Tab.1 Composition comparison between paraffine-base and naphthene-base transformer oils（%）
成分石蜡基油环烷基油 链烷烃92.311.8 总环烷烃6.777.4 芳烃0.410.0 总噻吩0.60.8
摘要 以环烷基变压器油（N油）和石蜡基变压器油（P油）为研究对象，实测得到直流和极性反转电压下油纸绝缘空间电场和界面电荷动态过程。结果表明：恒定直流电压下，P油和N油纸界面电荷积聚速率和量值存在明显差别，P油油纸界面电荷积聚量为N油的0.86倍，电荷积聚速率小于N油的30%；极性反转电压下，极性反转时间对这两种油纸界面电荷动态特性影响较大，当极性反转时间1s时第一次极性反转后电场强度P油为N油的0.54倍，而当极性反转时间120s时P油为N油的1.65倍。从不同于理化特性、电气参数等传统性能指标的角度揭示了石蜡基油和环烷基油对油纸绝缘空间电场时空分布的影响机制，即不同品类变压器油中载流子迁移特性不同，导致油纸界面电荷分布形态出现不同规律。该文研究成果可为换流变压器设计时合理选用变压器油、校核优化绝缘结构提供新的思路方法和指导依据。
关键词：石蜡基 环烷基 变压器油 电场 电荷 直流 极性反转
变压器油是构成变压器绝缘系统的关键介质之一，主要起到绝缘、散热和熄弧作用[1]。随着绝缘材料新技术的发展，出现了不同种类的变压器油，比如从基础油来源划分有矿物油、植物油、硅油和合成脂等[2-5]，从油基类型划分有石蜡基油和环烷基油[6]。它们的制备过程和组成成分有所不同，理化性质和电气性能也有所差异，对变压器绝缘会产生不同的影响。
目前，特高压换流变压器基本都采用环烷基矿物油。但近年来相关研究表明，以直链烷烃为主要成分的石蜡基油经过加氢异构处理后在介质损耗、体积电阻率、带电倾向性等方面优于环烷基油[7]，因此在特高压换流变压器上有良好的潜在应用前景。国内外学者针对这两种变压器油在理化特性（密度、黏度、倾点、闪点等）、电气参数（击穿电压、介损、相对介电常数、体积电导率、离子迁移率等）、抗氧化安定性等方面开展了大量研究[8-12]。换流变压器运行中存在承受交直流复合电压的特殊工况，在直流分量电压作用下，油纸界面电荷积聚及其对油纸绝缘系统的影响问题是近年来备受关注的热点[13-14]。因此有必要开展不同品类变压器油在直流和极性反转电压下的界面电荷特性研究，为变压器油选用和换流变压器绝缘校核评估提供参考依据。
国外学者已开展了部分研究工作，瑞典ABB公司Uno Gäfvert早期通过Kerr效应电光测量试验研究发现变压器油中芳香烃含量对纯油介质内部空间电荷影响不明显[15]，最近他们通过对比普通矿物油和气制油（Gas to Fluid, GTL）中的直流电荷特性发现气制油因电阻率很高，在高温下油纸界面电荷可能反而加强原电场[16]。日本学者T. Takada在变压器油中分别添加抗静电剂、抗氧化剂、阻活剂、扩散剂、乳化剂五种添加剂后开展直流电场实测，试验结果表明添加了抗静电剂的变压器油空间电场畸变率达到50% [17]。日本学者H. Okubo研究了不同杂质对油中电场分布的影响，结果表明沥青导致单极性电荷积聚而油酮酸导致双极性电荷积聚；以植物油和矿物油为研究对象，开展了油流带电对油中电荷积聚的影响研究，获得了两种油极性反转过程中的电场暂态特性[18-20]；以矿物油和硅油为研究对象，试验对比了两种油与纸板界面电荷动态迁移特性，发现硅油相比于矿物油有更大的时间常数[21]。H. Okubo用电阻率-介电常数模型（RC模型）和负电子注入理论做定性分析，未能合理解释试验结果。综上所述，不同油品类型的油纸界面电荷积聚和迁移特性对换流变压器设计影响较大，对设计选用变压器油具有指导意义，但国内尚未有相关方面研究成果见诸报道。
本文以石蜡基和环烷基两种变压器油为研究对象，开展了直流和极性反转电压下油纸绝缘空间电场和界面电荷试验研究，获得了这两种类型变压器油油纸界面电荷积聚特性和动态变化过程，并用离子迁移模型给出了试验结果的定量分析。模型计算得出的电荷-时间曲线与实测曲线高度一致，阐释了油品类型对油纸界面电荷的影响规律，提出了不同极性反转时间考核要求情况下变压器油的选择建议，可以为换流变压器设计和选用变压器油提供指导。
本文所用试样是石蜡基变压器油和环烷基变压器油，主要成分及区别见表1[2,7]，典型参数见表2[32]。前者为石蜡基原油调配而成的变压器油，其主要成分以链烷烃为主；环烷基变压器油是以环烷基原油为原料，经分馏、精制提纯后加入各种添加剂调制而成的变压器油，其主要成分以饱和环状碳链结构为主。
