1 纖維素絕緣紙及其結(jié)構(gòu)

換流變壓器的絕緣紙主要以木漿為原材料，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成其主要成分。纖維素化學(xué)式為C6H10O5，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過(guò)1，4-◆-糖苷鍵連接◆-D-呲呋喃葡萄糖基而形成的鏈狀高分子化合物，分子式為(C6H10O5)n，由兩個(gè)呲喃環(huán)組成的纖維二糖為最小重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)具有較強(qiáng)柔性的醚鍵連接起來(lái)。

其中，纖維素每個(gè)環(huán)中均有一個(gè)氧原子，還有三個(gè)羥基，具有一定極性和較強(qiáng)親水性，能夠在分子內(nèi)部或者與其他纖維素分子上的羥基生成氫鍵。另外，C6位羥基能與許多取代基反應(yīng)，其主要原因在于C6位羥基的空間位阻最小。

圖1 聚合度為n的纖維素分子鏈結(jié)構(gòu)

根據(jù)X射線(xiàn)衍射（X-Ray Diffraction, XRD）結(jié)果表明，纖維素大分子存在結(jié)晶區(qū)或無(wú)定型區(qū)。分子在結(jié)晶區(qū)能整齊規(guī)則地排列，呈現(xiàn)清晰的X射線(xiàn)衍射圖，密度較高，為1.588g/cm3，晶胞結(jié)構(gòu)為單斜晶胞模型；分子在無(wú)定型區(qū)則雜亂松散地排列，取向各異，因而密度較低，為1.500g/cm3。

纖維素的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定型區(qū)相互交錯(cuò)且沒(méi)有明顯界線(xiàn)，是由一種形態(tài)逐步過(guò)渡到另一種形態(tài)。一個(gè)纖維素分子主鏈可以存在于幾個(gè)區(qū)間內(nèi)，一部分處于排列規(guī)則的結(jié)晶區(qū)，一部分處于排列無(wú)序的不定形區(qū)。

在結(jié)晶區(qū)內(nèi)，氫鍵主要形成在葡萄糖基2、3和6位的原游離羥基位置上，同時(shí)纖維素分子鏈的線(xiàn)性完整度和剛性主要受到C3位羥基與鄰近環(huán)上的氧形成的分子間氫鍵的影響，這也是分子鏈緊密且有序排列的原因；而在無(wú)定型區(qū)，相互之間形成的氫鍵也較少，仍有部分游離的羥基。

2 油紙絕緣存在的問(wèn)題

與電力變壓器相比，換流變壓器閥側(cè)套管承受電場(chǎng)較復(fù)雜，主要包含直流疊加多種諧波分量，當(dāng)換流閥換相失敗或內(nèi)部故障時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)操作沖擊過(guò)電壓或者陡波。由于諧波損耗和直流偏磁等原因，換流變壓器更易出現(xiàn)局部過(guò)熱。在一定溫度和電場(chǎng)條件下，油紙內(nèi)水分和氣體將以氣泡形式存在或析出。

更為嚴(yán)重的是，局部過(guò)熱會(huì)加劇纖維素鏈的氧化分解而產(chǎn)生氣泡，在油流和電場(chǎng)的作用下發(fā)生遷移和積聚，從而形成小橋，并引發(fā)局部放電，繼而發(fā)生沿面閃絡(luò)，甚至絕緣擊穿。另外，由于長(zhǎng)期工作在交直流復(fù)合電場(chǎng)及高溫環(huán)境，油紙絕緣在酸、堿水解作用下，其纖維素分子間糖苷鍵會(huì)發(fā)生斷裂，易產(chǎn)生自由纖維，在直流電場(chǎng)下受單向電場(chǎng)力作用更易脫落，形成雜質(zhì)。

