1 纖維素絕緣紙及其結構

換流變壓器的絕緣紙主要以木漿為原材料，纖維素、半纖維素和木質素構成其主要成分。纖維素化學式為C6H10O5，分子結構如圖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，由兩個呲喃環組成的纖維二糖為最小重復結構單元，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，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的纖維素分子鏈結構

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

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

在結晶區內，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，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，換流變壓器閥側套管承受電場較復雜，主要包含直流疊加多種諧波分量，當換流閥換相失敗或內部故障時，還會出現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局部過熱。在一定溫度和電場條件下，油紙內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生氣泡，在油流和電場的作用下發生遷移和積聚，從而形成小橋，并引發局部放電，繼而發生沿面閃絡，甚至絕緣擊穿。另外，由于長期工作在交直流復合電場及高溫環境，油紙絕緣在酸、堿水解作用下，其纖維素分子間糖苷鍵會發生斷裂，易產生自由纖維，在直流電場下受單向電場力作用更易脫落，形成雜質。

纖維雜質在油流和電場復合作用下發生遷移和積聚，也會形成小橋，極易誘發局部放電，甚至造成擊穿。油中發生局部放電時，能夠在短期內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，而當油紙表面或內部發生局部放電時，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，不同溫度絕緣油和紙介電常數隨溫度變化關系如圖2所示，纖維素的相對介電常數可達4.4，幾乎是絕緣油相對介電常數的2倍。油紙絕緣介電常數不匹配，使得兩者所承受電場在交流下分布不均。同時，在穩態直流電壓下，電場分布則取決于絕緣油和絕緣紙的電導率，不同溫度絕緣油和絕緣紙電導率隨溫度變化的關系曲線如圖3所示。

由于纖維素電導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，溫度對絕緣紙電導率的影響遠高于對變壓器油電導率的影響，這也加劇油紙絕緣電導參數的不匹配程度，同樣會引發沿面閃絡等絕緣事故。

圖2 不同溫度絕緣油和紙介電常數隨溫度變化關系

圖3 不同溫度絕緣油和紙電導率隨溫度的變化關系

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

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

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局部放電特征、沿面閃絡或擊穿機理是亟需解決的關鍵問題，研究絕緣材料在復雜工況下的微觀劣化規律和破壞機理，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。

（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狀