换流变压器阀侧套管油纸绝缘研究现状
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天津大学电气自动化与信息工程学院的研究人员杜伯学、朱闻博、李进、姜金鹏，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文指出，换流变压器作为连接高压直流输电系统交流侧和直流侧的关键设备，其阀侧出线装置可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行。
油纸绝缘作为阀侧出线装置的主绝缘，长期受到交/直流复合电场以及极性反转等复杂工况的影响，在受到电场、热场以及机械应力等多场耦合作用下易发生绝缘劣化积累空间电荷，而油纸绝缘介电参数和电导参数的不匹配也将使得界面电荷积累严重，导致沿面闪络或绝缘击穿，这也是目前换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构发展面临的严峻问题。
本文综合国内外研究现状论述了换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘研究进展，分析了油纸绝缘在不同环境工况下电荷行为、局部放电和击穿特性，探讨了电场、温度、水分、老化等因素对其的影响，并对绝缘纸改性进行论述，展望了未来换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构改性的发展趋势。这些研究成果的总结能为油纸绝缘材料的发展、改善提供参考和借鉴。
针对我国日益严重的大气污染问题，国务院颁布实施《大气污染防治行动计划》，要求加快调整能源结构，增加清洁能源供应，全面淘汰和替代低效、重污染的传统用能方式，同时还规划建设12条重点输电通道。近五年，国家电网公司已陆续建成投运数个±800kV/7200MW和±800kV/8000MW输电项目，在“十三五”中后期还将加快推进“五交八直”及后续特高压输电工程。
同时，南方电网公司关于《南方电网发展规划（2013—2020）》一文也明确指出要发展以特高压直流输电为主的“西电东送”的技术路线。这将使得高压直流输电技术凭借在远距离、大容量、低损耗等方面的技术优势，在未来电网的发展规划中逐渐发挥更为积极和重要的作用。
电力设备可靠性是保证电力系统安全和稳定运行的基础，通常要求换流站的设备寿命达到30～40年。近年来，随着特高压直流工程的投运，换流变压器频繁发生故障。通过分析《2007年度影响我国直流系统可靠性指标的报告》可知：换流变压器的绝缘问题是造成故障的主要原因。因此，换流变压器的绝缘可靠性已然成为制约特高压直流输电系统建设投产和安全稳定运行的重要因素。
换流变压器作为高压直流输电系统的关键设备，与换流阀一起作为连接枢纽，在整流和逆变侧实现交直流转换。作为换流变的核心部件，其阀侧绕组与出线装置结构是由无瓷套油浸纸套管配合无绝缘覆盖均压电极和多层纸筒围屏组成。
国际大电网组织指出，换流变压器内部连接件、阀侧绕组和出线套管的绝缘失效占其总故障的65%，主要是由沿面闪络、介质击穿等绝缘破坏所致。对2006～2015年国家电网不同电压等级换流变压器的故障进行统计发现，阀侧绕组类故障占总故障的76%，其中油纸绝缘放电和局部过热引起的故障率达65%。
油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘，不仅要承受交直流电压、操作过电压和雷击冲击电压，在换相瞬间或输送能量反向时，还要承受极性反转电压，是目前电压耐受能力最强、结构最为复杂同时均匀电场强度密度最高的绝缘装置。
