1 油紙絕緣電荷特性

隨著直流輸電技術的應用，空間電荷和界面電荷積聚問題對純直流或交直流復合電壓下絕緣電氣特性的影響變得尤為突出，也逐漸受到學者們關注。電荷注入量、遷移和分布位置均受到不同施壓類型、不同電壓等級以及含水量和環(huán)境溫度的影響。

此外，油紙絕緣在制造過程中的處理、添加劑的選擇、雜質的生成、材料的聚集態(tài)以及電極試樣的界面狀態(tài)均會影響內部電荷的輸運。油紙絕緣空間電荷研究最早可追溯到20世紀90年代，ABB的R. S. Liu等在1998年采用壓力誘導脈沖法對不同水分下單層1mm厚油浸絕緣紙板的空間電荷進行測試，研究表明紙板中的水分含量越高，紙板中的空間電荷建立越快，且分布越深。

日本學者M.Wakamatsu等于2003年利用克爾效應和有限元計算對直流電場下油紙絕緣界面電荷進行研究，分析了油浸絕緣紙的厚度與電壓極性反轉等因素對電荷積聚的影響規(guī)律。

國內天津大學利用等溫表面電位衰減法（Surface Potential Decay, SPD），針對特殊電壓形式，包括脈沖電壓、極性反轉電壓等情況下對油紙絕緣表面電荷以及界面電荷動態(tài)特性進行研究，揭示不同電壓參數(shù)與試樣參數(shù)對其電荷特性的影響。結果表明，在極性反轉過程中，電荷消散率會隨反轉時間增加而降低，正電荷消散速度快于負電荷。

另外，界面電荷密度隨油紙層數(shù)和厚度的增加而減小。表面電位起始值在脈沖電壓作用下會隨脈沖頻率的增加而減小，電荷消散過程加快。同時，隨著脈沖個數(shù)的增加，表面電荷消散減慢。而對于脈沖頻率而言，表面電荷密度均隨脈沖頻率增加而變小，電荷消散越快，其陷阱密度和深度均有所減少。

在直流和脈沖復合電壓作用下，隨著脈沖電壓幅值的增加，當直流和脈沖極性相同時，油紙絕緣表面電位起始值的絕對值先減小后增大，當兩者極性相反時，與脈沖同極性的電荷增加。此外陷阱密度隨脈沖個數(shù)的增加而變大，而陷阱深度則取決于直流和脈沖的極性。

重慶大學利用電聲脈沖法（Pulsed Electro- Acoustic Method, PEA Method），對雷電沖擊電壓、溫度、含水量和熱老化等多因素下油紙絕緣空間電荷特性進行研究，結果表明在多次雷電沖擊電壓下，空間電荷以正極性注入為主，大量正電荷在油紙內遷移并在界面聚集，畸變陰極附近電場并引發(fā)擊穿。外施直流電壓影響電荷注入和積聚，溫度影響遷移速率與分布，熱老化影響正電荷初始注入量和注入深度。

油紙絕緣含水量和溫度越高，內部正負電荷越易發(fā)生注入和遷移，而且臨近擊穿電場強度時，內部僅積累少量負電荷。脈動直流電壓下，試樣在油中電暈老化過程中多注入負電荷，且電暈老化程度越高，注入電荷的陷阱深度越大，并逐漸注入正電荷。

油紙絕緣結構因材料特性及電場形式變化，會存在極不均勻強切向分量的局部電場。正、負極性垂直直流電場的作用下，油-紙-油組合的界面電荷極性與外加電壓的極性相反。而在油浸紙-油隙-油浸紙的三層結構下，兩個界面處積聚的電荷極性相反，而且油紙界面電荷積聚的速度具有明顯的極性效應，即相較于正電荷在油紙界面積聚速度，負電荷在其界面積聚速度要更快。

