交直流复合电场–温度场下油纸绝缘内水分暂态分布规律研究EI北大核心CSCD

换流变压器的稳定运行是维护电网安全的重要保证,其主绝缘承受交直流复合电场-温度场的联合作用,内部水分暂态分布规律与传统模型不同。因此,该文构建复合电场-温度场下的单、双侧水分暂态扩散模型,修正油纸界面处水分的平衡条件,并进行相关的仿真与试验验证。首先,根据仿真结果可知,油浸纸板的厚度、活化能均会对油浸纸板内部水分暂态分布情况产生影响。在复合电场-温度场作用下,纸板内部水分扩散方向与电场方向有关,纸板微元内电阻率的分布直接影响水分的迁移速率;油浸纸板内部水分的迁移速率较仅受温度场作用时更快,且在油纸界面水分平衡时,纸板内部稳态含水率更高。同时,该文根据频域介电响应曲线的“二次平衡”规律发现,随着测试温度的升高,油纸绝缘模型内水分达到第一次稳态平衡时,油浸纸板内水分变化量逐渐增大,测试温度越高,水分变化量越明显;在相同大小的电场应力作用下,高温将对油纸绝缘模型内水分的第二次稳态平衡起到一定的促进作用。     

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。     

换流变压器油纸绝缘水分对局部放电行为的影响综述

换流变压器是高压直流输电系统中的核心设备,起到连接交直流系统的关键作用。油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘,其绝缘性能的优劣对整个输电系统具有重要意义。水分会由于绝缘老化和外部水分侵入等原因不可避免地存在于油纸绝缘系统中,不仅使绝缘本身的绝缘强度显著降低,还会吸附在绝缘纸表面,增加界面缺陷数量,畸变局部电场,严重时引发局部放电甚至绝缘失效,对油纸绝缘系统的可靠性和换流变压器的安全稳定运行都构成了极大的威胁。为此综合国内外研究现状,分析了换流变压器中的水分来源、存在状态和分布特点,探讨了油纸绝缘中水分平衡与迁移的内在机制和动态规律,总结了水分对油纸绝缘运行工况下电荷和局部放电特性的影响规律和作用机制,特别论述了油纸绝缘交界面处水分动态行为,指出运行工况下水分迁移的暂态过程对油纸绝缘界面电荷和局部放电的影响不容忽视。     

温度对换流变压器绕组端部电场分布的影响研究

为研究温度对换流变压器绕组端部油纸复合绝缘系统电场分布的影响,首先测量获取了-40～+50℃范围变压器油和油浸纸板的相对介电常数、电导率;在此基础上利用有限元法研究了交流和直流试验电压作用下500 kV换流变压器端部电场分布的温度特性。研究结果表明:温度通过影响油纸绝缘的介电特性而影响换流变压器绕组端部电场分布特性;换流变压器的出厂试验需考虑实际运行条件下内部温度的变化范围做出适当的修正。     

空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律及其对电场分布的影响

空间电荷是影响和制约变压器油纸绝缘材料耐电强度,导致其老化和引起绝缘故障的重要因素。对于换流变压器油纸绝缘系统,理解空间电荷对绝缘系统电场分布的畸变尤为重要。为此采用改进的电声脉冲测试系统测试分析了多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷动态迁移特性,运用COMSOL软件对多层油纸绝缘混合体系的电场分布进行了仿真,首次推演了空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律,细致对比研究了空间电荷加入前后对多层油纸绝缘混合体系电场强度分布的影响。结果表明:油隙与油浸纸板交界面处积聚的电荷极性与油浸纸板另一侧积聚的电荷极性相反,根据该2~4层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚模型,可以推演更多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚行为;考虑空间电荷积聚效应计算所得场强分布与传统基于麦克斯韦尔—瓦格纳方程计算所得的电场分布差异明显,空间电荷的存在明显畸变了油纸绝缘混合体系的电场分布。     

