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。     

直流电场下油纸绝缘介质界面处的空间电荷特性

换流变压器是直流输电系统的核心设备,其油纸复合绝缘结构的空间电荷特性复杂,工程实践表明其对绝缘放电的影响不可忽略,因此针对油纸复合绝缘开展空间电荷特性的研究对换流变绝缘结构设计和运行分析有指导意义。为此,应用电声脉冲（PEA）法研究了电场对双层油浸纸介质中空间电荷特性的影响以及界面处的空间电荷特性。指出在双层油浸纸的界...     

油老化对油纸绝缘时域介电特性影响的实验研究

为了研究绝缘油老化对变压器油纸绝缘时域介电特性测量结果的影响,以更准确地分析和评估油纸绝缘老化状态,对油浸纸试品进行加速热老化,获取3组不同老化程度的变压器油试样并分析其理化参数。对新绝缘纸试品进行真空干燥,然后使用3组油样分别对干燥的纸样进行充分浸渍获得3组油老化状态不同的油浸纸试品。对每组油浸纸试品进行极化去极化电流(polarization and depolarization currents,PDC)测量,分析油老化引起的油纸绝缘时域介电特性变化。结果表明,变压器油老化后,油中微水含量、酸值、介质损耗因数显著增大,pH值、电阻率减小;油浸纸试品的极化、去极化电流增大,电导电流增大且需要较长时间达到稳定值;试品绝缘电阻R60和吸收比Ka减小。     

油纸绝缘介质的空间电荷积聚与消散特性

油纸材料的绝缘问题在换流变压器、直流套管、直流电缆等高压大型直流设备大量应用的情况下显得十分突出。为探讨高压直流设备绝缘的最主要问题—空间电荷效应,应用电声脉冲法(PEA)对油纸绝缘材料的空间电荷特性进行了研究。有关外加场强对油纸材料中空间电荷积聚情况的影响和在较高场强下油纸材料的击穿破坏与空间电荷关系的研究结果表明:①低场强下油纸材料中空间电荷以电离产生为主;而在较高场强下,先后在阴极和阳极产生了同极性载流子注入。②相对于聚乙烯而言,由于油纸材料的电导率较大,材料内的空间电荷在外加电场撤去后很快消散。③空间电荷的注入和运动会导致油纸材料的劣化和破坏。油纸材料中的空间电荷快速消散现象有利于直流设备在极性反转条件下的运行,为阐释油纸绝缘良好的长期性能提供了有重要意义的试验依据。     

电老化过程中直流电场对油纸绝缘空间电荷特性的影响

通过研究不同电老化过程中直流电场对油纸绝缘的空间电荷特性的影响,可为换流变压器在长期高场强运行下油纸绝缘的空间电荷特性提供试验依据。利用电声脉冲法研究了油纸绝缘在20 k V/mm的直流电场下老化1 000 h不同阶段下的空间电荷特性,结果表明:在电老化的不同阶段,油纸绝缘在极化过程中的空间电荷特性主要表现为都出现了同极性电荷注入和积聚;随着老化程度的加深,油纸绝缘内部积聚电荷量越大,去极化电荷消散速率越慢,老化过程中陷阱密度和深度都在增大,促进空间电荷被陷阱捕获而积聚;整个电老化过程中,快速运动电荷量变化不大,而慢速运动电荷量逐渐增大主要是由于陷阱密度的增大,导致电荷迁移率下降;电老化过程中电荷的积聚导致极化过程中电场畸变明显,容易产生大电流而使击穿电压下降。     

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲（PEA）法测量了不同热老化程度下试样在直流电场（20 kV/mm）作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明：随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。     

不同直流场强下水分对多层油浸绝缘纸空间电荷生成和迁移的影响

空间电荷问题是影响变压器油纸绝缘材料耐电强度,导致其绝缘故障的重要因素。针对水分对油纸绝缘电气性能的危害,文中采用基于电声脉冲法的空间电荷测试系统研究了不同水分含量油浸绝缘纸在直流场强20、30、40 k V/mm下的空间电荷特性。结果表明:加压过程中,水分对油浸绝缘纸内部空间电荷分布产生很大影响。油浸绝缘纸试品水分含量越高,其内部积聚的电荷量越少,油纸界面对电荷的阻挡作用也越弱;在油浸绝缘纸试品击穿前,试品内部仅积聚少量的负电荷,空间电荷在两电极间快速导通,是导致油浸绝缘纸试品击穿的主因。     