清華大學針對不同電老化以及極性反轉等多種情況下的空間電荷積聚與沿面閃絡、擊穿的聯(lián)系進行研究。研究表明極化與去極化的過程中，負電荷主要積累在雙層油浸紙界面，雙層油紙絕緣界面勢壘使得其積聚和消散速度較慢。隨著電老化加劇，油紙內部更易積聚電荷，且消散速率變慢，陷阱密度和深度均有所增加。

電壓發(fā)生極性反轉由負變正時，殘留正電荷導致電場畸變嚴重，當電壓由正變負時，電場畸變并不明顯。油紙絕緣空間電荷在低電場強度下主要以電離為主，高電場強度下主要以同極性載流子注入為主，即電荷注入與電場畸變相互作用，電荷積聚導致的電場畸變也會對電荷動態(tài)特性產生影響。

西安交通大學研究溫度梯度對單/雙層油浸紙的空間電荷和界面電荷特性，結果表明油紙界面對正負電荷具有阻擋作用，溫度梯度使低溫側出現(xiàn)異極性電荷，油紙界面處積累上與電極極性相同的電荷，并且界面處的總電荷量隨電壓的升高和溫度梯度加大而出現(xiàn)與溫度相關的飽和現(xiàn)象。

由于溫度對油紙絕緣介電常數(shù)變化幅度影響較小，溫度梯度下電場畸變主要是因為電導在溫度梯度下呈階梯分布，從而使得界面電荷分布發(fā)生改變。此外，由于換流變壓器運行工況的特殊性，其內外溫差跨度較大，油紙絕緣電荷積聚主要是通過肖特基注入或隧道效應，電荷注入勢壘隨溫度升高而下降，使得肖特基注入或隧道效應加強，并引發(fā)電極的熱發(fā)射電子，電子或空穴的注入數(shù)量增多，電荷能量提高。

華北電力大學對不同電壓比例交直流電場下電荷特性進行研究，結果表明油層中交流電場呈均勻分布，但直流電場出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，直流電場下油紙界面的電荷積聚對電場畸變影響明顯。當電場強度相同時，負極性電場下油紙界面電荷密度較高，同時電荷積累可分為時間相對較短的肖特基注入和時間相對較長的電介質極化電荷兩個過程。

此外，在針-板沿面電極模型強切向分量電場作用下，油隙-油浸絕緣紙板的界面電荷極性與針電極上直流電壓極性相同，相較于正直流，油浸紙板界面在負直流下積累電荷密度要高1.2～1.3倍；油紙絕緣界面電荷在交直流電場下的變化規(guī)律與純直流電場下類似，其電荷密度的累積效應隨直流成份增加而突出；界面電荷使極性反轉時的沿面閃絡電壓明顯降低。

綜上，油紙絕緣在交直流復合電壓和極性反轉電壓等多種工況下的電荷遷移特性等相關研究均有所涉及，然而目前的測量技術和手段使得關于油紙絕緣電荷的研究還多受限于均勻電場，對于諧波、過電壓及極性反轉等特殊工況，并考慮電場、磁場、熱場和機械應力等多場耦合下電荷特性尚缺乏深入研究。

2 油紙絕緣局部放電特性

相較于交流電壓下油紙絕緣局部放電，目前研究人員對局部放電脈沖波形、放電譜圖和放電脈沖重復率已進行更為系統(tǒng)的研究。成果表明，油紙絕緣氣隙在直流電壓下的局部放電脈沖波形是脈沖寬度為80ns的單向脈沖。同時，溫度和電場會顯著加劇纖維氧化過程，并促進水分、一氧化碳和二氧化碳的形成，進而導致油紙絕緣局部放電。

國內外學者已通過分子動力學仿真對油紙絕緣紙板劣化的微觀過程進行模擬，表明水分會使纖維素分子糖苷鍵發(fā)生水解反應，并使絕緣紙板出現(xiàn)低溫玻璃化過程，而溫度升高使得纖維素分子鏈的水解及氧化反應加劇。

