- 頭條顆粒屬性及濃度決定礦物絕緣油直流擊穿電壓的變化規律2021-02-17 作者：郝建 但敏 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網重慶市電力公司南岸供電分公司的研究人員郝建、但敏、廖瑞金、李劍、楊麗君，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文（論文題目為“顆粒屬性對礦物絕緣油直流擊穿特性的影響差異及原因分析”）指出，顆粒屬性決定著絕緣油直流擊穿電壓變化規律。 換流變壓器是超高壓/特高壓直流輸電工程中重中之重的設備。目前，絕緣油中雜質顆粒成為威脅在運換流變壓器可靠運行不容忽視的因素。該文首先通過試驗研究了不同濃度和不同尺寸的纖維顆粒、金屬銅顆粒、纖維與銅混合顆粒對礦物絕緣油直流擊穿場強的影響規律，然后聯合運用顆粒動力學模型及顆粒積聚模型仿真分析了雜質顆粒在油中的積聚行為及顆粒積聚對電場分布的影響，揭示了顆粒屬性對礦物絕緣油直流擊穿特性的影響差異及原因。 含單純纖維或銅金屬顆粒油品的直流擊穿電壓隨顆粒濃度增加總體上呈線性遞減的趨勢，含纖維和金屬混合顆粒油品的直流擊穿電壓隨著銅顆粒濃度的增加呈指數衰減的趨勢；金屬顆粒對油品絕緣性能的劣化程度大于非金屬纖維顆粒，混合顆粒對油品絕緣性能的劣化程度大于單一顆粒，纖維顆粒粒徑的增加進一步降低了油品直流擊穿場強。 結果表明：試驗和仿真結果一致表明，直流電場分量作用下油中顆粒積聚成橋，大幅度提升了油品的電導率，導致油中電場分布出現顯著畸變。與無預壓模式下直流擊穿電壓相比，直流預壓模式下形成的顆粒積聚導致油品直流擊穿場強顯著下降，下降幅度超30%。
我國一次能源與負荷呈“西-東逆向分布”，為滿足清潔能源送出、負荷中心電力供應、節能減排等方面的迫切需求，近10年來國家大力發展大容量遠距離超/特高壓輸電技術。目前，我國電網是世界上唯一同時運行特高壓交、直流的電網，設備健康狀態和系統安全面臨多方面的嚴峻挑戰。
換流變壓器是超/特高壓直流輸電工程中重中之重的設備，其具有單體體積大、造價高、出現問題影響嚴重等突出特點。運行統計數據表明：由換流變壓器故障引起的直流輸電工程被迫停運次數最多。超高壓和特高壓換流變壓器內絕緣油用量分別超過50t和100t。油品具備良好的絕緣性能對保障換流變壓器絕緣性能安全可靠起著舉足輕重的作用。
換流變壓器閥側絕緣部位在運行過程中需同時承受交流電壓、直流電壓等的作用。在直流電場作用下，容易出現雜質顆粒的析出和積聚現象，易誘發局部放電或介質擊穿，從而對絕緣性能構成極大威脅。然而，變壓器內部油紙絕緣老化降解、局部放電、有載分接開關或油泵機械動作等，均會導致油品中產生微小的不同屬性的雜質顆粒。
現場油樣測試表明：絕緣油中的顆粒雜質主要為纖維、碳化合物和金屬，其中，超過90%的雜質顆粒是纖維非金屬顆粒，金屬雜質顆粒則以銅、鐵為主。CIGRE Working Group 12.17統計分析了22臺故障變壓器和40支765kV故障套管的故障原因后指出，對于400kV及以上等級變壓器，顆粒的來源及其危害是必須引起關注的。
絕緣油中微小雜質顆粒是不可避免的。近幾年，絕緣油中雜質顆粒被認為是為威脅換流變壓器安全可靠運行不容忽視的因素之一，國內外很多學者也陸續開展了雜質顆粒對油絕緣性能影響的研究。
