换流变压器中典型平板油纸绝缘结构的油流带电特性

为研究换流变压器油纸绝缘结构在直流电压下的油流带电特性,在实验室内开展了直流电压下典型平板油纸绝缘结构油流带电特性的研究。试验研究结果表明:流速和外施电压对冲流电流的影响与温度有关;在无外施电压作用时,低温下冲流电流随流速呈线性增加、高温下呈幂函数关系增加。外施直流电压对冲流电流具有显著的影响,随外施直流电压的升高冲流电流呈先上升后下降的趋势,峰值电流处的电压随油流速度的提高而上升,随温度的升高而下降。对试验结果的理论分析表明:无外施电压时冲流电流与流速的关系特性受油流状态影响;当有外施直流电压作用时,电场作用下的迁移电流和泄漏电流共同决定了冲流电流的大小;温度通过影响油流状态、油纸绝缘中的电场分布和离子迁移率而影响油流带电特性。     

交流电压下典型平板油纸绝缘结构油流带电特性

为研究交流电压作用下油纸绝缘的油流带电特性,在实验室搭建了典型平板电极结构的油纸绝缘模型,利用密闭油循环系统开展了油流带电的试验研究,并探讨了交流电压作用下冲流电流与外施电压幅值及温度之间的关系。试验结果表明:无外施电压作用时,油纸绝缘冲流电流特性与温度及油流速度有关,低温下冲流电流随流速的增加呈线性增加;高温下冲流电流与流速呈幂函数的关系。在外施交流电压作用下冲流电流大小与外施电压的幅值有关,当交流电压幅值较低时冲流电流变化较小,而当外施电压幅值提升超过一定值后冲流电流随电压幅值升高而明显增大。温度对冲流电流有较大的影响,随温度的增加冲流电流呈指数增加,且流速较高时温度对冲流电流值影响更加明显。对试验结果的理论分析表明:外施交流电压下油流带电程度的提高应归因于纸中离子迁移对界面处电荷产生速度的促进;温度通过影响油纸绝缘中离子迁移和扩散速度以及电场分布而影响油流带电特性。     

交直流叠加电场下油纸绝缘的油流带电特性

为研究叠加电场作用下油纸绝缘的油流带电特性,在实验室搭建了同轴圆柱电极结构的油纸绝缘模型,利用密闭油循环系统开展了叠加电场下油流带电的试验研究,并探讨了外施电压幅值、直流分量比例和油流速度对油流带电的影响。试验结果表明,流速和外施电压幅值对冲流电流的影响与温度有关。在低温下冲流电流随流速和外施电压幅值线性增加,提高直流分量比例会促进冲流电流;在高温下冲流电流随流速指数增加,随外施电压幅值提高出现峰值,峰值电压随直流分量比例提高而下降。理论分析表明:较低温度下油中冲流电流大小取决于纸中负离子的迁移和扩散速度;而在较高温度下该冲流电流取决于油流剥离正离子的速度和外电极处电荷泄放的速率;温度通过影响绝缘中离子迁移速度和电场分布而影响油流带电特性。     

运行条件对换流变压器油纸绝缘油流带电特性的影响

为揭示运行条件对换流变压器内部油流带电特性的影响规律,在实验室开展了典型平板电极结构下油纸绝缘油流带电特性的研究,并分析了温度、含水率和外施直流电压幅值对冲流电流的影响机理。试验结果表明:无外施电压时,冲流电流随含水率的增加呈减小趋势,随流速和温度的增加呈增大趋势;在外施直流电压下,冲流电流随外施电压幅值和温度的增加呈增大趋势;在低温和低外施电压下冲流电流随含水率的增加呈先增大后减小趋势,而在高温或高外施电压下冲流电流随含水率的增加呈减小趋势。理论分析表明:无外施电压时,温度和含水率通过影响绝缘纸板中离子扩散系数和油侧双电层厚度来影响油流带电特性;外施直流电压会加速绝缘纸板中离子的迁移速度,进而引起低含水率下油纸绝缘中冲流电流的显著提高;冲流电流与油纸绝缘中离子数密度和离子迁移率密切相关,温度及含水率的变化会造成油和纸板中离子数密度和离子迁移率的变化存在较大的差异,进而对油纸绝缘油流带电特性产生影响。     

