极性反转条件下的油纸沿面绝缘界面电荷特性

高压直流输电系统出现潮流反转或电压陡变情况,换流变压器的油纸绝缘会承受极性反转电压,往往容易造成绝缘失效。为研究此过程中油纸绝缘界面电荷特性,利用静电容探头法测量了极性反转过程和电压陡变条件下油纸沿面绝缘结构界面电荷密度的变化。发现了油纸界面电荷能加强外施电压极性反转时刻的瞬态电场,加强程度与积聚的界面电荷密度成正比;油纸沿面绝缘结构和平行绝缘结构的界面电荷积聚时间差异显著,极性反转过程中会强化电场分布的不均匀程度;建议采用CIGRE推荐电压陡变波形(反转时间2 ms)作为对换流变压器出厂试验的考核。这些结论对改善换流变压器的绝缘设计和提高其运行维护可靠性有重要意义。     

换流变压器极性反转三维瞬态电场计算

换流变压器是高压直流输电系统中的重要设备之一,运行过程中不仅要承受交流电压、直流电压和交直流电压叠加,还要承受极性反转电压的作用。为了考量换流变压器油纸等绝缘媒质的绝缘特性,首先,建立了瞬态电场的理论计算模型;其次,利用Ansys软件建立了换流变压器的三维瞬态电场计算模型;然后,考察了换流变压器油纸等绝缘结构在极性反转电压下的瞬态电场变化特性;最后,仿真分析了极性反转试验电压类型的不同对瞬态电场的影响。结果表明:油纸等绝缘结构在第一次极性反转过程中承受的瞬态电场值最大,且极性反转试验电压类型的不同对油纸等绝缘结构所承受的瞬态电场影响很大,为准确的进行换流变压器绝缘结构设计提供参考。     

极性反转电压下的油纸绝缘空间电荷特性

极性反转电压下换流变压器内部电场分布复杂，而空间电荷是引起电场畸变的重要因素。为研究极性反转电压下油纸绝缘空间电荷与电场分布特性，为此利用电声脉冲法开展了不同温度下单层油浸纸板与油-纸双层绝缘空间电荷试验研究。研究发现：不同温度下单层油浸纸板空间电荷在极性反转过程中变化很少，极性反转后电极附近电荷密度与电场畸变严重；温度通过改变反转前空间电荷分布影响极性反转过程中电场分布。双层绝缘中，温度升高导致油-纸界面电荷和纸中空间电荷密度降低；电压极性反转过程中，不同温度下纸内部空间电荷变化较少，常温时双层暂态电场符合容性电场分布；而60℃时油-纸界面电荷密度与极性快速变化，导致双层暂态电场分布不符合容性电场分布。     

换流变压器阀侧绕组端部瞬态电场分析

为了研究换流变压器阀侧绕组区域的瞬态电场分布规律,即在长时直流电压和极性反转电压作用下的电场分布规律,建立了2个典型的油纸绝缘模型和1个±500kV换流变压器绕组端部简化模型,并利用有限元软件ANSYS对上述模型进行了长时直流电场和极性反转电场分析,主要分析了模型结构、材料属性和试验时间对上述电场分布的影响,得到了直流电场趋于稳态所需时间的影响因素以及极性反转电场的一些特点。最后重点分析了±500kV换流变压器绕组端部的极性反转电场,同时考虑了绝缘纸板的正交各向异性。结果表明,直流电场趋于稳态所需时间的长短与模型结构及绝缘材料的电阻率有关;合理地设置极性反转时间才能保证对变压器油的有效考核。这些结论可为换流变压器绝缘结构的设计及绝缘试验提供参考依据。     

绝缘纸特性和极性反转对油纸绝缘空间电荷效应的影响

油纸绝缘系统的空间电荷效应将畸变绝缘介质内部的电场,进一步影响其老化和击穿等电气特性。在直流电场、复合电场及极性反转等复杂工况下,换流变压器内绝缘系统的空间电荷效应将更为突出。基于双极性电荷输运模型,通过数值模拟方法探究绝缘材料厚度、老化状态和极性反转等关键因素对空间电荷效应的影响。研究表明,绝缘纸厚度的变化不改变空间电荷密度曲线中正/负电荷区的极性偏移特性,但厚度变小缩短或消除了零电荷区;绝缘纸老化程度的加深,其电荷陷阱及深陷阱数目均会增多,这一方面加强了空间电荷效应的极性偏移,另一方面使得正电荷区呈变小趋势,从而使绝缘纸内电场畸变加剧;极性反转工况下,绝缘纸中陷阱电荷的脱陷或复合均需一定的时间滞后,使得净空间电荷密度曲线的负/正电荷区呈现初值不对称和沿介质厚度方向分布均不对称的特征,致使绝缘纸内部电场畸变愈发严重。研究结果可以为换流变压器油纸绝缘设计与防护提供参考。     

