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我國(guó)一次能源與負(fù)荷呈“西-東逆向分布”，為滿足清潔能源送出、負(fù)荷中心電力供應(yīng)、節(jié)能減排等方面的迫切需求，近10年來(lái)國(guó)家大力發(fā)展大容量遠(yuǎn)距離超/特高壓輸電技術(shù)。目前，我國(guó)電網(wǎng)是世界上唯一同時(shí)運(yùn)行特高壓交、直流的電網(wǎng)，設(shè)備健康狀態(tài)和系統(tǒng)安全面臨多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

換流變壓器是超/特高壓直流輸電工程中重中之重的設(shè)備，其具有單體體積大、造價(jià)高、出現(xiàn)問(wèn)題影響嚴(yán)重等突出特點(diǎn)。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：由換流變壓器故障引起的直流輸電工程被迫停運(yùn)次數(shù)最多。超高壓和特高壓換流變壓器內(nèi)絕緣油用量分別超過(guò)50t和100t。油品具備良好的絕緣性能對(duì)保障換流變壓器絕緣性能安全可靠起著舉足輕重的作用。

換流變壓器閥側(cè)絕緣部位在運(yùn)行過(guò)程中需同時(shí)承受交流電壓、直流電壓等的作用。在直流電場(chǎng)作用下，容易出現(xiàn)雜質(zhì)顆粒的析出和積聚現(xiàn)象，易誘發(fā)局部放電或介質(zhì)擊穿，從而對(duì)絕緣性能構(gòu)成極大威脅。然而，變壓器內(nèi)部油紙絕緣老化降解、局部放電、有載分接開(kāi)關(guān)或油泵機(jī)械動(dòng)作等，均會(huì)導(dǎo)致油品中產(chǎn)生微小的不同屬性的雜質(zhì)顆粒。

現(xiàn)場(chǎng)油樣測(cè)試表明：絕緣油中的顆粒雜質(zhì)主要為纖維、碳化合物和金屬，其中，超過(guò)90%的雜質(zhì)顆粒是纖維非金屬顆粒，金屬雜質(zhì)顆粒則以銅、鐵為主。CIGRE Working Group 12.17統(tǒng)計(jì)分析了22臺(tái)故障變壓器和40支765kV故障套管的故障原因后指出，對(duì)于400kV及以上等級(jí)變壓器，顆粒的來(lái)源及其危害是必須引起關(guān)注的。

絕緣油中微小雜質(zhì)顆粒是不可避免的。近幾年，絕緣油中雜質(zhì)顆粒被認(rèn)為是為威脅換流變壓器安全可靠運(yùn)行不容忽視的因素之一，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也陸續(xù)開(kāi)展了雜質(zhì)顆粒對(duì)油絕緣性能影響的研究。

非金屬雜質(zhì)顆粒對(duì)油絕緣性能影響的研究主要選用纖維或碳顆粒，Shekhar Mahmud等研究了電場(chǎng)強(qiáng)度、纖維顆粒大小和顆粒濃度對(duì)“纖維小橋”形態(tài)的影響，指出在直流電壓分量存在時(shí)會(huì)形成“纖維小橋”；電場(chǎng)強(qiáng)度越高，形成“纖維小橋”的速度越快。梁晨等研究表明隨著碳顆粒的濃度與粒徑的增加，礦物油的擊穿電壓逐漸降低。趙濤等研究分析了纖維顆粒對(duì)絕緣油沖擊擊穿特性的影響。李金忠等研究指出在恒定直流電壓作用下，纖維顆粒積聚形成的“高危小橋”將最終引發(fā)油紙絕緣的擊穿。

金屬雜質(zhì)顆粒的研究主要以大粒徑單個(gè)顆粒為主，王淑娟等建立了油中顆粒運(yùn)動(dòng)理論分析模型，計(jì)算得到了交流電壓下顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。王有元等仿真分析了單個(gè)金屬銅顆粒在球-球電極間的運(yùn)動(dòng)軌跡。Sarathi R等對(duì)交流、直流電壓下金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析并研究了其對(duì)起始放電電場(chǎng)強(qiáng)度、擊穿電壓的影響。

