纤维杂质对油纸复合绝缘局部放电特性影响研究

为研究纤维杂质对油纸绝缘局部放电特性的影响,搭建了直流油纸绝缘实验平台,观测了油中纤维杂质产生及成桥过程,就杂质成桥的动力学基础进行了分析,并对杂质影响下的油纸绝缘局部放电频数、平均放电量及最大放电量等特征参数进行了研究。结果表明,直流电压下纤维杂质在油中受电场力、重力、浮力及油黏性阻力作用。当杂质所在处场强大于2.12×105 V/m时,纤维杂质以缓慢速度向高压电极运动,且沿电压梯度最大方向成桥;纤维杂质畸变电场可使油纸绝缘局部放电频数上升、放电量下降。进一步实验表明,纤维小桥可导致油隙内泄漏电流增加,引起局部发热,并使油中水分局部气化为微小气泡。直流电压下低电导率气泡承担较强电场,先于变压器油发生放电,宏观表现为更加密集且强度较低的局部放电。     

直流电压下纤维小桥对油纸复合绝缘局部放电特性的影响

为研究直流电压下油纸绝缘纤维小桥的产生原因及其对局部放电(简称局放)过程的影响,搭建了直流油纸绝缘实验平台,采用水平及垂直针板模型,对包括小桥形貌、局放起始电压、局放重复率、局放放电量在内的多个因素进行了检测分析。结果表明:在直流电场作用下,纸板表面纤维分子链断裂产生游离态纤维杂质,进而形成小桥。由于受力情况不同,小桥呈现堆状、非贯通状及贯通状三种形态。受纤维小桥影响,油纸绝缘针板模型局放起始电压降低,当油隙距离处于12.5～15mm之间时降低程度最大,当小桥呈堆状时降低现象最明显;局放脉冲次数增加,放电在时间上出现了"伸缩"效应;局放单次放电量减少,且密集放电阶段末期常出现较高强度的放电脉冲,随后在稀疏放电阶段脉冲强度逐渐减小。分析表明,上述现象是因纤维小桥畸变了油隙内电场分布和电场恢复过程而形成的。     

预加直流电压对绝缘纸板放电过程的影响特性

为研究预加直流电压对油纸绝缘局部放电过程的影响特性,采用球-板电极模拟油纸绝缘系统中的稍不均匀电场,仿真计算出预加直流电压下球-板电极油纸绝缘系统的电势和场强分布,用脉冲电声法测试绝缘纸板去极化过程空间电荷时空变化特性与界面空间电荷衰减速率,并对试样进行交流局部放电试验,研究预加直流电压与局部放电起始电压之间的定量关系。结果表明:预加直流电压会在绝缘纸板界面产生残留空间电荷,升压过程中使局部放电起始电压和绝缘临界击穿电压均下降;降压过程中局部放电特性不受预加直流电压的影响,且局部放电熄灭电压与预加电压大小无关;随着预加直流电压的提高,每升高相同幅值的预加直流电压,交流局部放电起始电压降低的幅值有所减小。     

直流电压作用下油纸绝缘局部放电发展不同阶段的理化特性

换流变压器阀侧绕组同时承受交流、直流电压作用,其内部油纸复合绝缘局部放电性故障与以往交流电力变压器存在较大差别,而相关研究明显不足。为研究油纸绝缘直流局部放电发展过程与绝缘材料理化特性变化规律之间的关系,对典型油纸绝缘缺陷模型在80℃环境中进行了200 h直流耐压试验,考察油纸绝缘直流局部放电发展不同阶段统计特征谱图变化规律,并利用高速摄像装置对油纸绝缘针板电极模型的局部放电发生、发展及击穿的动态过程进行观测。同时,为揭示直流局部放电对油纸绝缘的破坏作用,分别通过X射线能量色散谱分析(EDS)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)研究直流局部放电相应阶段油纸绝缘的理化特征变化规律。试验结果表明:根据油纸绝缘直流局部放电脉冲的统计特征谱图,将其发展过程划分为5个阶段,此过程中伴随着绝缘纸板表面纤维氧元素的增加和羰基含量、油中酸值增加的过程,说明直流电应力对绝缘纸板的破坏作用主要表现在使绝缘纸板表面纤维素分子发生氧化反应,导致绝缘纸板的绝缘性能的逐渐下降,反之,绝缘材料在直流电应力作用下发生损伤,会促进直流局部放电的发生程度加剧。     

