0 引言

极性反转为换流变压器的一种特殊工况,在此过程中,换流变压器阀侧绕组承受的直流电压极性发生反转,从原来承受的正极性直流电压变为承受负极性直流电压,或反之^[1-3]。这种情况通常出现在直流输电系统发生潮流反转、直流输电线出现瞬时故障和换流变压器出厂时的极性反转试验^[4]。这几种条件下,换流变压器极性反转前油纸绝缘积聚的界面电荷产生的电场与极性反转后的外施电场叠加^[5],并由直流稳态电场的阻性分布转变为极性反转时暂态电场的容性分布^[6-8],由于换流变压器内部绝缘结构的复杂性,使得各部分界面电荷的消散速度不均,导致某些部位沿油纸界面的切线方向局部电场得到加强,容易出现沿面放电乃至沿面闪络,如围屏的交叠区、垫块和撑条的侧边等部位^[8-11],这些部位也是换流变压器绝缘失效故障的易发区域^[12]。

ABB公司的Rongshen Liu采用压力波（pressure wave propagation,PWP）方法测量了油纸绝缘极性反转过程中电场的变化,认为油浸纸板积聚的空间电荷在极性反转时刻会极大地畸变油纸界面电场,容易引起绝缘纸板体击穿^[13]。日本学者研究得到油纸平行绝缘结构的界面电荷在外施电压极性反转时对合成电场的加强能达到2.7倍^[14]。电声脉冲（pulsed electrcoacoustic,PEA）法研究结果表明油浸纸在强法线方向电场的作用下,积聚的界面电荷密度远远超过体电荷密度^[15-17],而在沿面绝缘结构下,其电场分布为强切线方向电场和弱法线方向电场,体电荷的积聚决定于法线方向电场,使得界面电荷密度更是大于油浸纸板的体电荷。同时直流电场下油流带电^[18]对油纸绝缘界面电荷特性产生一定的影响。

因此研究极性反转条件下油纸沿面绝缘界面电荷密度的变化对于换流变压器的设计、试验和运维可靠性都具有重要意义。

1 极性反转条件油纸绝缘界面电荷测量及沿面闪络试验

1.1 试验装置

研究极性反转条件下油纸沿面绝缘界面电荷特性采用信号发生器与高压功率放大器组合构成的极性反转电源,试验采用的高压功率放大器最大输出电压±10 kV,额定电流2 mA,最大支持30 V/μs的电压变化速率,满足极性反转研究中对电压变化速率的要求,原理接线如图1所示。界面电荷测量平台在文献[19]有详细介绍,为相同的沿面绝缘结构放电模型,用针板不均匀电场模型来模拟换流变压器中油纸界面积聚电荷后产生的畸变电场,静电容探头垂直油纸界面,测量时水平距离针电极尖1.5 mm,针板电极间距15 mm,如图2所示。整个测量系统在所施加的试验电压下经过无局放测试,能够模拟换流变压器极性反转过程的界面电荷变化过程。

试验装置采用的单刀双掷的高压继电器能够满足最高耐压70 kV的试验,峰值电流10 A,触点动作时间在5 ms左右,符合实际换流阀进行极性反转的动作时间,同时减少界面电荷的消散,能够明显地展现出界面电荷的作用,可满足较低电压下极性反转条件界面电荷和高压下局放起始电压及沿面闪络电压的测量。

1.2 换流变压器承受的极性反转电压

换流变压器运行过程中存在承受的直流电压反极性的情况,包括潮流反转和直流输电线路故障闭锁后重启形成的电压陡变。对应潮流反转的工况,IEC 61378-2标准中规定了换流变压器出厂试验中需要进行的极性反转试验来模拟现场实际工况来考核换流变压器的绝缘结构,加压曲线见图3^[20]。

电压陡变的情形比较复杂,受运行方式不同,各直流输电系统的保护策略移相、暂停、闭锁等存在一定的差异,故障清除动作的不同组合和不同延

图1 极性反转界面电荷测量平台 Fig.1 Interface charge measurement platform under polarity reversal condition

