中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。
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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）、中国电力科学研究院的研究人员廖瑞金、王季宇、袁媛、高飞、李剑，在 2016 年第 10 期《电工技术学报》上撰文指出，换流变压器是高压直流输电网络的关键设备之一，其阀侧主绝缘由于运行工况电场情况复杂通常具有较高的故障率。
虽然通过在线监测及故障诊断技术手段可以提高绝缘可靠性，但若考虑到停电维修所带来维修和输电损失成本，高压直流输电网络运行有效性和经济性并不能得到有效保证。
油纸绝缘作为换流变压器阀侧的主要绝缘形式，其绝缘可靠性与换流变压器安全运行紧密相关。其中在阀侧处构成固体绝缘的绝缘纸不仅长期受到热应力作用造成绝缘劣化，同时还承受交直流叠加和极性反转等复杂电场作用，容易积聚空间电荷、承受更多的直流场强分量，并且其在劣化后引起的性能下降是不可逆转的，因此绝缘纸的性能是决定换流变压器运行可靠性的重要因素。
为了保障换流变压器安全可靠运行，结合国内外文献及课题组相关研究成果，旨在从提升纤维素绝缘纸的抗热老化性能、耐绝缘击穿特性以及空间电荷分布特性三大方面阐述当前采用改性技术提升绝缘纸性能的研究现状，分析各改性方法的利弊，探究经济可行的纤维素绝缘纸改性方法，从本质上提升换流变压器运行可靠性。
我国能源资源和能源消费呈逆向分布，其中电力能源开发主要集中在西部和北部地区，其中心逐步西移和北移。而东部地区经济持续快速发展，能源需求量日益攀升，导致我国能源产地与能源消费地区之间距离越来越远[1]。这样的基本国情，决定了我国能源输送具有跨区域、远距离及大规模的特点，电力输送呈现“西电东送、北电南送”的基本格局。
在此基础上，国家电网公司按照国家提出的建设“资源节约型、环境友好型”社会的要求，贯彻国家能源发展战略。所提出的“一特四大”战略，就是以大型能源基地为依托，建设由1 000kV交流和800kV及1 100kV直流构成的特高压骨干网架和各级电网协调发展的坚强电网，实现大规模、远距离和高效率输电，促进大煤电、大水电、大核电以及大型可再生能源基地的集约化开发，大范围优化配置能源资源，保证电力的长期稳定供应，更好地满足经济社会发展的需要[2]。
高压直流输电具有远距离、大容量输电特点，适合大区电网非同步互联，具有线路造价低、功率损耗小、功率调节迅速灵活且不存在系统稳定问题等优点，在国内外得到了广泛应用[3]。
国内外高压直流系统的运行经验证明，高压直流设备的绝缘问题是影响直流系统安全可靠性的关键。这是因为高压直流设备绝缘问题至今未能彻底解决，绝缘事故时有发生，严重影响系统安全供电。直流输电系统中一次设备故障是引起直流系统强迫停运的首要因素，其中，以换流变压器故障引起的直流系统被迫停运次数最多[4]。
换流变压器是直流输电的关键设备之一，其在结构及性能方面不同于一般的交流变压器，而油纸绝缘仍作为大型换流变压器及其高压出线套管的主要绝缘形式。换流变压器绝缘的关键部位在其套管出线端，即阀侧绕组引出线与套管连接处的绝缘结构，包括均压电极和多层纸板围屏。
换流变压器的阀侧绕组除承受交流电压、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[4]。在这些电压作用下，变压器内部电场分布、绝缘材料击穿特性及空间电荷积聚消散特性等都与普通变压器相比存在很大的差异。在正常运行时，油纸复合绝缘中的电场为交、直流混合电场，电场分布比较复杂[5]。
此外，在直流电场作用下固体绝缘介质内部更易积聚空间电荷，空间电荷的存在会使变压器内的电场分布发生严重畸变，当电压发生突变时（如极性反转），突变电压与空间电荷的电场相叠加，更易引起变压器内部绝缘的局部放电或击穿。
然而，监测、诊断等技术手段只能及时反馈设备当前的运行状态，一旦检测出有严重故障的存在，可能需要停电维修，而停电维修同样会带来维修成本和输电损失成本。