纖維雜質(zhì)在油流和電場(chǎng)復(fù)合作用下發(fā)生遷移和積聚，也會(huì)形成小橋，極易誘發(fā)局部放電，甚至造成擊穿。油中發(fā)生局部放電時(shí)，能夠在短期內(nèi)分解為大量含氫氣體及含氫聚合物，造成變壓器油劣化，絕緣性能下降，而當(dāng)油紙表面或內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，纖維素分子鏈也會(huì)因受到破壞而斷裂，長(zhǎng)期作用下油紙電氣性能也會(huì)發(fā)生不可逆的劣化。

在交流電壓下，電場(chǎng)分布取決于油和絕緣紙的介電常數(shù)，不同溫度絕緣油和紙介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系如圖2所示，纖維素的相對(duì)介電常數(shù)可達(dá)4.4，幾乎是絕緣油相對(duì)介電常數(shù)的2倍。油紙絕緣介電常數(shù)不匹配，使得兩者所承受電場(chǎng)在交流下分布不均。同時(shí)，在穩(wěn)態(tài)直流電壓下，電場(chǎng)分布則取決于絕緣油和絕緣紙的電導(dǎo)率，不同溫度絕緣油和絕緣紙電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

由于纖維素電導(dǎo)率與變壓器油相差近100倍，使得兩者承受的電場(chǎng)強(qiáng)度在直流場(chǎng)下分布更不均勻。然而，溫度對(duì)絕緣紙電導(dǎo)率的影響遠(yuǎn)高于對(duì)變壓器油電導(dǎo)率的影響，這也加劇油紙絕緣電導(dǎo)參數(shù)的不匹配程度，同樣會(huì)引發(fā)沿面閃絡(luò)等絕緣事故。

圖2 不同溫度絕緣油和紙介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系

圖3 不同溫度絕緣油和紙電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系

此外，直流電壓或交直流復(fù)合的直流分量作用下會(huì)存在恒定電場(chǎng)的持續(xù)積累效應(yīng)，油紙絕緣結(jié)構(gòu)作為不均勻介質(zhì)，由于注入或電離等極化效應(yīng)，易在油紙絕緣結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部注入電荷，使電場(chǎng)發(fā)生畸變，并發(fā)生電荷遷移與積聚。電荷的脫陷和入陷均伴隨著能量轉(zhuǎn)移和釋放，會(huì)破壞油紙絕緣微觀結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，復(fù)雜電場(chǎng)和高溫以及機(jī)械應(yīng)力等多場(chǎng)耦合作用會(huì)加劇油紙絕緣電荷積聚效應(yīng)，造成不可逆的破壞。與積聚在介質(zhì)體內(nèi)的空間電荷相比，多層油紙液-固絕緣結(jié)構(gòu)的物理界面比介質(zhì)本體更易積聚界面電荷，界面處電荷密度遠(yuǎn)大于介質(zhì)體內(nèi)的電荷密度，在極性反轉(zhuǎn)等特殊工況下，由于界面電荷消散速度要比外施電場(chǎng)變化速度慢，界面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與極性反轉(zhuǎn)后與外施電場(chǎng)相疊加，導(dǎo)致油紙絕緣電場(chǎng)發(fā)生畸變，偏離絕緣設(shè)計(jì)值，極易誘發(fā)局部放電，甚至引發(fā)沿面閃絡(luò)和絕緣擊穿。

綜上所述，油紙絕緣的局部放電、沿面放電或擊穿以及空間電荷特性是限制換流變壓器安全運(yùn)行的根本因素，在多場(chǎng)耦合條件下電荷注入和輸運(yùn)特性以及由此引發(fā)局部放電特征、沿面閃絡(luò)或擊穿機(jī)理是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，研究絕緣材料在復(fù)雜工況下的微觀劣化規(guī)律和破壞機(jī)理，已然被視為滿(mǎn)足換流變壓器絕緣材料研制需求的核心基礎(chǔ)。

（摘編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“換流變壓器閥側(cè)套管油紙絕緣研究現(xiàn)狀”，作者為杜伯學(xué)、朱聞博等。）換流變壓器閥側(cè)套管油紙絕緣研究現(xiàn)狀