图2 沿面绝缘的针板模型示意图 Fig.2 Surface of insulation needle-plate module

图3 IEC 61378-2标准换流变压器出厂极性反转试验 电压曲线示意 Fig.3 Polarity reversal test voltage of standard converter transformer in IEC 61378-2

时,形成的电压陡变时间会有一定的差异,如南方电网云广±800 kV直流输电2011-06-05受雷击过电压的影响,极2路闭锁后没有重启的直流线路电压实际波形,如图4所示。

可以看到,雷击发生时刻负极性直流线路电压从-800 kV快速陡变到1 250 kV,线路保护系统动作,闭锁楚雄整流站阀组触发信号,负直流线路电压上升到350 kV持续200 ms后下降到0^[21]。对于类似的实际工况,CIGRE给出的模拟试验电压波形中,电压突变的时间<2 ms,陡变后电压为-0.5倍额定电压,持续时间250 ms,然后恢复正常1倍额定电压线路电压,如图5所示^[4]。

为模拟直流输电线路故障时换流变压器承受的电压陡变工况,按照CIGRE的建议,用图5的加压曲线作为外施电压,选取额定电压为-8 kV,极性反转时间为2 ms,反转到-0.5倍额定电压4 kV后通过高压继电器切断外施电压,对油纸积聚的界面电荷进行测量,高压继电器切断延时在8 ms左右,这样确保能测量到极性反转后非常短的时间内界面电荷的变化。试验装置原理接线见图1。

1.3 极性反转条件下油纸沿面绝缘结构界面电荷特性

1.3.1 极性反转条件油纸绝缘界面电荷测量试验方法

试验采用针板沿面放电模型,电极距离15 mm,试验的油浸纸板各样品干燥真空浸油处理后的微水质量分数在1%~1.4%之间,油微水质量分数为6.14×10^-6~8.92×10^-6,室温(15±2) ℃,相对空气湿度10%~15%,油中水分大致达到平衡,试验前后的水分质量分数检测变化幅度在-2×10^-6~2×10^-6范围内。按照以下试验条件分别进行了电压陡变试验、正极性直流反转负极性直流、负极性直流反转到正极性直流和IEC 61378-2标准规定的加压时间的反转试验。

1）电压陡变试验条件测量界面电荷密度的变化。外施电压-8 kV加压时间300 s,测量界面电荷密度,在2 ms时间内反转到4 kV,分别测量300.008、300.108、300.208、300.250、301、302 s时刻的界面电荷密度。每次测量都将电荷消除后重新开始,切换到极性反转电压后的不同时间点再撤除外施电压,对界面电荷进行测量。

2）分别测试正极性反转负极性以及负极性反转正极性直流电压的2种极性反转条件下界面电荷密度的变化。分别外施电压±4 kV、±8 kV,加压300 s后,极性反转然后测量301、305、310、330、360、600 s的界面电荷密度的变化,每次测量都将电荷消除后重新开始,切换到极性反转电压后的不同时间点再撤除外施电压,反转时间4 ms,对界面电荷进行测量。

3）测量IEC 61378-2：2001标准中极性反转试验时间要求下的界面电荷密度。进行-8 kV极化90 min,而后转换到8 kV极化90 min,最后转换到-8 kV极化45 min,反转时间2 min,分别测量转换过程中的电荷密度的变化。

1.3.2 电压陡变试验条件油纸沿面绝缘界面电荷的变化

电压陡变的试验电压实际波形如图6所示,电源电压设定-8 kV施加时间300 s,然后2 ms内反

图4 云广±800 kV直流输电线路雷击故障时刻的 电压录波波形 Fig.4 Recorded wave shape at lightning failure time of DC transmission line of CSG ± 800 kV voltage

图5 CIRGE电压陡变试验电压曲线 Fig.5 Recommended test voltage waveform of CIRGE voltage abrupt change