本文综合国内外研究成果，介绍当前阀侧绕组的油纸绝缘发展现状和研究热点，并对油纸绝缘在多物理场耦合下局部放电、击穿特性和电荷输运特性进行探讨，对特高压换流变压器油纸绝缘的研究进行总结和展望。
1 换流变压器油纸绝缘存在的问题
1.1 纤维素绝缘纸及其结构
换流变压器的绝缘纸主要以木浆为原材料，纤维素、半纤维素和木质素构成其主要成分。纤维素化学式为C6H10O5，分子结构如图1所示，主要通过1，4--糖苷键连接-D-呲呋喃葡萄糖基而形成的链状高分子化合物，分子式为(C6H10O5)n，由两个呲喃环组成的纤维二糖为最小重复结构单元，通过具有较强柔性的醚键连接起来。
其中，纤维素每个环中均有一个氧原子，还有三个羟基，具有一定极性和较强亲水性，能够在分子内部或者与其他纤维素分子上的羟基生成氢键。另外，C6位羟基能与许多取代基反应，其主要原因在于C6位羟基的空间位阻最小。
图1 聚合度为n的纤维素分子链结构
根据X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）结果表明，纤维素大分子存在结晶区或无定型区。分子在结晶区能整齐规则地排列，呈现清晰的X射线衍射图，密度较高，为1.588g/cm3，晶胞结构为单斜晶胞模型；分子在无定型区则杂乱松散地排列，取向各异，因而密度较低，为1.500g/cm3。
纤维素的结晶区和无定型区相互交错且没有明显界线，是由一种形态逐步过渡到另一种形态。一个纤维素分子主链可以存在于几个区间内，一部分处于排列规则的结晶区，一部分处于排列无序的不定形区。
在结晶区内，氢键主要形成在葡萄糖基2、3和6位的原游离羟基位置上，同时纤维素分子链的线性完整度和刚性主要受到C3位羟基与邻近环上的氧形成的分子间氢键的影响，这也是分子链紧密且有序排列的原因；而在无定型区，相互之间形成的氢键也较少，仍有部分游离的羟基。
1.2 油纸绝缘存在的问题
与电力变压器相比，换流变压器阀侧套管承受电场较复杂，主要包含直流叠加多种谐波分量，当换流阀换相失败或内部故障时，还会出现操作冲击过电压或者陡波。由于谐波损耗和直流偏磁等原因，换流变压器更易出现局部过热。在一定温度和电场条件下，油纸内水分和气体将以气泡形式存在或析出。
更为严重的是，局部过热会加剧纤维素链的氧化分解而产生气泡，在油流和电场的作用下发生迁移和积聚，从而形成小桥，并引发局部放电，继而发生沿面闪络，甚至绝缘击穿。另外，由于长期工作在交直流复合电场及高温环境，油纸绝缘在酸、碱水解作用下，其纤维素分子间糖苷键会发生断裂，易产生自由纤维，在直流电场下受单向电场力作用更易脱落，形成杂质。
纤维杂质在油流和电场复合作用下发生迁移和积聚，也会形成小桥，极易诱发局部放电，甚至造成击穿。油中发生局部放电时，能够在短期内分解为大量含氢气体及含氢聚合物，造成变压器油劣化，绝缘性能下降，而当油纸表面或内部发生局部放电时，纤维素分子链也会因受到破坏而断裂，长期作用下油纸电气性能也会发生不可逆的劣化。
在交流电压下，电场分布取决于油和绝缘纸的介电常数，不同温度绝缘油和纸介电常数随温度变化关系如图2所示，纤维素的相对介电常数可达4.4，几乎是绝缘油相对介电常数的2倍。油纸绝缘介电常数不匹配，使得两者所承受电场在交流下分布不均。同时，在稳态直流电压下，电场分布则取决于绝缘油和绝缘纸的电导率，不同温度绝缘油和绝缘纸电导率随温度变化的关系曲线如图3所示。
由于纤维素电导率与变压器油相差近100倍，使得两者承受的电场强度在直流场下分布更不均匀。然而，温度对绝缘纸电导率的影响远高于对变压器油电导率的影响，这也加剧油纸绝缘电导参数的不匹配程度，同样会引发沿面闪络等绝缘事故。
图2 不同温度绝缘油和纸介电常数随温度变化关系
