高密度电工纸板关键介电特性及性能评价方法

为解决高密度电工纸板的绝缘性能参差不齐、缺少性能评价及纸板遴选方法等实际问题，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国家电网有限公司、中国电力科学研究院有限公司的研究人员高春嘉、齐波、李成榕、卢理成、张书琦，在2020年第14期《电工技术学报》上撰文，搭建电工纸板关键介电特性测试平台，选取相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电特性，针对五种国内外主流绝缘件供应商提供的高密度电工纸板进行完整测试，并获得温度、水分等外界条件对其影响规律，进行量化关系拟合和物理解释。

研究人员利用测试所得多维度、多指标、多环境变量的电工纸板介电特性数据，建立基于介电特性的高密度电工纸板性能评价方法，横向比较了不同绝缘纸板产品的介电特性，对电力设备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据支持和技术参考。

随着超特高压工程的迅速发展，电网容量不断增大，常规变压器和换流变压器的运行电压等级逐渐提高，其内部绝缘问题越来越受到国内外研究学者的重视。如变压器等关键设备的绝缘破坏是导致电网运行故障的首要原因之一，而80%左右的变压器故障源自内部绝缘结构或绝缘材料的破坏、击穿、闪络等，从而造成设备故障并严重影响供电安全，同时对社会的生产生活带来巨大损失。

大型电力变压器或换流变压器的主绝缘结构为变压器油和高密度绝缘纸板组成的典型油纸复合绝缘。其中，高密度绝缘纸板由天然植物纤维、矿物纤维、合成纤维及其混合物组成，在水或其他流体介质下将纤维素沉积在造纸机上，通过锻压、烘干、打磨等工序形成的薄片状纸材料。它具有伸缩率小、密度高、抗撕裂强度大、绝缘特性优良等特点，因而被广泛地应用于电力变压器、发电机、电容器等电力设备中。

在电力设备的运行过程中，高密度电工纸板会承受多场耦合应力的长时间作用，如温度场、直流电场、交流电场、交直流复合电场及冲击电场等。因此，高密度电工纸板的关键介电特性及其随温度、水分等外界条件的变化规律将直接或间接影响到相关设备的运行可靠性、安全性和使用寿命。

随着国内特高压电网建设步伐的加快，高密度电工绝缘纸板的需求量也逐渐增大，目前国内主流绝缘材料生产企业的产品被广泛应用于交流750kV及以下电压等级的电力设备中，但诸如在特高压工程中的换流变压器等关键电力装备中，高密度纸板等关键绝缘材料却严重依赖于进口，从而增加了设备制造成本和生产应用周期。

现阶段，国家大力推进重大电力装备的国产化进程，而国产电工绝缘纸板性能参差不齐，且缺少与国外竞品的有效对比，如何精确、有效地对其关键介电性能进行评估，以指导绝缘材料的加工制造和应用遴选，并有效地推动其在特高压电力设备中的应用是当前亟待解决的关键问题。

国内外已有研究学者针对电工绝缘纸板相关性能进行研究。但是已有的研究仅仅针对某一种绝缘纸板的某一单独特性，缺乏外界因素对纸板性能影响规律的系统研究、不同种类纸板性能的横向对比研究以及相同种类纸板性能稳定性等关键研究，难以形成完整的纸板性能评价方法和评价体系，无法真正应用到工程实践中。

新能源电力系统国家重点实验室等单位的研究人员，针对国内外主流绝缘器件制造商提供的五种高密度电工纸板进行了关键介电特性的系统测试，揭示了温度、水分等外界因素对纸板不同介电特性的影响规律和机制，综合多特征量信息，提出了基于介电性能的纸板性能评价方法，并结合实测结果对不同纸板介电性能进行了评价，可为大型电力装备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据和技术支持。

图1  纸板表面/体积电阻率测量原理

图2  纸板电阻率测量平台示意图

主要研究成果和结论如下：

1）综合考量高密度电工纸板的制造工艺、应用环境及运行工况等，研究人员选取了高密度电工纸板的相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电性能为主要测试指标，选取了温度、水分作为主要环境影响因素，对不同类型的高密度电工纸板进行完整测试，以此构建多维度、多指标、多变量的绝缘纸板介电特性数据库。

2）针对绝缘纸板的介电特性测试，测试平台的相对介电常数测量精度可达0.001pF，为满足高精度的电阻率测量要求，自主研发了温控式固液介质体积/表面电阻率测量装置，其温度控制精度为1℃，电流测量精度为0.1pA。

图3  绝缘纸板介电性能评价流程

图4  绝缘纸板介电性能权重确定方法流程

3）随着纸板温度和水分含量的增加，纸板的相对介电常数增加，最大增幅可达55.85%；不同种类纸板受外界因素影响程度差异较大，最大可达22.05%；纸板的体积/表面电阻率逐渐降低，最大降幅可达98.25%，且不同种类纸板性能受外界因素的影响程度同样存在巨大差异，最大可达94.32%；不同类型、同一批次的纸板之间的性能稳定性差别较大；不同类型纸板常规理化性能的测试结果可对其介电特性的差异性进行解释和分析。

4）基于大量的高密度电工纸板介电特性实测数据，研究人员总结分析每种绝缘纸板不同介电特性指标随温度、水分等因素的变化规律和机理，得到不同变量下介电特性的相对权重，提出了基于介电特性的高密度电工纸板性能平均方法，旨在为电力设备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据支持和技术参考。

以上研究成果发表在2020年第14期《电工技术学报》，论文标题为“高密度电工纸板关键介电特性及性能评价方法”，作者为高春嘉、齐波、李成榕、卢理成、张书琦。