温度对交直流叠加电场下油纸绝缘油流带电的影响

为研究温度对叠加电场作用下油纸绝缘油流带电特性的影响,在实验室搭建了平板电极结构的典型换流变压器油纸绝缘模型,利用密闭油循环系统进行了叠加电场下油流带电的试验研究,并建立了油纸绝缘油流带电模型对试验结果进行理论分析。试验结果表明:温度对油纸绝缘冲流电流有较大的影响,随温度的升高冲流电流呈先增大后减小的趋势。理论分析表明:在较低温度下冲流电流与纸中负离子迁移速度有关;在较高温度下冲流电流大小不仅取决于纸中负离子迁移速度,同时还与接地电极处正离子泄放速度有关。温度通过影响绝缘纸电导率、变压器油电导率以及变压器油粘度而影响油流带电特性。     

变压器油道内油流带电现象与油道电场的仿真计算

油流带电对电力变压器造成危害,引起系统故障甚至事故,为此实验测量了油道内的冲流电流,并仿真计算了油道中的电场强度分布。以变压器中典型的并联油道结构为研究对象,分别对油流温度、流速以及外加电场因素影响下的油道内的冲流电流进行了测量,得到了冲流电流的分布规律。试验结果表明冲流电流在外电场作用下呈现随电场强度增大指数增大的现象。基于上述试验研究,对相应的仿真模型施加交流电场与表面静电荷两种载荷,进行了有限元仿真计算,得到了油道内部的场强分布。计算结果表明,在表面静电荷与外电场等2种载荷共同作用下,油道内与电极接触绝缘纸板油纸界面处油侧的电场强度由无表面静电荷作用下的4.9kV/mm上升至10kV/mm,油道内局部电场出现严重畸变并呈现增大的趋势。因此,应当采取有效的措施预防或减少油流带电造成的危害。     

直流场下基于平板电极的油流带电特性研究

变压器是特高压直流输电系统中的重要设备之一,其运行的稳定性直接影响到整个输电系统的安全运行,而油流带电已经成为危及换流变压器安全稳定运行的普遍性问题。为了研究直流电场下油流带电的产生机理,设计并搭建了基于平板电极模型的油流带电实验系统,并研究了正极性电压和负极性电压对油流带电特性的影响;通过改变油纸层数,研究了正、负极性电压下电极注入电荷对油流带电特性的影响。研究发现:正极性电压下,冲流电流为正值,且随着施加电压幅值的增加而增大;负极性电压下,冲流电流随着施加电压幅值的增加先略有增加,而后下降并反向增长;油纸层数增加时,冲流电流值呈减小趋势,说明直流电压作用下油流带电不仅与偶电层的电荷分离有关,电极电荷注入也成为影响油流带电的因素。     

变压器油道内冲流电流的一种计算方法

对紊流态下变压器油道内冲流电流的计算进行了研究。描述油内电荷分布的输运方程是一个非线性方程,不存在精确的解析解。应用文中所给定的绝缘油/纸板界面的边界条件并经过合理的简化,推出了该方程的近似解析解和冲流电流的计算公式。公式能描述油流速度、电导率、油温和外加交流电场对变压器油流带电的影响,所引入的修正量可通过实验数据确定。实验证明,计算公式可以用于预测冲流电流的大小,从而避免了繁重的数值计算,为变压器油流带电的计算提供了一种方便的手段。     

