温度下饱和溶解度高于KI50X变压器油。欧曼曲线使用原浆而非纸板的吸湿特性，未考虑原浆种类和制备纸板中工艺的影响。30℃时Figeholm纸板吸湿能力低于泰州魏德曼纸板，这主要是由于水分含量较低时，水分子主要通过单分子层或多分子层吸附，受比表面积影响较大。Figeholm纸板表面平均纤维直径低5.14μm，比表面积更小，吸湿能力更弱。 (2)试验获得了纤维素老化对油纸绝缘水分分布稳态特性的影响，提出了欧曼曲线修正方法，投运10年、20年、30年变压器水分负向修正20.43％，25.57％，29.65％。结果表明:纤维素老化对于绝缘纸板吸湿能力的影响与老化阶段相关，魏德曼和Figeholm纸板的吸湿能力在等效运行0-10年下降11.20％和12.91％;等效运行10-20年下降6.18％和7.53％，等效运行20-30年下降4.68％和5.61％，这主要是由于等效运行0-10年，细胞壁破损，绝缘油进入纤维素无定形区。纤维素老化导致细纤维化，等效运行30年时，纤维最小直径由27μm降低至13μm。 (3)试验获得了纤维素老化对油纸绝缘暂态迁移特性的影响，结果表明:85℃～20℃/72h降温过程中老化纸板水分迁移量下降;85℃～20℃/1h降温过程中老化泰州魏德曼纸板和Figeholm纸板油纸组合中油中水分含量变化率升高0.597mg/(kg.℃)和0.344mg/(kg.℃)，这主要是由于纤维素老化导致细胞壁破损，绝缘油挤占无定形区容纳间接吸附水的空间，直接吸附水比例升高。由于降温过程中绝缘油水分低于饱和溶解度，实验中未观测到浑浊现象。 (4)试验获得了直流电场、交流电场和不同比例的交直流复合电场对油纸绝缘水分分布的影响，结果表明:距离纸板5cm的测点的绝缘油水分低于距离纸板1cm处的绝缘油水分。施加直流、交直流比例1∶7，1∶5，1∶3，1∶1交直流复合电场、交流电场后，油中水分含量在实验腔体的空间内呈现不均匀分布。这主要是由于施加电场增强了纤维素晶区表面与水分子的结合能、油分子和水分子的结合能，减少了油中水分自由体积。施加电场增强了绝缘材料对水分子束缚作用，而相同温度下，体系中材料对水分子束缚作用越大，水分子越容易留在材料介质内部，造成了空间上的不均匀分布。电场的类型对水分分布造成不同的影响，这主要是由于交流电场下存在有电场和无电场交替的绝缘油区域，无电场时水分向相对饱和度低的区域扩散，减弱电场的影响。交直流复合比例较低时水分分布与直流电场接近，交直流复合比例较高时水分分布与交流电场接近。
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