图3 不同温度绝缘油和纸电导率随温度的变化关系
此外，直流电压或交直流复合的直流分量作用下会存在恒定电场的持续积累效应，油纸绝缘结构作为不均匀介质，由于注入或电离等极化效应，易在油纸绝缘结构表面或内部注入电荷，使电场发生畸变，并发生电荷迁移与积聚。电荷的脱陷和入陷均伴随着能量转移和释放，会破坏油纸绝缘微观结构。
同时，复杂电场和高温以及机械应力等多场耦合作用会加剧油纸绝缘电荷积聚效应，造成不可逆的破坏。与积聚在介质体内的空间电荷相比，多层油纸液-固绝缘结构的物理界面比介质本体更易积聚界面电荷，界面处电荷密度远大于介质体内的电荷密度，在极性反转等特殊工况下，由于界面电荷消散速度要比外施电场变化速度慢，界面电荷产生的电场与极性反转后与外施电场相叠加，导致油纸绝缘电场发生畸变，偏离绝缘设计值，极易诱发局部放电，甚至引发沿面闪络和绝缘击穿。
综上所述，油纸绝缘的局部放电、沿面放电或击穿以及空间电荷特性是限制换流变压器安全运行的根本因素，在多场耦合条件下电荷注入和输运特性以及由此引发局部放电特征、沿面闪络或击穿机理是亟需解决的关键问题，研究绝缘材料在复杂工况下的微观劣化规律和破坏机理，已然被视为满足换流变压器绝缘材料研制需求的核心基础。
2 换流变压器油纸绝缘研究现状
2.1 油纸绝缘电荷特性
随着直流输电技术的应用，空间电荷和界面电荷积聚问题对纯直流或交直流复合电压下绝缘电气特性的影响变得尤为突出，也逐渐受到学者们关注。电荷注入量、迁移和分布位置均受到不同施压类型、不同电压等级以及含水量和环境温度的影响。
此外，油纸绝缘在制造过程中的处理、添加剂的选择、杂质的生成、材料的聚集态以及电极试样的界面状态均会影响内部电荷的输运。油纸绝缘空间电荷研究最早可追溯到20世纪90年代，ABB的R. S. Liu等在1998年采用压力诱导脉冲法对不同水分下单层1mm厚油浸绝缘纸板的空间电荷进行测试，研究表明纸板中的水分含量越高，纸板中的空间电荷建立越快，且分布越深。
日本学者M.Wakamatsu等于2003年利用克尔效应和有限元计算对直流电场下油纸绝缘界面电荷进行研究，分析了油浸绝缘纸的厚度与电压极性反转等因素对电荷积聚的影响规律。
国内天津大学利用等温表面电位衰减法（Surface Potential Decay, SPD），针对特殊电压形式，包括脉冲电压、极性反转电压等情况下对油纸绝缘表面电荷以及界面电荷动态特性进行研究，揭示不同电压参数与试样参数对其电荷特性的影响。结果表明，在极性反转过程中，电荷消散率会随反转时间增加而降低，正电荷消散速度快于负电荷。
另外，界面电荷密度随油纸层数和厚度的增加而减小。表面电位起始值在脉冲电压作用下会随脉冲频率的增加而减小，电荷消散过程加快。同时，随着脉冲个数的增加，表面电荷消散减慢。而对于脉冲频率而言，表面电荷密度均随脉冲频率增加而变小，电荷消散越快，其陷阱密度和深度均有所减少。
在直流和脉冲复合电压作用下，随着脉冲电压幅值的增加，当直流和脉冲极性相同时，油纸绝缘表面电位起始值的绝对值先减小后增大，当两者极性相反时，与脉冲同极性的电荷增加。此外陷阱密度随脉冲个数的增加而变大，而陷阱深度则取决于直流和脉冲的极性。
重庆大学利用电声脉冲法（Pulsed Electro- Acoustic Method, PEA Method），对雷电冲击电压、温度、含水量和热老化等多因素下油纸绝缘空间电荷特性进行研究，结果表明在多次雷电冲击电压下，空间电荷以正极性注入为主，大量正电荷在油纸内迁移并在界面聚集，畸变阴极附近电场并引发击穿。外施直流电压影响电荷注入和积聚，温度影响迁移速率与分布，热老化影响正电荷初始注入量和注入深度。