换流变压器在极性反转下的瞬态电场分布特性研究

对换流变压器器身主绝缘建立了瞬态电场计算模型,分别对绝缘介质进行了各向同性线性或非线性与各向异性线性或非线性计算分析。得到了实际换流变压器模型在极性反转试验电压下绝缘结构中瞬态电场变化的分布规律,为准确进行换流变压器绝缘结构设计提供了有价值的应用结论。     

非线性有限元法在出线装置复合绝缘结构电场计算中的应用

极性反转是换流变压器出线结构复合绝缘的一种特殊工作状态,极性反转时由于空间电荷作用可导致绝缘介质内部及界面处电场畸变。另一方面,绝缘介质电性能参数是温度的函数,因此温度梯度导致的电性能参数改变同样会影响绝缘结构在极性反转过程中的瞬态电场分布。基于此,为了较准确地模拟复合绝缘结构在考虑温度分布条件下的极性反转瞬态电场,提出应用非线性有限元法对以上2种瞬态电场影响因素进行耦合分析。首先研究了油浸纸复合绝缘体系电性能参数与温度的关系;然后详细介绍了基于非线性有限元法的瞬态电场计算流程,并通过双层同轴复合绝缘结构模型验证了其有效性;最后对实际换流变压器出线装置的油纸-环氧浸渍典型复合绝缘结构建立了二维轴对称仿真计算模型,在考虑材料非线性的条件下对其极性反转瞬态电场变化过程进行了仿真分析。计算结果表明传统模拟方法与考虑材料非线性时的结果存在较大差异,且极性反转过程中复合绝缘结构易出现畸变严重的局部高场强区。     

极性反转时换流变压器绝缘电场特性研究

本文基于界面空间电荷的观点，分析了极性反转时换流变压器绝缘电场的过渡过程和分布特征，并通过算例说明了多介质绝缘中极性反转电场的特殊性。     

极性反转条件下油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响

高压直流输电系统出现潮流反转时,换流变压器的油纸绝缘会承受极性反转电压,容易造成绝缘失效.基于油纸沿面绝缘结构的极性反转闪络试验平台,研究了油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响以及直流极性反转条件下油纸绝缘沿面闪络电压与单极性直流电压下沿面闪络电压的差别,并分析了油纸绝缘沿面放电针板电极模型的界面电荷在极性反转条件下对油纸绝缘沿面闪络电压的影响,发现油纸积聚的界面电荷密度越大极性反转时发生沿面闪络的电压越低.     

极性反转时换流压器绝缘电场特性研究

本文基于界面空间电荷的观点，分析了极性反转时换流变压器绝缘电场的过渡过程和分布特征，并通过算例说明了多介质绝缘中极性反转电场的特殊性。     

DC field measurement in Oil/Pressboard composite insulation system by electro-optic Kerr effect

An insulating oil/pressboard (PB) composite insulation is generally utilized in oil-immersed power transformers. In such a transformer, charges accumulate at oil/PB interface which changes the electric field distribution depending on time and oil condition. In this paper, we report on directly measured dc electric field in oil/PB composite insulation system using the Kerr electro-optic field measurement technique. From measurement results, we propose a physical model for the charge behavior. We have calculated an electric field distribution using finite element method (FEM) based on the charge movement. We compared the results of measurements and calculations and confirmed that the proposed charge behavior model explains well the experimental results in the case of the polarity reversals as well. As a result, a significant validity of the charge behavior model was confirmed.     

Influence of oil aging on the space charge dynamics of oil‐immersed paper insulation under a DC electric field

The formation of space charge in oil/paper insulation system can lead to material degradation in the region of high electric field. Therefore, it is important to understand the factors that affect space charge formation in oil/paper insulation system. In this paper, the effect of oil aging on space charge dynamics in oil/paper insulation system is investigated using the pulsed electroacoustic (PEA) technique under a DC electric field at room temperature. The ultraviolet/visible (UV/vis) spectrum of the oil shifts to longer wavelengths, and the oil acidity increases as the aging time increases. It has been found that the oil property has a significant effect on the space charge distribution in the oil/paper insulation sample. The more the deterioration of the oil, the larger amount of negative and positive charges accumulated in the bulk of the oil/paper insulation sample. The total amount of slow moving charges, the surface trap energy density, and the electric field distortion of the oil/paper insulation sample increased with the degree of deterioration due to oil aging. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

油纸绝缘内部合成电场数值模拟方法

油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘介质,其内部电场的分布受外加电压以及空间电荷的影响,而传统的数值方法无法准确计算空间电荷的影响。提出一种基于电极肖特基发射理论和瞬态上流元法(TUFEM)求解载流子输运方程的方法,计算了考虑注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数以及载流子复合系数等参数影响下的单层油纸绝缘介质内部空间电荷运动分布特性。与试验结果对比表明瞬态上流元法的有效性。研究典型油纸绝缘介质结构内部合成电场强度畸变程度随温度梯度变化的特性。同时,计算得到极性反转电压下不同时刻的电荷运动和电场分布规律。该方法可推广在(特)高压直流换流变压器内绝缘电场计算和优化设计。     