图6 电压陡变试验电压波形 Fig.6 Voltage waveform of voltage abrupt change test

转极性到4 kV,持续时间100 ms（根据测量的时间段在250 ms范围内调整）,再在2 ms内反转到-8 kV。施加到样品组上的电压波形见图5,选择的为300.008 s时刻切断外施电压进行界面电荷密度测量。

设定不同的时间段切断高压继电器,进行界面电荷测量,结果见图7,虚线为标识零电位位置线。可以看出,电压从-8 kV陡变到4 kV后的界面300.008 s时刻,界面电荷密度从陡变前的-10.58 pC/mm²下降到-9.52 pC/mm²,而后在4 kV的持续250 ms时间内,界面电荷密度持续下降到-7.89 pC/mm²,并没有出现界面电荷极性发生改变的情况。

因此对于沿面绝缘结构而言,其积聚的界面电荷虽然变化迅速,但仍然较外施电场的变化要慢得多,界面电荷形成的电荷场与外施电场叠加,会增强局部电场,导致电压分布不均匀,容易发生沿面闪络故障。

1.3.3 极性反转试验条件下油纸绝缘界面电荷的变化

1.3.3.1 正极性直流反转负极性直流的界面电荷特性

正极性直流电压加压时间300 s后,进行极性反转到负极性电压测得反转过程中不同时刻的表面电位和界面电荷密度的变化,如图8所示。

从图8(a)可以看出,极性反转时油纸绝缘的表面电位随外施电压的变化,外施电压5 min后,油纸界面积聚的电荷产生的表面电位达到1 526 V,占外施电压的38%,在外施电压反转时刻,表面电位随同转换极性,并出现一个缓和的充电过程,在延时30 s后逐步达到较平缓的增加。从图8(b)的界面电荷密度可以更加明显地看出这一变化,在外施电压极性转换后1 s,界面电荷密度从原来的正极性4.1 pC/mm²变成-4.9 pC/mm²,随后逐步增加,30 s后达到-5.45 pC/mm²。

图9为外施电压从正极性8 kV反转到-8 kV过程油纸绝缘表面电位及界面电荷密度的变化。外施电压5 min后,油纸绝缘界面积聚的电荷产生的表面电位达到3 112 V,占外施电压的38.9%,相对于外施电压4 kV反转后30 s内的变化过程,8 kV的极性反转过程中其表面电位和界面电荷密度的变化更加明显,界面电荷密度从转换后1 s时刻的-9 pC/mm²到-10.8 pC/mm²。

极性反转时刻原正极性界面电荷受外施极性反转后的电场注入负极性界面电荷的复合作用影响,正极性界面电荷开始减少,逐步减少到0,然后开始积聚负极性界面电荷,最初速度较快,逐步

图7 电压陡变试验界面电荷密度的变化 Fig.7 Change of interface electric density in the voltage abrupt change test

图8 正极性4 kV转换到负极性4 kV油纸界面 电荷密度的变化 Fig.8 Interface charge changes of oil-impregnated pressboard by reversing 4 kV to -4 kV

减缓增长,缓慢增加过程正是极性反转前的界面电荷与极性反转后界面电荷的复合过程,由于沿面放电模型中界面电荷的90%以上为电极注入电荷,这个过程很快,迅速复合了极性反转前的界面电荷,形成较快速的变化,然后进入缓慢的对极化形成的

图9 正极性8 kV转换到负极性8 kV油纸界面 电荷密度的变化 Fig.9 Interface charge changes of oil-impregnated pressboard by reversing 8 kV to -8 kV

界面电荷复合过程。

1.3.3.2 负极性直流反转正极性直流的界面电荷特性

换流变压器在极性反转过程中存在正极性直流反转到负极性直流的工况,也存在负极性直流反转到正极性直流电压的工况,图10为-4 kV直流电压反转到4 kV直流电压过程中,油纸绝缘表面电位和界面电荷的变化。从图10(a)可以得到极化5 min后,极性反转前油纸界面积聚的界面电荷产生的表面电位为-1 608 V,占外施电压的40%。

