变压器油纸绝缘干燥过程中水分迁移规律与评估方法研究

本文仿真了水分在变压器油纸绝缘中的迁移规律,并基于频域介电谱法FDS（Frequency Domain Spectroscopy）实现了真空干燥法和真空油循环法水分干燥效果的有效评估,为变压器干燥状态诊断提供了理论支撑。     

A型分子筛对水分子和矿物油分子吸附行为的分子动力学模拟

变压器是电力系统中的关键设备之一,油纸绝缘是其主要绝缘形式,绝缘受潮会严重危害变压器安全运行。A型分子筛广泛应用于气体和液体脱水,但能否用于吸附矿物油中水分目前未知,其吸附行为和机理缺乏研究。针对此问题,采用分子动力学方法模拟了A型分子筛对水和矿物油分子的吸附过程,揭示了吸附机理。研究结果表明:1)A型分子筛与水和矿物油分子间的相互作用均表现为吸引力,对水分子的吸引力为静电力,同时水分子受范德华斥力作用;在温度为358 K时对应3A和4A分子筛,静电力大小分别为-1954.18 kJ·mol^-1·nm^-2和-2 654.08 kJ·mol^-1·nm^-2,范德华力大小分别为239.07 kJ·mol^-1·nm^-2和362.33 kJ·mol^-1·nm^-2;对矿物油分子的吸引力主要由范德华力提供,在温度为358 K时对应3A和4A分子筛其大小分别为-81.36 kJ·mol^-1·nm^-...     

油纸绝缘中气泡的生成特性及其对击穿性能的影响

针对变压器油纸绝缘不同水分含量情况下的气泡生成规律及其对击穿性能的影响展开研究。通过制备2%、4%和6%这3种水分含量的绝缘纸板在快速升温条件下的气泡生成规律,模拟变压器在运行环境下大负荷时油纸绝缘的气泡生成情况。通过交流击穿试验验证了气泡对油纸绝缘的影响。试验结果显示:绝缘纸板的水分含量对生成气泡的起始温度有明显的影响,随着水分含量的增大,生成气泡的起始温度越低,2%、4%和6%这3种水分含量纸板在快速升温过程中的气泡生成起始温度分别为142、120、94℃。存在气泡的油纸绝缘的绝缘失效形式为沿面闪络,厚度为1 mm的油浸纸板,相应闪络距离约47 mm,气泡存在导致绝缘击穿电压下降了28.60%。     

油纸绝缘水分迁移特性研究综述

油纸绝缘作为电力变压器的主要绝缘形式，其绝缘性能与水分含量密切相关，准确获得油纸绝缘的水分含量对变压器故障预警至关重要。在油浸式变压器内部电场、温度场等多物理场梯度的驱动下，水分始终处于动态迁移过程中，时空分布复杂，难以直接测量，因此需深入研究水分迁移特性。文中综述了油纸绝缘水分迁移机理、模型及特性研究上取得的成果：水分迁移是不同存在形式的水分子与绝缘油纸微观结构相互作用的过程，受多物理场的影响显著。现有油纸绝缘水分迁移研究多基于Fick定律，利用扩散系数表征水分梯度及温度对水分扩散速度的影响，但未能深入耦合多物理场的作用，不能获得温度梯度下的水分不均匀分布特性。研究获得了材料性质、温度、电场等多因素作用下扩散系数的变化规律及相应水分迁移过程，但将影响因素耦合于扩散系数的方式不能准确描述多物理场对水分迁移的作用，且缺少电场作用下的宏观水分迁移规律研究。根据驱动势平衡原理建立的热湿耦合模型能够描述水分的时空分布，量化电场对水分动态迁移特性的影响。进一步需推进基于水分时空分布无损测量的实验研究，深化多物理场耦合下水分迁移建模，构建多物理场下理论体系，以准确表征油浸式变压器中油纸绝缘水分迁移...     