含水率对复合电场下油纸绝缘电场分布的影响

为研究含水率对换流变压器油纸绝缘电场分布的影响,以典型油纸绝缘结构为研究对象,首先根据典型油纸绝缘结构建立了其等效物理模型和电路模型,并得到了复合电场下电场分布的数学表达式。结合不同温度及含水率下变压器油和浸油纸板绝缘电阻率及相对介电常数的测量结果,通过仿真分析得出了复合电压作用下油纸绝缘中电场分布与含水率及交流含量的关系。研究结果表明,水分对复合电压作用下油纸绝缘的电场分布有着显著的影响,当水分达到平衡状态时随含水率的增加油中场强增强、浸油纸板中场强减弱;随着绝缘体系整体含水率的上升,油纸绝缘电场分布的变化呈加速趋势;水分对油纸绝缘电阻率的影响远高于其对相对介电常数的影响,从而导致水分对高直流分量复合电压下的油纸绝缘电场分布产生较大影响。     

温度对油纸绝缘结构的击穿特性影响的研究

本文为了研究油纸复合绝缘在不同电压作用下的电场分布,建立了简化的油纸绝缘结构模型,利用有限元分析法对电场分布进行分析,总结油纸复合绝缘在不同电压作用下的电场分布规律及影响因素,对在不同温度及多种试验电压形式下油纸绝缘结构的击穿特性进行试验.结果表明虽然影响油纸结构击穿特性的因素较多,比较复杂,但也有一定的规律性.油纸绝缘结构的击穿问题是变压器故障的主要原因,该研究可为变压器的绝缘设计制造提供理论根据.     

温度对油纸绝缘结构的击穿特性影响的研究

本文为了研究油纸复合绝缘在不同电压作用下的电场分布,建立了简化的油纸绝缘结构模型,利用有限元分析法对电场分布进行分析,总结油纸复合绝缘在不同电压作用下的电场分布规律及影响因素,对在不同温度及多种试验电压形式下油纸绝缘结构的击穿特性进行试验。结果表明虽然影响油纸结构击穿特性的因素较多,比较复杂,但也有一定的规律性。油纸绝缘结构的击穿问题是变压器故障的主要原因,该研究可为变压器的绝缘设计制造提供理论根据。     

基于频域介电谱法研究甲酸对油纸绝缘水分评估的影响

为了准确评估油纸绝缘中的水分含量,研究小分子酸对油纸绝缘水分评估的影响,文中制备了多组不同水分和甲酸含量的油浸纸试样并利用频域介电谱法对其进行FDS测试,基于此提出表征不同酸性环境下油纸绝缘水分含量的特征参量。研究结果表明:水分会影响小分子酸在油纸间的分布,且随着绝缘纸水分含量和油中甲酸含量的增加,油浸纸试样tanδ频域谱在10?3～101显著增大。相较于无酸环境,甲酸含量的增加使油浸纸试样同一水分含量下的tanδ频域谱发生不同程度的增加,实际测量绝缘纸水分含量时小分子酸的影响不容忽视。提出的油浸纸试样介质损耗因素积分量Stanδ,在不同酸性环境中与水分含量均有良好的指数关系,且随着酸值变化与水分呈现出一定的规律,故可用作表征不同酸性环境下油纸绝缘水分含量的特征参量。     

换流变压器阀侧套管油纸绝缘研究现状

换流变压器作为连接高压直流输电系统交流侧和直流侧的关键设备,其阀侧出线装置可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行。油纸绝缘作为阀侧出线装置的主绝缘,长期受到交/直流复合电场以及极性反转等复杂工况的影响,在受到电场、热场以及机械应力等多场耦合作用下易发生绝缘劣化积累空间电荷,而油纸绝缘介电参数和电导参数的不匹配也将使得界面电荷积累严重,导致沿面闪络或绝缘击穿,这也是目前换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构发展面临的严峻问题。本文综合国内外研究现状论述了换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘研究进展,分析了油纸绝缘在不同环境工况下电荷行为、局部放电和击穿特性,探讨了电场、温度、水分、老化等因素对其的影响,并对绝缘纸改性进行论述,展望了未来换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构改性的发展趋势。这些研究成果的总结能为油纸绝缘材料的发展、改善提供参考和借鉴。     

