老化对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电过程特性的影响

长期运行换流变压器中存在由沿面放电导致的绝缘故障的现象,而针对换流变压器中交直流复合电场下老化油纸绝缘的沿面放电发展过程特性研究又相对缺乏不足。因此,采用在130℃下加速热老化方法制备不同老化程度的油纸绝缘试样,并使用CIGRE method II推荐的典型球板电极模型对不同老化程度油纸绝缘试样在不同比例交直流复合电场下的沿面放电起始电压、闪络电压以及沿面放电发展速度等特性进行了对比分析研究,同时对老化前后油纸绝缘沿面放电发展过程中放电特征参数的变化规律展开了研究。研究结果表明,随着交直流复合电压中直流电压分量的不断增大,老化油纸绝缘沿面放电起始电压和闪络电压均呈现逐渐上升的趋势,其中纯交流电压下的沿面放电起始电压和闪络电压均最低;相同电压作用下的沿面放电起始电压随着油纸绝缘老化程度的不断加剧呈现先上升后下降的趋势;随着油纸绝缘老化程度的不断增加以及交直流复合电压中直流电压分量的不断增加,油纸绝缘沿面的爬电距离不断延长、耐受时间逐渐缩短,沿面放电发展速度逐渐加快。与未老化油纸绝缘沿面放电过程放电特征参数变化规律相比,老化后沿面放电发展特征参数幅值较大,各阶段变化起伏较少,变化趋势直接明显;同时发现交直流复合电压中的直流电压分量对老化油纸绝缘沿面放电发展具有加速的作用,而且直流电压分量越高,加速作用越明显。     

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。     

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。     

不同热老化程度下油纸绝缘沿面放电发展特性

为研究不同老化状态下油纸绝缘沿面放电的发展特性,分析老化程度对放电特性的影响,进而提出表征老化程度和放电危险度的特征量。通过加速热老化制备了4种不同老化程度的油纸绝缘试品,在阶升电压下获得了其局部放电发展过程中的谱图和脉冲序列特性。研究发现,沿面放电脉冲多以脉冲簇群形式出现且有脉冲幅值逐渐增大,脉冲波形上升沿、下降沿快于空气中放电的情形;油纸绝缘老化程度对沿面放电的起始电压和击穿电压影响不大,但对放电量的威布尔尺度参数α值和平均放电功率P影响显著;连续放电时间差Δt对放电发展阶段和绝缘老化程度反应灵敏,可用于放电危险度评估指标。     

水分对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性影响研究

换流变压器阀侧绕组绝缘同时承受交流和直流电压作用,水分是导致围屏爬电的重要原因之一,开展水分含量对油纸绝缘沿面放电特性影响的研究具有重大意义。文中利用基于脉冲电流法的局部放电测量系统,在含不同直流分量的交直流复合电压下,使用典型球—板电极对不同水分含量油纸绝缘试品的沿面放电特征参量和统计谱图变化规律开展了实验研究,并与纯交流电压下的结果进行了对比。研究结果表明:随着纸板中水分含量的不断升高,起始放电电压和闪络电压均呈现下降趋势,放电耐受时间不断缩短;在同一水分含量下,随着复合电压中直流分量的不断增大,起始放电和闪络电压则明显升高,其中纯交流电压下的起始和闪络电压均为最低。利用典型沿面放电统计谱图可以将油纸绝缘沿面放电发展过程划分为4个阶段,分别为起始、发展、严重和临近闪络阶段;高水分含量下各阶段沿面放电量Q大幅增加,相邻两次放电的时间间隔Δt明显减少。     

不均匀电场中温度对油纸绝缘沿面放电特性的影响

采用针-板电极结构研究不均匀电场中温度对变压器油纸绝缘沿面放电特性的影响。首先,确定油纸绝缘的局部放电起始电压和闪络电压。然后,在油纸界面上施加恒定电压,研究在不同温度下施加长期电压时油纸绝缘的沿面放电特性。结果表明:局部放电起始电压和闪络电压随温度升高而增加。施加长期电压时,高油温下,油纸绝缘沿面放电现象和纸板变化情况更为复杂。纸板在高油温下更容易发生碳化。虽然碳化会对纸板造成不可逆的损坏,但仅在表面发生碳化的纸板在恒定电压下表现出更长的耐压时间和更低的局部放电量与放电重复率。然而,在内部发生严重碳化时,其局部放电重复率变得更高,最终导致纸板击穿。     

交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电特性研究

换流变压器结构复杂,在其中的某些油、纸板和电极的三结合点处极易发生沿面局部放电,运行过程中沿面局部放电导致的沿面闪络是导致换流变压器事故的主要原因。换流变压器阀侧绕组承受的是交直流等多种电压的复合电压,研究复合电压作用下沿面放电的放电特性,对于换流变压器的绝缘试验、击穿机理研究均具有重要意义。文中构建了油纸绝缘典型的沿面放电模型,研究了交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电特性,通过调节不同的直流电压分量幅值,研究了复合电压中直流电压分量对局部放电特性的影响规律。     

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.     