近年來，交直流復合電場下油紙絕緣局部放電特性已成為熱點，主要涵蓋油紙絕緣模型局部放電起始和擊穿特性，著重于直流分量對局部放電起始特性影響。研究表明，針板模型與氣隙模型的交流起始電壓隨直流分量增加而有所下降，且針板模型局部放電與直流電壓極性有關，更易發(fā)生放電。然而球板電極、平行板電極局部放電起始電壓與直流電壓分量關聯(lián)性不高。

國外學者G. Montanari等對不同比例交直流復合電壓下油紙絕緣局部放電起始電壓、放電量以及放電重復率進行研究，發(fā)現(xiàn)局部放電起始電壓下降，放電量增大，重復率較低，預壓一段時間后局部放電起始電壓有所降低。

G. Chen等對纖維素顆粒在交直流復合電壓下的成橋理論進行研究，認為纖維素在直流電場的極化效應是導致復合電場下成橋的主要原因。國內華北電力大學對油紙絕緣放電模型的局部放電特征進行統(tǒng)計，包括放電相位特征與電壓關系、放電量與放電次數(shù)的時間演化規(guī)律、放電脈沖時序特性、放電脈沖波形特性。根據(jù)脈沖電流和特高頻信號規(guī)律，典型缺陷下的局部放電起始、發(fā)展和產氣過程也得以分類。

西安交通大學對油紙絕緣放電模型的局部放電特高頻特性、灰度譜圖特征、統(tǒng)計譜圖特征和指紋譜圖特征以及能量分布特征均有所研究，發(fā)現(xiàn)不同放電類型的放電能量中心頻帶不一致。哈爾濱理工大學則考慮了溫度與含水量對復合電場下油紙絕緣電場分布影響，并結合放電過程中油紙絕緣理化特性，研究油紙絕緣典型缺陷的局部放電機理。

綜上，交直流復合電壓和諧波電壓下油紙絕緣局部放電特性仍需進一步的研究，目前還缺少溫度梯度、直流分量下油紙絕緣局部放電時頻特性、譜圖特征、能量特征以及熵特征的探討，且運用分子動力學模擬纖維雜質導致局部放電的機理研究中，尚未考慮影響纖維素分子鏈斷裂的電場強度條件等重要參數(shù)，有待進一步完善。

3 油紙絕緣擊穿特性

針對換流變壓器中出現(xiàn)直流電壓分量，國外學者研究交直流復合電壓下油紙絕緣擊穿或沿面閃絡特性最早可追溯至1976年E. Takahashi等研究交直流復合電壓下?lián)Q流變壓器油紙絕緣擊穿特性，發(fā)現(xiàn)交流分量峰值對復合電壓下?lián)舸┨匦杂绊戄^大，而與兩者所含比例關系不大。同時發(fā)現(xiàn)層壓紙板的鋪設方法對絕緣紙板的電導率以及直流擊穿電壓的影響較大。之后，沖擊電壓、直流和交直流復合電壓下絕緣紙板表面電場強度均有學者進行研究，結果表明沖擊電壓下表面電場強度最大，油紙界面使各種電壓形式下沿面閃絡電壓下降。

國內哈爾濱理工大學則對不同電場分量交直流復合電壓下油紙絕緣沿面放電和擊穿特性進行研究，發(fā)現(xiàn)增大油隙會降低擊穿電壓，并隨交流分量增加而有所下降。重慶大學對不同比例交直流電壓下油紙絕緣擊穿特性和脈動直流電壓下電熱老化油紙絕緣失效模型進行研究，發(fā)現(xiàn)交直流電壓下?lián)舸╇妷航橛诮涣麟妷汉椭绷麟妷褐g，且隨溫度升高而下降。

清華大學通過將交直流復合電壓下油紙絕緣的局部放電信號與時頻特性和油紙的理化特性相結合，對復合電壓下油紙沿面放電特性進行研究，并根據(jù)油紙能帶彎曲結構，結合雙極性載流子輸運模型和熱平衡方程，對電場和熱場耦合下的電熱擊穿模型進行構建。發(fā)現(xiàn)老化導致的絕緣紙板微觀形貌改變是造成油紙沿面放電起始電壓先升后降的主要原因，復合電壓成分比例對油紙絕緣擊穿特性影響較大，增大交流成分會降低擊穿電壓，直流成分較大時具有極大值。另外，正電荷難以穿過孔洞處油紙界面的U形能級結構。