基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性

目前国内外关于油纸绝缘介质空间电荷特性的研究全部基于油浸绝缘纸,且已有的电声脉冲测试系统无法实现对油隙与油浸纸组合而成的混合体系的空间电荷特性的测试。通过采用改进的电声脉冲测试系统首次对油隙与油浸纸板组合而成的混合体系的空间电荷动态行为特性进行研究,分析空间电荷积聚对油纸混合体系内部电场分布的影响。研究发现油纸绝缘界面处及油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷和电场畸变程度与绝缘油和油浸纸板的电导率关系很大。由绝缘油劣化导致油纸绝缘系统的电导率提升更易引起油浸纸内部场强严重畸变,油浸纸内部最大场强约达到平均场强的2.5倍。而由油浸纸电导率增大引起的油纸绝缘系统的电导率提升减轻了油浸纸内部的电场畸变程度,但电荷快速迁移会导致介质热效应显著也易诱发击穿。消除绝缘结构界面引起的空间电荷积聚效应、限制空间电荷在绝缘介质内部的快速迁移或使电荷在介质内部分布更加均匀,从三方面出发将有助于抑制空间电荷的危害。     

交直流电场下油纸绝缘中的空间电荷积累特性

换流变压器阀侧绕组需承受交直流复合电场，研究油纸绝缘在复合电场下的电荷输运行为是掌握工况环境下的电场分布进而提高绝缘可靠性的必经之路。对不同老化程度油纸绝缘试样进行直流、正弦及交直流复合电场下的空间电荷检测，通过对比复合场与单一场下的电荷分布，分析不同类型电场分量承担的作用，并考虑非均一介质的局域态特性，研究空间电荷积累机制。结果表明：交流电场下存在电荷迟滞现象，材料本身的性质差异导致电荷注入和电荷迟滞在空间电荷分布中的贡献程度不同。交流电场下电荷积累量随外施电场频率变化，其本质上是电场频率对不同迁移率的载流子的筛选结果。复合电场下直流分量作用于电荷的定向迁移作用与交流分量的电荷迟滞作用在电荷分布中均有体现，交流分量频率上升使得电荷积累量上升。油纸绝缘在复合电场下的电荷积累特性研究为进一步探究实际工况下的绝缘老化机理提供支撑。     

不同吸油率油浸纸板介电特性及电导特性研究

针对换流变压器主绝缘存在不同吸油率油浸纸板混用的问题,推导吸油率与油浸纸板介电常数εr的数学关系,试验测量不同吸油率条件下油浸纸板的介电常数,仿真分析吸油率对油纸绝缘电场分布的影响,最后试验研究电压、温度、吸油率对油浸纸板电导特性的影响,结果表明:介电常数试验结果与推导的数学关系吻合较好;吸油率的变化会使交流电场分布更加不均;直流电场作用下,电压、温度、吸油率的增加均导致油浸纸板电导电流增大。     

水分对变压器油和绝缘纸频域介电谱特性的影响

频域介电谱法作为一种无损的电气诊断技术,非常适用于变压器油纸绝缘状态的现场诊断。考虑到水分对变压器油纸绝缘系统的巨大危害,运用Concept80宽频介电谱测试系统,研究了水分对矿物绝缘油和不同种类油浸绝缘纸介电特性的影响规律,并对比了相同水分质量分数油浸普通绝缘纸、绝缘纸板和热稳定纸的介电性能。研究表明:矿物油-纸绝缘试品的介电性能受水分的影响极大;矿物油的直流电导率随着水分质量分数的增加呈指数规律增大,在10-3～10-1Hz范围内,油浸绝缘纸的复相对介电常数实部随其水分质量分数增加呈线性规律增大。因此,可利用油品介质损耗因数(直流电导率)和油浸绝缘纸复相对介电常数实部对变压器油、油浸绝缘纸的水分质量分数分别进行诊断。     

变压器油纸绝缘水分的回复电压分析法

变压器油纸绝缘系统中的水分会加速其固体绝缘材料的老化,准确诊断变压器固体绝缘中的水分质量分数对确保其安全可靠运行,延缓绝缘老化都具有重要意义。变压器油纸绝缘会因老化或受潮而导致其介电特性发生变化,基于检测油纸绝缘介电特性的回复电压测量方法能有效诊断变压器的油纸绝缘状态,并可用来估测固体绝缘纸板的水分质量分数。为此,通过分析变压器油纸绝缘中水分的极化特性,阐述了回复电压方法诊断固体绝缘水分质量分数的原理;并试验研究了变压器油纸绝缘水分质量分数与回复电压特征量及极化谱之间的关系,其中回复电压主时间常数可以量化固体绝缘的等值水分质量分数,一台220kV变压器试验结果表明回复电压方法能够有效地诊断变压器的绝缘油纸状态。     