由图11(a)可以看出,外施电压5 min后,油纸界面积聚的电荷产生的表面电位达到-3 184 V,占外施电压的39.8%。图11(b)可见界面电荷密度在极性反转后快速增加,然后存在一个明显的缓慢增加的过程,这是与极性反转前积聚的负极性界面电荷复合的过程。

1.3.4 IEC 61378-2标准的极性反转试验条件下界面电荷特性

IEC 61378-2的换流变压器国际标准中规定了

图10 负极性4 kV转换到正极性4 kV油纸界面 电荷密度的变化 Fig.10 Interface charge changes of oil-impregnated pressboard by reversing -4 kV to 4 kV

出厂试验中的极性反转试验的加压曲线,从负极性直流电压开始,恒压90 min,然后进行极性反转到正极性直流电压,再恒压90 min,极性反转回到负极性直流电压,恒压45 min结束,反转时间<2 min。期间用局部放电仪测量局部放电,以每次极性反转后30 min内>2 000 pC的放电脉冲数≤30以及最后10 min内>2 000 pC放电脉冲数≤10为合格标准^[20]。

图12为按照IEC标准进行的8 kV直流电压下的极性反转试验过程中油纸绝缘界面电荷密度随外施电压时间的变化。在针板电极的沿面放电模型下,油纸绝缘的界面电荷随外施电压的极性转换速度很快,90 min的极性时间使得油纸界面积聚了更多的电荷量,极性反转前的界面电荷密度达到-12 pC/mm²,-8 kV极化5 min积聚的电荷密度为-10.58 pC/mm²。外施电压在极性反转时1 min后电压下降到0,此时测量到的油纸沿面绝缘界面电荷密度也下降到接近于0,而后外施电压上升到8 kV,界面电荷跟随外施电压极性发生变化。

图11 负极性8 kV极性转换到正极性8 kV油纸界面 电荷密度的变化 Fig.11 Interface charge changes of oil-impregnated pressboard by reversing -8 kV to 8 kV

根据针板沿面模型下油纸绝缘界面电荷的积聚特性,在电极快速注入电荷时间段以后,界面电荷的增长主要来源于界面极化产生的电荷,如果设电荷密度在90 min内的增长为匀速,则界面电荷的积聚速率约为0.019 pC/(mm²·min),对应的表面电位的增长速率为6.09 V/min。切换到正极性后,其界面电荷的积聚速率为0.010 9 pC/(mm²·min),对应的表面电位的增长速率为3.479 V/min,由此得出负极性电荷积聚的速度要快于正极性电荷。

图13为油纸绝缘界面电荷产生的表面电位随外施极性反转电压的变化,加压时间到90 min后,其表面电位随着界面电荷密度的增加而增加,极性反转后界面电荷受到外施电压极性反转后的电场注入电荷的复合影响,产生的表面电位逐步减小,而后跟随外施电压极性也发生反转。

沿面绝缘结构模型极性反转时界面电荷的极性能够在数百ms内跟随外施电压完成极性反转,这一试验结果和平行绝缘结构的电荷极性反转时间

图12 IEC 61378-2标准极性反转试验界面电荷密度的变化 Fig.12 Interface electric density changes of oil-impregnated pressboard according to IEC 61378-2

图13 IEC 61378-2标准极性反转试验表面电位与外施极化电压的关系 Fig.13 Relationship of surface potential and polarization voltage according to standard IEC 61378-2 polarity reversal test

存在极大差异。油纸平行绝缘结构模型在外施电压极性反转90 min后界面电荷极性仍然没有变换^[22],这和2种绝缘结构模型的界面电荷积聚时间存在显著差异^[19,23]有关。换流变压器在极性反转时,沿面绝缘结构界面电荷能迅速跟随外施电压完成极性反转,开始起到削弱合成电场的作用,而平行绝缘结构的界面电荷密度衰减缓慢,继续起到加强合成电场的作用,这样将加大换流变压器各绝缘结构承受的瞬态电场不均匀程度。

