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。     

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。     

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。     

大尺寸油纸绝缘结构空间电场非接触式测量的光学传感器

油纸绝缘结构可靠的绝缘设计对保证电力变压器乃至电网的安全可靠运行至关重要,目前其设计可靠性主要依靠电场仿真计算及简易等效模型下的电场实测校验。对于换流变压器出线装置等大尺寸复杂结构,现有的电场测量手段无法有效应用,难以获得复杂结构内空间电场/电荷特性,对其绝缘设计和校核提出了挑战。基于Kerr电光效应,研发一种可用于大尺寸油纸绝缘结构内部空间电场测量的小型化传感器及相应的测量系统。该传感器内部采用多反射结构有效减小了器身尺寸,并显著提升了测量灵敏度,采用聚砜非金属材料降低了传感器的引入对待测电场的影响,定制化光学元件及合理的内部结构设计保证了其结构的小型化。利用平板电极,对所研制传感器的关键技术性能参数进行试验标定。利用所研发传感器,针对换流变压器阀侧出线装置大尺寸模型,进行直流电压模型内部油中空间电场特性的实验测试。测试结果表明:直流电压下,无论正负极性,随着加压时间的延长,内侧油道油中电场逐渐增加,最大增幅可达118.8%;中间油道同样逐渐增加,但达到稳态时间更短,增幅更小;外侧油道油中电场逐渐降低,最大降幅可达75.0%。该空间电场非接触式光学传感器可为进一步研究油纸绝缘空间电场和电荷分布特性提供新的方法和手段。     

大尺寸油纸绝缘结构多电压应力下空间电场特性

换流变压器油纸绝缘设计可靠性主要依靠仿真计算及简易等效模型下的电场实测校验,缺乏大尺寸复杂结构下电场实测验证,该文利用研发的基于Kerr电光效应的空间电场测量传感器,针对换流变压器阀侧出线大尺寸油纸绝缘模型,获得了直流电压、交流电压及极性反转电压下,模型不同油道内油中电场特性,试验结果表明:①正极性直流电压下,随着加压时间的延长,外侧油道的油中电场逐渐降低,内侧油道和中间油道的油中电场逐渐增加,稳态时内侧油道的电场强度比电容-电阻率(RC)模型计算值增大了2.04倍;负极性直流电压下,油道内电场特性与正极性电压下一致;②交流电压下,油中电场随加压时间基本保持不变,电场强度实测值与仿真值结果最大差异为4.08%;③极性反转电场下,极性反转时间越短,反转后油中电场越高,且不同油道内界面电荷积聚状态的不同会导致其油中电场过零点与外施电压过零点时刻不一致。该文提出了基于油纸界面电荷动态变化过程的油中电场分析方法,对直流电压及极性反转电压下油中电场及电荷特性进行了机理解释。     

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。     

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。     

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。     

空间电荷对油纸绝缘击穿和沿面闪络的影响

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,需要对其绝缘系统进行更深入的研究.本文针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究.本文实现了变压器油纸绝缘空间电荷的测量,根据空间电荷的实测结果对油纸绝缘系统中极性反转现象进行了探讨,对直流电...     

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。     

基于Kerr电光效应的变压器油中直流电场测量系统

在直流电场下油纸绝缘系统中,空间电荷的存在会对系统的绝缘性能造成影响。通过实时测量得到绝缘系统中的电场分布和电荷分布具有重要意义。Kerr电光效应法因不会对绝缘系统中电场分布造成影响而得到很多研究者的关注。由于实验系统中包含较复杂的光学器件及微弱信号检测单元,其实现具有一定的难度。文章采用光电二极管作为光接收器件,采用一种交流电压调制方法,结合锁相放大器实现了对微弱信号的检测;通过检测输出光强中直流和所施加的交流信号分量,计算得到了待测直流电场的数值。试验结果表明该系统具有较好的线性度。     

Measurement of space charge distributions in PLZT using Kerr effect

Kerr effect technique is an optical measurement technique used to determine space charge distributions of a dielectric liquid under applied electric stress. In other words, such measurement can be used to study the conduction mechanisms of a dielectric liquid, such as charge injection threshold, bulk electric field stress, and aging. In this study, an instrument was set up to measure the absolute value of the electric field distributions in lead–lanthanum–zirconium–titanium (PLZT). PLZT was selected for the study of the instrumentation because the material has a high Kerr constant. In the experiment, charge injection threshold and bulk field strength of PLZT were measured under low applied voltages. © 2012 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

特高压直流换流阀电磁场与电磁兼容研究进展

特高压直流换流阀的电磁场和电磁兼容性是其研制过程中的关键问题,国内外学者对此进行了系统研究。中国电力科学研究院成功研制出中国首个具有完全自主知识产权的800 kV/4 750 A特高压直流(ultra high voltage directcurrent,UHVDC)换流阀。针对电磁场和电磁兼容问题,利用三维电场边界元法实现换流阀寄生参数的提取,通过理论计算、数值仿真及试验测试等多种手段,对瞬态电磁干扰等问题提出了解决方案,为换流阀的研制和工程应用提供了必要的技术支撑。总结了上述领域的研究成果,对未来特高压直流换流阀电磁兼容领域的研究课题与解决方案提出了一些建议和设想。     

