非线性纳米改性下换流变压器出线装置电场分布分析.DOC

采用纳米改性纸板的换流变压器出线装置电场分布分析 Electric Field Distribution Analysis of Converter Transformer Barrier System Using Nano odified Pressboard 诸葛祥丽，陈庆国，刘贺千 （哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080） 摘 要：换流变压器出线装置在运行时将承受交直流叠加及极性反转电压作用，为解决由于油、纸绝缘电导率差异引起的电场分布集中问题，提出了利用非线性纳米SiC对绝缘纸板进行改性的方法，制备了纳米改性绝缘纸板试样，并测量了改性纸板的介电特性；结合换流变压器出线装置的实际结构建立了电场分布的仿真模型，分析了纸板改性对出线装置电场分布的均化作用。试验结果表明：纳米改性绝缘纸板的相对介电常数随纳米SiC掺杂浓度的增加而增加，但增加的幅度不大，随电场强度的增加呈略微上升的趋势；其电导率随着纳米掺杂浓度的增加而增加，当掺杂浓度达到一定值时，电导率随场强增加表现出明显的非线性特征。仿真结果表明：在直流和极性反转电压下，纸板改性可降低绝缘纸板中的场强，提高变压器油中的场强，使油纸绝缘结构中的电场分布更趋于均匀。 关键词：纳米SiC；非线性；换流变压器；出线装置；电场分布 1引言 随着我国社会经济的快速发展，负荷中心对电力需求的日益增加，带动了我国高压和特高压电网建设的快速发展[1-4]。高压直流输电（High Voltage Direct Current Transmission，HVDC）以其功率调节的快速灵活、不增加系统的短路容量、可协助系统的暂态稳定性、损耗低和占地少等优点，在远距离大容量输电、异步联网、海底电缆输电等方面获得了广泛的应用[5,6]。直流输电网络建设与输电设备制造技术的进步是息息相关的[7]，换流变压器作为直流输电系统中的枢纽设备，其运行可靠性直接影响直流系统的安全运行。 出线装置是换流变压器中的关键部件，运行时将承受交直流叠加及极性反转电压作用，在该电压作用下如何实现出线装置电场的均匀分布是出线装置绝缘设计的关键[8,9]。目前国内外在出线装置设计时主要采用更多的绝缘纸板用以承担大部分的直流电压，并合理地调节油隙尺寸及数量来承担大部分的交流电压。但由于变压器油和绝缘纸板的电阻率相差较大，且受温度、含水率等因素影响严重，单纯从结构上调整并不能有效解决上述问题，而有关从材料自身角度出发来解决电场分布不均和空间电荷积聚问题在国内外未见详细报道。 针对以上问题，本文提出了利用非线性纳米SiC对绝缘纸板进行改性的方法来实现出线装置中油、纸绝缘电阻率尽可能的匹配，并利用改性纸板的非线性特性实现电场集中区域的自动均化。为验证该方法的有效性，在实验室中制备了纳米改性绝缘纸板，试验研究了改性纸板电阻率和相对介电常数随掺杂浓度及场强变化特性，并通过仿真手段研究了纳米改性纸板对电场分布的均化作用。 2.纳米改性试样制备及测试结果 2.1试样制备 参考工业纸板的制作方法，以进口电工级未漂针叶木材硫酸盐纸浆、蒸馏水、纳米SiC（粒径60nm）为原料，利用打浆机、纸样抄取器、打浆度测定仪、标准疏解器、平板硫化机、蒸馏水机等实验设备，完成打浆、成形、压榨、干燥等过程。试样制备过程中，利用标准疏解器将湿纸浆与纳米颗粒充分混合，通过改变颗粒加入量，控制成型纸板填料的掺杂比例（以质量分数计）。为模拟绝缘纸板层压式结构，保证纳米颗粒在纸板中均匀分布，采用平板硫化机将一定数量的湿纸页压为一张纸板，最后经干燥、真空注油、常温真空浸渍等工艺制成改性纸板试样，制作流程如图1所示。 图1 试样制备流程图 2.2 试验测试结果与分析 2.2.1 改性纸板的相对介电常数 在室温下测试了纳米SiC掺杂浓度分别为0％、0.1％、0.7％、2.5％、7.5％时，浸油纸板相对介电常数εr随场强的变化关系如图2所示。 图2 改性纸板相对介电常数与场强的关系 由上图可知，改性纸板的相对介电常数随纳米掺杂浓度的增加而增加，但增加的幅度不大；相对介电常数随电场强度的增加呈略微上升的趋势。 2.2.2改性纸板的电导率 在室温下试验得到了掺杂浓度分别为0％、1％、2.5％、5％、7.5％时改性浸油纸板电导率随场强的变化关系如图3所示。 图3 改性纸板电导率与场强的关系 由上图可知，改性纸板的电导率随着纳米掺杂浓度的增加而增加；在较低掺杂浓度下改性纸板电导率与电场强度的关系没有表现出明显的非线性特性，随着掺杂浓度的增加，改性纸板电导率随场强增加表现出明显的非线性特征，且掺杂浓度越高出现非线性特性的临界电场强度越低。 在纳米掺杂浓度为7.5%时改性纸板的电导率与变压器油的电导率相接近，其电导率与场强的关系可拟合为： （1）