油纸绝缘气隙模型局部放电特性试验研究

为了研究直流输电系统中换流变压器油纸绝缘的局部放电特性,设计构造了典型的油纸局部放电模型———气隙放电模型。针对同一模型分别施以交流电压、直流电压以及冲击衰减振荡电压,采用IEC 60270-2000推荐的脉冲电流法分别检测与分析该模型局部放电的不同特征参数。对比研究了在交流、直流及振荡冲击电压下油纸绝缘气隙放电模型的局部放电脉冲特征参量包括局部放电起始电压、熄灭电压、放电波形、放电水平、放电重复率等,对实现换流变压器的局部放电在线监测与绝缘状态综合评估有一定的指导意义。     

交流与直流电压比例对油纸绝缘内部气隙放电特性影响分析

为实现换流变压器故障诊断,研究交流与直流电压比例对油纸绝缘放电特性的影响对换流变压器的故障诊断判据选取具有实际工程意义。因此该文搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘气隙缺陷局部放电测量平台,通过多次试验得到了局部放电特征与交直流复合比例的试验关系;另外建立了油纸绝缘气隙缺陷的物理模型,从理论上分析了比例与放电特征关系的仿真结果。试验测量和理论仿真结果相同:随着交流和直流叠加电压中直流成分的增大,脉冲重复率和放电量不断减小;交流时的放电起始电压低于交直流复合电压作用时的起始电压,而且直流比例越高,起始电压越高;随着交流中直流成分的增加,放电起始相位从交流正负半周过零点附近向负半周期峰值附近移动,换流变压器不同位置的绝缘问题应该采用不同的诊断依据。     

不同电压形式下油纸绝缘柱板模型局部放电的特征

换流变压器阀侧绕组所承受电场应力复杂、绝缘要求严苛,直流运行统计也表明换流变压器绝缘故障率较高,电力变压器绝缘劣化严重程度的评估和检测标准对换流变压器绝缘性能判断的有效性需要进一步的研究。笔者构建了油纸绝缘局部放电发展过程测试平台,以阶梯升压的方式,对比研究了柱板模型在交流、直流和交直流场中局放从起始放电到绝缘失效全过程中常规脉冲放电信号的特征,并从中提取了能够有效表征局部放电发展过程的特征量信息。研究结果表明:总放电量、放电次数骤增是油纸试品绝缘性能下降的外在表征;各外施电压作用下局放现象的起始放电特性,发展过程中放电量、放电重复率、放电次数及相应演化关系等特征差异明显。     

复合电压比例对油纸绝缘沿面放电的影响

结合换流变压器内部运行环境,设计了一套外施电压为交流有效值和直流平均值叠加组成的复合电压下沿面放电试验平台,通过试验分析交流电压及不同比例复合电压下油纸绝缘的沿面放电特征。结果表明:随着复合电压中直流分量的增大,沿面放电起始电压和闪络电压随之增大,而放电脉冲重复率和平均放电量减小,放电强度降低,因此在对换流变压器进行油纸绝缘沿面放电诊断时,不可忽略交流有效值和直流平均值的复合电压比例,放电特征和复合电压比例之间的关系对换流变压器故障诊断具有一定的指导作用。     

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。     

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。     

电压类型对球板电极下油纸绝缘局部放电起始特性的影响

检测局部放电是监测换流变压器绝缘状态的有效手段,但是针对不同电压类型(交流、直流以及极性反转电压)对油纸绝缘起始放电特性影响的研究很少。为此,通过球板电极对油纸绝缘施加交流、直流以及交直流复合电压,借助常规脉冲电流法和宽带脉冲电流法2种检测手段,研究了油纸绝缘在不同电压类型下发生起始放电时的起始放电电压、视在放电量、放电相位以及放电波形等的差异。研究结果表明:不同电压类型时,起始放电电压按照电压升序排列为交流、正极性直流+交流、正极性直流、负极性直流+交流、负极性直流;直流下的起始放电电压比交流下高4倍;球板电极下油纸绝缘起始放电均多发生在1、3象限,且2个象限的放点次数不同。此外交流和直流电压下发生起始放电时,其放电脉冲的波形特性各不相同;正极性直流下起始放电脉冲波形最陡(脉宽为数ns),中心频率最高(42 MHz),而负极性直流下起始放电时脉冲最平坦,中心频率最低。     