极性反转时典型油纸复合绝缘的电场特性

极性反转是换流变压器一种特殊的工作状态,因极性反转时空间电荷的作用,绝缘油中会出现极高的危险场强。文中采用ANSYS10.0有限元仿真软件计算了极性反转时板-板、同轴、棒-板及换流变压器阀侧绕组端部局部模型等几种典型油纸复合绝缘电场的场强,绘制了绝缘油及绝缘纸板中最大场强与绝缘纸板厚度、油纸电导比、极性反转时间等参数的关系曲线。在板-板油纸复合绝缘中,增加绝缘纸板的厚度可以降低极性反转时油中及纸中场强。但在同轴油纸复合绝缘中,当绝缘厚度超过一定值后,纸中极性反转场强反而增加。在棒-板油纸复合绝缘中,极性反转场强与绝缘纸板的尺寸及位置关系具有较大的不确定性。延长极性反转时间可降低极性反转时的场强。极性反转场强随油纸电导比增加而增加,且存在饱和现象。     

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。     

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。     

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。     

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。     

绝缘纸热老化对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

油纸绝缘介质在高压直流电场的作用下容易在其内部积聚空间电荷,造成电场畸变进而引发材料绝缘性能的下降,为了深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究区分绝缘纸老化和绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。首先将纤维素绝缘纸在130℃下进行加速热老化,然后将不同老化状态绝缘纸浸渍新绝缘油,得到不同老化状态的油纸试品,最后运用电声脉冲(PEA)法研究油纸试品的空间电荷注入、迁移和消散特性,并分析单纯绝缘纸老化对油纸绝缘试品在加压和去压过程中的空间电荷总量变化规律的影响,以及对油纸试品表面陷阱能级密度分布的影响。结果表明:随着绝缘纸老化程度的加深,加压过程中阳极处的正电荷密度峰值以及试品内部负电荷密度峰值逐渐增大,去压后空间电荷衰减速率减小;绝缘纸老化越严重,试品内部积聚的空间电荷总量、试品的表面陷阱能级密度也越大。与绝缘油老化对油浸绝缘纸空间电荷特性的影响相比发现,绝缘油与绝缘纸的老化均会改变油纸绝缘介质空间电荷分布,增大空间电荷注入总量,从而对材料绝缘性能造成巨大影响。     

不同因素影响下的油纸绝缘直流击穿特征

由于系统性原因,换流变压器阀侧在实际运行过程中长期承受直流电场分量作用,油纸绝缘在直流电压下的耐受能力是换流变压器设计过程中的重要关注点。文中考虑谐波含量、油温、含气量、油纸介电常数、纸板浸渍程度等各种潜在因素,开展了油纸绝缘直流击穿特征的基础试验研究,并用初始电子发射、空间电荷、杂质小桥等电介质理论对结果予以合理阐释,相关结论可对换流变压器阀侧绝缘结构优化和场强设计提供一定的参考。     

空间电荷对油纸绝缘体击穿强度和沿面闪络的影响

换流变压器是直流输电工程的核心设备之一,其结构和工作状况比传统交流变压器更为复杂。针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,初步对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究。试验结果表明,极性反转现象同样存在于油纸绝缘系统中。即在直流电压下油纸绝缘中积聚的空间电荷畸变了周围的电场,导致油纸绝缘的直流击穿强度发生改变。同时,对油纸绝缘进行的沿面闪络试验表明,空间电荷的存在同样会影响油纸绝缘的沿面闪络。通过对上述试验结果进行讨论,发现传统交流变压器的设计理论和经验已不能满足换流变压器的要求,在换流变压器设计和制造中应给予空间电荷问题足够的关注。     

