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。     

直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

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。     

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。     

交直流叠加电场下油浸绝缘纸的空间电荷特性研究

为了研究换流变压器中的油浸绝缘纸在交流电场及交直流叠加电场下的空间电荷特性,该文利用基于自动均分相移检测原理的快速空间电荷测量系统,分别测试了油浸绝缘纸试样在交流电场(有效值为15k V/mm)及交直流叠加电场(交流分量有效值与直流分量均为15k V/mm)下的空间电荷分布。研究表明:在交流电场下,油浸绝缘纸的空间电荷分布呈对称状,且内部空间电荷积累并不明显,仅在靠近下电极处积累了部分同极性电荷;而在交直流叠加电场下,油浸绝缘纸中的空间电荷积累相当明显,负极性电荷在整个交流周期中均占主导地位。因此,不同于交流电场,在交直流叠加电场的过零相位处下电极附近积累的空间电荷对油浸绝缘纸的内部电场有严重的扭曲作用,且由于电荷在电极界面处的注入、抽出对应的电场与时间不平衡导致空间电荷分布发生极大的改变。     

绝缘纸中空间电荷效应的模拟研究

为明晰空间电荷对油纸绝缘纸板中电场强度的畸变效应、纸板老化状态与空间电荷的作用机制,采用双极性载流子输运模型,对不同老化状态的绝缘纸板中的空间电荷特性进行数值模拟。对于同一老化状态下的绝缘纸板施加直流电压时,纸板中会出现同极性电荷积聚现象,且正极性电荷的分布范围较负极性显著变窄;随着加压时间的增加,纸板中的电场畸变率呈增大趋势。当绝缘纸板老化程度加深时,其陷阱密度和深度均会增加,致使空间电荷在纸板的近电极侧大量积聚,进而削弱纸板和电极边界处的电场强度,加剧纸板内部的场强畸变;且绝缘纸板老化愈严重,空间电荷对电场的畸变作用愈突出,使得绝缘纸板加速老化,容易诱发绝缘击穿故障。研究结果可为变压器油纸绝缘设计提供参考。     

交直流复合电压下热老化油纸绝缘空间电荷特性

换流变压器阀侧绝缘长期承受交直流复合电压的作用。为了研究油纸绝缘在交直流复合电压下空间电荷特性,该文开展了油纸绝缘加速热老化试验,搭建复合电压下电声脉冲法空间电荷测量系统,测量交流、直流以及交直流复合电压下油纸绝缘内部空间电荷积聚和消散情况,并进一步计算得到油纸绝缘陷阱深度。研究结果表明,不同老化状态的油纸绝缘在交直流复合电压下均出现铝电极附近的负极性空间电荷积聚,老化的油纸绝缘由于正负电荷不同的注入迁移特性,在交流电压下同样出现负极性空间电荷积聚;随着老化时间的增加,油纸绝缘中积聚的空间电荷先减少后增加;与直流极化相比,交直流复合电压极化后老化油纸绝缘的平均陷阱深度更大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对电荷积聚的影响

为研究环氧绝缘材料电荷积聚过程的影响因素,减少材料表面电荷积聚效应,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料不同时间点的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用直流试验装置,借助电容探头法进行直流高压下的表面电荷测量。通过相关理论研究,获得了环氧绝缘材料电阻率随直流电压作用时间的关系,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷积聚的关系,并明确了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,对于减少直流电压下,环氧绝缘材料的表面电荷积聚,提高输变电设备直流绝缘子运行可靠性具有实际意义。     

绝缘纸板表面微纳结构Al_2O_3功能膜的构筑及其抑制空间电荷注入的机制

空间电荷是影响和制约换流变油纸绝缘材料绝缘强度的关键因素。与体掺杂不同属性纳米颗粒实现抑制空间电荷的传统方法相比,需要探索新思路、新方法实现油浸绝缘介质的空间电荷注入。以射频反应磁控溅射为技术手段,在绝缘纸板表面成功制备了微纳结构Al_2O_3功能膜;通过电声脉冲空间电荷测量法,以及预压及无预压情况下的直流击穿测试获得构筑微纳结构Al_2O_3功能膜油浸绝缘纸板的空间电荷和直流击穿特性。研究表明,绝缘纸板表面构筑的微纳结构Al_2O_3功能膜提升了油浸绝缘纸板体积电阻率,有效抑制油浸绝缘纸板空间电荷的注入,并显著减弱由空间电荷积聚引起的油浸纸板内部电场畸变程度,表面构筑微纳结构Al_2O_3功能膜油浸纸板的预压直流击穿电压值得到了较高提升。微纳结构Al_2O_3功能膜除了具备纳米粒子相关效应外,还提升了电荷注入势垒。     