目前，交直流復合電壓下油紙絕緣擊穿或沿面閃絡特性的研究通過與電荷特性的研究相結合進行，失效模型和劣化機理已部分完善，然而大溫度梯度以及電場、磁場和機械應力等多場耦合作用下的擊穿特性以及復雜運行環(huán)境下油紙絕緣的劣化機制還需進一步完善。

4 油紙絕緣改性研究

纖維素強極性親水結構與變壓器油非極性結構被認為是纖維素絕緣紙與變壓器油電導與介電性能不匹配的主要因素。國外杜邦公司研制出一系列非纖維素的合成絕緣紙，在一定程度上解決了絕緣紙的熱穩(wěn)定性以及親水基團帶來的吸濕性。但是這些合成絕緣紙均未考慮直流電場下的電導參數(shù)匹配問題，不適用于交直流復合電壓下油紙絕緣中電場的均勻分布。

國內則多偏向通過添加無機納米材料或表面處理等方式對纖維素紙進行調控。天津大學利用分子結構調控技術對纖維素紙進行氟化改性，并通過紅外光譜、掃描電子顯微鏡和能譜分析對改性后纖維素紙的化學結構、元素組成與物理形貌進行表征，發(fā)現(xiàn)經適當處理后的纖維素紙由于引入氟元素導致自由體積增加，分子內部分偶極矩相互抵消，使介電常數(shù)有所下降，陷阱能級密度降低。高度極化碳氟鍵而形成的表面氟化層，能夠在外施電場作用下俘獲電荷并感應與外電場方向相反的電場，抑制電荷向油浸絕緣紙內部深能級陷阱的注入。

另外，負極性電壓下油紙表面電荷積累較嚴重，且消散較快。氟化層抑制電荷注入會加快表面電荷消散，陷阱能級密度變化不顯著，高電場強度下效果更明顯。調控后纖維素紙電導增加，等溫放電電流初始值提高，注入電荷減少，載流子遷移率增加，有助于改善內部電場畸變。此外層間界面電荷積累的影響減弱，多層絕緣紙擊穿強度有明顯提高，而且沿面閃絡電壓也得到提升。

重慶大學通過在纖維素紙制造過程中，向紙漿中加入適當質量分數(shù)的微納米級SiO2顆粒，制備出具有較低介電常數(shù)的絕緣紙，使得改性后的油紙絕緣在交流電場下的電場分布更為合理，同時工頻或直流擊穿場強增加。另外，也嘗試向紙漿中混入適量TiO2納米顆粒，使得工頻擊穿電壓、局部放電起始電壓和直流擊穿電壓均有一定程度提高，并且認為添加納米顆粒能有效抑制外電場作用下電荷注入，減弱油紙絕緣內部電場畸變，加快空間電荷消散過程。

哈爾濱理工大學將蒙脫土加到紙漿當中，得到納米改性絕緣紙，電導率隨著納米片含量增加而升高，并呈現(xiàn)出一定程度非線性特征。同時，相對介電常數(shù)下降，工頻和直流擊穿電壓均有一定程度提高。

然而目前纖維素紙改性研究大都只針對改善交流電場下介電性能或提高電氣擊穿特性等特定方面進行調控，生產制造的經濟成本較大，還處于嘗試階段。尚未有能夠同時解決介電參數(shù)和電導相匹配，提高擊穿強度的方法。

（摘編自《電工技術學報》，原文標題為“換流變壓器閥側套管油紙絕緣研究現(xiàn)狀”，作者為杜伯學、朱聞博等。）換流變壓器閥側套管油紙絕緣研究現(xiàn)狀