直流电场下油纸绝缘楔形油隙局部放电仿真研究

换流变压器是特高压直流设备的重要组成部分,在不均匀电场作用下,换流变压器中会发生局部放电现象,可用楔形电极模型进行模拟。为研究油纸绝缘在楔形电极的局部放电特性,基于双极性电荷输运和流体动力学漂移扩散理论建立二维轴对称仿真模型,计算获得纳秒尺度下的微观放电图像,得到空间电荷和电场强度分布的变化过程,并讨论电压幅值、电荷迁移率、油纸界面电荷等影响因素对局部放电特性的影响。仿真结果显示,楔形油隙的放电发展过程主要分为油中电晕、油纸界面水平沿面放电和绝缘纸纵向放电3个阶段。油纸界面闪络电压随纸中电荷迁移率的增大呈现出先增大再减小的变化规律,当纸板的电子迁移率和空穴迁移率为10~(-13)m~2·v~(-1)·s~(-1)时,横向放电发展受到抑制,闪络电压最高;变压器油的电荷迁移率对放电过程影响较小。放电滞留在纸板表面的正极性界面电荷形成电荷"屏蔽层",对下一次的放电发展起到抑制作用,导致放电横向发展的速度和范围均随界面电荷量的增加而降低。该文的研究结果对阐明楔形电极的放电机理具有重要理论意义。     

脉冲电应力下空气-聚酰亚胺绝缘沿面放电过程数值模拟

沿面放电是导致高频电力变压器气-固绝缘系统失效的主要原因之一。为研究空气-聚酰亚胺界面放电发展过程,该文基于流体动力学理论,通过对粒子输运方程、泊松方程和等离子化学反应的耦合表征,并充分考虑带电粒子在绝缘介质表面的反应过程和累积条件,建立了负极性脉冲电应力下空气-聚酰亚胺沿面放电等离子体模型。模型采用简化反应集定义空气放电涉及的粒子反应,模型复杂程度大幅降低。为避免求解过程中粒子密度出现负值,采用对数形式有限元法求解所建模型,实现了针-棒电极结构下1cm间隙沿面放电发展过程的动态模拟,得到了放电过程中带电粒子密度、表面电荷密度及电场分布等参量的时空演化规律,并通过实验从放电发展形态和表面电荷累积两方面验证了模型可靠性。基于该仿真模型,进一步探究了沿面放电的影响因素,结果表明,沿面放电平均传播速度与温度正相关,与气压负相关;界面二次电子发射系数越大,放电发展越迅速,表面电荷积聚越严重。     

交直流复合电场下油纸绝缘界面电荷对沿面闪络电压的影响

在交直流复合电场下,换流变压器的油纸界面会积聚电荷,使得油纸界面的电场发生畸变,容易引发沿面放电。为揭示交直流复合电场下油纸界面电荷对其沿面闪络电压的影响,采用针-板沿面放电模型,测量了交直流复合电场下油纸绝缘的沿面闪络特性,通过静电电容探头法测量了直流电压作用下沿面放电模型油纸界面的电荷分布。研究发现,负极性直流叠加交流电压下的油纸沿面闪络电压高于正极性直流叠加交流电压下的情况。原因是油纸界面积聚了与外施直流电压极性相同的界面电荷以及相同条件下油纸界面积聚的负极性电荷密度要大于正极性电荷密度。     

油纸绝缘沿面放电多物理信号发展规律及阶段特征EI北大核心CSCD

为研究油纸绝缘沿面放电过程中相关物理量的变化规律,明确其与沿面放电发展阶段的关系,该文建立一套能够对放电过程中电、磁、声、光等多物理量进行同步测量的联合检测实验系统。实验对比不同检测方法的有效性,并获得沿面放电过程中多物理信号的发展规律。在此基础上,提取不同物理信号的特征参量,通过层次聚类法对沿面放电发展过程进行阶段划分,并给出相应的物理描述和阶段特征。结果表明:沿面放电缺陷下,不同检测方法的灵敏度存在差异,其中超声法的灵敏度最高;基于相应的多物理特征参量,通过聚类可以将沿面放电发展过程划分为放电起始阶段、放电发展阶段和预击穿阶段,整个过程的阶段变化与绝缘状态和电场分布有关;相比于传统单一手段的检测方法,综合利用多物理信号能够更有效地判断故障发展的严重程度。     