表1 石蜡基变压器油和环烷基变压器油成分对比
Tab.1 Composition comparison between paraffine-base and naphthene-base transformer oils（%）
成分石蜡基油环烷基油 链烷烃92.311.8 总环烷烃6.777.4 芳烃0.410.0 总噻吩0.60.8
链烷烃为直链正构烷烃或含有支链的异构烷烃，典型结构形态如图1a所示，它具有低密度、高闪点和较好的抗氧化安定性；环烷烃分子结构中含有一个或者多个环的饱和烃类化合物，典型结构形态如图1b所示，它倾点很低，从而低温流动性能优良，同时溶解性较好[7,22]。
图1 链烷烃与环烷烃分子结构示意图
Fig.1 Typical molecular structure diagrammatic sketch of alkane and naphthene
表2 石蜡基变压器油和环烷基变压器典型参数对比
Tab.2 Typical parameters comparison between paraffine-base and naphthene-base transformer oils
成分石蜡基油环烷基油 密度(20℃)/(kg/m3)804.3884.2 运动粘度/(mm2/s)9.7927.324 倾点/℃-45-51 介质损耗因数（90℃）0.000 40.000 4 介电常数2.1682.280 体积电阻率(90℃)/(Ω·m)1×10131.82×1012
试验前，对两种变压器油样进行预处理，用0.45μm微孔滤膜过滤三次后，置于85℃、100Pa真空环境中进行脱水脱气24h。处理后的变压器油水分含量为7～8μL/L，符合变压器油的运行条件[23]。
绝缘纸板采用进口魏德曼的尺寸的TIV层压纸板，试验前置于鼓风干燥箱、105℃下处理24h，然后分别用过滤后的P油和N油浸透，置于85℃、100Pa真空环境中脱水脱气24h。处理后的绝缘纸板水分含量为0.8%左右，符合绝缘纸板的投运条件[24]。
利用电光Kerr效应原理测量油中电场及油纸界面电荷，测量系统由He-Ne激光器、光学元件、试验腔体、光电探测器、锁相放大器、二维移动台和电源构成[25-27]。因变压器油的Kerr常数很小，采用交流调制技术[28]提高灵敏度，即在外施直流电压上叠加一个幅值较小的交流调制电压，激光输出端用示波器获取光强的直流分量，用锁相放大器解调得到光强的基频分量和倍频分量，可计算得到油中直流电场Edc和交流电场Eac。测量系统的灵敏度可以达到20V/m，电场幅值测量平均偏差小于3%。
（1）式中，Eo为油中直流电场强度，且有
，可计算得到纸板中电场EPB和油纸界面电荷密度σ；εo和εPB分别为油、纸相对介电常数；ε为真空介电常数；do和dPB分别为油、纸厚度；U为外施直流电压。
直流电场试验为施加-4kV恒定直流电压下测量单层纸板覆盖下电极模型的油中电场变化及油纸界面电荷动态积聚过程。纸板覆盖下电极模型如图2所示，平板电极间距为10mm，油隙9mm，纸板厚度1mm，测量点位于油纸界面上方，测量时间为5 400s。
从施加电压开始，石蜡基油（以下简称P油）和环烷基油（以下简称N油）中电场和界面电荷的变化过程如图3和图4所示，图中均为采用同一基准值的归一化值。
图2 纸板覆盖下电极模型
Fig.2 Model of pressboard covering lower electrode
图3 直流电压下电场变化过程
Fig.3 Variation process of electric field under DC voltage
图4 直流电压下界面电荷变化过程
Fig.4 Variation process of interface charge under DC voltage
图3中，试验开始时P油和N油中电场强度均为1，P油中电场强度缓慢衰减至-0.29(pu)且至测量结束仍未达到稳态；N油中电场强度在1 600s内迅速衰减至-0.18(pu)且至测量结束保持该状态。图4中，界面电荷密度变化过程与电场强度变化类似，至测量结束时P油油纸界面电荷密度为-0.86(pu)，N油油纸界面电荷密度为-1(pu)。因此，相同条件下P油油纸界面电荷积聚量为N油的86%，电荷积聚速率小于N油的30%，两种油与同一种纸板组成的复合绝缘在油中电场及电荷特性方面呈现出较大差异。
