直流电压下变压器油纸绝缘局部放电的发展过程

研究变压器油纸绝缘局部放电(PD)的发展过程对于特高压换流变压器的运行维护十分重要。为此,对典型油纸复合绝缘缺陷模型在直流电压长期(100 h)作用下的局部放电信号进行了统计分析;根据其统计特征图谱,将直流局部放电发展过程划分为4个阶段。此外,还采用无感电阻测量直流局部放电单个脉冲波形;并对直流电压长期作用下的油浸绝缘纸板表面形貌变化进行了观测。试验结果表明,直流电压下的局部放电脉冲的上升沿在10～100 ns范围内,首脉冲持续时间约500 ns,其余振荡脉冲脉宽在600～900 ns范围内;估算得出单次直流放电脉冲能量在0.01～0.1 J范围内。此外,研究发现绝缘纸板的表面会在针电极电蚀作用下产生"凹坑",这为实现基于多信息融合的直流局部放电发展趋势预测奠定了基础。     

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。     

不同发展阶段油纸绝缘直流局部放电信号的时频特性

目前针对换流变压器油纸绝缘直流局部放电特性的研究成果较少,且缺乏相关研究标准及理论依据。为此,在80℃环境温度下,对典型油纸复合绝缘缺陷模型在直流电应力作用200 h内的长期局部放电单一脉冲信号的时域、频域信号变化规律进行了分析,统计了直流局部放电信号不同发展阶段的等效时频特征;并采用扫描电镜观察绝缘纸板表面形貌特征,利用原子力显微镜观测绝缘纸板表面粗糙度的变化规律;采用ANSYS电场仿真法研究了绝缘纸板表面最大电场强度与其表面最大偏差的关系,并率先在国内外建立起两者之间的定量函数。试验结果表明,随着加压时间的增加,单一放电脉冲的上升时间逐渐增大,从几ns增大至数μs;放电脉冲电流值也随之增大,由数百mA增大至数A。随着老化时间的延长,绝缘纸板表面纤维素分子逐渐断裂,使得纸板表面逐渐电蚀碳化,其粗糙度也相应逐渐增大,进而对绝缘纸板造成严重损伤。此外,纸板粗糙度的增大会引起电场畸变,更易诱发局部放电。     

UHVDC换流变压器油纸绝缘缺陷直流局部放电发展过程

特高压换流变压器绝缘承受的直流电压高,绝缘缺陷劣化发展迅速,且单凭局部放电(PD)量值和放电次数无法对绝缘缺陷的发展阶段进行分析诊断。为此,研究了特高压换流变压器内部油纸绝缘缺陷直流局部放电特征及其发展过程,构建了油纸针-板等7种局部放电模型。采用阶梯式升压法研究在长期外加电压作用下,绝缘纸板从起始放电到被击穿的整个缺陷发展过程中脉冲电流信号的实时特征及其统计特性,通过拍照的方式给出各模型各发展阶段纸板表面电腐蚀状态,并给出各相应发展阶段电场的空间分布。结果表明:直流局部放电发展过程复杂,初期以大放电脉冲为主,放电频率低,等待恢复时间随机性强;中期和末期以小脉冲放电为主,等待恢复时间均匀分布;临界击穿时等待恢复时间分布集中。结合多种放电模型直流局部放电试验,可断定不同缺陷结构从起始直流局部放电到击穿的过程中,其局部放电的总体发展趋势表现一致。     

机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响

变压器中油纸绝缘材料在运行时承担着热、电、机等应力并在其作用下不断老化,然而关于机械应力下油纸绝缘材料的老化尚未引起足够重视.为研究机械应力下油纸绝缘材料性能演变规律,该文对油浸绝缘纸板进行不同机械应力下的老化实验,并对老化后的绝缘纸板进行力学性能测试、局部放电实验以及表面形态观测.研究结果表明,力学性能对绝缘纸板性能的影响以20MPa为界分为两部分.当机械应力低于20MPa时,纸板的弹性模量及剩余形变均较小,随着机械应力的升高,纸板绝缘性能有所提升;当机械应力高于20MPa时,纸板的弹性模量及剩余形变显著增大,随着机械应力的升高,纸板绝缘性能快速下降,纸板电极下局部放电模式也发生了变化.共聚焦显微镜观测结果表明,当机械应力高于20MPa后,绝缘纸板中的纤维由弹性变形转为塑性变形,纤维出现分岔、空洞及断裂,导致纸板的绝缘性能降低.该文研究结果为变压器中油纸绝缘材料在机械应力作用下老化规律的研究提供了基础,并有效地提升了判别变压器内部绝缘状态的能力.     