基于无线传感器网络的特高压直流输电线路合成电场智能监测系统研究

特高压直流输电线路的地面合成电场是评价电磁环境的重要参数,因其受环境气候等因素影响而随机变化,在对其研究和评价时需进行长时间测量。为此利用无线传感器网络灵活度高、移动性强的优势,结合多智能体技术研制了合成电场智能监测系统。系统中各节点智能体根据监测电场强弱和剩余能量控制自身状态的转换,同时与系统中其他节点智能体交互信息来动态成簇,自组织地通过协作共同完成监测任务。针对系统中基于多智能体的自组织机制进行了能耗分析。最后将合成电场智能监测系统应用于工程实测,验证了该智能系统的可行性和自组织机制在节能方面的有效性。     

利用粘土电解膨效应改善油藏渗透特性

为了在修复粘土伤害、改善油藏渗透特性中应用直流电场,用粘土膨胀实验及填砂岩心渗流实验研究了直流电场作用下蒙脱石、高岭石、伊利石的电解膨效应及含蒙脱石的石英砂填砂岩心的渗透率变化规律。实验结果表明,粘土的膨胀性越强,其电解膨效应越明显;粘土电解膨率随着电场强度E的增加而增加,E>2V/m后趋于稳定;外加直流电场能够提高填砂岩心的渗透率,渗透率因子随E的增加而增加,E>12V/m时其增幅较小。利用外加直流电场下粘土的电解膨效应可以修复或者防止粘土的膨胀伤害、改善油藏渗透特性,该方法对于膨胀性粘土含量高、粘土膨胀伤害严重的油藏效果更明显。     

Charge behavior in flowing oil in oil/ pressboard insulation system by electro-optic field measurement

The electrical insulation structure of most power transformers is a combination of insulating oil and solid materials. One of the crucial problems we face in transformer operation is flow electrification, which occurs at a flowing oil/solid material interface. Thus, for the transformer insulation design, we need to clarify the now electrification phenomena. In this paper, we measured the electric field strength in an oil/pressboard composite insulation system using an electro-optic method of the Kerr effect. We obtained the time variation of electric field distribution in both flowing uncharged and charged oil. It is notable that we could quantitatively clarify the electric field distortion in flowing charged oil by flow electrification. Furthermore, we measured the leakage current from divided electrodes and derived a charge density distribution along the flow direction. Finally, we quantitatively discussed the electric field distribution and the charge behavior from the measurement results.     

基于克尔电光效应的新型CCD光电测试系统

根据克尔电光效应原理 ,用稳定性好、动态范围大、灵敏度更高的CCD 30 0 0光电接收装置建立的新测量系统动态测量了克尔常数较小的液体介质如变压器油中的电场分布 ,并得出在一定电压范围内 ,克尔试验盒中两电极间的光强分布和电场分布之间的对应关系 ,还通过分析光强的空间分布和变化规律得出电场的空间分布和变化规律 ,为液体介质中的电场及空间电荷分布测量提供了一条新途径     

Optical measurement of electric field vector distribution in a liquid insulator using simultaneous three‐direction optical measurement system

We have already reported on reconstructions of the symmetrical and nonsymmetrical electric field vector distribution using the Kerr electrooptic effect and our unique reconstruction method, a modified computed tomography technique. This reconstruction technique gives an electric field map, that is, the strength and the direction of the electric field vector, on any plane. For the reconstruction of one field vector distribution, it was necessary to measure the light intensity twice while changing the optical axis of optical wedges. Moreover, the intensity measurement must be carried out at many points around the electrode system. Therefore, considerable time was required to measure the electric field distribution. We therefore developed a simultaneous three‐direction optical measurement system with three optical systems combined with the two‐beam method. Using the new measurement system, we measured the electric field distribution on planes in a sphere‐to‐sphere electrode system. It took about 0.1 second to measure the light intensity data for the reconstruction. © 2002 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 139(1): 9–15, 2002; DOI 10.1002/eej.1141     

Measurement of the space charge field in transformer oil using itsKerr effect

Nonuniform electric fields >80 kV/cm, have been measured via a relative optical intensity measurement by exploiting the Kerr effect in transformer oil. Transformer oil was used as a Kerr medium in these measurements. Neither a knowledge of the Kerr coefficient nor the actual value of maximum transmitted intensity are required to obtain the absolute value of the electric fields. Electric fields were measured with ac and dc excitations. Space charges resulting from charge injection have been found in transformer oil at room temperature under electric stresses >150 kV/cm with ac excitation and 90 kV/cm under dc excitation. The magnitudes of space charges in transformer oil with ac applied voltages varied from 2 to 50 nC/cm³. The magnitudes of space charges with dc excitation varied from 60 pC/cm³ to 10 nC/cm³. The results illustrate the limitations of the electro-optic technique for investigations of the interfacial electric fields (gas-solid) with transformer oil as the Kerr medium     

高压电流互感器泄漏电流测量及消除方法研究

针对高压状态下泄漏电流影响标准电流互感器、无法准确地检测高压计量设备的问题,研制了一套零泄漏电流高压电能标准装置。解决了泄漏电流影响标准电流互感器准确测量问题,填补了电能标准装置泄漏电流消除领域技术空白。阐述了泄漏电流产生的原理并分析了其对电流互感器的误差影响,提出了基于互感器校验仪的泄漏电流测量方法,可实现电流互感器屏蔽和绝缘水平精准评估。实验证明所研制的零泄漏电流高压电能标准装置能消除泄漏电流,实现在模拟运行工况下对高压电能计量设备的误差检测。