文献[16]中，环烷基油中直流电荷积聚量大，极性与外施电场反向，对原电场削弱作用明显；石蜡基油中电场随时间无明显变化。ABB研究人员认为产生上述试验现象的原因是环烷基油电阻率远低于绝缘纸板，因此油纸界面累积大量反极性电荷；石蜡基油电阻率很高，接近并且达到绝缘纸板电阻率水平，油纸界面积累极少量电荷，因此对电场作用不明显。与本文试验结果存在一定的相似性，但缺乏进一步理论分析，本文将利用离子迁移模型分析并提出变压器油选用建议。
按照IEC 60076—57—129规定，换流变压器例行试验开展包括局部放电测量的极性反转试验，负极性/正极性/负极性的双极性反转电压波形施加于阀侧绕组端子上，每次反转在120s内完成[29]。为了探究极性反转过程中两种变压器油中电场及油纸界面电荷的动态特性，本文采用如图5所示-4kV（5 400s）/+4kV（5 400s）/-4kV（2 700s）极性反转电压在图2模型油下进行了测量。通常认为，在极性反转前的恒定直流电压作用下油纸界面有电荷积累，极性反转过程中随着外部电压极性的改变电荷逐渐消散，极性反转时间分别采用1s和120s作为对比。
图5 极性反转电压波形
Fig.5 Schematic diagram of polarity reversal voltage
极性反转时间Tr分别为1s和120s时，P油和N油的电场强度和电荷密度的测量结果如图6和图7所示，图中数据为采用同一基准值归一化的结果。
图6 极性反转时间1s时测量结果
Fig.6 Measurement results with polarity reversal time of 1s
图7 极性反转时间120s时测量结果
Fig.7 Measurement result with polarity reversal time of 120s
表3统计了不同极性反转时间下两种变压器油中电场和油纸界面电荷情况。对于P油，极性反转时间为1s时，第一次反转后油中电场归一化值为0.54(pu)，第一次反转后至第二次反转前油纸界面均为负电荷；极性反转时间为120s时，第一次反转后油中电场归一化值为0.51(pu)，第一次反转后至 8 000s时油纸界面出现正电荷。对于N油，极性反转时间为1s时，第一次反转后油中电场归一化值为1(pu)，第一次反转后瞬间为负电荷；极性反转时间为120s时，第一次反转后电场相对值为0.31(pu)，第一次反转后电荷极性即由负变正。
表3 第一次极性反转后油中电场和界面电荷值
Tab.3 Electric field in oil and interfacial charge after the first polarity reversal
测量对象和条件油中电场归一化值(pu)界面电荷归一化值(pu) P油Tr=1s0.54-0.76 Tr=120s0.51-0.5 N油Tr=1s1-1 Tr=120s0.31-1
极性反转电压下的P油和N油中电场和界面电荷动态特性与恒定直流电压下测量结果有很大相似度，二者关联关系可作如下说明。
P油在油纸界面电荷特性方面为“相对稳定型”，电荷积聚和消散速率较为缓慢：当极性反转时间较短时，累积电荷来不及在极性反转过程中消散，而在正极性电压持续期间产生的正电荷又不足以全部中和负电荷，因此极性反转时间1s时，第一次反转后至第二次反转前一直是负电荷；当极性反转时间较长时，累积电荷在极性反转过程中已经开始消散，在正极性电压持续期间产生的正电荷中和了全部负电荷后开始积累，因此极性反转时间120s时，第一次反转后至第二次反转前出现了正电荷。从第一次极性反转后的电荷叠加电场来看，极性反转时间对P油反转后电场影响不大。
N油在油纸界面电荷特性方面为“快速积聚、快速消散”型，电荷积聚和消散速率较快且相同时间内累积电荷量高于P油：当极性反转时间较短时，累积电荷来不及在极性反转过程中消散，反转后负极性电荷场与正极性外施电场叠加导致第一次反转后油中电场强度峰值较高；当极性反转时间较长时，累积电荷在极性反转过程中已经消散殆尽，并开始积累正电荷，反向削弱外施电场，导致第一次反转后油中电场强度峰值较低，甚至低于初始容性电场。因此，极性反转时间对N油反转后电场影响较大。
研究结果表明，相比于传统的RC（电阻率-介电常数）模型[30]，离子迁移模型能更准确地描述油纸界面电荷积聚的动态发展过程，油纸界面电荷的载体是变压器油和纸板中的杂质电离出的正、负离子，它们解离与复合是一个动态平衡过程，其迁移速率不同会导致在不同结构中正、负电荷浓度的分布形态不同[30-33]。