交直流复合电场中油纸绝缘沿面放电现象及特征

油纸绝缘沿面放电是换流变压器中常见的一种故障类型,了解换流变压器内沿面放电现象及特征对实现设备故障诊断具有重要意义,不过由于换流变压器内主要为交直流复合电场,放电现象与交流单独作用时有明显区别,所以诊断判据应不同,但是目前缺少换流变压器的诊断依据,因此为了得到换流变压器沿面放电的诊断依据,搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电检测平台,观察了交直流复合电压作用下油纸绝缘沿面放电现象,统计了局部放电和油中溶解气体特征变化规律,根据放电特征和油中溶解气体产物将放电严重程度进行分级,为换流变压器诊断提供判据。结合交直流复合电压作用时沿面局部放电及产气特征可以为换流变压器故障严重程度提供判定依据。     

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。     

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。     

基于混合电场线性叠加原理的换流变压器内部电场分布规律研究

换流变压器是特高压直流输电系统中的关键设备,其阀侧承受着交直流复合电压。研究热老化对交直流电压在油纸绝缘内分布的影响,可为换流变压器油纸选型提供理论借鉴。选取了换流变压器常用的绝缘油和绝缘纸作为研究对象,并对2种不同油纸组合展开加速热老化试验,测量并分析试验过程中绝缘油和绝缘纸的介电常数和电阻率的变化规律,在此基础上通过油-绝缘纸-油有限元电场仿真模型分析,基于线性叠加原则,得到了交直流电压在热老化过程中的分布变化情况,表明热老化主要影响油纸中直流分量的分布,将显著提高油中的电场强度。     

交直流复合电场作用下油纸绝缘悬浮放电脉冲波形特征

悬浮放电是换流变压器油纸绝缘中比较常见的一种缺陷形式,由于换流变压器内部电场除单纯交、直流电场外,还存在交直流复合这种比较特殊的电场形式,因此本文结合换流变压器实际运行环境搭建了一套交直流复合局部放电检测平台,采用串联加压法获取了交直流复合电场情况下油纸绝缘悬浮放电的宽带脉冲波形,并提取了波形的时域、频域及时频联合特征。实验结果表明,换流变压器悬浮放电出现了两种截然相反的首波主脉冲放电波形,同时每种波形都具有明显的时、频域特征,该结果可为换流变压器的悬浮放电诊断提供依据。     

直流下局部放电试验与测量系统设计

笔者组建了一套直流下局部放电试验与测量系统,由放电脉冲波形超宽带测量系统和超高频信号测量系统组成。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。直流下试验结果表明:缺陷模型放电稳定,相同条件下放电重复性好;测量系统可以准确检测到放电脉冲波形和超高频信号。为研究直流下局部放电脉冲单个波形、脉冲序列以及超高频信号在线监测等提供了试验研究平台。     

直流下油纸绝缘中局部放电脉冲典型波形及其参数提取

笔者介绍了直流下局部放电脉冲波形测量系统的组建以及测量电阻的校验。利用该试验系统对模拟换流变压器油纸绝缘的5种典型缺陷模型进行了局放脉冲波形测量。试验结果表明:直流下油纸绝缘中缺陷放电稳定,脉冲波形无振荡分量和过冲,且不随电压变化而发生畸变。在对典型脉冲波形进行预处理的前提下,使用形状参数法、自相关函数法、AR模型参数法以及Renvi信息量进行了波形特征参数提取。所得结果为深入研究直流下油纸绝缘中局部放电机理、局放在线监测系统的频率特性以及放电类型的波形识别提供了实验依据。     

