针对换流变压器交直流复合场油纸绝缘击穿过程及机理不清楚的问题，尤其是空间电荷对油纸绝缘击穿的产生机理及发展过程的影响不明朗这一问题，拟开展换流变压器油纸绝缘空间电荷特性及其对电气强度的影响研究，研究交直流不同电压类型下换流变压器用油纸绝缘中电荷积累的物理过程及其对绝缘纸的电气强度的影响规律，研究绝缘纸中的电荷输运机制及其与微观性能的相关性。

2.1 绝缘纸电荷累积与分布特性及其对绝缘纸击穿的影响特性

研究交直流不同电压类型下换流变压器绝缘纸电荷累积与分布特性，分析电压类型、电压幅值、电压频率、累积时间、振动频率等参数对换流变压器绝缘纸空间电荷积聚与消散的影响规律。研究不同电压参数、累积时间、振动频率等参数下换流变压器绝缘纸空间电荷累积对绝缘纸击穿的影响规律，获得空间电荷与绝缘纸击穿电压之间的关联关系，为互感器油纸绝缘设计、绝缘缺陷检测及安全评估等提供一定的技术支撑。

2.2 换流变压器换流变压器换流变压器绝缘纸电荷输运机制及微观损伤特性。

研究换流变压器绝缘纸电荷输运机制，建立绝缘纸电荷输运模型，分析电荷入陷/脱陷/输运等过程对绝缘纸分子健断裂等材料微观损伤的影响，研究绝缘纸在电荷累积损伤下的微观结构与电气性能演化规律。

目前研究发现谐波对电力设备器件（电容器、电缆等）的老化寿命具有显著的影响，而互感器作为产生及承受大量谐波电压作用的设备，其性能受到严峻的挑战。目前利用总谐波失真（THD）来对谐波进行定量分析，但是研究发现其只能简单的反映电压质量在局部放电方面的作用。在实际电网运行中，互感器所产生的电压是各种谐波电压的动态叠加，其电压幅值及相角时刻变化，使得电压波形长期处于失真状态，严重影响其局部放电特性。实验结果表明各种叠加于工频正弦电压上的谐波成分会显著影响局部放电强度和最大放电量。谐波分量是绝缘材料结构设计的一个重要考虑因素。

目前针对油纸绝缘的击穿特性等方面研究，国内外学者开展了大量的击穿电压试验，对油纸绝缘的击穿特性具有比较清楚的认识。E. Takahashi 首先对直流、交直流叠加及极性反转电压下油浸纸绝缘的击穿电压进行研究，试验结果发现直流电压下油浸纸绝缘击穿电压小于交流电压下的击穿电压，不同比例交直流电压下油浸纸绝缘击穿电压的峰值保持不变。M. R. Raghuveer和Ram S. S. Tulasi同时也开展了交直流电压下油纸绝缘的击穿及沿面闪络特性试验研究，发现直流电压下油纸绝缘的击穿电压要高于交流电压下其击穿电压，油纸绝缘的击穿电压受到直流电压分量的严重影响，其击穿电压随着直流电压分量的增加而明显升高，与Takahashi的结论刚好相反。另外发现在极性反转过程中油隙会成为互感器内部绝缘的薄弱环节，容易造成绝缘油隙击穿。在直流电场作用下油纸绝缘界面容易积聚大量空间电荷，因此直流预压会严重影响油纸绝缘的击穿特性，在反极性直流预压后，绝缘纸的击穿电压严重减小，而同极性直流电压预压后，其击穿电压将会升高。