本文所用两种变压器油和绝缘纸板的离子迁移率实测值见表4，以此为输入条件，按照离子迁移模型进行仿真计算，得到油纸界面电荷动态积聚过程如图8所示。对于P油，离子迁移模型计算值与试验测量值之间偏差不大于1.6%；对于N油，离子迁移模型计算值与试验测量值之间偏差不大于2.1%。用离子迁移模型计算而得到的油纸界面电荷在变化趋势和数值上与实测曲线均有较高的一致性。
表4 离子迁移率实测值
Tab.4 Measured values of ion mobility
电压极性迁移率/[m2/(V·s)] P油N油绝缘纸板 正极性1×10-141×10-131×10-16 负极性7×10-105×10-101×10-14
图8 离子迁移模型电荷积聚动态变化过程
Fig.8 Charge accumulation variation process in ion drift-diffusion model
图8仿真曲线可看成具有不同时间常数的指数曲线，而时间常数是某按指数规律衰变的物理量，其幅值衰变为1/e倍时所对应的时间。对于图8所示曲线，界面电荷密度增长至1-1/e=0.63倍时所消耗的时间即为该条曲线的时间常数，P油为τP=2 935s，N油为τN=72s，是电荷积聚开始进入稳态的重要标志。油纸界面负电荷的积聚与消散时间常数相差不大[27]，因此分析负电荷消散过程也可取用上述数值。
在长时间的恒定直流电压下油纸绝缘系统的界面电荷积聚趋于稳定，且产生的与外施电压同极性电荷对电场为削弱作用，因此换流变压器实际运行过程中若阀侧直流电压极性不发生变化，电荷对绝缘为良性影响。考虑实际运行过程中发生潮流反转的情况，例如德宝直流正常每年反转2次，5月为德阳送宝鸡，11月转为宝鸡送德阳。站内极性反转操作时，主要流程为直流阀组闭锁、电压瞬间降至零和反向解锁、电压瞬时升至运行电压，闭锁和解锁之间听取调度指令、主控系统检查、倒闸操作等耗时达60～85min，在此过程中电荷已逐渐消散，电压再次提升时对绝缘影响可忽略。
本文主要考虑极性发生反转时电荷对电场的叠加效应，从是否满足换流变压器出厂时极性反转试验考核的角度讨论变压器油类型对绝缘的影响。现行IEC标准规定常规极性反转试验中的极性反转时间不超过120s，但同时也提出在实际运行中可能会发生快速极性反转过程，用户可根据自身应用需求与制造厂协商制定极性反转特殊试验方案，缩短极性反转时间来提高对产品的考核要求。以下结合时间常数分析法举例说明。
如果用户要求按照标准规定的120s来考核，τN＜Tr≤120s＜τP，对于N油，从负到零的半周期电荷已基本消散完毕，且在从零到正的半周期内逐渐积聚正电荷来削弱外部电场，因此反转后的电场弱于P油，此时建议选用N油。
如果用户提高极性反转时间考核要求，使Tr＜τN＜τP，电压反转时两种油中界面电荷均来不及反应变化，电荷积聚速率较慢的P油在恒压阶段积聚的电荷量少于N油，N油在电压反转时的电荷叠加效应强于P油，产生的较高反向电场对绝缘不利，此时建议选用P油。
今后开展换流变压器设计和选用变压器油时，可参考本文方法，从电荷对绝缘影响的角度，通过测量离子迁移率建立离子迁移模型仿真曲线，获得几种备选变压器油的电荷时间常数，结合用户对极性反转时间的考核要求提出选用建议。
本文以两种典型特高压直流用变压器油为研究对象，通过直流和极性反转电压下油纸绝缘界面电荷行为特性动态过程实测和结果分析，发现不同品类变压器油与绝缘纸/纸板组合使用后在界面电荷特性方面呈现出差异性，从不同于理化特性、电气特性等传统性能指标的角度揭示了油品对换流变压器绝缘的影响，为换流变压器设计时合理选用变压器油、校核优化绝缘结构提供了新的思路方法和指导依据。主要结论如下：
1）恒定直流电压下，P油油纸界面电荷积聚量为环烷基油的86%，电荷积聚速率小于N油的30%，不同油品对油纸界面电荷积聚特性有明显影响。
2）极性反转电压下，当极性反转时间1s时，第一次极性反转后电场P油为N油的0.54倍；而当极性反转时间120s时，P油为N油的1.65倍。N油在油纸界面电荷特性方面为“快速积聚、快速消散”型，P油为“相对稳定型”，所以极性反转时间对N油中反转后电场影响较大，而对P油中反转后电场不明显。
3）利用离子迁移模型给出了P油和N油的电荷积聚与消散时间常数，基于时间常数分析法，结合极性反转试验中对极性反转时间的不同考核要求，提出了不同品类变压器油选用建议。