变压器套管典型缺陷检测技术研究

套管作为变压器高压端与外壳之间的重要绝缘部件,运行过程中容易受到长期的电、热、机械应力等作用形成缺陷,严重威胁电力设备的稳定运行。本文先以现场运行的缺陷变压器套管为对象,开展了介质损耗、电容量、局部放电等电气特性诊断试验;然后模拟套管电容屏破损空洞缺陷,测量了试样的介质损耗因数、电容量以及频域介电谱,对比典型缺陷套管样品和正常套管样品之间的特征参量差异;利用缺陷套管模型,开展局部放电试验并分析其局部放电特征参量,研究放电次数、放电量与放电概率之间的关系。结果表明:当变压器套管电容屏发生破损空洞缺陷时,其介质损耗因数增幅可达25%,电容量增加幅度可达15%;放电量-放电概率图谱的偏斜度可作为识别电容屏破损空洞缺陷的特征参量。     

油浸纸套管电容芯子浸渍不良缺陷的放电过程及其特征

为了研究油浸纸套管浸渍不良缺陷的劣化机理,研制了透明的套管模型,利用良好套管模型漏油后补油不抽真空的方法,模拟浸渍不良缺陷;利用阶梯升压法,研究浸渍不良套管缺陷模型的局部放电参数、介质损耗正切值和电容量的变化情况,同时观测了放电过程中的产气部位和产气现象,并结合试验后解剖,分析油浸纸电树枝碳化通道。研究结果表明,对于油浸纸套管浸渍不良缺陷劣化过程,局部放电检测比较灵敏、特征显著,而介质损耗正切值、电容量检测不灵敏。放电位于芯子末屏极板边缘,沿极板边缘纸层表面发生电树枝沿面爬电并产生连续的气泡。放电相位呈现明显的对称分布,放电相位与放电量的φ-q散点图呈现"翼状"分布特点,可作为诊断和识别油浸纸套管电容芯浸渍不良缺陷放电严重程度的特征谱图。     

油纸电容型套管电容芯子典型缺陷及应对

近年来因油纸电容型套管电容芯子缺陷引起的变压器事故频繁发生,对电力系统的安全稳定构成严重威胁,因此对油纸电容型套管电容芯子缺陷进行分析具有重要意义.分析了油纸电容型套管的结构,对油纸电容型套管电容芯子的电容屏工艺缺陷、电容芯子受潮、接地电极接地不良等典型缺陷展开研究.提出相应的应对策略,为油纸电容型套管的故障诊断、运行...     

沿绝缘介质表面的气体放电等离子体模型

高压直流断路器的断口沿面绝缘性能失效已经成为阻碍直流开断技术发展的主要难点之一,而目前对沿面放电的动态发展规律和放电模型研究还很不完善。该文基于二维自洽流体模拟,建立了N_2/O_2等离子体沿面放电模型,考虑带电粒子的连续性方程和电子能量平衡方程,并耦合泊松方程求解。研究结果发现平板电极中放电由两端向中间发展,累积的表面电荷极性与外加电压一致。根据放电电流波形可判断沿面放电的发展阶段,其中电晕放电阶段电流幅值小且稳定,流注放电阶段电流有小幅波动,火花放电阶段出现电流激增。沿面放电发生在绝缘柱表面的薄层中,其中正、负空间电荷混合存在。并从沿面放电发展速度和表面电荷密度分布两方面验证了该等离子体模型的正确性。     

直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律

换流变压器阀侧油纸绝缘承受直流电压分量,使其局部放电特性不同于普通电力变压器,研究直流电压下油纸绝缘局部放电演化规律对换流变压器绝缘结构优化及状态评估具有重要意义。文中搭建了直流电压下油纸绝缘局部放电实验平台以及电场与电荷分布仿真模型,研究了油纸绝缘针板缺陷的局部放电演化规律与发展机制。发现：平均视在放电量与放电重复率呈先增加再减小最后稳定的规律,平均等效时间呈先减小再增大的规律,平均等效频率发展规律与之相反;负极性放电现象更剧烈,放电脉冲更陡峭;TRPD谱图出现分层现象,等效时频谱图呈右半拱形,并向左半拱形（正极性）或全拱形（负极性）发展;局部放电演化过程中的放电模式由横向沿面放电转变为油隙流注放电,最后再转变为凹陷侧壁的纵向沿面放电。     

550kV GIS现场交流耐压试验下放电故障的定位与分析研究

笔者结合超声波在线监测、放电电压值和SF6分解产物测量等多种手段,定位和分析了某变电站550 kV GIS现场交流耐压试验下的4处放电故障,总结研究了这几次放电故障,讨论了盆式绝缘子沿面闪络的主要原因,探讨了沿面闪络与缺陷局部放电、表面电荷输运之间的关系,认为盆式绝缘子表面金属颗粒易于起始负电晕放电,积聚负表面电荷,进一步畸变表面电场,提供放电通道发展所需的电荷;同时当盆式绝缘子与电极接触不良时,认为此时沿面放电易于起始于三结合点处的介质阻挡电晕放电,该放电的发展与带电粒子的迁移扩散运动是形成沿面放电的前提条件。最后提出了GIS超声波故障定位与分析以及相关实验与理论研究的几点建议。     