由于换流变压器自身造价昂贵、维修费用高、维修时间长且多用于特高压直流输电线路，其故障或维修导致经济损失不可估量。因此单凭以往的检测诊断技术难以带来质的突破。
由于油纸绝缘作为换流变压器的主要绝缘形式，人们期望可以提高油纸复合绝缘的交直流击穿特性，抑制空间电荷对油纸绝缘的影响，从而保证换流变压器的安全可靠运行。
在换流变压器中，绝缘纸的重要程度远高于绝缘油，一是因为在直流场强下，油纸绝缘的场强按照两者的电阻率呈正比分布，油纸介质具有相同的电流密度，受温度、场强以及含水量等多种因素影响，它们的体积电阻率比值一般在1∶10～1∶500宽范围内变化，因此绝缘纸将承受更多的场强[4]；二是根据实际运行经验表明，尽管绝缘油在长期使用过程中，油的体积电阻系数和总酸值会发生较大的变化，影响油的击穿电压及介电性能，但可以通过油的净化或再生处理甚至换新油来解决老化的问题，因此它不是影响变压器寿命的主要因素。
而构成固体绝缘的绝缘纸，其劣化后引起的性能下降则是不可逆转的[6]，因此在长期运行过程中，绝缘纸的性能是决定换流变压器运行可靠性的主要因素。
结论
本文结合国内外文献以及本课题组的研究成果，阐述当前改性纤维素绝缘纸的研究现状，现得出结论如下：
（ 1 ）
纤维素绝缘纸抗热老化的改性中，传统的化学改性方法通过采用化学基团替代纤维素分子中极性的羟基基团，从而降低纤维素分子的亲水性，减少纤维素的水解降解，然而化学改性方法会使得纤维素链之间的连接由于羟基的减少而遭到破坏，导致绝缘纸机械强度下降，并且工业应用中需注意对化学试剂进行安全环保的处理，因此该方法逐渐被淘汰。
此外，通过植物油或天然酯等绝缘介质浸入绝缘纸，可以吸收和控制老化过程中产生的水分，抑制纤维素链的水解作用，从而提升绝缘纸的抗热老化性能。但这种改性方法难以控制改性程度，也未从本质上提升绝缘纸的性能。
（ 2 ）
物理改性方法如添加热稳定剂等胺类化合物，可以通过与老化过程中的水分和酸反应来抑制绝缘纸老化的“自加速”作用，达到抗老化的效果，并且不影响纸张的机械强度，具有优越的实用性，已被广泛地应用于商业抗热老化绝缘纸的制造。
通过往变压器油中加入纳米颗粒一方面可以通过提升变压器油的热导率和热传递效率增强油纸绝缘的抗老化特性；另一方面油中纳米颗粒将自由迁移至绝缘纸板中，改善绝缘纸板的性能。受此启发，故将纳米颗粒直接加入纤维素绝缘纸中，并开展加速热老化试验，试验发现纳米颗粒的添加可以有效加速热量在绝缘纸的热传递速率，从而延缓了油纸绝缘系统的老化速率。
（ 3 ）
纤维素绝缘纸提升击穿性能的改性中，主要是通过抑制自由电子碰撞电离过程以及改善电场分布两种途径来提升纤维素绝缘纸的击穿特性。微纳米尺寸的无机填料掺杂在电介质中，一方面可以引入大量深陷阱抑制自由电子碰撞电离过程，另一方面可以降低电介质的相对介电常数改善电场分布，从而可以有效地提高绝缘纸的击穿特性。
（ 4 ）
纤维素绝缘纸改善空间电荷分布的改性中，分别介绍了空间电荷测量技术、普通油纸绝缘空间电荷现象以及纳米改性电介质的空间电荷研究。可以发现，利用无机纳米材料对聚合物进行改性，纳米复合电介质的空间电荷性能会有不同程度的提高，而具体的改性效果则与基体材料的性质、纳米材料的性质及添加量等几种因素有关。
（ 5 ）
基于以上所述的三个方面提升纤维素绝缘纸性能的改性技术，可以看出选择合适的纳米材料对纤维素绝缘纸进行改性处理，介质材料在空间电荷特性、击穿强度和抗老化等三个方面的表现都可以有很大程度的改善，但仍不能保证纳米改性中所涉及的纳米材料、添加含量以及添加手段对三个方面的性能提升均呈正相关，因此纳米改性对新型纤维素绝缘纸特性研究尚需不断研究。
一种可行的做法是通过添加热稳定剂提升抗热老化特性，添加特定的纳米颗粒改善其空间电荷分布并提高耐击穿特性，由于两种改性方法各自独立，便于根据试验结果优化改性流程、控制添加剂配比，以得到更适用于换流变压器下的新型纤维素绝缘纸。
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