Space charge behavior in XLPE cable insulation under 0.2-1.2 MV/cmdc fields

This report deals with space charge behavior in PE (polyethylene) under dc fields. Direct observation of time-dependent space charge profiles in 3-mm thick XLPE (crosslinked low-density polyethylene) cable insulation under dc electric fields was performed using the pulsed electroacoustic method. Stable hetero charges were formed when the field was as low as 0.2 MV/cm, and intermittent generation of packet shaped space charges and their propagation through the insulation were observed when the field was as high as 0.7 MV/cm. These phenomena were reproduced in sheet specimens of XLPE and LDPE (low-density polyethylene). It was found that hetero charges resulted from heat treatment of the XLPE specimen containing antioxidant and acetophenone, which is one of the crosslinking by-products, suggesting dissociation of the antioxidant through solvation at high temperature by acetophenone. The packet charges were easily detected when acetophenone was diffused into the LDPE specimen. However, uniformity of acetophenone distribution prevented the packet charge generation. It is suggested on the basis of several experimental results that local ionization of impurities in the insulation through solvation by acetophenone takes place assisted by high field and leads to the packet charge generation. A numerical simulation was carried out based on the above model     

硅橡胶/三元乙丙橡胶界面上空间电荷的形成

电缆的终端或护套绝缘与电缆绝缘构成的复合绝缘中，不同介质的分界面以及电极与介质的分界面一般为绝缘的薄弱点，而这主要是由于其附近积聚的空间电荷引起的局部电场强度过高所造成的。文中采用电声脉冲法，在不同的直流电场作用下，测量了硅橡胶/三元乙丙橡胶构成的双层介质中空间电荷的分布，并比较了涂硅脂前后的双层介质分界面处的空间电荷分布情况。研究发现，2层介质界面处的空间电荷形成与介质中载流子迁移方向、电极材料和介质材料均有关，而且2层介质界面处涂的硅脂可有效地降低分界面处的电场强度。     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

模拟电荷法计算特高压架空线路3维工频电场

为研究杆塔及导线弧垂对架空线路周围工频电场分布的影响,并检验2维计算模型的合理性与适用性,首先基于模拟电荷法建立考虑杆塔及导线弧垂的3维架空线路工频电场计算模型(它以线电荷单元为模拟电荷布置在各导线和杆塔铁棒轴线上,解析计算线电荷单元的电位系数,并叠加得到总体电位系数矩阵,从而可解得各节点的线电荷),然后据此计算了特高压线路相导线表面及地面上1m高平面内的3维工频电场。结果表明,地面上1m处平面内场强分布受弧垂影响很大,3维模型比2维模型更全面、准确地反映了这种不均匀分布状况;各相导线表面场强最大值在杆塔附近均有微弱变化,但并不显著;地面上1m处场强在杆塔附近增大,但在远离杆塔的区域基本不受杆塔影响。     

分裂导线表面场强的一种较准确计算方法

对于特高压输电线路的设计而言,分裂导线表面电场强度的计算是一个主要问题。基于模拟电荷法,提出了一种计算分裂导线表面电场强度的较准确方法。它采用自适应方法确定模拟电荷的位置,并给出了求取各相导线最大场强的计算公式,可直接计算任意导线表面和空间任意点的最大场强。该方法所用的模拟电荷数较少,计算简单,计算准确度较高。实例计算结果验证了该方法的正确性和准确性。     

基于模拟电荷法的绝缘子电场非接触式测量法

根据模拟电荷法的基本原理和绝缘子片的实际形状,采用环线形离散模拟电荷等效分布在绝缘子表面的束缚电荷,使模拟电荷产生的空间场的边界条件满足绝缘子的束缚电荷产生的空间场.测量绝缘子串附近一定距离范围内的几点(对于110 kV,可只测量3点)的电场强度,根据测量点的实际电场强度和采用模拟电荷法建立的等效模型,结合一定的搜索方法,可计算出绝缘子串的实际分布电压值.将绝缘子串的实际电压分布值与国家标准给定的电压分布值相比较,可判断出有无劣质绝缘子片及其位置,从而完成绝缘子的预防性检测,避免电力事故发生.与目前国内的电场测量法相比,这种方法采用程序计算来代替部分测量工作,可以带电检测,测量点少,操作方便,实现了一定距离的非接触式测量,避免测量装置直接与高压绝缘子接触,降低了操作的危险性.     

Direct observation of time-dependent space charge profiles in XLPEcable under high electric fields

Space charge distribution was measured, applying an electric field of >1 MV/cm to 3 mm thick XLPE cable insulation. Improving the conventional pulse electro-acoustic method, a new method was developed to measure space charge when applying HV to cables. Under high field, hetero charges were formed soon after voltage application, followed by an injection from the cathode. Then intermittent injections of charge packets from the anode took place. The space charge distribution kept changing without becoming stabilized. A simulation was done assuming hysteresis of the injection characteristics. The observed intermittent injection near the anode was qualitatively reproduced using computer simulation