初始水分含量对油纸绝缘热老化特性的影响

为探讨初始水分含量对变压器油纸绝缘老化过程的影响机制,设计了绝缘纸初始水分质量分数分别为1%、3%、5%的矿物油-纸绝缘试品在90°C下的加速热老化试验,定期取样测量了绝缘纸聚合度、油纸绝缘水分质量分数、油中糠醛质量浓度、油中酸值等特征参量。然后,在分子模拟软件内建立了不同含水量的矿物油分子、糠醛分子、水合氢离子模型,通过分子动力学模拟技术计算了糠醛分子及水合氢离子与不同水分含量油分子模型之间的扩散系数、相互作用能、径向分布函数。实验结果表明:绝缘纸和矿物油中水分含量在老化过程中均是波动的,油中糠醛和酸值在老化过程中的变化趋势未与绝缘纸聚合度的下降规律相对应,受系统水分含量的影响较大。分子模拟结果表明:水分的增加显著降低了糠醛及小分子酸的扩散能力,并与糠醛及小分子酸形成稳定的氢键;同时,水分与糠醛及小分子酸的极性作用改变了彼此的相互作用能。实验数据与分子模拟结果相互验证,为深入研究油纸绝缘的老化机理及诊断提供了理论参考。     

水分和老化程度对油纸绝缘频域参数的影响研究

研究了水分和老化程度对电力变压器油纸绝缘频域参数的影响情况,得出了最终曲线。通过提取特征量,得出了频域参数和纸中水分以及老化程度的函数关系。     

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...     

油纸绝缘体系微水扩散的分子模拟

油纸绝缘中微水将严重影响油浸式变压器电气寿命和机械寿命。为研究油纸绝缘体系中微水扩散微观特性,基于分子模拟方法建立绝缘纸/油纸共存体系微观模型,利用分子动力学计算了不同温度下微水在绝缘纸/油纸共存体系下运动轨迹及其扩散系数,讨论了扩散系数与绝缘纸/油纸共存体系自由体积及水分子运动轨迹关系,并由实验所得扩散系数对模拟计算结果进行验证。结果表明分子模拟结果为实验数据的84%～222%,分子模拟为油纸绝缘体系微水扩散机理研究提供了微观研究手段。     

油纸绝缘微水二次扩散过渡过程的分析

以菲克第二定律为基础建立数学模型,分析了变压器油纸绝缘纸中水分一次扩散未达到稳态时,外部条件改变导致绝缘纸中稳态水分含量改变,进而引发的绝缘纸中水分发生二次扩散过程。重点分析了由于一次扩散不充分引起的二次扩散过程中的过渡过程,并进行了实验验证。提出表征二次扩散过渡过程的特征量,即过渡时间和相对误差。过渡时间是从二次扩散开始到绝缘纸中水分扩散方向处处一致的时间,受温度、纸厚和一次扩散平衡率的独立作用;相对误差是以一次扩散水分均值作为二次扩散水分起始分布造成的误差,相对误差峰值表征二次扩散过渡过程的强度,受一次扩散平衡率、二次扩散稳态水分含量影响,相对误差峰值时间表征二次扩散过渡过程的速度,受温度和纸厚的影响。     

油纸绝缘热老化过程中含水量变化趋势及水分转移规律

根据某一具体时刻的油中含水量(即水的体积分数)来估算纸中含水量误差较大,且根据油、纸的含水量绝对值来进行变压器状态评估及受潮分析不全面。为此,在110°C和130°C下设计了初始含水量分别为1%、3%、5%的绝缘纸在矿物油中的加速热老化试验。系统研究了老化过程中绝缘纸平均含水量、油中含水量及油纸绝缘系统总含水量变化趋势;通过分析系统总含水量的变化及绝缘纸内部水分分布情况,探讨了油纸绝缘的水分转移规律;分析了老化过程中油中水分与纸中水分的关系。结果表明:老化过程中油中水分、纸中水分及系统总含水量均是波动的,且3者的波动幅度相互之间有较好的正相关性;初始含水量较高(3%、5%)时,油纸绝缘系统与外部氮气环境之间的水分转移起主导作用,初始含水量较低(1%)时,水分主要在系统内部油、纸二相间转移;老化过程中油中水分与纸中水分不能构成函数关系。因此提出应根据整个老化过程中油、纸及油纸绝缘系统总含水量3者整体上的波动趋势和波动幅度来进行变压器状态评估及受潮分析。     

变压器油纸绝缘极化电流特性影响因素的分析

为研究不同环境因素下油纸绝缘极化电流特性变化规律,搭建了油纸绝缘极化电流特性测试系统,应用该系统测试了不同温度、水分和油隙下油纸绝缘体系的极化电流特性,并通过参数拟合法进行了曲面拟合。结果表明：温度升高,极化电流增大,温度主要通过影响油纸绝缘弛豫时间而影响极化电流特性;水分含量增加,极化电流增大,绝缘油和绝缘纸的直流电导率分别与油中和纸中的水分含量呈指数关系,通过极化电流法可直接得到油中和纸中的水分含量;油隙增大,极化电流初值减小,终值增大,油隙是影响油纸绝缘极化电流特性的一个不可忽略的因素,在测试分析过程中予以重视。     