交直流叠加电压下针板模型放电及产气特性

换流变压器内电场以交直流叠加电场为主,与交流变压器有明显区别,因此其局部放电和产气特性与交流变压器不同,已有的交流诊断依据不适用于换流变压器,需要重新对判定依据进行总结。搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘针板放电试验平台,通过分析放电特征的时间变化趋势及统计规律,总结不同时间的产气特性,得到了适用于换流变压器的诊断依据。研究结果表明：交直流复合电压作用下放电和产气特性表现出明显的阶段特征,整个过程可以划分为3个阶段：放电起始阶段、发展阶段及临近击穿阶段;根据局部放电和产气特性的规律及趋势可以作为换流变压器针板放电阶段的判定依据,即脉冲重复率很小,烃类气体产出极少为起始阶段;脉冲重复率明显增加,CH4产出量大为发展阶段;绝对产气速率超过0.5 mL/h,C2H2产出量最大,且出现C2H6时为临近击穿阶段。     

电压类型对柱板电极放电故障下油纸绝缘产气特性的影响

由于换流变压器内存在交直流复合电场,交流变压器所采用的色谱诊断方法是否适用于换流变压器尚未可知,因此本文建立了一套交流及交直流复合电压作用时油纸绝缘柱板放电试验平台,对比了两种电压作用下的产气特性,并分析了原因。研究结果表明:柱板电极在不同类型电压作用下油纸绝缘产气特性不同,交流产气量大,产气速率大,能够较早地发现故障;而交直流复合场产气前期变化不明显,最后阶段产气量骤增后绝缘迅速失效;另外,交流和交直流复合电压作用下油纸绝缘柱板缺陷模型DGA诊断结果相同,都为火花放电,说明已有DGA诊断标准在换流变压器中有一定的适用性。     

交直流复合电压下油中局部放电的起始过程

换流变阀侧绕组同时承受交流、直流、交直流叠加、极性反转等多种特殊电压形式,其许用场强却未得到同等关注。因此,采用针-板、板-板典型电极模型和脉冲电流法及宽频带电流传感器检测法,研究了变压器油在交流、直流、交直流复合电压条件下的局部放电起始过程;总结了该起始电压随电压类型变化的规律曲线,为换流变许用场强的提出奠定了基础。试验结果表明:针-板电极模型下局放起始电压基本只与交流、直流、复合电压的幅值有关,而与电压类型、复合电压分量所占比例无明显关系;板-板电极模型中,复合电压下交流局部放电起始电压受直流分量的影响很小。通过高速摄像仪记录复合电压下局部放电引发击穿的全过程并估算出了放电增长速率约为1.8km/s;利用扫描电镜观测放电通道表面形貌特征,进而采用表面能谱分析法检测其主要元素含量由高至低依次为C、O、Cu、Si。最后通过复合电压下油中局部放电产生随机分布气泡的仿真模型算出,气泡使局部放电场强严重畸变,不均匀系数f达1.6。     

直流局部放电试验系统的研制及应用

随着中国特高压直流输电工程的发展,换流变压器等电力设备的安全可靠性问题显得尤为重要。由于直流局部放电试验能够提早发现绝缘缺陷、有效预防直流输电设备绝缘击穿事故的发生,根据直流局部放电机理,研制出一套可用于换流变压器直流耐压过程的局部放电检测的试验系统。该系统具有抗干扰能力强,高速、持续、实时采集的特点,能够保证系统检测的直流局部放电信号的有效性和完整性,并通过典型油纸复合绝缘模型验证了其性能。实践结果表明,它能有效、便捷地测量油纸绝缘直流局部放电的时域信号。对时域信号进行的时频分析和统计分析结果表明：同一电极模型中,统计特征参量的数值上随加压时间变化明显,可实现局部放电发展严重程度的预测;不同电极模型中,统计特征参量分布规律一致,可有效判断缺陷类型,该系统有望广泛地应用于直流输电设备检测。