绝缘纸热老化对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

油纸绝缘介质在高压直流电场的作用下容易在其内部积聚空间电荷,造成电场畸变进而引发材料绝缘性能的下降,为了深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究区分绝缘纸老化和绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。首先将纤维素绝缘纸在130℃下进行加速热老化,然后将不同老化状态绝缘纸浸渍新绝缘油,得到不同老化状态的油纸试品,最后运用电声脉冲(PEA)法研究油纸试品的空间电荷注入、迁移和消散特性,并分析单纯绝缘纸老化对油纸绝缘试品在加压和去压过程中的空间电荷总量变化规律的影响,以及对油纸试品表面陷阱能级密度分布的影响。结果表明:随着绝缘纸老化程度的加深,加压过程中阳极处的正电荷密度峰值以及试品内部负电荷密度峰值逐渐增大,去压后空间电荷衰减速率减小;绝缘纸老化越严重,试品内部积聚的空间电荷总量、试品的表面陷阱能级密度也越大。与绝缘油老化对油浸绝缘纸空间电荷特性的影响相比发现,绝缘油与绝缘纸的老化均会改变油纸绝缘介质空间电荷分布,增大空间电荷注入总量,从而对材料绝缘性能造成巨大影响。     

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。     

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。     

硫化亚铜沉积对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究硫腐蚀对油纸绝缘系统空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。为此,将不同质量分数腐蚀物(即0、0.05%与0.1%二苄基二硫(DBDS))的油纸绝缘系统在130℃下加速热老化得到油纸试品,采用电声脉冲法研究了样品的空间电荷注入、迁移和消散特性,分析了油纸老化与Cu2S沉积对油纸样品在加压和去压作用下的空间电荷总量变化规律的影响。结果表明:绝缘纸上沉积的Cu2S产物使得加压过程中试品阳极处的正电荷密度峰值显著增大,样品内部出现大量的正电荷。空间电荷总量随腐蚀质量分数的增加而增加,0.1%与0.05%DBDS作用下空间电荷最大总量分别是无DBDS的样品电荷总量的2.37与1.5倍。另外,沉积产物也影响空间电荷的消散特性,质量分数越高消散速率越快。初步分析认为Cu2S沉积增加了绝缘纸内的陷阱密度分布,增大了空间电荷注入总量;减小了陷阱深度,提高了空间电荷的消散速率。     

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。     

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。     

热老化对纤维素绝缘纸的空间电荷及陷阱特性的影响

为理解变压器用纤维素绝缘纸在其热老化过程中的空间电荷特性演变规律及其影响机制,采用电声脉冲法研究不同老化程度绝缘纸在不同电压等级(30、15和5kV/mm)下的加压和去压后的电荷密度分布规律,分析了绝缘纸热老化程度与其空间电荷特性演变规律间的联系。结果表明:纤维素绝缘纸体内电荷注入量及注入速率与外施电场等级成正比关系。热老化能够降低纤维素绝缘纸空间电荷注入的起始阈值,并减缓绝缘纸体内电荷注入和迁移的速率,从而削弱了体内电荷的复合现象。随着热老化程度的增加,纤维素绝缘纸体内陷阱的分布密度和陷阱能级的深度都将增大,致使材料体内残留电荷不仅总量逐渐增大,而且衰减速率逐渐降低。研究成果为理解热老化对纤维素绝缘纸空间电荷积聚和消散的影响机制提供了理论支撑。     

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。     

温度对直流电压下油纸绝缘空间电荷特性的影响

油纸绝缘是直流输电设备的主要绝缘材料,其空间电荷特性变化会引起局部电场发生畸变,从而影响材料的介电强度,降低直流输电设备的运行可靠性和稳定性.使用电声脉冲法( PEA)测量装置,分析油纸绝缘中空间电荷的注入、迁移、消散规律,搭建试验平台,通过升压试验获得试品空间电荷注入的参考电压,然后对试品加3 kV的直流电压,分别在15℃、30℃、50℃温度下对油纸介质的空间电荷的特性进行分析.试验结果证明:在不同条件下发生空间电荷的注入,温度会对去压时空间电荷的消散产生很大的影响;温度会影响油纸绝缘介质内电场的大小和分布,使空间电荷严重畸变电场,引起绝缘的进一步破坏.     