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。     

直流电压下变压器油纸绝缘局部放电的发展过程

研究变压器油纸绝缘局部放电(PD)的发展过程对于特高压换流变压器的运行维护十分重要。为此,对典型油纸复合绝缘缺陷模型在直流电压长期(100 h)作用下的局部放电信号进行了统计分析;根据其统计特征图谱,将直流局部放电发展过程划分为4个阶段。此外,还采用无感电阻测量直流局部放电单个脉冲波形;并对直流电压长期作用下的油浸绝缘纸板表面形貌变化进行了观测。试验结果表明,直流电压下的局部放电脉冲的上升沿在10～100 ns范围内,首脉冲持续时间约500 ns,其余振荡脉冲脉宽在600～900 ns范围内;估算得出单次直流放电脉冲能量在0.01～0.1 J范围内。此外,研究发现绝缘纸板的表面会在针电极电蚀作用下产生"凹坑",这为实现基于多信息融合的直流局部放电发展趋势预测奠定了基础。     

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。     

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。     

直流预压对油纸复合绝缘局部放电特性的影响

为了研究直流预压对油纸绝缘交流局部放电特性的影响,对预压不同时间、不同幅值直流电压以及去极化后重复加压情况下的油纸绝缘交流局部放电特性,不同预压时间和去极化后的油纸绝缘材料的空间电荷特性进了研究。研究结果表明,随着预压直流电压幅值的增大和预压时间的延长,放电起始电压和熄灭电压减小;随着重复加压次数的增多,放电起始电压先上升后下降,但均低于未预压下局部放电起始电压。分析表明预压直流30min后油纸绝缘空间电荷分布达到平衡状态,预压时间越长,去极化后油纸绝缘材料残余空间电荷数量越多;同时长时高幅值预压会使得与高压电极接触的绝缘纸板表面电荷分布均匀,从而改善油纸绝缘内部的电场分布,进而影响油纸绝缘的局部放电特性。     

直流电压下油纸绝缘局部放电发展过程的潜伏期特征

研究直流电压下油纸绝缘局部放电发展过程对于准确判断换流变压器的绝缘缺陷十分重要。为此搭建了油纸绝缘直流局部放电试验系统,采用球-板电极模型、阶梯式加压方法试验研究了直流局放发展过程,得到了发展过程存在潜伏期的结论,同时采用光学显微镜、原子力显微镜及宽频介电谱仪对直流局放发展过程中的油纸绝缘材料特性进行了测试,试验结果表明:潜伏期内油纸绝缘表面变得光滑,类似"山峰"状的纤维结构基本消失;油纸绝缘粗糙度呈现先降低后上升的趋势;油纸绝缘相对介电常数呈下降趋势而电导率呈上升趋势。研究结论可用于进一步分析油纸绝缘直流局部放电的机理。     

交直流复合电压中直流分量对油纸绝缘针板缺陷局部放电特性的影响

换流变压器阀侧绕组绝缘承受交直流复合电压的作用,其中直流电压分量对油纸绝缘的影响相比纯交流电压更为复杂。针对复合电压中直流分量对极不均匀电场下油纸绝缘局部放电特性的影响,采用基于脉冲电流法的局部放电测量系统,着重对比了不同直流分量交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷在起始放电和预击穿阶段的局部放电特性。实验结果表明:直流电场作用下的空间电荷积聚形成的反向电场使得起始放电电压和击穿电压随着直流分量的升高而逐渐增大;在整个局部放电发展过程中,直流分量增加时放电脉冲重复率与放电量会降低,而平均脉冲等效时间和等效频率与直流分量间没有表现出直接关系;随着直流分量的增加,局部放电分布相位开始向正半周期移动。实验结果可作为含不同直流分量交直流复合电压下局部放电模式识别的参考。     