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Interface Charge Accumulation Characteristics and Dynamic Process of Paraffine-Base and Naphthene-Base Transformer Oils under DC and Polarity Reversal Voltage
Abstract Regarding naphthene-base transformer oil (N oil) and hydroisomerized paraffine-base transformer oil (P oil) as the research objects, the dynamic process of space electric field and interface charge of oil-pressboard insulation under DC voltage and polarity reversal (PR) voltage was obtained. Under constant DC voltage, the amount of charge accumulation at the interface of P oil-pressboard was 86% of that of N oil, and the rate of charge accumulation was less than 30% of that of N oil. Under the PR voltage, polarity reversal time had a great influence. While the polarity reversal time was 1s, the electric field of P oil was 0.54 times that of N oil after the first reversal, and while the polarity reversal time was 120 s, the electric field of P oil was 1.65 times that of N oil. The influence of oil character on the converter transformer insulation is revealed from the point of view different from the conventional performance indexes such as physical, chemical and electrical characteristics. It is that different types of transformer oil have different mobility of positive and negative ions, resulting in different distribution patterns at the oil-pressboard interface. It provides a new method and guidance for selecting transformer oil reasonably and optimizing insulation design of converter transformer.
keywords：Paraffine-base, naphthene-base, transformer oil, electric field, charge, DC, polarity reversal
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210127
中图分类号：TM85
国家自然科学基金联合基金（U1866603）和国网安徽省电力有限公司重点科技项目（52120320006W）资助。
收稿日期 2021-01-22
改稿日期 2021-07-05
张书琦 男，1981年生，博士研究生，研究方向为变压器设备研制、运维及新技术研发。E-mail：sqzhang@epri.sgcc.com.cn
赵晓林 男，1988年生，高级工程师，研究方向为变压器油纸绝缘技术。E-mail：zhaoxiaolin@epri.sgcc.com.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）