连续雷电冲击下的变压器油纸绝缘老化特性

随着气候的持续变暖，雷暴极端天气频繁出现，变压器面临连续雷电冲击电压的威胁，导致变压器油纸绝缘受损，运行存在安全风险。为了模拟变压器在极端雷暴环境下的运行状况，搭建了雷电冲击试验平台，并通过对油纸绝缘模型施加不同次数的雷电冲击电压，研究连续雷电冲击电压作用对油纸绝缘老化特性的影响。对受到不同雷电冲击次数的样品进行了极化/去极化电流测试，并利用扫描电镜观测了绝缘纸的微观形态变化，开展了绝缘纸抗拉强度测试和绝缘油微水含量测量。随后，分析了纤维结构的变化对绝缘纸应力-应变的影响，利用id(t)t–lnt曲线获得了去极化陷阱能级密度谱，并对陷阱能级、密度随老化程度的变化规律进行了分析。结果表明，随着雷电冲击次数的增加，绝缘纸的纤维结构劣化程度加深，应力峰值下降，油纸绝缘的极化、去极化电流曲线以及去极化陷阱曲线均上移，去极化陷阱密度曲线峰值和峰值时间常数增加。应力峰值的下降是绝缘纸纤维劣化的宏观体现，去极化陷阱曲线峰值和峰值时间常数可以作为油纸绝缘在雷电冲击作用下的老化特征量。     

Influence of oil aging on the space charge dynamics of oil‐immersed paper insulation under a DC electric field

The formation of space charge in oil/paper insulation system can lead to material degradation in the region of high electric field. Therefore, it is important to understand the factors that affect space charge formation in oil/paper insulation system. In this paper, the effect of oil aging on space charge dynamics in oil/paper insulation system is investigated using the pulsed electroacoustic (PEA) technique under a DC electric field at room temperature. The ultraviolet/visible (UV/vis) spectrum of the oil shifts to longer wavelengths, and the oil acidity increases as the aging time increases. It has been found that the oil property has a significant effect on the space charge distribution in the oil/paper insulation sample. The more the deterioration of the oil, the larger amount of negative and positive charges accumulated in the bulk of the oil/paper insulation sample. The total amount of slow moving charges, the surface trap energy density, and the electric field distortion of the oil/paper insulation sample increased with the degree of deterioration due to oil aging. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

油纸绝缘介质的空间电荷积聚与消散特性

油纸材料的绝缘问题在换流变压器、直流套管、直流电缆等高压大型直流设备大量应用的情况下显得十分突出。为探讨高压直流设备绝缘的最主要问题—空间电荷效应,应用电声脉冲法(PEA)对油纸绝缘材料的空间电荷特性进行了研究。有关外加场强对油纸材料中空间电荷积聚情况的影响和在较高场强下油纸材料的击穿破坏与空间电荷关系的研究结果表明:①低场强下油纸材料中空间电荷以电离产生为主;而在较高场强下,先后在阴极和阳极产生了同极性载流子注入。②相对于聚乙烯而言,由于油纸材料的电导率较大,材料内的空间电荷在外加电场撤去后很快消散。③空间电荷的注入和运动会导致油纸材料的劣化和破坏。油纸材料中的空间电荷快速消散现象有利于直流设备在极性反转条件下的运行,为阐释油纸绝缘良好的长期性能提供了有重要意义的试验依据。     

基于松弛电流变压器油纸绝缘状态诊断方法研究

对油纸绝缘样品施加10 k V/mm场强进行电老化试验,并采用松弛电流法研究了油纸绝缘的老化评估方法。利用色谱法测试不同老化程度油样中的溶解气体,发现老化前后气体含量变化显著,说明经电老化的试样老化明显。分别选取6个老化时间点的样品进行松弛电流测试,从不同角度分析不同参量所表征的老化信息。利用I*t~log10t曲线分析了油纸试样的陷阱分布,发现试样老化初期陷阱密度逐渐增加,试样老化后期陷阱深度明显加深。运用四阶Debye模型对电流曲线进行拟合,推断了油纸绝缘四种松弛机制的物理机理,发现各松弛机制随着老化时间的增加有不同程度的增大。最后研究了去极化电量随老化时间的变化趋势,试图用直观参数分析试样在不同时间点的老化程度,发现在60 h后开始大幅度加深。     

油纸绝缘内部合成电场数值模拟方法

油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘介质,其内部电场的分布受外加电压以及空间电荷的影响,而传统的数值方法无法准确计算空间电荷的影响。提出一种基于电极肖特基发射理论和瞬态上流元法(TUFEM)求解载流子输运方程的方法,计算了考虑注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数以及载流子复合系数等参数影响下的单层油纸绝缘介质内部空间电荷运动分布特性。与试验结果对比表明瞬态上流元法的有效性。研究典型油纸绝缘介质结构内部合成电场强度畸变程度随温度梯度变化的特性。同时,计算得到极性反转电压下不同时刻的电荷运动和电场分布规律。该方法可推广在(特)高压直流换流变压器内绝缘电场计算和优化设计。     

直流电场下油纸绝缘介质界面处的空间电荷特性

换流变压器是直流输电系统的核心设备,其油纸复合绝缘结构的空间电荷特性复杂,工程实践表明其对绝缘放电的影响不可忽略,因此针对油纸复合绝缘开展空间电荷特性的研究对换流变绝缘结构设计和运行分析有指导意义。为此,应用电声脉冲（PEA）法研究了电场对双层油浸纸介质中空间电荷特性的影响以及界面处的空间电荷特性。指出在双层油浸纸的界...