直流电压下油纸绝缘纤维杂质成桥放电特性综述

换流变压器阀侧绕组长期处于直流电场分量作用下，其绝缘面临严重的纤维杂质成桥放电问题。对此，系统综述了直流电压下油纸绝缘纤维杂质成桥放电特性研究进展。首先论述了纤维杂质在电、热、流场作用下的生成机制，指出电场下的空间电荷作用及电场力作用、热场下的热裂解及氧化裂解、流场下的分子振动均可能导致纤维脱落而形成杂质；其次探讨了油中自由纤维杂质迁移规律，提出纤维杂质运动过程主要考虑重力、浮力、库伦力、介电泳力及粘滞阻力的影响，且直流电场作用是纤维杂质成桥的必要条件；随后介绍了直流电压作用下纤维杂质诱发油中放电机理，指出纤维杂质易与水构成“核壳”高电导结构，并以直接场畸变效应及亚稳态液体成核气化效应诱发油中放电。在此基础上，提出目前直流电压下油纸绝缘纤维杂质成桥放电研究亟待解决的关键科学问题，即探究电、热、流多场协同作用下的纤维素分子链断裂机理，揭示纤维杂质动力学行为特征对油中电荷行为的影响规律。     

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。     

正极性直流电压下油纸绝缘针板电极局放脉冲波形与局放机理

为研究直流电压下油纸绝缘局放脉冲波形特性,建立了正极性直流电压下针板局放平台,记录局放脉冲与流注形状,同时构建了电场与电荷密度分布仿真模型。根据流注形状可将局放分为:电晕放电、树状放电、单流注放电、多流注放电。仿真表明局放类型与油纸界面电荷及空间电场有关。除电晕放电,其余局放波形均为无过零振荡的单峰脉冲,且随电压幅值增加或油隙宽度降低,脉冲上升沿与下降沿变陡,放电幅值增加。为讨论局放机理,探究脉冲波形与流注演变的时间对应关系,建立了局放电路模型。研究表明,局放脉冲上升沿对应流注发展过程,下降沿对应纸面电荷积累过程。局放脉冲本质是外电路对被流注部分"短路"的缺陷充电而产生的电流脉冲。该文可为油纸绝缘局放特性研究及基于局放的油纸绝缘状态诊断提供理论参考。     

直流和交流电压下油纸绝缘超宽频带局部放电波形比较

换流变压器阀侧绕组运行时的电压环境复杂,其阀侧绕组油纸绝缘强度的要求远高于普通电力变压器,因此对直流电压作用下油纸复合绝缘局部放电进行研究,对换流变压器绝缘优化设计具有一定的实际意义。利用超宽频带(UWB)检测系统分别采集正、负极性直流电压和交流电压作用下油纸绝缘局部放电波形,通过统计分析各波形的上升时间、半波时间和波形频谱,以找寻3者之间的差异。研究表明,交流电压作用下局部放电最易发生,其次为负极性直流电压和正极性直流电压;3种外施电压形式下的放电波形存在明显差异,可以通过其波形或频谱的形貌特征区分外施电压的种类。     

交流电压下油纸绝缘针板放电特性

为探究油纸绝缘针板放电发展过程和老化对放电特性的影响,在实验室条件下,通过油纸绝缘130℃加速热老化试验,以绝缘纸板聚合度为表征老化程度的特征参量,得到了不同老化阶段的油纸绝缘样品。基于脉冲电流法,测量了交流电压下不同老化状态油纸绝缘针板模型局部放电信号,分析了从起始至预击穿过程中局部放电相位分布模式的幅值分布H(q,φ)谱图,并讨论了油纸绝缘老化对局部放电H(q,φ)谱图、放电量、放电次数和统计参数的影响。研究结果表明:针板电极局部放电H(q,φ)谱图中放电分布在正、负峰值附近,工频正半周的脉冲幅值、个数均分别大于负半周,且正半周的H(q,φ)谱图放电随电压升高呈现"倒V型";平均放电量-相位分布Hqave(φ)正半周的偏斜度Sk+随电压的升高呈下降趋势,且在油纸绝缘样品达到预击穿阶段Sk+变为负值,因此Sk+可用于评估油纸绝缘针板电极模型下的缺陷发展状态;随着油纸绝缘的老化,导致油中老化产物增多,进一步畸变了场强,老化后的油纸绝缘样品正半周局部放电次数明显增多,平均放电量、最大视在放电量增大。     