温度对油纸绝缘沿面放电发展过程的影响

为了研究温度对油纸绝缘沿面放电发展过程的影响,构建了一个模拟变压器沿面放电的试验平台,其中包括沿面放电模型、变压器内部环境模拟系统和局部放电检测系统。在此试验平台上,模拟了变压器内部60、90、100°C温度,采用逐步升压法来加速沿面放电的发展。使用常规脉冲电流(CIC)测量方法检测局部放电的信息,采用照相方法记录沿面放电在纸板上产生的炭化痕迹,观测了3个温度下油纸绝缘系统中沿面放电的发生、发展、直至沿面闪络的过程和现象。结果表明:随着油温的升高,沿面放电模型的局部放电起始电压和闪络电压在不断降低;高油温下,沿面放电对纸板的破坏程度更加严重。这些结果为评价温度对油纸绝缘沿面放电的影响提供了依据。     

电场分量对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响

油纸绝缘沿面放电现象与绝缘纸板表面的电场分布关系密切,因而使用无背面电极和有背面电极两种结构,研究了电场分量对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性的影响机制。研究结果表明:随着直流电压分量的不断增加,油纸绝缘的沿面闪络电压逐渐上升,且交流电压下的闪络电压最低;无背面电极结构下沿面闪络电压无极性效应,有背面电极结构中存在极性效应,且负极性直流电压分量作用下,由于纤维素中羟基的强电负性影响,致使沿面闪络电压较低;无背面电极结构时的闪络电压约为有背面电极结构时闪络电压的1.5倍,分析认为由于载流子受到强垂直电场分量作用,加剧了对绝缘纸板表面的碰撞,油纸绝缘空间电荷平衡状态易在较低交流电压分量作用下受到扰动而被破坏,进而诱发沿面闪络发生,致使沿面闪络电压逐渐下降,该下降趋势具有饱和现象;沿面闪络在交流电压分量接近波峰或者波谷位置处发生。     

针-板电极结构下三元混合绝缘油纸复合体系沿面放电特性研究

基于一种具有优良理化、电气性能的新型三元混合绝缘油,以矿物绝缘油纸复合体系为参比,在针-板电极结构下分析了三元混合绝缘油纸复合体系的沿面放电特性,并对两种绝缘油纸复合体系在针-板电极结构下的电场分布进行仿真;基于密度泛函理论,对天然酯分子和矿物绝缘油分子能带结构开展对比研究。结果表明:与矿物绝缘油纸复合体系相比,在沿面放电故障下,三元混合绝缘油纸复合体系具有更小的局部放电起始电压、闪络电压以及更大的最大放电量、放电脉冲数。两种绝缘油纸复合体系在针-板电极下的电场分布差异较小。三元混合绝缘油中棕榈油分子和大豆油分子的能隙均小于矿物油分子,因此在强电场作用下混合油分子更容易发生电离。     

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。     

交直流复合电压下油纸绝缘典型缺陷产气特性

目前国内换流变压器依旧使用改良三比值法进行故障诊断,而改良三比值法未考虑交直流复合电压下油纸绝缘局部放电产气特性,但直流电压的加入是否会导致油纸绝缘产气特性变化,影响故障诊断结果还需进一步确认。针对该问题搭建了模拟换流变压器实际运行工况的平台并进行试验。试验分别在交流电压和不同比例交直流复合电压下,采用柱板、匝间、气隙和沿面4种典型放电模型,对油纸绝缘局部放电油中溶解气体进行了研究。研究结果表明:直流电压的加入,柱板放电模型的H_2含量最大降低97.2%,C_2H_2和总烃含量最大增加分别为499.4%和150%;匝间放电模型的H_2、C_2H_2和总烃含量最大增加分别为1620%、982%和102%;气隙放电模型C_2H_2气体含量最大减小100%;沿面放电模型总烃气体含量最大增加219%。随着直流电压比例的增加,同样油纸绝缘临近击穿的条件下,改良三比值诊断结果由电弧放电变为低能放电。因此,直流电压的引入改变了油纸绝缘产气特性,改良三比值法在用于交直流复合电压下故障诊断时可能出现误诊断的情况。     

极性反转条件下油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响

高压直流输电系统出现潮流反转时,换流变压器的油纸绝缘会承受极性反转电压,容易造成绝缘失效.基于油纸沿面绝缘结构的极性反转闪络试验平台,研究了油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响以及直流极性反转条件下油纸绝缘沿面闪络电压与单极性直流电压下沿面闪络电压的差别,并分析了油纸绝缘沿面放电针板电极模型的界面电荷在极性反转条件下对油纸绝缘沿面闪络电压的影响,发现油纸积聚的界面电荷密度越大极性反转时发生沿面闪络的电压越低.     