油纸绝缘含水量和温度越高，内部正负电荷越易发生注入和迁移，而且临近击穿电场强度时，内部仅积累少量负电荷。脉动直流电压下，试样在油中电晕老化过程中多注入负电荷，且电晕老化程度越高，注入电荷的陷阱深度越大，并逐渐注入正电荷。
油纸绝缘结构因材料特性及电场形式变化，会存在极不均匀强切向分量的局部电场。正、负极性垂直直流电场的作用下，油-纸-油组合的界面电荷极性与外加电压的极性相反。而在油浸纸-油隙-油浸纸的三层结构下，两个界面处积聚的电荷极性相反，而且油纸界面电荷积聚的速度具有明显的极性效应，即相较于正电荷在油纸界面积聚速度，负电荷在其界面积聚速度要更快。
清华大学针对不同电老化以及极性反转等多种情况下的空间电荷积聚与沿面闪络、击穿的联系进行研究。研究表明极化与去极化的过程中，负电荷主要积累在双层油浸纸界面，双层油纸绝缘界面势垒使得其积聚和消散速度较慢。随着电老化加剧，油纸内部更易积聚电荷，且消散速率变慢，陷阱密度和深度均有所增加。
电压发生极性反转由负变正时，残留正电荷导致电场畸变严重，当电压由正变负时，电场畸变并不明显。油纸绝缘空间电荷在低电场强度下主要以电离为主，高电场强度下主要以同极性载流子注入为主，即电荷注入与电场畸变相互作用，电荷积聚导致的电场畸变也会对电荷动态特性产生影响。
西安交通大学研究温度梯度对单/双层油浸纸的空间电荷和界面电荷特性，结果表明油纸界面对正负电荷具有阻挡作用，温度梯度使低温侧出现异极性电荷，油纸界面处积累上与电极极性相同的电荷，并且界面处的总电荷量随电压的升高和温度梯度加大而出现与温度相关的饱和现象。
由于温度对油纸绝缘介电常数变化幅度影响较小，温度梯度下电场畸变主要是因为电导在温度梯度下呈阶梯分布，从而使得界面电荷分布发生改变。此外，由于换流变压器运行工况的特殊性，其内外温差跨度较大，油纸绝缘电荷积聚主要是通过肖特基注入或隧道效应，电荷注入势垒随温度升高而下降，使得肖特基注入或隧道效应加强，并引发电极的热发射电子，电子或空穴的注入数量增多，电荷能量提高。
华北电力大学对不同电压比例交直流电场下电荷特性进行研究，结果表明油层中交流电场呈均匀分布，但直流电场出现畸变现象，直流电场下油纸界面的电荷积聚对电场畸变影响明显。当电场强度相同时，负极性电场下油纸界面电荷密度较高，同时电荷积累可分为时间相对较短的肖特基注入和时间相对较长的电介质极化电荷两个过程。
此外，在针-板沿面电极模型强切向分量电场作用下，油隙-油浸绝缘纸板的界面电荷极性与针电极上直流电压极性相同，相较于正直流，油浸纸板界面在负直流下积累电荷密度要高1.2～1.3倍；油纸绝缘界面电荷在交直流电场下的变化规律与纯直流电场下类似，其电荷密度的累积效应随直流成份增加而突出；界面电荷使极性反转时的沿面闪络电压明显降低。
综上，油纸绝缘在交直流复合电压和极性反转电压等多种工况下的电荷迁移特性等相关研究均有所涉及，然而目前的测量技术和手段使得关于油纸绝缘电荷的研究还多受限于均匀电场，对于谐波、过电压及极性反转等特殊工况，并考虑电场、磁场、热场和机械应力等多场耦合下电荷特性尚缺乏深入研究。
2.2 油纸绝缘局部放电特性
相较于交流电压下油纸绝缘局部放电，目前研究人员对局部放电脉冲波形、放电谱图和放电脉冲重复率已进行更为系统的研究。成果表明，油纸绝缘气隙在直流电压下的局部放电脉冲波形是脉冲宽度为80ns的单向脉冲。同时，温度和电场会显著加剧纤维氧化过程，并促进水分、一氧化碳和二氧化碳的形成，进而导致油纸绝缘局部放电。
国内外学者已通过分子动力学仿真对油纸绝缘纸板劣化的微观过程进行模拟，表明水分会使纤维素分子糖苷键发生水解反应，并使绝缘纸板出现低温玻璃化过程，而温度升高使得纤维素分子链的水解及氧化反应加剧。
