高寒地区变压器油纸复合绝缘结构优化探讨

高寒地区变压器油纸复合绝缘结构优化探讨

郭跃男

郭跃男

（国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院哈尔滨150030）

摘要：本文研究了不同温度下典型油纸复合绝缘结构在高交流含量、低温低交流含量和高温低交流含量条件下发生击穿时油和纸板中的场强分布，对高寒地区变压器油纸复合绝缘结构优化进行了探讨，降低了变压器的制造成本，保证了变压器的安全、稳定、可靠运行。

关键词：低温；油纸复合绝缘；结构优化

近几年我国东北及西北地区发生的多起变压器绝缘故障都与变压器运行温度的变化有关，开展高寒地区变压器油纸复合绝缘结构优化探讨，对于提高高寒地区超/特高压变压器及油纸绝缘运行可靠性，保障电力系统安全具有重要的意义。

1.油纸复合绝缘结构击穿机理

直流叠加交流电压下油纸复合绝缘是否发生击穿由变压器油和浸油纸板共同决定，二者中任意一种介质先被击穿都可能导致整个绝缘结构的击穿。由于两种介质中的电场分布受到温度、交流含量和油纸比例的影响，同时两种介质的介电强度也受到温度和交流含量的影响，这使得有一种介质的介电性能不能得到充分的利用，导致油纸绝缘结构整体击穿电压的下降，这种“水桶效应”体现出了油纸绝缘结构的不合理[1]。因此有必要根据变压器的运行条件对油纸绝缘结构作出适当的调整和优化，一方面使得变压器运行的可靠性得到提升，另一方面可以合理利用绝缘介质降低换流变压器的制造成本。

2.油纸复合绝缘结构优化探讨

因为电场分布的不均匀和两种介质介电强度的差异，最理想的绝缘结构是油和纸板同时击穿导致油纸复合绝缘结构发生击穿，这样可以提高油纸绝缘材料的利用率。但是在-40℃至100℃之间电场分布随交流含量和油纸比例的变化较大，例如在低温低交流含量电压作用下，最高时场强会有95.1%集中在纸板上，理论上需要将油隙厚度降低为原来的近十分之一才会使两种介质同时发生击穿；而在高温区间，场强在两种介质间的分布又极为相近，这种情况下如果油纸比例过小又会造成绝缘介质的浪费[2]。因此需要将换流变压器的运行条件分为若干种情况，分别进行讨论实现绝缘结构的优化。

2.1高交流含量条件下

以纯交流情况为例，绝缘结构发生击穿时油和纸板中的场强分布如图1所示，纸板中的场强远小于其击穿场强，因此1.5：1的油纸比例造成了纸板的浪费。由于交流条件下场强按照容性分布，此时场强与绝缘厚度呈反比，因此可以适当提高油隙厚度，从而降低油隙中的场强[3]。

图1不同情况下油和纸板中的场强

设变压器油的击穿场强实际值为EBO、复合绝缘击穿时其承受的场强为EO；浸油纸板的击穿场强实际值为EBP、油纸复合绝缘击穿时其承受的场强为EP。若调整油隙的厚度使得油纸复合绝缘发生击穿时EO=EBO且EP=EBP，则说明两种介质同时发生击穿，这意味着此种调整方式既合理地改善了电场分布的不均匀减少了对绝缘介质的浪费，又可以提高绝缘结构整体的介电强度。

2.2低温低交流含量条件下

以纯直流为例，绝缘结构发生击穿时油和纸板中的场强分布情况如图2中-40℃至约70℃区间所示，场强绝大部分由纸板承受，油的实际场强远低于其击穿场强。由于直流电压作用下电场按阻性分布，因此理论上可以降低油隙的厚度来改善。但是一方面是因为油和纸板的电阻率有数量级上的差异，另一方面纸板的直流介电强度要远大于变压器油[4]。因此，只需要能够保证正常流动换热的油隙厚度即可，纸板足够支撑绝缘结构的绝缘强度。但是由于低温低交流含量下纸板承受大部分场强，而且纸板的介电强度随温度的降低而降低，因此需要复合绝缘的层数。

图2不同情况下油和纸板中的场强

2.3高温低交流含量条件下

高温低交流条件下与高交流含量情况类似，需要提高油隙的厚底来优化整体绝缘结构。

3.结论

变压器运行条件不尽相同，因此为了提高设备的可靠性以及降低制造成本，换流变压器阀侧主绝缘结构的设计需要根据变压器运行的实际条件具有针对性的进行设计，根据其运行的温度范围和所承受的交直流比例适当的进行调整，以保证变压器安全、稳定、可靠的运行。

参考文献：

[1]王云杉．周远翔．李光范．等．场强与油纸绝缘介质中空间电荷效应关系的研究[C]//第十一届全国工程电介质学术会议．上海，中国：上海交通大学，2007．

[2]周远翔，孙清华．李光范，等．空间电荷对油纸绝缘体击穿强度和沿面闪络的影响[J]．电网技术，2009。33（15）：76—79．

[3]王云杉，周远翔，李光范．等．油纸绝缘介质的空间电荷积聚与消散特性[J]．高电压技术，2008，34（5），873—877．

[4]张杰．换流变压器内部电场分析及油纸绝缘试验系统设计[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学．2008．