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

2013-10-03 于會(huì)民中國石油克拉瑪依潤滑油研究所

　　本文中作者選擇了幾種變壓器油進(jìn)行了試驗(yàn)，給出了試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行了討論。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，介紹了在交流和直流電場下變壓器油烴組成及添加劑對其介電常數(shù)、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，我國開展±800kV電壓等級(jí)的特高壓直流輸電項(xiàng)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(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是交、直流輸電系統(tǒng)連接兩端換流站和逆變站的核心設(shè)備。國內(nèi)一些公司吸收了外國公司的技術(shù)，以±500kV等級(jí)換流變壓器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，完成了±800kV等級(jí)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(cè)繞組外，還有一個(gè)到兩個(gè)全絕緣的超高壓直流用閥側(cè)繞組。閥側(cè)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(jié)構(gòu)分析方法不再適用于超高壓換流變壓器絕緣設(shè)計(jì)。±800kV換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)由油、紙和紙板的復(fù)合絕緣材料構(gòu)成，與一般的電力變壓器相比，換流變壓器閥側(cè)在運(yùn)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(yīng)的換流變壓器要受到交流電場、直流電場和極性反轉(zhuǎn)電場的作用。

　　換流變壓器承受正弦交流電壓時(shí),其電場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(shù)ε)。在介電常數(shù)較低的變壓器油中電場強(qiáng)度比較高,而介電常數(shù)相對較高的紙板中交流場強(qiáng)較低。換流變壓器承受穩(wěn)態(tài)直流電壓作用時(shí),其穩(wěn)態(tài)直流電場分布取決于復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中不同材料的電阻率值。穩(wěn)態(tài)直流場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說,接近于短路狀態(tài),即此時(shí)油中穩(wěn)態(tài)直流電場分布很少。換流變壓器承受極性反轉(zhuǎn)電場的情況時(shí),根據(jù)加電時(shí)間的不同過程,其電場分布是不同的。在極性反轉(zhuǎn)后瞬間,在電阻率最低的變壓器油中具有較高的場強(qiáng)。這說明反轉(zhuǎn)后瞬間,場強(qiáng)在復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中的分布是電容性分布,即瞬間絕緣結(jié)構(gòu)電場分布的決定因素是絕緣材料的介電常數(shù)。相對于紙和紙板,變壓器油的耐受場強(qiáng)較低,但其在反轉(zhuǎn)后瞬間承受極高的場強(qiáng),此處為換流變的絕緣薄弱部位。在電壓極性反轉(zhuǎn)過程中,絕緣介質(zhì)的交界面上出現(xiàn)了孤立的空間電荷,而且此種電荷的分布比較復(fù)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,此附加電場疊加到原電場上,引起了電場的畸變。

　　變壓器油作為換流變壓器的絕緣用油，其介電常數(shù)和電阻率的大小直接影響換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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、畸變電場的存在時(shí)間。因此，開展換流變壓器油的基礎(chǔ)油組成與添加劑與其介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和電阻率的關(guān)聯(lián)性研究，其結(jié)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(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2、試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1、試驗(yàn)材料

　　隨著我國特高壓直流設(shè)備國產(chǎn)化的發(fā)展，目前運(yùn)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(chǔ)油選擇生產(chǎn)變壓器的幾種基礎(chǔ)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，為了抑制變壓器油的硫腐蝕問題而在油中加入金屬鈍化劑，作為考察對象。基礎(chǔ)油性質(zhì)見表1。

表1 樣品性質(zhì)

樣品性質(zhì)

　　表1的結(jié)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(chǔ)油，N4的Cp值大于56%，是低芳烴的石蠟基基礎(chǔ)油。試驗(yàn)室選擇了國內(nèi)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(xì)情況見表2。

表2 添加劑及其制造商

添加劑及其制造商

2.2、試驗(yàn)方法及設(shè)備

　　目前，用于變壓器油介損、介電常數(shù)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強(qiáng)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(dǎo)粒子的數(shù)量有關(guān)，其原理：在250kV/mm～500kV/mm直流電場下，在1min時(shí)間內(nèi)測量極化電流，計(jì)算得到電阻率。試驗(yàn)設(shè)備見表3。

表3 主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備

主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備