正直流电压下油纸绝缘针板电极局放流注仿真研究

为了更好地研究直流电压下油纸绝缘系统针板电极局部放电的电荷分布特性,文中基于流体动力学扩散—漂移方程和双极电荷传输方程搭建仿真模型用以模拟空间电荷的分布,研究了电荷产生的和流注发展的过程与放电特性,得到了局部放电过程中电荷,电场和电势的发展趋势。研究表明:油纸绝缘针板电极的局放过程分为流注击穿油隙与电荷在纸板上积累两个阶段,油隙的击穿过程中,流注头部的电场强度与净电荷密度会不断增加,形成自持放电;当流注到达绝缘纸板表面并在纸面积累电荷,将形成屏蔽层,导致流注的电场分布与电荷分布减弱,逐渐形成零电场区域,使流注中断,电荷发生扩散。     

基于PIC法SF_6/N_2混合气体中绝缘子沿面放电特性研究

利用等离子体运动学方程,通过粒子网格法(PIC)对SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电过程进行仿真,研究其局部放电机理。通过二维泊松方程,应用有限元(FEM)方法求解电场,采用蛙跳格式(leap-frog)跟踪粒子的运动。采用蒙特卡罗碰撞模型模拟粒子的碰撞过程,实现二维环境下SF6/N2混合气体放电过程动态仿真。模拟过程中考虑了电子与SF6、N2中性粒子的电离、吸附、复合以及光电离等过程。通过模拟展现了带电粒子受力积聚到绝缘子表面发展过程,对研究绝缘子表面电荷的积聚机理及其对SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电发展的影响具有重要意义。     

不同缺陷下油纸绝缘套管中氢气生成特性研究

近年来,因变压器套管故障导致的电力事故频发,严重影响了电力网的安全稳定运行。变压器套管在制造、安装以及运行过程中都可能存在内部绝缘缺陷,并在长期电热联合作用下进一步劣化,最终导致故障的发生。鉴于此,以油中氢气含量为主要研究方向,设计并制作了含有不同缺陷套管芯子,并搭建了油纸绝缘套管中氢气生成特性实验平台开展研究。研究结果表明：当纸中含水量较低时,套管油中无明显氢气产生,但在油中水分过饱和致使套管尾部出现积水的情况下,水滴表面电场畸变并发生放电,油中氢气含量呈现出先缓慢后快速的增长趋势;当套管芯子内部存在电容屏褶皱缺陷时,油中氢气含量随电压施加时间近似呈线性增长;相对于以上两种缺陷,当套管存在金属尖端缺陷时,油中氢气生产速率显著增加,并伴有连续微小气泡产生。研究结果为利用氢气传感器开展油纸套管内部缺陷监测提供了数据支撑,提升了变压器油纸套管运维智能化水平。     

高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其次,对放电发展不同阶段聚酰亚胺薄膜的表面电荷分布进行了测量,得出了表面电荷的时空分布特性。最后,通过扫描电镜与傅里叶变换红外光谱分析方法,对材料表面微观形貌和化学结构变化进行了测试,探究了材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。研究结果表明,高频下沿面放电呈现极性效应,正半波放电幅值大于负半波,且放电中期正半波峰值处会出现较大幅值的放电,峰值处放电次数在后期明显增加;材料表面积聚负极性电荷,沿面放电导致的物化缺陷加剧了表面电荷的积聚;负极性表面电荷在电压正、负半波对针电极附近电场分布的不同影响,是沿面放电极性效应的主要产生原因。与高频电压相比,工频电压下负极性表面电荷积聚量较少,且沿面放电呈现出不同的极性效应。     

油纸绝缘沿面放电小波矩特征信息提取及其过程划分

油纸绝缘沿面放电是变压器内局部放电的主要形式,研究其产生及发展特性,能有效诊断运行变压器的潜伏性缺陷。笔者基于典型油纸绝缘沿面放电模型,采用恒压法开展局部放电发展特性试验研究。采集沿面放电发展过程中不同时刻的信号样本,提取了不同阶段沿面放电灰度图像的小波矩特征参量。对新特征参量进行无监督聚类分析,聚类结果结合不同时刻的信息将沿面放电发展过程分为初始、发展、稳定、预击穿4个阶段,为沿面放电发展特性研究提出了一种新的方法。     