近年来，交直流复合电场下油纸绝缘局部放电特性已成为热点，主要涵盖油纸绝缘模型局部放电起始和击穿特性，着重于直流分量对局部放电起始特性影响。研究表明，针板模型与气隙模型的交流起始电压随直流分量增加而有所下降，且针板模型局部放电与直流电压极性有关，更易发生放电。然而球板电极、平行板电极局部放电起始电压与直流电压分量关联性不高。
国外学者G. Montanari等对不同比例交直流复合电压下油纸绝缘局部放电起始电压、放电量以及放电重复率进行研究，发现局部放电起始电压下降，放电量增大，重复率较低，预压一段时间后局部放电起始电压有所降低。
G. Chen等对纤维素颗粒在交直流复合电压下的成桥理论进行研究，认为纤维素在直流电场的极化效应是导致复合电场下成桥的主要原因。国内华北电力大学对油纸绝缘放电模型的局部放电特征进行统计，包括放电相位特征与电压关系、放电量与放电次数的时间演化规律、放电脉冲时序特性、放电脉冲波形特性。根据脉冲电流和特高频信号规律，典型缺陷下的局部放电起始、发展和产气过程也得以分类。
西安交通大学对油纸绝缘放电模型的局部放电特高频特性、灰度谱图特征、统计谱图特征和指纹谱图特征以及能量分布特征均有所研究，发现不同放电类型的放电能量中心频带不一致。哈尔滨理工大学则考虑了温度与含水量对复合电场下油纸绝缘电场分布影响，并结合放电过程中油纸绝缘理化特性，研究油纸绝缘典型缺陷的局部放电机理。
综上，交直流复合电压和谐波电压下油纸绝缘局部放电特性仍需进一步的研究，目前还缺少温度梯度、直流分量下油纸绝缘局部放电时频特性、谱图特征、能量特征以及熵特征的探讨，且运用分子动力学模拟纤维杂质导致局部放电的机理研究中，尚未考虑影响纤维素分子链断裂的电场强度条件等重要参数，有待进一步完善。
2.3 油纸绝缘击穿特性
针对换流变压器中出现直流电压分量，国外学者研究交直流复合电压下油纸绝缘击穿或沿面闪络特性最早可追溯至1976年E. Takahashi等研究交直流复合电压下换流变压器油纸绝缘击穿特性，发现交流分量峰值对复合电压下击穿特性影响较大，而与两者所含比例关系不大。
同时发现层压纸板的铺设方法对绝缘纸板的电导率以及直流击穿电压的影响较大。之后，冲击电压、直流和交直流复合电压下绝缘纸板表面电场强度均有学者进行研究，结果表明冲击电压下表面电场强度最大，油纸界面使各种电压形式下沿面闪络电压下降。
国内哈尔滨理工大学则对不同电场分量交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电和击穿特性进行研究，发现增大油隙会降低击穿电压，并随交流分量增加而有所下降。重庆大学对不同比例交直流电压下油纸绝缘击穿特性和脉动直流电压下电热老化油纸绝缘失效模型进行研究，发现交直流电压下击穿电压介于交流电压和直流电压之间，且随温度升高而下降。
清华大学通过将交直流复合电压下油纸绝缘的局部放电信号与时频特性和油纸的理化特性相结合，对复合电压下油纸沿面放电特性进行研究，并根据油纸能带弯曲结构，结合双极性载流子输运模型和热平衡方程，对电场和热场耦合下的电热击穿模型进行构建。发现老化导致的绝缘纸板微观形貌改变是造成油纸沿面放电起始电压先升后降的主要原因，复合电压成分比例对油纸绝缘击穿特性影响较大，增大交流成分会降低击穿电压，直流成分较大时具有极大值。另外，正电荷难以穿过孔洞处油纸界面的U形能级结构。
目前，交直流复合电压下油纸绝缘击穿或沿面闪络特性的研究通过与电荷特性的研究相结合进行，失效模型和劣化机理已部分完善，然而大温度梯度以及电场、磁场和机械应力等多场耦合作用下的击穿特性以及复杂运行环境下油纸绝缘的劣化机制还需进一步完善。
2.4 油纸绝缘改性研究
