变温过程中水分对变压器油纸绝缘复合电场击穿特性的影响及机理

The converter transformer is one of the key equipments in HVDC power transmission system, and its reliability will directly effect the safe operation of power system. The valve side windings of the converter transformer withstand not only AC voltage, lighting impulse voltage and switching overvoltage, but also DC superimposed AC and polarity reversal voltage. Existing research results and operating experiences show that the operation conditions, such as moisture, temperature and space charge, make great influences on breakdown characteristics and mechanism for oil-paper insulation in converter transformer. Hence, according to real insulation structure in converter transformer and the voltage characteristics on oil-paper insulation, this project will systematically carry out the research on the breakdown and flashover characteristics with oil-paper insulation at wide temperature range under complex voltages considering the operating conditions, such as moisture, temperature, space charge and mutative temperature process. For the first time, the microcosmic effect of water molecular phase behavior, water droplet diameter, water fusion, transformer oil viscosity, ion mobility, moisture equilibrium and saturation between oil and paper on the breakdown and flash-over characteristics and mechanism for oil-paper insulation under complex electric-field is researched systematically. The goal of the project is to provide theoretical and data references for design, manufacture and operation of the ultra-high voltage converter transformer to ensure its safe operation.

换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备，其运行可靠性直接影响系统的安全运行。运行中的换流变压器绝缘不仅承受交流电压、雷电冲击和操作过电压作用，还要承受交直流叠加和极性反转电压作用。已有的研究和运行经验表明，温度、水分、空间电荷等因素对复合电场下换流变压器油纸绝缘击穿特性及机理有着重要的影响。为此，本项目结合特高压换流变压器实际结构和油纸绝缘所承受电压类型的特点，在综合考虑水分、温度、空间电荷及变温过程等可能出现的运行条件下，系统地开展宽温度范围内变温过程中水分对变压器油纸绝缘复合电场击穿特性。首次系统地开展变压器油中水分子相态、水滴粒径、电泳行为、水滴融合、变压器油粘度、离子迁移率、油纸间水分动态平衡与饱和度等微观过程影响下变压器油纸绝缘在复合电场作用下击穿及沿面闪络特性与机理的研究。以期为特高压换流变压器设计、制造和运行提供理论与数据参考，保障换流变压器的安全运行。

换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备，其运行可靠性直接影响系统的安全。已有研究和运行经验表明，温度、水分、空间电荷等因素对复合电场下油纸绝缘击穿特性及机理有显著影响，但研究多在稳态下进行。本项目结合特高压换流变压器实际结构和油纸绝缘所承受电压类型的特点，综合考虑水分、温度及变温过程的影响，系统开展宽温度范围内变温过程中水分对变压器油纸绝缘复合电场分布特性与击穿特性研究。研究发现，不同温度下电场强度对变压器油电导率影响具有明显差异：低温时，随电场上升变压器油电导率增加；温度升高，电导率先降后升；温度再高，测量范围内电导率下降后基本稳定。油浸纸板电导受温度影响明显，但变化趋势与油明显不同。热老化后纸板电导受到影响明显：随场强增加，未老化纸板电导率逐渐上升最终趋于稳定；老化后，电导率下降最终也趋于稳定；老化越严重，电导率下降的幅度越大。变压器油与油浸纸板相对介电常数随温度增加变化趋势相反：随温度增加，变压器油相对介电常数线性下降；而油浸纸板相对介电常数上升，且非线性变化。含水率对油浸纸板相对介电常数影响明显：含水率较低时，随温度增加相对介电常数增速逐渐减小，趋于稳定；含水率较高时，随温度增加相对介电常数增速逐渐增大。酸与水作为杂质对绝缘油局域态密度影响不同，水使变压器油分子的HOMO- LUMO能级变窄（影响十分微弱），酸在H-L能级间引入低密度的束缚态，酸与水共存使H-L能级减小程度更大。杂质影响区域内的H-L能级减小，在高场强下促进解离，与热解离载流子浓度饱和现象共同作用，使油纸绝缘随电场强度增加呈“U”型曲线。温度与变温过程对搭接结构击穿/沿面放电特性具有显著影响，水会增加沿面放电概率并降低放电电压。项目系统地开展变压器油纸绝缘中水分动态平衡与饱和度等微观过程影响下变压器油纸绝缘的复合电场击穿/沿面闪络特性与机理的研究。成果可为换流变压器设计、制造和运行提供理论与数据参考，保障换流变压器的安全运行。