非金屬雜質顆粒對油絕緣性能影響的研究主要選用纖維或碳顆粒，Shekhar Mahmud等研究了電場強度、纖維顆粒大小和顆粒濃度對“纖維小橋”形態的影響，指出在直流電壓分量存在時會形成“纖維小橋”；電場強度越高，形成“纖維小橋”的速度越快。梁晨等研究表明隨著碳顆粒的濃度與粒徑的增加，礦物油的擊穿電壓逐漸降低。趙濤等研究分析了纖維顆粒對絕緣油沖擊擊穿特性的影響。李金忠等研究指出在恒定直流電壓作用下，纖維顆粒積聚形成的“高危小橋”將最終引發油紙絕緣的擊穿。
金屬雜質顆粒的研究主要以大粒徑單個顆粒為主，王淑娟等建立了油中顆粒運動理論分析模型，計算得到了交流電壓下顆粒的運動軌跡。王有元等仿真分析了單個金屬銅顆粒在球-球電極間的運動軌跡。Sarathi R等對交流、直流電壓下金屬顆粒的運動特性進行分析并研究了其對起始放電電場強度、擊穿電壓的影響。
ISO 4406和NAS 1638是國際上通用的油品清潔度劃分和測試依據標準，國內依據DL/T 432—2007《電力用油中顆粒污染度測量方法》。GB/T 7595—2017《運行中變壓器油質量》和GB/T 14542—2017《變壓器油維護管理導則》中規定了500kV及電壓等級交流變壓器在投運前和大修后油中顆粒度應達到的技術要求，要求100mL投入運行前的油中，500kV、750kV和1 000kV變壓器油中大于5m的顆粒數分別不超過3000個、2000個和1000個；要求100mL運行油中，750kV和1000kV交流變壓器油中大于5m的顆粒數均不超過3000個。
然而，對特高壓換流變壓器運行絕緣油油中顆粒度的要求，尚未見標準規定；直流電場分量下顆粒濃度與絕緣油電氣強度之間的量化關系，仍然未知。考慮到換流變壓器中直流電場分量的存在更容易引起顆粒積聚，為掌握不同屬性雜質顆粒油品的絕緣性能，且為保障換流變壓器安全運行和雜質顆粒誘發絕緣故障的分析提供技術支撐，需要研究不同屬性顆粒及其顆粒積聚程度對絕緣油電氣強度的影響規律；此外，金屬與非金屬混合顆粒在直流電場分量下的積聚特性，以及混合顆粒積聚對油品擊穿特性的影響又如何，也未見報道研究。
結論
本文通過試驗研究不同濃度和不同尺寸的非金屬纖維顆粒、金屬銅顆粒、纖維與銅混合顆粒對礦物絕緣油直流擊穿場強的影響規律，然后聯合運用顆粒動力學模型及顆粒積聚模型仿真分析雜質顆粒在油品中的積聚行為及顆粒積聚對電場分布的影響，最后分析了顆粒屬性對礦物絕緣油直流擊穿特性的影響差異及原因。
1）顆粒屬性決定著絕緣油的直流擊穿電壓的變化規律。纖維+銅混合顆粒對油品絕緣性能的劣化程度大于單一纖維顆粒或者銅金屬顆粒，僅含纖維或銅金屬顆粒油樣的無預壓模式直流特征擊穿電壓隨顆粒濃度的增加總體上呈線性遞減的趨勢；含混合顆粒油樣的直流特征擊穿電壓值隨著銅顆粒濃度的增加呈指數衰減的趨勢。
2）直流預壓模式下含雜質顆粒油品中出現顆粒積聚成橋的現象比無預壓模式下更加顯著；含纖維顆粒、銅顆粒、纖維+銅混合顆粒油品的直流預壓模式擊穿電壓顯著低于無預壓模式下的擊穿電壓；直流電場作用下雜質顆粒積聚成橋顯著提升了油品電導率，這是導致含顆粒油品擊穿強度降低的主要原因之一。聯合顆粒動力學模型及顆粒積聚模型的仿真結果表明：隨著直流加壓時間的增加，顆粒積聚導致的電場畸變范圍也逐漸擴大，這也是導致含顆粒油品擊穿強度降低的主要原因之一。
3）顆粒積聚對絕緣油絕緣性能的劣化程度顯著，尤其是金屬與非金屬混合顆粒。因此，建議油品顆粒污染度檢測時進一步區分金屬與非金屬顆粒含量，將更有助于管控油品質量。