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。     

交直流复合电场下油纸绝缘界面电荷对沿面闪络电压的影响

在交直流复合电场下,换流变压器的油纸界面会积聚电荷,使得油纸界面的电场发生畸变,容易引发沿面放电。为揭示交直流复合电场下油纸界面电荷对其沿面闪络电压的影响,采用针-板沿面放电模型,测量了交直流复合电场下油纸绝缘的沿面闪络特性,通过静电电容探头法测量了直流电压作用下沿面放电模型油纸界面的电荷分布。研究发现,负极性直流叠加交流电压下的油纸沿面闪络电压高于正极性直流叠加交流电压下的情况。原因是油纸界面积聚了与外施直流电压极性相同的界面电荷以及相同条件下油纸界面积聚的负极性电荷密度要大于正极性电荷密度。     

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。     

高压直流交联聚乙烯电缆30天负荷循环试验下的空间电荷特性

为研究高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆在负荷循环试验中的空间电荷积聚特性,按照国际大电网组织CIGRE TB496的试验要求,对电压等级为30 k V的直流电缆开展了型式试验中的30 d负荷循环试验,采用脉冲电声法(PEA)测量了其空间电荷特性,重点研究了温度和加压时间对直流电缆空间电荷特性的影响。研究结果表明:温度对直流电缆的空间电荷特性具有显著的影响,在加热的过程中,随着温度的升高,电缆绝缘中主要表现为异极性空间电荷的注入(异极性空间电荷通常是由杂质在电场作用下被电离而造成的),且正极性电压作用下的异极性空间电荷注入比负极性电压作用下的要强;此外,随着加压时间的增加,电荷会逐渐由高温侧向低温侧迁移;在冷却过程中,电缆绝缘中会产生与电压极性相同的电荷积聚;48 h正极性负荷循环试验与24 h正极性负荷循环试验下的电荷积聚特性类似,不同的是随着加压时间的增加,相比于加热前,冷却24 h后电缆中积聚了少量的正极性空间电荷。     

直流叠加冲击电压下PEA法空间电荷测量系统的研制

在直流输电线路中,电缆线路易受到操作过电压与雷电过电压的侵扰,导致线路在直流电压的基础上叠加冲击电压,使绝缘层空间电荷积聚发生变化。为了研究冲击电压叠加对直流电缆线路运行中电荷积聚的影响,本文在传统的电声脉冲法上进行改进,结合等效电路进行公式推导与Pspice仿真,合理选取测量系统中阻容元件的参数取值,研制了一套直流叠加冲击电压下PEA法空间电荷测量系统,并测量了XLPE试样在直流叠加冲击电压下的空间电荷特性。结果表明：试样受到的冲击电压与直流电压均达到了极高的耦合效率,空间电荷特性表明叠加同极性冲击电压比异极性冲击电压更能够促进同极性电荷的注入和迁移。     

变压器油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷输运特性

为得到换流变压器中使用的矿物油浸普通牛皮绝缘纸和油浸热稳定绝缘纸在直流电场中的空间电荷输运特性,对试样在3种不同等级外施直流电场作用下采用电声脉冲法(PEA)进行了空间电荷密度分布测量实验,分析了试样在加压时和去压后的空间电荷总量及其演变规律.实验发现:油浸普通牛皮绝缘纸的空间电荷注入起始阈值比油浸热稳定纸低,其体内易...     

极性反转条件下基于双极性载流子-离子混合输运模型的XLPE空间电荷特性研究

直流电缆在运行时需承受极性反转的电压，这会使得绝缘内部积累的空间电荷增加，进而可能引起绝缘破坏。同时在绝缘材料实际生产过程中引入的交联副产物等杂质解离产生的离子电荷会加剧电荷的积累。因此本文对传统双极性载流子输运模型进行改进，考虑杂质带电离子的影响，利用改进后的输运模型模拟交联聚乙烯（XLPE）内部空间电荷在电压极性反转期间的分布，研究极性反转时间和电场强度对电荷分布的影响机理。结果表明：在满足电压反转前后空间电荷分布基本呈镜像分布的基础上，引入离子电荷会增大两电极附近稳态时积聚的异极性电荷量；电压反转时间越长，两电极处的界面电荷峰值下降的越多，两电极附近的空间电荷变成相反极性的电荷量也越多，即反转完成时电荷分布更接近于反转稳定后的情况；在相同极性反转时间、不同电场强度下，电荷分布规律基本相同，场强越高，各处积累的电荷量越多。