1 纖維素絕緣紙及其結(jié)構(gòu)

換流變壓器的絕緣紙主要以木漿為原材料，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成其主要成分。纖維素化學(xué)式為C6H10O5，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過1，4-◆-糖苷鍵連接◆-D-呲呋喃葡萄糖基而形成的鏈狀高分子化合物，分子式為(C6H10O5)n，由兩個呲喃環(huán)組成的纖維二糖為最小重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，通過具有較強柔性的醚鍵連接起來。

其中，纖維素每個環(huán)中均有一個氧原子，還有三個羥基，具有一定極性和較強親水性，能夠在分子內(nèi)部或者與其他纖維素分子上的羥基生成氫鍵。另外，C6位羥基能與許多取代基反應(yīng)，其主要原因在于C6位羥基的空間位阻最小。

圖1 聚合度為n的纖維素分子鏈結(jié)構(gòu)

根據(jù)X射線衍射（X-Ray Diffraction, XRD）結(jié)果表明，纖維素大分子存在結(jié)晶區(qū)或無定型區(qū)。分子在結(jié)晶區(qū)能整齊規(guī)則地排列，呈現(xiàn)清晰的X射線衍射圖，密度較高，為1.588g/cm3，晶胞結(jié)構(gòu)為單斜晶胞模型；分子在無定型區(qū)則雜亂松散地排列，取向各異，因而密度較低，為1.500g/cm3。

纖維素的結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)相互交錯且沒有明顯界線，是由一種形態(tài)逐步過渡到另一種形態(tài)。一個纖維素分子主鏈可以存在于幾個區(qū)間內(nèi)，一部分處于排列規(guī)則的結(jié)晶區(qū)，一部分處于排列無序的不定形區(qū)。

在結(jié)晶區(qū)內(nèi)，氫鍵主要形成在葡萄糖基2、3和6位的原游離羥基位置上，同時纖維素分子鏈的線性完整度和剛性主要受到C3位羥基與鄰近環(huán)上的氧形成的分子間氫鍵的影響，這也是分子鏈緊密且有序排列的原因；而在無定型區(qū)，相互之間形成的氫鍵也較少，仍有部分游離的羥基。

2 油紙絕緣存在的問題

與電力變壓器相比，換流變壓器閥側(cè)套管承受電場較復(fù)雜，主要包含直流疊加多種諧波分量，當換流閥換相失敗或內(nèi)部故障時，還會出現(xiàn)操作沖擊過電壓或者陡波。由于諧波損耗和直流偏磁等原因，換流變壓器更易出現(xiàn)局部過熱。在一定溫度和電場條件下，油紙內(nèi)水分和氣體將以氣泡形式存在或析出。

更為嚴重的是，局部過熱會加劇纖維素鏈的氧化分解而產(chǎn)生氣泡，在油流和電場的作用下發(fā)生遷移和積聚，從而形成小橋，并引發(fā)局部放電，繼而發(fā)生沿面閃絡(luò)，甚至絕緣擊穿。另外，由于長期工作在交直流復(fù)合電場及高溫環(huán)境，油紙絕緣在酸、堿水解作用下，其纖維素分子間糖苷鍵會發(fā)生斷裂，易產(chǎn)生自由纖維，在直流電場下受單向電場力作用更易脫落，形成雜質(zhì)。

纖維雜質(zhì)在油流和電場復(fù)合作用下發(fā)生遷移和積聚，也會形成小橋，極易誘發(fā)局部放電，甚至造成擊穿。油中發(fā)生局部放電時，能夠在短期內(nèi)分解為大量含氫氣體及含氫聚合物，造成變壓器油劣化，絕緣性能下降，而當油紙表面或內(nèi)部發(fā)生局部放電時，纖維素分子鏈也會因受到破壞而斷裂，長期作用下油紙電氣性能也會發(fā)生不可逆的劣化。

在交流電壓下，電場分布取決于油和絕緣紙的介電常數(shù)，不同溫度絕緣油和紙介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系如圖2所示，纖維素的相對介電常數(shù)可達4.4，幾乎是絕緣油相對介電常數(shù)的2倍。油紙絕緣介電常數(shù)不匹配，使得兩者所承受電場在交流下分布不均。同時，在穩(wěn)態(tài)直流電壓下，電場分布則取決于絕緣油和絕緣紙的電導(dǎo)率，不同溫度絕緣油和絕緣紙電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系曲線如圖3所示。

由于纖維素電導(dǎo)率與變壓器油相差近100倍，使得兩者承受的電場強度在直流場下分布更不均勻。然而，溫度對絕緣紙電導(dǎo)率的影響遠高于對變壓器油電導(dǎo)率的影響，這也加劇油紙絕緣電導(dǎo)參數(shù)的不匹配程度，同樣會引發(fā)沿面閃絡(luò)等絕緣事故。

圖2 不同溫度絕緣油和紙介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系

圖3 不同溫度絕緣油和紙電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系

此外，直流電壓或交直流復(fù)合的直流分量作用下會存在恒定電場的持續(xù)積累效應(yīng)，油紙絕緣結(jié)構(gòu)作為不均勻介質(zhì)，由于注入或電離等極化效應(yīng)，易在油紙絕緣結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部注入電荷，使電場發(fā)生畸變，并發(fā)生電荷遷移與積聚。電荷的脫陷和入陷均伴隨著能量轉(zhuǎn)移和釋放，會破壞油紙絕緣微觀結(jié)構(gòu)。

同時，復(fù)雜電場和高溫以及機械應(yīng)力等多場耦合作用會加劇油紙絕緣電荷積聚效應(yīng)，造成不可逆的破壞。與積聚在介質(zhì)體內(nèi)的空間電荷相比，多層油紙液-固絕緣結(jié)構(gòu)的物理界面比介質(zhì)本體更易積聚界面電荷，界面處電荷密度遠大于介質(zhì)體內(nèi)的電荷密度，在極性反轉(zhuǎn)等特殊工況下，由于界面電荷消散速度要比外施電場變化速度慢，界面電荷產(chǎn)生的電場與極性反轉(zhuǎn)后與外施電場相疊加，導(dǎo)致油紙絕緣電場發(fā)生畸變，偏離絕緣設(shè)計值，極易誘發(fā)局部放電，甚至引發(fā)沿面閃絡(luò)和絕緣擊穿。

綜上所述，油紙絕緣的局部放電、沿面放電或擊穿以及空間電荷特性是限制換流變壓器安全運行的根本因素，在多場耦合條件下電荷注入和輸運特性以及由此引發(fā)局部放電特征、沿面閃絡(luò)或擊穿機理是亟需解決的關(guān)鍵問題，研究絕緣材料在復(fù)雜工況下的微觀劣化規(guī)律和破壞機理，已然被視為滿足換流變壓器絕緣材料研制需求的核心基礎(chǔ)。

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