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            高密度電工紙板關鍵介電特性及性能的評價方法

            為解決高密度電工紙板的絕緣性能參差不齊、缺少性能評價及紙板遴選方法等實際問題,新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)、國家電網有限公司、中國電力科學研究院有限公司的研究人員高春嘉、齊波、李成榕、盧理成、張書琦,在2020年第14期《電工技術學報》上撰文,搭建電工紙板關鍵介電特性測試平臺,選取相對介電常數、體積/表面電阻率等關鍵介電特性,針對五種國內外主流絕緣件供應商提供的高密度電工紙板進行完整測試,并獲得溫度、水分等外界條件對其影響規律,進行量化關系擬合和物理解釋。

            研究人員利用測試所得多維度、多指標、多環境變量的電工紙板介電特性數據,建立基于介電特性的高密度電工紙板性能評價方法,橫向比較了不同絕緣紙板產品的介電特性,對電力設備絕緣結構的設計和絕緣材料的遴選提供數據支持和技術參考。

            隨著超特高壓工程的迅速發展,電網容量不斷增大,常規變壓器和換流變壓器的運行電壓等級逐漸提高,其內部絕緣問題越來越受到國內外研究學者的重視。如變壓器等關鍵設備的絕緣破壞是導致電網運行故障的首要原因之一,而80%左右的變壓器故障源自內部絕緣結構或絕緣材料的破壞、擊穿、閃絡等,從而造成設備故障并嚴重影響供電安全,同時對社會的生產生活帶來巨大損失。

            大型電力變壓器或換流變壓器的主絕緣結構為變壓器油和高密度絕緣紙板組成的典型油紙復合絕緣。其中,高密度絕緣紙板由天然植物纖維、礦物纖維、合成纖維及其混合物組成,在水或其他流體介質下將纖維素沉積在造紙機上,通過鍛壓、烘干、打磨等工序形成的薄片狀紙材料。它具有伸縮率小、密度高、抗撕裂強度大、絕緣特性優良等特點,因而被廣泛地應用于電力變壓器、發電機、電容器等電力設備中。

            在電力設備的運行過程中,高密度電工紙板會承受多場耦合應力的長時間作用,如溫度場、直流電場、交流電場、交直流復合電場及沖擊電場等。因此,高密度電工紙板的關鍵介電特性及其隨溫度、水分等外界條件的變化規律將直接或間接影響到相關設備的運行可靠性、安全性和使用壽命。

            隨著國內特高壓電網建設步伐的加快,高密度電工絕緣紙板的需求量也逐漸增大,目前國內主流絕緣材料生產企業的產品被廣泛應用于交流750kV及以下電壓等級的電力設備中,但諸如在特高壓工程中的換流變壓器等關鍵電力裝備中,高密度紙板等關鍵絕緣材料卻嚴重依賴于進口,從而增加了設備制造成本和生產應用周期。

            現階段,國家大力推進重大電力裝備的國產化進程,而國產電工絕緣紙板性能參差不齊,且缺少與國外競品的有效對比,如何精確、有效地對其關鍵介電性能進行評估,以指導絕緣材料的加工制造和應用遴選,并有效地推動其在特高壓電力設備中的應用是當前亟待解決的關鍵問題。

            國內外已有研究學者針對電工絕緣紙板相關性能進行研究。但是已有的研究僅僅針對某一種絕緣紙板的某一單獨特性,缺乏外界因素對紙板性能影響規律的系統研究、不同種類紙板性能的橫向對比研究以及相同種類紙板性能穩定性等關鍵研究,難以形成完整的紙板性能評價方法和評價體系,無法真正應用到工程實踐中。

            新能源電力系統國家重點實驗室等單位的研究人員,針對國內外主流絕緣器件制造商提供的五種高密度電工紙板進行了關鍵介電特性的系統測試,揭示了溫度、水分等外界因素對紙板不同介電特性的影響規律和機制,綜合多特征量信息,提出了基于介電性能的紙板性能評價方法,并結合實測結果對不同紙板介電性能進行了評價,可為大型電力裝備絕緣結構的設計和絕緣材料的遴選提供數據和技術支持。


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