纤维素强极性亲水结构与变压器油非极性结构被认为是纤维素绝缘纸与变压器油电导与介电性能不匹配的主要因素。国外杜邦公司研制出一系列非纤维素的合成绝缘纸，在一定程度上解决了绝缘纸的热稳定性以及亲水基团带来的吸湿性。但是这些合成绝缘纸均未考虑直流电场下的电导参数匹配问题，不适用于交直流复合电压下油纸绝缘中电场的均匀分布。
国内则多偏向通过添加无机纳米材料或表面处理等方式对纤维素纸进行调控。天津大学利用分子结构调控技术对纤维素纸进行氟化改性，并通过红外光谱、扫描电子显微镜和能谱分析对改性后纤维素纸的化学结构、元素组成与物理形貌进行表征，发现经适当处理后的纤维素纸由于引入氟元素导致自由体积增加，分子内部分偶极矩相互抵消，使介电常数有所下降，陷阱能级密度降低。高度极化碳氟键而形成的表面氟化层，能够在外施电场作用下俘获电荷并感应与外电场方向相反的电场，抑制电荷向油浸绝缘纸内部深能级陷阱的注入。
另外，负极性电压下油纸表面电荷积累较严重，且消散较快。氟化层抑制电荷注入会加快表面电荷消散，陷阱能级密度变化不显著，高电场强度下效果更明显。调控后纤维素纸电导增加，等温放电电流初始值提高，注入电荷减少，载流子迁移率增加，有助于改善内部电场畸变。此外层间界面电荷积累的影响减弱，多层绝缘纸击穿强度有明显提高，而且沿面闪络电压也得到提升。
重庆大学通过在纤维素纸制造过程中，向纸浆中加入适当质量分数的微纳米级SiO2颗粒，制备出具有较低介电常数的绝缘纸，使得改性后的油纸绝缘在交流电场下的电场分布更为合理，同时工频或直流击穿场强增加。另外，也尝试向纸浆中混入适量TiO2纳米颗粒，使得工频击穿电压、局部放电起始电压和直流击穿电压均有一定程度提高，并且认为添加纳米颗粒能有效抑制外电场作用下电荷注入，减弱油纸绝缘内部电场畸变，加快空间电荷消散过程。
哈尔滨理工大学将蒙脱土加到纸浆当中，得到纳米改性绝缘纸，电导率随着纳米片含量增加而升高，并呈现出一定程度非线性特征。同时，相对介电常数下降，工频和直流击穿电压均有一定程度提高。
然而目前纤维素纸改性研究大都只针对改善交流电场下介电性能或提高电气击穿特性等特定方面进行调控，生产制造的经济成本较大，还处于尝试阶段。尚未有能够同时解决介电参数和电导相匹配，提高击穿强度的方法。
换流变压器阀侧套管不仅长期受到直流和交流以及交/直流复合等工况的影响，还受极性反转、操作过电压、谐波等特殊工况以及水分、温度等多种物理因素的影响，容易发生劣化，积聚空间电荷和界面电荷，从而发生沿面闪络或击穿。本文结合国内外文献，阐述了油纸绝缘电荷特性与改性的研究现状，主要结论如下：
1）目前已开展温度、水分、电热老化等因素下油纸绝缘电荷特性研究，并进入多物理场耦合阶段探讨。然而，对于电荷特性的研究由于受到测量方法技术等因素的制约，使其还多局限在均匀电场下稳态分布的研究，对于极性反转、过电压或谐波条件下电荷暂态分布的研究还较少。
2）油纸绝缘局部放电和击穿特性主要集中于交直流复合电压条件下，并已与电荷输运机理相联系。然而，对于复杂工况下，特别是电场、热场、磁场和机械应力等多场耦合下的放电和击穿特性尚未展开研究，机理有待完善。
3）对于纤维素纸改性，目前认为高分子材料电导特性不仅与极性有关，还与自身聚集态密切相关，高分子结晶态能够使电导率下降，而无定型态能够提升电导率。因此，纤维素纸介电性能可尝试通过调整主链的分子结构来实现，电导性能可尝试通过调整结晶度来实现。只有调控纤维素主链分子结构，减小分子极性，降低介电常数，同时改变聚集态，提升绝缘纸电导率，综合改善油纸绝缘电导率和介电性能匹配程度，以应对不同形式电压、水分、温度或机械应力等多场耦合下的电场分布不均匀情况，降低沿面闪络和击穿事故的效果。