ISO 4406和NAS 1638是國(guó)際上通用的油品清潔度劃分和測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)依據(jù)DL/T 432—2007《電力用油中顆粒污染度測(cè)量方法》。GB/T 7595—2017《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量》和GB/T 14542—2017《變壓器油維護(hù)管理導(dǎo)則》中規(guī)定了500kV及電壓等級(jí)交流變壓器在投運(yùn)前和大修后油中顆粒度應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求，要求100mL投入運(yùn)行前的油中，500kV、750kV和1 000kV變壓器油中大于5m的顆粒數(shù)分別不超過(guò)3000個(gè)、2000個(gè)和1000個(gè)；要求100mL運(yùn)行油中，750kV和1000kV交流變壓器油中大于5m的顆粒數(shù)均不超過(guò)3000個(gè)。

然而，對(duì)特高壓換流變壓器運(yùn)行絕緣油油中顆粒度的要求，尚未見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；直流電場(chǎng)分量下顆粒濃度與絕緣油電氣強(qiáng)度之間的量化關(guān)系，仍然未知。考慮到換流變壓器中直流電場(chǎng)分量的存在更容易引起顆粒積聚，為掌握不同屬性雜質(zhì)顆粒油品的絕緣性能，且為保障換流變壓器安全運(yùn)行和雜質(zhì)顆粒誘發(fā)絕緣故障的分析提供技術(shù)支撐，需要研究不同屬性顆粒及其顆粒積聚程度對(duì)絕緣油電氣強(qiáng)度的影響規(guī)律；此外，金屬與非金屬混合顆粒在直流電場(chǎng)分量下的積聚特性，以及混合顆粒積聚對(duì)油品擊穿特性的影響又如何，也未見(jiàn)報(bào)道研究。

結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究不同濃度和不同尺寸的非金屬纖維顆粒、金屬銅顆粒、纖維與銅混合顆粒對(duì)礦物絕緣油直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響規(guī)律，然后聯(lián)合運(yùn)用顆粒動(dòng)力學(xué)模型及顆粒積聚模型仿真分析雜質(zhì)顆粒在油品中的積聚行為及顆粒積聚對(duì)電場(chǎng)分布的影響，最后分析了顆粒屬性對(duì)礦物絕緣油直流擊穿特性的影響差異及原因。

1）顆粒屬性決定著絕緣油的直流擊穿電壓的變化規(guī)律。纖維+銅混合顆粒對(duì)油品絕緣性能的劣化程度大于單一纖維顆粒或者銅金屬顆粒，僅含纖維或銅金屬顆粒油樣的無(wú)預(yù)壓模式直流特征擊穿電壓隨顆粒濃度的增加總體上呈線性遞減的趨勢(shì)；含混合顆粒油樣的直流特征擊穿電壓值隨著銅顆粒濃度的增加呈指數(shù)衰減的趨勢(shì)。

2）直流預(yù)壓模式下含雜質(zhì)顆粒油品中出現(xiàn)顆粒積聚成橋的現(xiàn)象比無(wú)預(yù)壓模式下更加顯著；含纖維顆粒、銅顆粒、纖維+銅混合顆粒油品的直流預(yù)壓模式擊穿電壓顯著低于無(wú)預(yù)壓模式下的擊穿電壓；直流電場(chǎng)作用下雜質(zhì)顆粒積聚成橋顯著提升了油品電導(dǎo)率，這是導(dǎo)致含顆粒油品擊穿強(qiáng)度降低的主要原因之一。聯(lián)合顆粒動(dòng)力學(xué)模型及顆粒積聚模型的仿真結(jié)果表明：隨著直流加壓時(shí)間的增加，顆粒積聚導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變范圍也逐漸擴(kuò)大，這也是導(dǎo)致含顆粒油品擊穿強(qiáng)度降低的主要原因之一。

3）顆粒積聚對(duì)絕緣油絕緣性能的劣化程度顯著，尤其是金屬與非金屬混合顆粒。因此，建議油品顆粒污染度檢測(cè)時(shí)進(jìn)一步區(qū)分金屬與非金屬顆粒含量，將更有助于管控油品質(zhì)量。