直流电压下油中空间电场强度对油纸绝缘界面电荷特性的影响研究

直流电压下油纸绝缘界面电荷特性是换流变压器绝缘结构设计的巨大挑战。传统电阻-电容（RC）模型仅考虑由于油、纸材料的介电常数、电导率不同而引起的界面极化电荷，忽略了其他形式来源的电荷及其对空间电场的影响。本文基于Kerr电光效应原理，搭建了油纸绝缘结构油中空间电场特性非接触式、实时测量平台，针对变压器油-电工绝缘纸、变压器油-变压器纸板组成的复合绝缘结构，获得了不同极性、不同幅值直流电压下油中空间电场特性，计算并分析了界面电荷密度与RC模型计算的极化电荷密度的差异。结果表明：当油中场强较低时，油纸界面电荷以极化电荷为主；随着油中场强的增加，油纸界面电荷密度与RC模型计算极化电荷密度差异逐渐增大，出现了其他形式电荷的积聚，且其在界面总电荷量中占比逐渐增加，对电场强度的影响逐渐增大。     

水分含量对直流电场下油纸绝缘空间电荷动态特性的影响

为研究水分含量对直流电场下油纸绝缘内部空间电荷积聚特性与消散特性的影响,使用快速空间电荷测量系统与极化去极化电流测量系统分别测量了不同水分含量的油纸绝缘试样在直流电场下的电导情况与加压短路过程的空间电荷分布情况。结果表明:0. 91%水分含量条件下,油纸电导与场强呈现线性关系; 5. 21%水分含量条件下,电导与场强呈二次抛物线关系,且水分含量的上升使油纸绝缘电导提升多个数量级;相同水分含量条件下,外加场强的上升能增加电极处积累的同极性空间电荷。0. 91%水分含量条件下,油纸内部积聚的正极性空间电荷在加压过程中不断增加,且正极性空间电荷注入的深度不断提高; 5. 21%水分含量条件下,随加压持续,阴极积聚的同极性空间电荷向油纸内部迁移;不同水分含量条件下,加压过程中水分含量的上升使电极处积聚的同极性空间电荷与感应电荷增,而原先油纸内部积聚的正极性空间电荷减少。且油纸靠近电极处积聚的异极性空间电荷增多;短路过程中,水分含量的上升加快了油纸的放电过程,并抑制了电极处极性反转现象的出现。     

非线性复合结构的界面极化特性

为了探讨非线性复合绝缘结构的界面极化特性,以平板电极结构下线性/非线性复合介质为研究对象,仿真分析了不同幅值阶跃电压和极性反转电压作用下双层介质中的电荷分布及电场分布。仿真发现:当线性介质与非线性介质的时间常数有交点时,在阶跃电压作用下,界面积聚电荷随外施电压幅值的增大而减少;当外施电压增加到2层介质时间常数相交的临界电压时,界面电荷极性反转,且随外施电压幅值增大而增多;外施电压幅值越高,界面极化建立速度越快,退极化速度越慢;在极性反转电压作用下,最大瞬时界面电荷和双层介质中的电场强度均比阶跃电压下的最大初始电场强度值高。从上述结果可以看出:阶跃电压作用下,场致增强型电导率非线性介质对界面积聚电荷具有一定的改善作用;但在电压极性反转瞬间,由于非线性介质承受较高电场强度,所以可能使绝缘系统的可靠性下降。     

换流变压器在多参数下的油流带电现象及其对击穿强度影响

大容量和超高压变压器主要采用强迫油流循环传热与散热方式。为了进一步揭示油流静电现象对该种散热方式的变压器的危害,文中建立了油流带电测试平台。在测试过程中,研究了变压器油在不同温度、流速和施加交直流电压对新的和干燥的变压器油击穿场强的影响。实验结果表明,强迫油流循环系统中,流动的变压器油的带电量随温度升高和流速的增加而增加,在温度为50℃,出现拐点,即温度高于50℃,变压器油的带电量随温度升高而减小;施加直流电压时,变压器油流电流随流速增加而增加,当流速为6.9 m/s时,变压器油流带电的极性发生反转。油流静电现象会导致油的击穿场强降低。因此,应采取有效措施来抑制特高压换流变压器的油流带电引起的危害。     