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。     

油纸绝缘在直流局部放电发展不同阶段中介电特性变化规律

为研究油纸绝缘在直流电压下长期局部放电发展的过程,采用脉冲电流法对典型油纸绝缘缺陷模型在80℃环境温度中进行了200 h的直流耐压试验,根据其统计分布的明显变化将直流局部放电划分为5个阶段;利用Novocontrol宽频介电阻抗谱仪对直流局部放电发展不同阶段的绝缘纸板的介电常数、体电导率及介质损耗因数的频谱特性进行测量,并通过X射线衍射仪及红外光谱分析仪对直流局部放电发展不同阶段的绝缘纸板的聚集态及表面官能团进行测定。研究结果表明:绝缘纸板介电常数频谱随加压时间会呈现下降趋势,主要原因是绝缘纸板纤维素分子在直流电场作用下其结晶度上升,分子排列逐渐规则,导致分子间距减小,使得纤维分子转向逐渐变得困难,引起绝缘纸板极化率下降;体电导频谱随加压时间增加而逐渐增加,这是由于绝缘纸板的结晶度的增加而导致纤维素分子间电子云重叠,电子在分子间迁移率增加,在外施电场作用下电子的运动更加容易,从而致使绝缘纸板电子电导增加;介质损耗因素随加压时间增加而逐渐减小,这是由于决定绝缘纸板介质损耗因数tanδ的纤维素分子葡萄糖基上含有极性基团—CH2OH,在电场和温度场的共同作用下,其在有氧环境中逐渐被氧化生成羰基基团,进而极性基的数量明显减少造成的。     

油纸绝缘系统针板缺陷下局部放电发展过程研究

对典型油纸绝缘针板缺陷进行了交流电压下的局部放电试验,并对其放电脉冲相位分布(phase-resolved partial disdarge,PRPD)谱图与典型脉冲波形进行了分析,并根据PRPD谱图中局部放电脉冲分布趋势将局部放电发展过程划分为3个阶段。试验结果表明,油纸绝缘交流电压下局部放电脉冲可分为两类,分别代表着油纸绝缘结构中发生的局部放电与气泡中发生的局部放电。随着电压的升高,绝缘纸表面开始出现负极性下的沿面放电,对绝缘纸造成较大损伤,导致绝缘纸性能劣化,最终导致介质击穿。研究油纸绝缘结构局部放电随着电压等级升高的发展过程有助于实现变压器在线监测。     

直流电压下油纸绝缘局部放电发展过程的潜伏期特征

研究直流电压下油纸绝缘局部放电发展过程对于准确判断换流变压器的绝缘缺陷十分重要。为此搭建了油纸绝缘直流局部放电试验系统,采用球-板电极模型、阶梯式加压方法试验研究了直流局放发展过程,得到了发展过程存在潜伏期的结论,同时采用光学显微镜、原子力显微镜及宽频介电谱仪对直流局放发展过程中的油纸绝缘材料特性进行了测试,试验结果表明:潜伏期内油纸绝缘表面变得光滑,类似"山峰"状的纤维结构基本消失;油纸绝缘粗糙度呈现先降低后上升的趋势;油纸绝缘相对介电常数呈下降趋势而电导率呈上升趋势。研究结论可用于进一步分析油纸绝缘直流局部放电的机理。     

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。     

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.     

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。     

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。     

局部放电作用下变压器匝间油纸绝缘加速劣化规律

为研究变压器内油纸绝缘材料局部放电作用下劣化缺陷的发展规律及其与局部放电特征量的关联性,构建了匝间局部放电模型,进行了多组不同加压时间长度的恒压试验,并记录了试验过程中的局部放电信号。利用匝间绝缘纸带可层层拆解的结构特点,获得了匝间绝缘在加速电劣化下炭化通道发展的统计性规律。研究结果表明,恒压加速电劣化作用下匝间油纸绝缘局部放电缺陷即炭化通道沿宏观电场的纵向发展过程呈现增长、停滞和击穿三个基本阶段;脉冲重复率和脉冲1s内总放电量可以宏观地表征匝间油纸绝缘电劣化缺陷的发展状况,为油纸绝缘局部放电严重程度阶段性的准确划分提供参考依据。     