硫化亚铜沉积对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究硫腐蚀对油纸绝缘系统空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。为此,将不同质量分数腐蚀物(即0、0.05%与0.1%二苄基二硫(DBDS))的油纸绝缘系统在130℃下加速热老化得到油纸试品,采用电声脉冲法研究了样品的空间电荷注入、迁移和消散特性,分析了油纸老化与Cu2S沉积对油纸样品在加压和去压作用下的空间电荷总量变化规律的影响。结果表明:绝缘纸上沉积的Cu2S产物使得加压过程中试品阳极处的正电荷密度峰值显著增大,样品内部出现大量的正电荷。空间电荷总量随腐蚀质量分数的增加而增加,0.1%与0.05%DBDS作用下空间电荷最大总量分别是无DBDS的样品电荷总量的2.37与1.5倍。另外,沉积产物也影响空间电荷的消散特性,质量分数越高消散速率越快。初步分析认为Cu2S沉积增加了绝缘纸内的陷阱密度分布,增大了空间电荷注入总量;减小了陷阱深度,提高了空间电荷的消散速率。     

油老化状态对油纸绝缘直流电场下空间电荷特性的影响

为了深入研究油老化对油纸绝缘直流电场下空间电荷特性的影响,通过加速热老化得到三组不同老化程度的绝缘油试样,并对其进行理化及电气特性分析;然后利用所得油样分别对经过真空干燥的新绝缘纸进行真空浸渍,得到3组油老化状态不同的油纸绝缘试品;进而采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)在室温下分别测量了3组试品在施加直流电压和撤除电压情况下的空间电荷分布,讨论了油老化状态对油纸绝缘试品中空间电荷注入、积聚及消散等特性的影响。实验结果表明：施加直流电压下,3组油浸纸试品与电极界面处均发生了同极性电荷注入现象,油老化程度越严重,电极与介质界面处感应的电荷密度峰值越大,积聚在试品中的空间电荷总量也逐渐增大,负电荷积聚区域逐渐向阳极方向推进。撤除电压后,随着绝缘油老化程度的加重,试品中的空间电荷消散速率增大,且正电荷的消散速率大于负电荷的消散速率。     

基于PDC的变压器油浸纸老化程度与水分含量评估方法研究

为将极化去极化电流法(PDC)应用于实际运行中变压器油纸绝缘的状态评估,笔者在实验室搭建了油纸绝缘PDC测试试验平台,测试了不同老化程度不同水分含量油浸纸样品的PDC特性曲线,并对测试结果进行对比分析。分析结果表明:在测试时间范围内,老化程度对油浸纸极化电流曲线的前段和中段以及去极化电流曲线的整个测试阶段产生影响;水分含量对油浸纸极化电流曲线的整个测试阶段以及去极化电流曲线中末段产生影响。提出以初始去极化电流idp1作为油浸纸聚合度的映射特征量,稳态极化电流id(电导电流)作为水分含量的映射特征量,分别拟合出两者之间的函数关系,以此提出一种适用于不同老化程度油浸纸水分含量的评估方法。     

油纸绝缘电导特性实时测试系统及方法

换流变压器阀侧绕组绝缘设计需考虑油纸绝缘电导特性的影响,而现有电导率测试方法均存在无法真实模拟直流电场应力的问题。为此,建立并提出了油纸绝缘电导特性实时测试系统及方法,试验研究了长度为8 mm的油隙及厚度为6 mm的油浸纸板的体积电导率在不同电场强度(简称场强)、不同温度下的电导特性。结果表明:建立的测试系统可直接测量油纸绝缘体积电导率,可用于进行均匀电场下电导特性的研究;被测8 mm油隙体积电导率在场强≤3 kV/mm时呈现明显的温度效应,场强3 kV/mm时呈现明显的场强效应;被测6 mm油浸纸板的体积电导率相对稳定,处于10-16~10-17 S/m范围内。所得试验结果可用于优化换流变阀侧绕组的绝缘设计。     

温度梯度效应对油纸绝缘材料空间电荷分布特性的影响

针对换流变压器及直流套管中油纸绝缘系统存在的内外温度不同的温度梯度效应对油纸绝缘中空间电荷分布的影响,利用电声脉冲法(PEA)研究了不同温度差下(△θ=0～40c),在场强分别为10～40 kV/mm时单层油纸中空间电荷特性及场强分布.实验结果表明:在各个电压及温度梯度下异极性电荷始终存在,这表明油纸绝缘中的杂质电离在...