换流变压器电荷赋值型直流电场外推计算方法

直流电场计算校核是换流变压器设计的重要环节。研究表明直流电压下油纸界面电荷积聚分布与传统阻容模型计算结果之间存在很大差异,基于理想模型的电场校核方法失效。该文提出一种基于油纸界面电荷特性、直接在换流变压器实际结构中进行电荷分段赋值的外推方法。首先,对于均匀场区域,用离子迁移模型计算出各个油纸界面的电荷密度,进行均一化赋值。其次,对于非均匀场区域,从均匀场区域向非均匀场区域推算,根据具体赋值部位的界面电荷分布曲线,划分区间并分段赋值。最后,将电荷场与外施电场叠加合成,获得全域内直流电场分布情况。在换流变压器阀侧出线结构模型中的实测验证表明,电荷分段映射叠加外推方法得到的电场计算值与电场实测值之间偏差较小。该方法解决了传统方法依赖材料宏观参数、无法准确计算和反映大尺寸油纸绝缘系统电场分布真实情况的问题。     

直流电压下油、纸绝缘结构不连续界面空间电荷积聚特性

在直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚会导致空间电场畸变,对直流输电设备的绝缘设计和运行有重要影响。为研究该问题,利用纸板覆盖上、下电极的油纸复合绝缘模型,研究了在不同极性直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚过程。试验中,搭建了基于Kerr效应法的油纸绝缘光学空间电场的测量平台,以实现变压器油中电场的在线非接触式测量。试验结果表明:不同极性的直流电压下,油中电场的暂态过程差异显著,具有明显的极性效应;油、纸界面积聚空间电荷的极性与外施电压的极性和油、纸板的空间位置直接关联:纸板覆盖上电极时油纸界面电荷极性与外施电压极性相反,纸板覆盖下电极时油、纸界面电荷极性与外施电压极性相同;与传统的电阻率-介电常数模型下界面电荷的积聚现象不同,油纸界面电荷积聚的速度具有明显的极性效应:油、纸界面负电荷的积聚速度远大于正电荷的积聚速度,导致不同极性电压下油中电场从暂态容性电场到稳态阻性电场的过渡过程差异显著。     

极性反转电压下油纸复合绝缘的特性

换流变压器油纸绝缘在极性反转电压试验时经常出现故障。为查找故障原因,利用RC模型分析了油纸复合绝缘的极性反转特性,设计了三电极试验模型和极性反转电压试验装置,在不同反转方式下对油纸复合绝缘平均电流和击穿电压特性进行了试验研究。试验结果与解析结果的对比表明:剩余电流与施加电压成线性比例关系;吸收电流初始值随施加电压升高成指数规律增长,衰减函数是以时间的幂函数为变量的指数函数,这些与RC模型确定的规律不同;击穿电压随极性反转速度增加明显下降;集聚的电荷量也随施加电压升高成指数规律增长。由以上结果可知:吸收电流变化规律的差异起因于空间电荷形成的内电场强度与极性的变化,极性反转引起油纸复合绝缘容易击穿的原因是浸油纸板中电场的快速增加。     

直流电压下油纸绝缘沿面闪络特性及数值模拟

变压器油纸绝缘沿面放电起始与发展的物理过程较为复杂,放电机理尚未明确.本文通过对油间隙放电针-板电极模型和油纸绝缘沿面放电针-板电极模型进行试验测量和数值模拟,获取并分析油间隙放电和油纸绝缘沿面放电在不同纸板厚度、不同沿面距离下的放电特性和放电机理.结果表明:直流电压下,油纸绝缘沿面闪络电压低于油间隙击穿电压的原因在于绝缘纸板的存在不仅改变了电场的分布,使针尖处平行电场分量增大,流注放电的起始电压降低,还阻碍了空间电荷的扩散,加剧电场畸变程度,提升流注的发展速度.另外,由于绝缘纸板的存在,油纸绝缘沿面放电流注的起始过程也不同于油间隙放电流注的起始过程,存在着流注通道向绝缘纸板贴合的过程.增大纸板厚度可使针尖处平行电场分量增加,流注放电的起始电压降低,流注的发展速度变缓,沿面闪络电压降低.油纸绝缘沿面闪络电压随沿面距离的增加而增大,其呈现非线性变化是由于流注在向自持放电阶段发展的过程中,受外施电压的作用逐渐减弱,空间电荷畸变电场的作用占主导地位.     