换流变压器阀侧绕组端部电场的特性分析

由于直流分量的作用，换流变压器阀侧绕组端部电场特性与电力变压器有很大差别。本文首先分析了该电场的励磁电压类别；然后介绍了油纸复合绝缘的材料特性；最后通过算例总结了各种励磁电压作用下，油纸复合绝缘中的电场分布特点。     

老化和水分对电容性套管绝缘纸频域介电特性的影响

套管故障是引起变压器停运的主要原因之一,其中套管绝缘受潮引起的故障比例占据首位,而水分是引起油纸绝缘劣化的重要因素,因此研究不同水分对电容性套管绝缘介电特性的影响对于评估套管受潮状态具有重要意义。制备了不同初始水分质量分数的油纸电容型套管电容芯子试品,开展了实验室内油浸纸电容芯子的加速热老化试验,建立了介损特征区间积分模型,发现老化时间与油浸纸介损在特征区间的积分值符合线性规律,水分同介损在特征区间的积分宽度符合线性规律,表明油浸纸频域介电谱中的介损积分值可反映绝缘老化程度,为现场基于介损评估受潮下油纸套管的老化状态及受潮对绝缘老化的加速情况提供研究思路。     

负压对绝缘油中水分饱和溶解度的影响

在昼夜温差大的地区,油浸倒立式电流互感器膨胀器内部容易形成负压,影响水分在油纸中的分布,进而影响油纸的绝缘性能.本研究采用间接法测定不同压力和温度下绝缘油中水分的饱和溶解度,基于测试结果采用递归最小二乘法拟合得出Arrhenius方程中油中水分饱和溶解度和温度及压力的关系,研究其影响规律.结果表明:负压导致油中水分饱和溶解度不断降低,且随着温度的升高,这种趋势愈加明显.负压导致油中水分析出形成油中悬浮水或向纸中转移.引入关于压力的平移因子n,建立了压力、温度、油中水分饱和溶解度的数学表达式.将油中酸值、温度和压力作为综合评估油中水分饱和溶解度的因素,建立了多因子的影响规律,其中油中酸值和压力的影响在一定程度上可互相抵消.应用以上研究成果可更准确地评估油浸倒立式电流互感器油纸绝缘的水分分布和绝缘状态.     

油纸绝缘频域介电谱的修正Cole-Cole模型特征参量提取及水分含量评估方法

为了应用频域介电谱技术实现变压器油纸绝缘水分含量的定量评估,在实验室中制备了不同水分含量的油纸绝缘样品,分析了水分含量对样品介电特性的影响规律,同时引入修正Cole-Cole模型提取了油纸绝缘频域介电特征参量,研究了水分含量对这些特征参量的影响规律。结果表明,水分含量的变化会对油浸绝缘纸板样品的频域介电特性产生较大影响,采用修正Cole-Cole模型提取的频域介电特征参量中,?弛豫时间常数??及直流电导率?dc会随着油浸绝缘纸板水分含量的增加分别明显变小和增大;对参量水分含量m.c.的初步拟合显示,??和?dc与m.c之间分别呈现指数和线性关系,可考虑作为定量评估油纸绝缘水分含量的特征参量。     

基于改进NSGA多目标值优化的油纸绝缘状态评估方法

油纸绝缘作为油浸式电力变压器的重要组成部分,其绝缘状态的可靠对维护变压器的稳定运行至关重要。为准确获得油纸绝缘频域介电响应特性与其绝缘状态的关系,开展了老化、受潮油纸绝缘试样的频域介电响应测试,并基于扩展Debye模型,提出了采用改进非支配排序遗传算法（non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA）的油纸绝缘宽频介电特征参数的识别方法,通过油纸绝缘复电容的频谱曲线,完成了扩展Debye模型特征参数的准确提取。考虑特征参数信息熵的权重关系,建立了模型特征参数与绝缘水分含量及老化程度的定量表征方程。通过该方法可实现油纸绝缘状态的量化分析,为油浸式电力设备绝缘状态的准确评估提供理论支撑。