换流变压器出厂试验的极性反转试验中,反转时间要求<2 min,这一时间远远大于沿面绝缘结构的电荷积聚时间。因此换流变压器沿面绝缘结构的界面电荷在极性反转时间内,会衰减到0,而后极性随外施电压的变化而改变,形成同极性的界面电荷积聚,只会削弱合成电场而不会产生加强合成电场的作用。因此目前换流变压器出厂试验的极性反转试验考核的为平行绝缘结构的界面电荷作用,无法对沿面绝缘结构的界面电荷进行考核。

2 极性反转时油纸绝缘界面电荷特性分析

正极性和负极性电压积聚电荷所产生的表面电位与外施电压的关系见表1。正极性直流电压积聚的界面电荷产生的表面电位大约为38%外施电压,而负极性直流电压积聚的界面电荷产生的表面电位大约为40%外施电压。这表明油纸绝缘界面电荷在极性反转时刻加强的外施电压合成场强能达到约1.4倍。极性反转时刻能够加强电场的程度,使其与界面电荷积聚的密度大小成正比。

以正极性反转到负极性为例,油纸沿面绝缘界面电荷变化过程如图14所示,图14(a)状态为钨针施加正极性外施电压+U_DC,形成电场E_DC在油纸界面积聚的正极性界面电荷,E_δ+为界面电荷产生的电场,图14(b)为钨针施加外施电压+U_DC极性反转为负极性-U_DC时刻油纸界面电荷状态,图14(c)为负极性外施电压-U_DC积聚的负极性界面电荷复合掉反转前的正极性界面电荷后的状态,E_δ-为负极性界面电荷产生的电场。对应的各状态界面电荷密度变化细节如图15所示,t₁时刻为极性反转时刻,由于其开始到完成的时间仅为4 ms,不进行细化,t₂时刻为界面电荷由正极性转变成负极性的时刻,t₁时刻以前为图14(a)的界面电荷状态,t₁~ t₂为图14(b)的界面电荷状态,外施电压极性反转开始到界面电荷的极性反转结束,时间为数百ms,t₂时刻以后为14(c)的界面电荷状态。

由于界面电荷的消散时间长达数十分钟,而极性反转后针电极上的外施电压在4 ms的时间内完成电压极性反转,这样界面电荷产生的表面电位与极性反转后的外施电压极性相反,二者电势差加大,导致针电极附近的电场强度增大,当达到油纸绝缘临界击穿场强时发生沿面闪络。因此界面电荷的存在是极性反转时刻沿面闪络电压远低于单极性直流沿面闪络电压的原因。

3 结论

1）油纸绝缘积聚的同极性界面电荷在外施电压极性反转时刻加强了合成场强,其加强程度与界面电荷密度成正比。

2）沿面绝缘结构的油纸界面电荷极性反转只

表1 界面电荷产生的表面电位与外施电压的关系 Table 1 Relationship between the surface potential of the interface charge and the external voltage

图14 外施电压由正极性反转负极性过程界面电荷 变化示意图 Fig.14 Interface charge changes of oil-impregnated pressboard in the process of reversing positive polarity to negative polarity

图15 外施电压由8 kV反转到-8 kV过程中界面电荷 密度变化细节 Fig.15 Interface charge changes in the details of oil-impregnated pressboard while reversing 8 kV to -8 kV

需要数百ms完成,远小于平行绝缘结构模型的数小时,这种差异将强化换流变压器在极性反转时各绝缘结构承受的瞬态电场不均匀程度,偏离绝缘设计的计算值,在换流变压器绝缘设计时需关注这一特性。

3）IEC 61378-2标准中换流变压器出厂的极性反转试验电压规定的反转时间（<2 min）远大于沿面绝缘结构的界面电荷积聚时间,没有考核到沿面绝缘结构的绝缘特性,建议采用CIGRE推荐的电压陡变试验波形（反转时间<2 ms）进行考核。

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