单层油纸绝缘结构合成电场数值计算

直流电压下换流变压器阀侧油纸绝缘介质中存在空间电荷的积聚,对其结构内部的电场分布造成影响。考虑了异极性空间电荷间的复合以及入陷、脱陷效应,采用有限元法求解泊松方程和电流连续性方程,基于多物理场耦合迭代的思想实现了单层油纸绝缘介质中空间电荷运动特性及瞬态电场分布的动态仿真。考虑系统潮流反转的情况,模拟了电压极性反转条件下油纸绝缘结构内部合成电场的变化过程,计算结果表明：极性反转瞬间,油纸绝缘介质中空间电荷造成的附加影响使得极板处电场强度急剧增高,电场畸变率高达56.3%,严重危及介质绝缘性能,研究内容为换流变压器内绝缘结构优化设计提供了参考依据。     

直流电压分量对交直流叠加电压下油纸绝缘沿面闪络的影响

为了更加深入地了解换流变压器中交直流叠加电压下油纸绝缘的沿面闪络问题,通过搭建直流电压分量可以任意调节的交直流叠加电源系统,研究了具有背面电极和不具有背面电极这2种结构下油纸绝缘的沿面闪络问题。试验结果表明:在复合电场下,有背面电极时,沿面闪络电压比无背面电极时稍低;在2种结构下,沿面闪络电压均表现为纯交流电压时最低,随着直流电压分量的增加,沿面闪络电压也逐渐增加。此外为分析油纸绝缘界面的影响,还研究了相同电极结构下纯油的击穿电压。对比分析纯油的击穿电压和油纸绝缘的沿面闪络电压后发现:直流电压分量较低时,油纸绝缘界面的存在降低了该结构的击穿电压;而直流电压分量较高时,油纸绝缘界面的存在反而稍微提高了该结构的击穿电压。最后从复合电场分布的特点出发,分析了不同直流电压分量下油纸绝缘的沿面闪络过程。分析后认为:直流电压分量较小时,电极附近电场强度较高,导致油易于电离并产生大量载流子,从而促进了油纸沿面闪络的发展;而随着直流电压分量的变大,电场分布将变得不同,其沿面闪络电压升高;同时,上述电场分布的特点也是造成直流电压分量较低时沿面闪络电压低于纯油击穿电压的原因。     

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。     

交流与交直流复合电压下“液–固”油纸绝缘体系界面电荷分布的仿真及推演模型研究

空间电荷/界面电荷问题是影响换流变压器阀侧出线装置绝缘性能的关键因素。研究并掌握"液–固"油纸绝缘在交流以及交直流复合电压下的界面电荷特性将有助于中国特高压输电系统的发展。该文利用数值仿真方法,对"液–固"油纸绝缘在交流和交直流复合电压下的界面电荷特性进行研究。首先对交流和交直流复合电压下"液–固"油纸绝缘体系的空间/界面电荷仿真方法进行研究,然后聚焦交流电压下空间/界面电荷随相位存在动态变化的特点,开展交流和交直流复合电压下"液–固"油纸绝缘体系空间/界面电荷分布仿真分析及推演计算模型研究。研究结果表明:采用该文所提出的多层"液–固"油纸绝缘体系空间/界面电荷仿真方法计算的结果与电声脉冲法实测电荷密度值相比,误差小于1%;界面电荷密度随场强和温度的增大呈指数规律增加;稳态界面电荷密度随交直流复合比例(直流电压与交流幅值之比)的增大而增大并逐渐达到稳定值;在此规律基础上,建立了一种适用于交流与交直流复合电压下多层"液–固"油纸绝缘体系界面电荷分布的推演计算模型。