水分和氧气对油纸绝缘老化的影响

为探究水分和氧气对油纸绝缘老化过程的影响机理,通过设计不同水分和氧气含量的矿物油纸绝缘在不同温度下的加速热老化试验,测量其绝缘纸聚合度和油中糠醛浓度,并验证了水分、氧气影响因素条件下聚合度变化对二阶动力学模型参数的影响。结果表明:水分和氧气对油纸绝缘加速老化作用明显;水分含量较低时,水分和氧气有相互抑制作用,油中氧气会阻止水分和纤维素相互作用,并且随着氧气含量的增加其作用越来越明显,从而降低绝缘纸的老化速率;水分和氧气含量及绝缘纸类型会影响老化过程中糠醛的变化趋势。     

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。     

温度对油纸绝缘介电性能的影响规律

随着我国高压直流输电线路规模的不断扩大,其安全稳定运行显得愈来愈重要。换流变压器是高压直流输电的重要设备,其运行情况很大程度上影响着高压支流线路的稳定运行。而换流变压器的工作环境较为复杂,在直流输电时,其内部油纸绝缘结构容易受到周围温度的影响,使油纸的介电性能发生变化,进而可能导致换流变压器发生故障,因此研究温度对油纸绝缘介电性能的影响规律具有重要意义。     

基于变压器油纸间水分平衡关系的油纸绝缘水分含量计算方法

分析了油纸间水分含量平衡关系,根据油纸中水分的相对饱和度原理,提出了一种在水分平衡状态下油纸中水分含量计算的简便方法。     

变压器油纸绝缘老化动力学模型及寿命预测

变压器固体绝缘材料（绝缘纸）寿命决定其使用年限,温度和水分是影响绝缘纸纤维素老化降解最主要的因素。以油浸变压器内广泛应用的＊25变压器油和普通牛皮纸为实验原料,模拟变压器实际生产流程,制作初始水分质量分数分别为1％、3％、5％的油纸绝缘试品,并将3个水分质量分数的油纸绝缘试品分别在90℃、110℃和130℃下进行了长期...     

不同含水量油纸绝缘热老化过程中的空间电荷特性研究

水分会导致油纸绝缘电气性能下降并加速老化,但是水分对油纸老化过程中空间电荷特性的影响鲜有报道。本文利用电声脉冲(PEA)法研究了不同老化阶段、不同含水量油纸中的空间电荷特性,结果表明当含水量较低时,增加含水量可以加速空间电荷到达稳态,但是进一步增加含水量反而会减速;老化初期的油纸主要以异极性电荷积聚为主,而随着老化程度的加剧,逐渐演变为同极性电荷注入。随着含水量的增加,需要更长的老化时间电荷注入类型才会发生变化,继续增大含水量将加速注入类型的转变。分析认为水分一方面会加速老化,加剧空间电荷积聚,另一方面会加快或减缓空间电荷到达稳态的过程,所以电荷注入类型会发生转变,转变时油纸中的空间电荷会很快到达稳态,阳极附近空间电荷积聚变少,电场畸变程度小。     

微水加速变压器油纸绝缘热解的微观机制研究

微水是导致变压器油纸绝缘劣化的主要因素之一,探讨其在油纸绝缘热裂解过程中的作用机理具有重要意义。本文建立了油纸绝缘的复合分子模型,基于反应分子动力学模拟了含有微水的油纸绝缘热解的过程,探究了水分子在油纸绝缘热解不同阶段的作用机理,并分析氢离子和氢自由基在热裂解中的作用。结果表明：含有微水的油纸绝缘复合模型中,水分子、氢气等小分子初始生成时间早,而且生成速率和数量均高于不含微水的油纸绝缘复合模型。通过分析反应路径发现,在初始阶段水分子先是破坏绝缘纸的氢键网络;随着高温时间延长,水分子作为催化剂促进绝缘纸裂解;随着反应进行,水分子作为载体携带羧酸氢离子向绝缘油扩散,促进绝缘油热裂解。在反应过程中,羧酸氢离子具有加速绝缘热裂解的作用,并且在与水分子的共同作用下,油纸绝缘会协同加速裂解,而氢自由基不具有加速作用。