随着直流输电技术的应用，电荷积聚问题对交/直流复合电场下绝缘电气特性影响也愈发明显，受到人们普遍关注。绝缘纸在制造过程中，由于处理手段或生产工艺不同及添加剂品质差异，均会生成杂质缺陷，影响材料聚集态及电极试样界面状态，导致电荷输运特性差异。同时，电荷注入和迁移与分布还容易受到不同施压类型和不同电压等级的影响。目前，学者们多用陷阱理论来阐述电荷积聚、迁移及载流子输运等现象。研究表明，陷阱实际上是一种处于电介质能级价带和导带之间的局域态，其形成的内部因素包括极性基团、离子基团等化学基团组成的杂质、分子链屈折、重叠和断键，而外部因素则包括所有因结构发生化学或物理反应而导致的缺陷，如外施电场、老化等。电子或空穴通过富勒-诺德海姆（Fowler-Nordheim）效应或肖特基（Schottky）注入至绝缘介质导带或价带，因其平均自由程短，局域态密度又高，易被陷阱捕获。电子在局域态内无法自由移动，只能通过隧穿效应从一个局域态跳跃至另一个局域态，或凭借热激发跳跃至导带。

早期针对油纸绝缘电荷特性研究缺乏系统性，研究人员单一，主要面向换流变压器用纸板和充油电缆用油纸。1994 年 ABB 公司采用压力波扩展（Pressure Wave Propagation, PWP）法测试油纸绝缘空间电荷，由于当时技术限制，测量精度不高导致结果不是很理想。1997 年 P. Morshuis 等应用电声脉冲（Pulsed Electro-Acoustic, PEA）法提出离子电导、正负电荷复合以及肖特基效应注入物理模型，但是并未将温度对空间电荷影响考虑其中。2003 年日本学者 M. Wakamatsu 等利用克尔效应和有限元计算得出电荷积聚与油浸绝缘纸厚度以及电压极性反转等因素影响规律。2004 年，德国学者 W. Pfeiffer 等应用 PEA 法获得部分能够准确表征空间电荷的特征参量，并提出因缺乏陷阱分布特性对空间电荷包动态影响规律的理论指导，是导致油纸绝缘寿命评估模型不完善的根本原因。此后，学者们开始针对油纸绝缘空间电荷引发机理进行深度数据挖掘。自2007 年至今，国内外学者开始应用多种测量手段对换流变压器用油纸绝缘电荷输运特性进行广泛研究，主要包括不同电场形式下空间电荷、界面电荷和表面电荷输运特性，同时还考虑各类工况，包括温升和水分等因素影响。

综上所述，换流变压器绝缘除承受交流电压、雷电冲击电压和操作过电压以外，还要承受直流、交流叠加直流及极性反转电压的作用，此外还受到振动等极端工况的影响。目前国内外学者在聚乙烯、聚丙烯等电介质的空间电荷、电损伤、热损伤等研究方面积累了大量经验，这些研究主要集中于交流电压下电–热联合作用对油纸绝缘的产物、材料结构变化规律的研究，或只关注了复合电压下油纸绝缘局部放电特性的研究，虽有一些关于电力电缆绝缘用纤维素空间电荷的研究成果，但在换流变压器中，绝缘纤维素与绝缘油相互组合，其结构相对复杂，故空间电荷特性较纯聚合物材料而言更为复杂。国内外目前缺乏针对换流变压器用绝缘油纸的空间电荷特性及其对绝缘微观累积损伤的研究，尤其是高压交直流电场作用下温度场、应力场、电场等耦合作用对绝缘纸空间电荷输运特性、累积特性及绝缘损伤的影响。

换流变压器交直流复合场油纸绝缘内部放电发展过程及机理不清楚，尤其是空间电荷对放电的产生机理及发展过程的影响不明朗。在极性反转电压作用下，绝缘材料内部电场会被进一步增强可能导致放电。而在谐波电压作用下，其绝缘材料的局部放电特性也较工频正弦电压下的局部放电也存在显著的不同，在长期运行下，由于谐波作用下的局部放电导致高压互感器油纸绝缘材料劣化严重。目前针对油纸绝缘分别在直流电场和交流电场作用下的劣化特性已有较多的研究，但是针对直流、交流和谐波复合电场下油纸绝缘的性能变化和演变机制尚不明确。

