颗粒属性及浓度决定矿物绝缘油直流击穿电压的变化规律
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网重庆市电力公司南岸供电分公司的研究人员郝建、但敏、廖瑞金、李剑、杨丽君，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文（论文题目为“颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因分析”）指出，颗粒属性决定着绝缘油直流击穿电压变化规律。
换流变压器是超高压/特高压直流输电工程中重中之重的设备。目前，绝缘油中杂质颗粒成为威胁在运换流变压器可靠运行不容忽视的因素。该文首先通过试验研究了不同浓度和不同尺寸的纤维颗粒、金属铜颗粒、纤维与铜混合颗粒对矿物绝缘油直流击穿场强的影响规律，然后联合运用颗粒动力学模型及颗粒积聚模型仿真分析了杂质颗粒在油中的积聚行为及颗粒积聚对电场分布的影响，揭示了颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因。
含单纯纤维或铜金属颗粒油品的直流击穿电压随颗粒浓度增加总体上呈线性递减的趋势，含纤维和金属混合颗粒油品的直流击穿电压随着铜颗粒浓度的增加呈指数衰减的趋势；金属颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于非金属纤维颗粒，混合颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于单一颗粒，纤维颗粒粒径的增加进一步降低了油品直流击穿场强。
结果表明：试验和仿真结果一致表明，直流电场分量作用下油中颗粒积聚成桥，大幅度提升了油品的电导率，导致油中电场分布出现显著畸变。与无预压模式下直流击穿电压相比，直流预压模式下形成的颗粒积聚导致油品直流击穿场强显著下降，下降幅度超30%。
我国一次能源与负荷呈“西-东逆向分布”，为满足清洁能源送出、负荷中心电力供应、节能减排等方面的迫切需求，近10年来国家大力发展大容量远距离超/特高压输电技术。目前，我国电网是世界上唯一同时运行特高压交、直流的电网，设备健康状态和系统安全面临多方面的严峻挑战。
换流变压器是超/特高压直流输电工程中重中之重的设备，其具有单体体积大、造价高、出现问题影响严重等突出特点。运行统计数据表明：由换流变压器故障引起的直流输电工程被迫停运次数最多。超高压和特高压换流变压器内绝缘油用量分别超过50t和100t。油品具备良好的绝缘性能对保障换流变压器绝缘性能安全可靠起着举足轻重的作用。
换流变压器阀侧绝缘部位在运行过程中需同时承受交流电压、直流电压等的作用。在直流电场作用下，容易出现杂质颗粒的析出和积聚现象，易诱发局部放电或介质击穿，从而对绝缘性能构成极大威胁。然而，变压器内部油纸绝缘老化降解、局部放电、有载分接开关或油泵机械动作等，均会导致油品中产生微小的不同属性的杂质颗粒。
现场油样测试表明：绝缘油中的颗粒杂质主要为纤维、碳化合物和金属，其中，超过90%的杂质颗粒是纤维非金属颗粒，金属杂质颗粒则以铜、铁为主。CIGRE Working Group 12.17统计分析了22台故障变压器和40支765kV故障套管的故障原因后指出，对于400kV及以上等级变压器，颗粒的来源及其危害是必须引起关注的。
绝缘油中微小杂质颗粒是不可避免的。近几年，绝缘油中杂质颗粒被认为是为威胁换流变压器安全可靠运行不容忽视的因素之一，国内外很多学者也陆续开展了杂质颗粒对油绝缘性能影响的研究。
非金属杂质颗粒对油绝缘性能影响的研究主要选用纤维或碳颗粒，Shekhar Mahmud等研究了电场强度、纤维颗粒大小和颗粒浓度对“纤维小桥”形态的影响，指出在直流电压分量存在时会形成“纤维小桥”；电场强度越高，形成“纤维小桥”的速度越快。梁晨等研究表明随着碳颗粒的浓度与粒径的增加，矿物油的击穿电压逐渐降低。赵涛等研究分析了纤维颗粒对绝缘油冲击击穿特性的影响。李金忠等研究指出在恒定直流电压作用下，纤维颗粒积聚形成的“高危小桥”将最终引发油纸绝缘的击穿。
金属杂质颗粒的研究主要以大粒径单个颗粒为主，王淑娟等建立了油中颗粒运动理论分析模型，计算得到了交流电压下颗粒的运动轨迹。王有元等仿真分析了单个金属铜颗粒在球-球电极间的运动轨迹。Sarathi R等对交流、直流电压下金属颗粒的运动特性进行分析并研究了其对起始放电电场强度、击穿电压的影响。
ISO 4406和NAS 1638是国际上通用的油品清洁度划分和测试依据标准，国内依据DL/T 432—2007《电力用油中颗粒污染度测量方法》。GB/T 7595—2017《运行中变压器油质量》和GB/T 14542—2017《变压器油维护管理导则》中规定了500kV及电压等级交流变压器在投运前和大修后油中颗粒度应达到的技术要求，要求100mL投入运行前的油中，500kV、750kV和1 000kV变压器油中大于5µm的颗粒数分别不超过3000个、2000个和1000个；要求100mL运行油中，750kV和1000kV交流变压器油中大于5µm的颗粒数均不超过3000个。
然而，对特高压换流变压器运行绝缘油油中颗粒度的要求，尚未见标准规定；直流电场分量下颗粒浓度与绝缘油电气强度之间的量化关系，仍然未知。考虑到换流变压器中直流电场分量的存在更容易引起颗粒积聚，为掌握不同属性杂质颗粒油品的绝缘性能，且为保障换流变压器安全运行和杂质颗粒诱发绝缘故障的分析提供技术支撑，需要研究不同属性颗粒及其颗粒积聚程度对绝缘油电气强度的影响规律；此外，金属与非金属混合颗粒在直流电场分量下的积聚特性，以及混合颗粒积聚对油品击穿特性的影响又如何，也未见报道研究。
本文通过试验研究不同浓度和不同尺寸的非金属纤维颗粒、金属铜颗粒、纤维与铜混合颗粒对矿物绝缘油直流击穿场强的影响规律，然后联合运用颗粒动力学模型及颗粒积聚模型仿真分析杂质颗粒在油品中的积聚行为及颗粒积聚对电场分布的影响，最后分析了颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因。
1）颗粒属性决定着绝缘油的直流击穿电压的变化规律。纤维+铜混合颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于单一纤维颗粒或者铜金属颗粒，仅含纤维或铜金属颗粒油样的无预压模式直流特征击穿电压随颗粒浓度的增加总体上呈线性递减的趋势；含混合颗粒油样的直流特征击穿电压值随着铜颗粒浓度的增加呈指数衰减的趋势。
2）直流预压模式下含杂质颗粒油品中出现颗粒积聚成桥的现象比无预压模式下更加显著；含纤维颗粒、铜颗粒、纤维+铜混合颗粒油品的直流预压模式击穿电压显著低于无预压模式下的击穿电压；直流电场作用下杂质颗粒积聚成桥显著提升了油品电导率，这是导致含颗粒油品击穿强度降低的主要原因之一。联合颗粒动力学模型及颗粒积聚模型的仿真结果表明：随着直流加压时间的增加，颗粒积聚导致的电场畸变范围也逐渐扩大，这也是导致含颗粒油品击穿强度降低的主要原因之一。
3）颗粒积聚对绝缘油绝缘性能的劣化程度显著，尤其是金属与非金属混合颗粒。因此，建议油品颗粒污染度检测时进一步区分金属与非金属颗粒含量，将更有助于管控油品质量。