纳米粒子对油纸复合绝缘直流击穿强度的影响

• 作 者: 应宇鹏
• 出 处: 华北电力大学(北京)
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 油纸复合绝缘 纳米改性 松弛极化 电压分布 界面电荷

换流变压器是高压直流输电系统中的关键设备之一,其阀侧绕组油纸绝缘在运行过程中要承受直流电压作用,而直流电场分布及过渡过程复杂,导致其直流绝缘强度较低,内部放电甚至击穿故障时有发生,因此需要寻找方法来提高油纸复合绝缘的直流击穿强度。大量研究表明,纳米粒子添加可以提高油纸的绝缘性能,但目前的研究大多只是针对单一变压器油或油浸纸,而没有将油纸作为整体考虑纳米粒子对油纸复合的影响。因此,本文对油纸复合直流击穿强度的纳米改性方法展开研究,得到纳米粒子的影响规律并分析其作用机理,从而为换流变压器中油纸复合绝缘的改性提供指导。本文以纳米二氧化钛粒子作为改性材料,首先测量了不同纳米粒子浓度、不同油纸组合方式以及不同纳米粒子形貌下,油纸复合结构的正、负极性直流击穿电压。发现随着球形纳米粒子浓度的增大,油纸复合的击穿强度呈现先升高后下降的趋势;对于纯油纸复合,纸+油+纸结构下的击穿电压要明显大于油+双层纸结构,而不同组合方式下纳米油纸复合击穿强度差别不大;高浓度下,相比球形粒子油纸复合,空心球形粒子油纸复合的直流击穿电压显著增大。同时,油纸复合的正、负极性击穿电压不同且极性效应会随粒子浓度、油纸结构和粒子形貌变化。介电谱和极化电流测试结果表明,与纯油纸相比,球形纳米粒子添加略微增大了油纸试样工频介电常数值和极化电流中电导电流幅值,而试样低频段介电常数值以及极化电流中吸收电流幅值出现显著提高。空心球形粒子添加对油纸极化电流的影响类似,但其作用效果要明显小于球形粒子。并且纳米添加同样会导致双层油纸复合中吸收电流部分明显增大。针对传统RC模型的局限性,提出利用双层扩展Debye模型对纳米油纸复合中夹层极化过程进行分析。利用所提出的模型对不同油纸复合电压分布和击穿机制进行研究。结果表明,纳米粒子添加后,升压过程中油隙承受的电压下降,油浸纸承受的电压升高,且粒子浓度越高,作用效果越明显,同浓度下空心球形粒子的作用效果要明显小于球形粒子。从而对于纯油纸、低浓度的球形纳米油纸以及空心球形纳米油纸复合,击穿先发生在油隙中,而较高浓度的球形纳米油纸复合的击穿先发生在油浸纸中。不考虑极性效应时,不同油纸复合根据电压分布计算出来的击穿电压与测量值基本吻合。通过界面电荷分析,认为受纳米粒子界面极化的影响,不同浓度和形貌纳米油纸复合界面电荷极性和积聚量不同,这是导致电压分布和击穿电压差异的根本原因。而纤维素对界面负电荷的吸附作用以及不同油纸复合击穿机制的差异,是存在极性效应且其作用效果不同的主要原因。