本项目开展换流变压器交直流复合场油纸绝缘放电发展过程及机理研究，揭示不同交直流电压比例、谐波叠加复合场及空间电荷对油纸绝缘放电的产生机理、发展过程的影响。

5.1 技术路线

1）电介质空间电荷测量系统的建立

电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)空间电荷测量技术首先是由日本Tatsuo Taka-da等人在1983年提出,其基本原理是基于库仑力定律，当在试样上施加脉宽很窄的脉冲电压，试样中的空间电荷在窄脉冲电场的作用下，产生相应的压力波脉冲，压力波脉冲的压力剖面和试样中空间电荷的体密度分布相关，由在另一侧电极附近的压电传感器接收并转换成相应的电信号，从而获得空间电荷分布信息。

该原理基于一维洛伦兹力定律，为了简化理论做以下四种假设：

电介质中的空间电荷仅是在厚度方向变化，为一维分布，采用一维声学传播模型。

每个电荷层中产生的声波形状与施加的脉冲电场相同。

声波的每个频率分量都以相同速度穿过电介质，并在传播过程中振幅不减小。

线性叠加原理可以运用在两个和多个声波互相作用。

简化后的PEA脉冲电声测量原理如图2所示。

图2 PEA法测量原理图

考虑有一个含有空间电荷ρ(x)厚度为d的圆盘形试样。一个持续时间为，且上升下降时间较短的外部脉冲电场Ep(t)被施加到插入AB电极之间的圆盘试样上，并且使λk处的电荷ρ(x)的小切片Δλ上产生一个扰动力，产生声波，声波穿过样品和电极B向传感器传播，声波的传播被认为是纵向的，横向平面被认为是无限大的。在传感器处，由组成的声波p(t)被转化为电信号v(t)，计算机将这一电信号进行采集，并进行解调以及Labview软件后处理，处理后的波形即是试样中的空间电荷分布。

本项目所使用的PEA脉冲电声法测量空间电荷的系统包括高压直流发生器、PEA电极系统、示波器、纳秒脉冲源（10 ns和20 ns）和计算机。在进行测量时，将试样放在上下电极之间，将半导电薄片放置在阳极用于声阻抗匹配，硅油也用作匹配油以减少样品和电极之间边界的反射。旋转高压直流发生器旋钮由低至高调节至所需电压，同时，使用纳米脉冲源施加高压脉冲，产生扰动力从而形成声波，声波向电极传播，传播穿过下电极后，传感器在接收声信号的同时转换为电信号，再经过放大器传至示波器采集，经过计算机Labview软件采集，保存后以供进行下一步波形恢复等后处理。

2）高压互感器绝缘纸空间电荷测量试验方案

本项目拟采用的绝缘油为卡拉玛依25#矿物油，绝缘纸试样为成品绝缘牛皮纸，单层厚度为0.17 mm。在试验前，需要对油纸试样进行严格的预处理，拟采用的预处理过程如下。

绝缘纸预处理：将绝缘纸裁剪为直径50 mm的圆形，然后置于105°C真空环境下干燥24h；

变压器油预处理：选用孔径为0.2μm的滤膜对变压器油进行抽滤，除去变压器油中的水分和杂质后，放入80℃真空干燥箱中真空干燥48h，干燥结束后将真空干燥箱温度降至室温，真空状态下自然冷却平衡24h，测量油中微水含量，确保绝缘油的含水量低于5mg/L，达到GB/T7595—2017的要求。

真空浸油处理：将步骤（1）中处理好的绝缘纸放入步骤（2）中处理好的变压器油中，保证绝缘纸完全浸没在变压器油中，放置在80°C真空环境下脱气、浸渍24h。

样品保存：浸渍完成后，将油纸绝缘样品置于干燥环境中密封保存，以便取用。

若研究双层/多层油浸绝缘纸介质空间/界面电荷特性的影响，对新油浸绝缘纸在直流/工频电压下的空间电荷特性进行测试时，试验采用片状层压方式对多层油浸绝缘纸进行空间电荷测量，如图3所示。半导电层材料为聚乙烯醇加入炭黑压制而成，厚度约为0.1mm，起到油纸与铝电极声阻抗匹配的作用。铝电极直径约为20mm。