具有强垂直分量结构沿面放电现象及特征

为了研究套管结构的外绝缘特性,特别是沿面闪络特性,并且预防和彻底杜绝外绝缘闪络事故的发生,该文针对具有强垂直电场分量试品的沿面闪络特性进行系统的研究分析。首先,试制可以在实验室电压下开展沿面放电的模型试品,搭建开展沿面放电过程及发展研究的试验平台,该平台可以在s级、μs级和ns级三种不同时间尺度下对沿面放电的放电过程以及瞬时电压电流特性进行完整记录;获得具有强垂直分量结构表面特有沿面放电形式的高速摄影拍摄结果,得到其沿面放电发展过程中特有的"羽毛状"电弧头部放电形式,并将放电过程与电压电流特性进行了一一对应。此外,该文还试制聚丙烯、硅橡胶、聚四氟乙烯三种不同绝缘材料的试品。通过对比相同电极结构不同复合绝缘介质的沿面放电规律差异,得到不同复合材料的沿面击穿电压和放电发展长度的定量发展曲线。最后,对模型试验结果和工程经验公式、理论计算结果进行综合对比,验证了试验结果的可靠性。     

纳秒脉冲电压下油浸纸局部尖端缺陷击穿特性及损伤规律

配电变压器在高空电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse,HEMP)早期传导环境中将遭受纳秒电应力入侵,易在绕组引线焊点处造成绝缘失效或损伤。为此,该文研究纳秒脉冲电压下油浸纸尖端缺陷的伏秒特性、击穿概率、脉冲电压幅值与绝缘击穿时脉冲累积次数之间的关系(即U-N特性),并基于放电特性、微观形貌、流注仿真探究纳秒脉冲电压下的油浸纸尖端缺陷损伤规律与机理。研究表明:伏秒特性、击穿概率分布、U-N特性均有明显极性效应,极性效应与界面屏障电荷有关;纳秒脉冲致损油浸纸可分为轻度与重度两个等级,轻度损伤易形成表面斑状缺陷,呈现多次低幅值的工频局部放电模式,重度损伤易形成龟裂缺陷,呈现少次高幅值的工频局部放电模式,损伤差异与油纸界面流注特性有关。结果可为提高配电变压器在HEMP传导环境中的生存能力与评估技术提供一定参考。     

油纸绝缘中局部放电的典型波形及其频谱特性

根据对变压器油纸绝缘内部常见缺陷的分析，进行了局部放电模型试验。通过考察不同类型放电的发展过程和电流脉冲的波形特征，发现油纸绝缘中产生的局部放电与空气中的放电过程表现出相似的发展规律。对应于不同的放电阶段，放电波形有较大差异，因而不同类型的放电脉冲具有不同的频谱特性。所得结果为深入研究绝缘介质中的局部放电的机理、放电脉冲在变压器绕组中的传播规律、局放检测系统的频率特性以及放电类型的波形识别提供了实验依据。     

交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电过程特性

换流变压器阀侧绕组与出线装置同时承受交流、直流、交直流叠加电压作用,其内部油纸复合绝缘材料的沿面放电特性与以往交流电力变压器存在较大差别,而相关研究又明显不足。为此使用CIGRE MethodⅡ推荐的典型球-板电极结构,利用脉冲电流法对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电过程中放电信号进行了统计,分析并提取了沿面放电统计特征图谱的多个典型特征参数,对油纸绝缘在交直流复合电场下的沿面放电发展过程特性进行了研究。该研究中首次使用沿面放电发展特征参数的变化规律将交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电发展过程划分为4个阶段:爬电起始阶段、爬电发展阶段、爬电加速发展阶段以及临界击穿阶段,并对比分析了纯交流电压和交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电相同阶段特征参数变化规律的差异性。结果表明:交直流复合电压作用下沿面放电对绝缘纸板的破坏强度要高于纯交流电压下,沿面放电发展速度要快于纯交流电压下,交直流复合电压中的直流电压分量对油纸绝缘沿面放电发展具有加速作用。     

油纸绝缘系统针板缺陷下局部放电发展过程研究

对典型油纸绝缘针板缺陷进行了交流电压下的局部放电试验,并对其放电脉冲相位分布(phase-resolved partial disdarge,PRPD)谱图与典型脉冲波形进行了分析,并根据PRPD谱图中局部放电脉冲分布趋势将局部放电发展过程划分为3个阶段。试验结果表明,油纸绝缘交流电压下局部放电脉冲可分为两类,分别代表着油纸绝缘结构中发生的局部放电与气泡中发生的局部放电。随着电压的升高,绝缘纸表面开始出现负极性下的沿面放电,对绝缘纸造成较大损伤,导致绝缘纸性能劣化,最终导致介质击穿。研究油纸绝缘结构局部放电随着电压等级升高的发展过程有助于实现变压器在线监测。