直流电压下油纸绝缘杂质小桥的形成过程

换流变压器阀侧绕组在运行中需同时承受交流、直流电压作用,直流电压下油中固态杂质对油纸绝缘性能具有极大威胁,但一直缺乏固态杂质形成与发展机理的研究。为此,设计了油纸绝缘模型,分析了直流电压下杂质小桥的成分及产生原因,并在此基础上研究了恒定负极性直流电压作用下杂质小桥的产生、发展过程,同步获得了该过程对应的局部放电特征。研究结果表明:杂质小桥由直流电场作用下绝缘纸表面脱落的纤维丝束构成。小桥产生、生长乃至引起绝缘击穿的过程可分为3个阶段,在此过程中杂质小桥数量明显增加,小桥直径由第1阶段的100μm增长至第3阶段的1 mm,对应局部放电平均放电量由400 p C增加到1 000 p C,每分钟放电次数由几十次上升为上百次。其中,第3阶段产生的"高危小桥"是引起绝缘破坏的关键因素,最终击穿即沿"高危小桥"发生。此外,实验中后期出现了"集群放电"现象,该过程是由杂质小桥的产生、消失现象造成。     

直流预压对油纸复合绝缘局部放电特性的影响

为了研究直流预压对油纸绝缘交流局部放电特性的影响,对预压不同时间、不同幅值直流电压以及去极化后重复加压情况下的油纸绝缘交流局部放电特性,不同预压时间和去极化后的油纸绝缘材料的空间电荷特性进了研究。研究结果表明,随着预压直流电压幅值的增大和预压时间的延长,放电起始电压和熄灭电压减小;随着重复加压次数的增多,放电起始电压先上升后下降,但均低于未预压下局部放电起始电压。分析表明预压直流30min后油纸绝缘空间电荷分布达到平衡状态,预压时间越长,去极化后油纸绝缘材料残余空间电荷数量越多;同时长时高幅值预压会使得与高压电极接触的绝缘纸板表面电荷分布均匀,从而改善油纸绝缘内部的电场分布,进而影响油纸绝缘的局部放电特性。     

交直流复合电压下油纸绝缘内部气隙缺陷局部放电特性

为了研究换流变压器油纸绝缘的局部放电特性,制作了典型的油纸内部气隙缺陷放电模型,设计了交流和直流电压叠加的实验回路,模拟换流变压器绝缘承受的电压类型。针对实验模型施加不同分量的交流电压和直流电压,用脉冲电流法分别检测该模型局部放电的各个特征参数,进行比较研究。总结了复合电压下油纸气隙放电模型的局部放电脉冲特征规律,并分析了其放电机理。结果表明,交直流复合电压下的油纸绝缘气隙放电具有不同于交流和直流下局部放电新的特点。为实现换流变压器的绝缘状态在线监测与综合评估积累了经验数据。     

基于放电统计参数动态变化率的油浸芳纶绝缘纸局部放电发展过程研究

车载变压器运行环境恶劣,在运行中易出现绝缘缺陷,引发局部放电,损伤油纸绝缘系统,影响列车安全稳定运行。本文根据车载变压器的匝间绝缘结构,使用芳纶绝缘纸设计了三层油纸局部放电模型,在实验室中开展局部放电模拟试验,使用局部放电检测仪检测局部放电信号,并提出局部放电统计参数动态变化率的方法,表征局部放电发展过程。结果表明：油...     

温度对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响

换流变压器油纸绝缘的沿面放电特性受电场、温度场等多场耦合作用的严重影响,而目前相关研究又极其缺乏。为此使用典型柱–板电极模型,对70、90、100℃下油纸绝缘沿面放电发展过程中放电信号的特征谱图进行了统计分析,探索了温度对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响机制。研究结果表明:随着温度的不断升高,油纸绝缘在相同交、直流复合电压作用下相邻2次放电之间的时间间隔快速缩短,放电量快速升高,沿面放电发展速度加快,沿面放电发展4个阶段中小幅值放电量的放电次数逐渐减少,大幅值放电量的放电次数逐渐增多。分析表明随着温度的升高,加速了放电前电荷的积聚和放电后残余电荷的泄放速度,小幅值放电量的"驼峰"区域向放电量增大的方向缓慢移动,大幅值放电量密集出现加剧了对绝缘纸板的表面的烧蚀破坏,加速了油纸绝缘沿面放电发展的速度。     

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。