图3 PEA法测量系统装置连接图

值得说明的是，另外一种试样安置方式为油纸紧贴上部电极，油隙形成于下部电极位置。然而，由声波在非均一声阻抗介质中传播规律可知，声波由油纸向油隙传播时，油纸中产生的声波传播至下部电极传感器时难以被检测。因此，此试样安置方式不合理。

3）交直流复合电压击穿平台

为了研究不同电压参数、累积时间、振动频率等参数下高压互感器绝缘纸空间电荷累积对绝缘纸沿面闪络或击穿的影响规律，本研究还极化设计油纸绝缘在不同形式电压下的击穿试验。根据高压互感器承受的电压类型，试验电压选择为纯交流、纯直流、交直流1∶1复合电压3种形式。图4-6为交直流击穿系统示意图，其中R1、R2为保护电阻，C1为隔直电容，RH、CH为阻容分压器高压臂电阻、电容，RL、CL为阻容分压器低压臂电阻、电容。

图4交直流空间击穿系统示意图

对油纸绝缘试样进行击穿试验时，参照GB/T1408.1—2016和GB/T1408.2—2016，输出电压从0kV开始，采用连续升压法，交/直流击穿试验以1kV/s的升压速率升压至击穿，记录下最大击穿电压值；进行交直流1∶1复合击穿试验时，交流和直流电压同时以500V/s的升压速率同步升压至样品击穿，记录下交流和直流在击穿时电压的最大值。击穿试验在30°C环境下进行。考虑到击穿试验的分散性和随机性，每组试样进行多次试验，从中选取15次试验数据进行Weibull数据处理分析。

4）基于高压互感器绝缘纸电荷输运机制及微观损伤特性研究

使用COMSOL Multiphysics软件，建立油纸绝缘材料的一维/二维仿真模型，从微观角度对高压互感器油纸绝缘材料中的空间电荷进行模拟，并计算电场分布。从而研究绝缘纸在电荷累积损伤下微观结构与电气性能演化规律。COMSOL中模型建立的过程涉及到多个物理场之间的的耦合作用，对空间电荷特性进行分析往往基于试验，很少有基于有限元仿真软件对各个物理过程以及结构对空间电荷分布的影响做出分析。首先基于COMSOL中的一维仿真模型，分别分析不同物理过程和结构如何影响高压互感器油纸绝缘材料中的空间电荷分布，包括电极处的注入抽出，输运过程中的入陷脱陷、迁移以及复合过程，其次，在一维模型的基础上建立二维平板模型，研究不同电压、温度梯度和极性反转等复杂工况下空间电荷累积和电场畸变的影响规律，弥补一些难以实现的试验条件对此方向研究的限制。

5.2 拟解决的问题

高压互感器交直流复合场油纸绝缘沿面放电发展过程及机理不清楚，尤其是空间电荷对沿面放电的产生机理及发展过程的影响不明朗，本项目开展高压互感器交直流复合场油纸绝缘沿面放电发展过程及机理研究，揭示不同交直流电压比例、谐波叠加复合场及空间电荷对油纸绝缘交界面沿面放电的产生机理、发展过程的影响。

5.3 预期成果

（1）探明多种极端工况下高压互感器绝缘纸板电荷累积与分布特性及其对高压互感器绝缘纸板沿面闪络或击穿的影响规律；

（2）完成《换流变压器油纸绝缘中的电荷累积与分布特性及其对油纸绝缘电气强度的影响机制研究》研究报告1份；

Ø 2024年4月至2024年6月：学习基础理论知识，收集有关换流变压器油纸绝缘的空间电荷特性的研究成果及需解决的问题，确定我们的具体的研究方向与目标。

Ø 2024年6月至2024年10月：设计相关模型实验，结合前期学习成果，建立起初步的数学模型，通过不断的深入学习和实验对模型进行优化改进。

Ø 2024年10月至2024年12月：总结模型实现中的评价方法，通过在实际应用中的效果提出完整的改善方法，同时对模型进行优化。

2024年12月至2025年2月：将成果进行整理总结，撰写论文进行发表，同时申请专利。