直流电压下油纸绝缘中局部放电的超高频特性

为研究直流电压下油纸绝缘中局部放电的超高频特性,组建了一套直流电压下局部放电试验系统以及由局放超高频检测和超宽带检测组成的测量系统,其中脉冲电流超宽带检测的作用是确保超高频检测获取的信号来自于试品自身的局部放电。试验设计了6种油纸绝缘局放模型以模拟换流变压器的典型缺陷,并引入毫瓦分贝(DBM)频谱分析对超高频信号进行了统一化处理,以比较不同缺陷模型对应的超高频信号。直流下试验结果表明:局部放电电流脉冲具有极快的上升沿,能激励起大于300MHz的超高频电磁波,它可以通过超高频传感器加以耦合接收。各种缺陷模型局部放电的DBM频谱分布各异,超高频段能量幅值最大处也不一样。因此若想以高信噪比实现直流下局部放电超高频信号的在线监测,需要使用中心频率可调的窄带滤波器。这些特性为直流输电系统中使用油纸绝缘的电工设备进行局部放电超高频信号在线监测提供了试验依据。     

交直流复合电压中直流分量对油纸绝缘放电缺陷产气特性的影响

运行中的换流变压器内部绝缘同时承受交、直流电压的作用,其产气特性与交流变压器有一定区别。为此,采用典型柱板电极模型,对交、直流复合电压下,油纸绝缘放电缺陷各发展阶段的油中溶解气体量、产气速率和气体组分进行了试验研究。研究结果表明:交直流复合电压中直流分量比例越高,由开始放电到击穿的时间越长、放电能量、产气量、产气速率越低;可根据产气速率将放电缺陷划分为起始阶段、发展阶段和临近击穿阶段。复合电压中的直流分量越高,放电起始阶段油中分解CH4的体积分数烃类气体与总烃的体积比)越高(50%),C2H2的体积分数越低(45%),此特性为复合电压下油纸绝缘放电缺陷的早期故障诊断提供了依据。     

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。     

重复加压及直流预压过程对油纸绝缘局部放电特性的影响

换流变压器出厂试验过程,经常遇到直流耐压试验结束后若干h内,交流耐压试验按照GB/T 18494.2执行无法顺利通过的问题,说明直流预压对油纸绝缘交流局部放电特性产生一定影响。为此,采用球-板电极模型模拟油纸绝缘系统中的稍不均匀电场,试验探究重复加压与直流预压过程对油纸绝缘局部放电特性的影响,重点对比分析纯交流初次加压、重复加压以及直流预压3种情况下的局部放电起始电压、临界击穿电压及熄灭电压变化规律。研究结果表明:重复加压过程会大幅减少绝缘系统的局部放电起始电压(降至约33.44%),临界击穿电压下降约7.84%,熄灭电压几乎不受影响,经过高压端接地约8~9 h后,系统内的局部放电耐受水平与初次升压过程水平相当;而直流预压过程会一定程度上减小系统的局部放电起始电压(降至约82.38%)、临界击穿电压(降至约89.75%),且随着直流预压水平的提高上述两参数降幅更加明显,熄灭电压几乎不受直流预压作用的影响,一般经过4~6 h高压端接地静置,直流预压过程对于油纸系统内局部放电特性的影响消失。基于多次试验结果,提出重复加压及直流预压过程产生的空间预存电荷是对交流电压下局部放电特性造成影响的主要原因。