正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸沿面流注动态变化规律研究

油纸绝缘复合电介质沿面放电是电力设备内绝缘的研究基础,其在雷电冲击电压下的绝缘特性是变压器绝缘设计的重要参数之一。为了获得油纸沿面流注传播与消散过程中电学、空间电荷分布演化规律及其关联关系,以交界面平行于施加电场方向的油纸系统为研究对象,通过构建适用于绝缘油油纸沿面流注动态变化特性的试验观测系统,可同步获得正极性雷电冲击电压下流注传播和消散过程中的电压、放电电流和放电通道流注阴影图像。利用该平台还测量了油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压。试验结果表明,在正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸绝缘相对介电常数差异并不会促进油纸沿面流注的传播过程,而粘度对于油纸沿面流注侧向分支影响显著。粘度越低,空间电荷在迁移过程中所受到的阻力越小,流注头部空间电荷在受到表面电荷的斥力后越容易往油中扩散,空间电荷在绝缘油中所形成的空间电场使得油纸沿面流注的主分支能够在绝缘油中传播,增加了油纸沿面流注传播距离,从而使低粘度天然酯绝缘油油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压略高于其纯油击穿电压。     

高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其次,对放电发展不同阶段聚酰亚胺薄膜的表面电荷分布进行了测量,得出了表面电荷的时空分布特性。最后,通过扫描电镜与傅里叶变换红外光谱分析方法,对材料表面微观形貌和化学结构变化进行了测试,探究了材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。研究结果表明,高频下沿面放电呈现极性效应,正半波放电幅值大于负半波,且放电中期正半波峰值处会出现较大幅值的放电,峰值处放电次数在后期明显增加;材料表面积聚负极性电荷,沿面放电导致的物化缺陷加剧了表面电荷的积聚;负极性表面电荷在电压正、负半波对针电极附近电场分布的不同影响,是沿面放电极性效应的主要产生原因。与高频电压相比,工频电压下负极性表面电荷积聚量较少,且沿面放电呈现出不同的极性效应。     

绝缘纸板老化对油纸绝缘沿面放电发展规律的影响

为研究绝缘纸板老化对油纸绝缘沿面放电发展规律的影响,采用加热老化方法制备了不同老化程度的绝缘纸板试样,设计了柱板放电模型,采用恒压法对各老化程度绝缘纸板试样进行长时间加压实验,测量并采集了局放信号,统计了不同老化程度绝缘纸板沿面放电各阶段总放电量、最大放电量、放电次数等变化规律,总结了绝缘纸板老化对其沿面放电发展规律的影响。将理论分析与仿真相结合,分析了产生该影响的主要原因。实验结果表明:放电前期,放电主要由处在高场强区的变压器油产生,此时绝缘纸板老化程度对沿面放电总放电量、放电次数、最大放电量等无明显影响;随着放电的发展,绝缘纸板内由老化产生的孔隙中填充的变压器油分解产生气体,加剧了放电程度,此时绝缘纸板老化程度对其沿面放电影响较大,老化程度越高,总放电量、放电次数、最大放电量等增加速度越快,数值也越大。     

高频电压下油纸绝缘系统的局部放电及产气特性研究

高频变压器在提升电能传输效率的同时,也会加速油纸绝缘系统缺陷的劣化进程。为研究油纸绝缘系统在高频电压下的劣化特性,采用柱板模型模拟油纸绝缘的沿面放电缺陷,搭建高频局部放电试验平台,在10、20、30 k Hz电压下采用恒压法进行多组局部放电试验。利用摄像机和罗氏线圈分别记录试验现象和放电信号,分析高频电压下局部放电图谱和产气特性,并与工频局部放电试验的结果进行对比。结果表明:随着频率的提高,油纸绝缘系统的局部放电起始电压显著降低,单位时间内关键气体的产气量明显提高;但在高频电压下,绝缘油的劣化比绝缘纸板的劣化更为严重,因此提高了关键气体中H2的比例。由于空间电荷效应,放电相位集中于电压极性反转相位附近,且高频电压下的放电相位比工频电压下的放电相位宽;同时,在高频电压下,电压的上升速率、单周波内的有效放电时延受到频率的影响,使单周波内的平均放电幅值、平均放电次数在20 k Hz附近出现极大值。     

换流变压器阀侧套管油纸绝缘研究现状

换流变压器作为连接高压直流输电系统交流侧和直流侧的关键设备,其阀侧出线装置可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行。油纸绝缘作为阀侧出线装置的主绝缘,长期受到交/直流复合电场以及极性反转等复杂工况的影响,在受到电场、热场以及机械应力等多场耦合作用下易发生绝缘劣化积累空间电荷,而油纸绝缘介电参数和电导参数的不匹配也将使得界面电荷积累严重,导致沿面闪络或绝缘击穿,这也是目前换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构发展面临的严峻问题。本文综合国内外研究现状论述了换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘研究进展,分析了油纸绝缘在不同环境工况下电荷行为、局部放电和击穿特性,探讨了电场、温度、水分、老化等因素对其的影响,并对绝缘纸改性进行论述,展望了未来换流变压器阀侧出线装置油纸绝缘结构改性的发展趋势。这些研究成果的总结能为油纸绝缘材料的发展、改善提供参考和借鉴。     

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。