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。     

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。     

混合式高压直流断路器研究现状综述

随着柔性直流输电技术在近三十年的巨大进步,高压直流断路器研究成为国际研究热点。文中针对高压直流输电技术的发展趋势,论述了高压直流电网对高压直流断路器的强劲需求;介绍了目前应用较为普遍的混合式直流断路器发展历程、拓扑结构及开断原理;在此基础上,从元器件数量、设备可靠性方面对比分析了目前基于IGBT级联型双向开断的混合式直流断路器、基于H型全桥拓扑结构的混合式直流断路器、二极管带IGBT全桥拓扑结构的混合式直流断路器3种典型技术方案的优劣;总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来发展方向。     

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。     

变压器油道内油流带电现象与油道电场的仿真计算

油流带电对电力变压器造成危害,引起系统故障甚至事故,为此实验测量了油道内的冲流电流,并仿真计算了油道中的电场强度分布。以变压器中典型的并联油道结构为研究对象,分别对油流温度、流速以及外加电场因素影响下的油道内的冲流电流进行了测量,得到了冲流电流的分布规律。试验结果表明冲流电流在外电场作用下呈现随电场强度增大指数增大的现象。基于上述试验研究,对相应的仿真模型施加交流电场与表面静电荷两种载荷,进行了有限元仿真计算,得到了油道内部的场强分布。计算结果表明,在表面静电荷与外电场等2种载荷共同作用下,油道内与电极接触绝缘纸板油纸界面处油侧的电场强度由无表面静电荷作用下的4.9kV/mm上升至10kV/mm,油道内局部电场出现严重畸变并呈现增大的趋势。因此,应当采取有效的措施预防或减少油流带电造成的危害。     

变压器油与绝缘纸板电导特性研究

从电导特性的角度研究了变压器油在高场强下的预击穿过程及机制,将变压器油在不同电场下的电导机制分为3个阶段:①在电场低于0.44 kV mm 1时,电导电流I与外施场强E成正的线性关系,符合欧姆定律;②电场强度在0.44 1.33 kV mm 1范围内时,ln(I/E2)1/E成正比,满足Fowler-Nordheim场致发射方程,属于隧道效应电流阶段;③当油中电场强度E>1.33 kV mm 1,I与电压的二次方U2成正比,属于空间电荷限制电流阶段,载流子视在迁移率c约为2.93 10 3cm2/(V s),当外施电场为2 kV mm 1时,载流子流速v为0.586 m s 1,电流体力学迁移率h约为1.5 10 3cm2(V s)1。同时,对影响变压器油电导特性的温度、流体压强、油中含水等因素进行研究,试验结果表明,随着温度的升高、流体压强的减小以及油中含水量的增加,变压器油的电导电流均将明显增加。此外,对工程上关注的不同浸油程度的绝缘纸板的电导和介电特性及其影响因素进行研究,结果表明,随着浸油水平、温度和工作频率的提高,绝缘纸板的电导电流均将相应增加。     

造纸用水电导率对油纸绝缘电气特性的影响

水在纸的制造过程中发挥了关键作用。为探究水电导率对油纸绝缘电气性能的影响,分别利用电导率为3μS/cm的纯净水和电导率为100μS/cm,500μS/cm和1 000μS/cm的氯化钠溶液制备绝缘纸,进而得到油纸试样。对所得试样,测试电导电流、体积电阻率、介电特性和击穿特性。结果表明:随着造纸用水电导率的增加,油纸试样的电导电流上升,体积电阻率下降,介质损耗角正切值增大;交流击穿场强没有显著变化而直流击穿场强从90 kV/mm下降到72 kV/mm。利用离子色谱仪分析绝缘纸中钠离子和氯离子的质量分数,发现离子质量分数随水电导率的增加而升高。由此得出,造纸过程中随着水电导率增加,纸中残留的离子含量增加,从而引起油纸绝缘部分电气性能的变化。     

重复加压及直流预压过程对油纸绝缘局部放电特性的影响

换流变压器出厂试验过程,经常遇到直流耐压试验结束后若干h内,交流耐压试验按照GB/T 18494.2执行无法顺利通过的问题,说明直流预压对油纸绝缘交流局部放电特性产生一定影响。为此,采用球-板电极模型模拟油纸绝缘系统中的稍不均匀电场,试验探究重复加压与直流预压过程对油纸绝缘局部放电特性的影响,重点对比分析纯交流初次加压、重复加压以及直流预压3种情况下的局部放电起始电压、临界击穿电压及熄灭电压变化规律。研究结果表明:重复加压过程会大幅减少绝缘系统的局部放电起始电压(降至约33.44%),临界击穿电压下降约7.84%,熄灭电压几乎不受影响,经过高压端接地约8~9 h后,系统内的局部放电耐受水平与初次升压过程水平相当;而直流预压过程会一定程度上减小系统的局部放电起始电压(降至约82.38%)、临界击穿电压(降至约89.75%),且随着直流预压水平的提高上述两参数降幅更加明显,熄灭电压几乎不受直流预压作用的影响,一般经过4~6 h高压端接地静置,直流预压过程对于油纸系统内局部放电特性的影响消失。基于多次试验结果,提出重复加压及直流预压过程产生的空间预存电荷是对交流电压下局部放电特性造成影响的主要原因。     

β 成核剂含量对等规聚丙烯电导电流和 空间电荷特性的影响

成核剂广泛用于调控聚丙烯的相变行为。为研究β成核剂含量对等规聚丙烯(iPP)电导电流和空间电荷特性的影响,制备了不同取代芳基杂环磷酸盐β成核剂(TMB-5)含量的iPP试样,开展了电导电流和温度场下空间电荷试验。结果表明,随着β成核剂的增加,β晶含量先增大后减小,而电导电流先减小后增大;25℃、-100 MV/m条件下极化30 min,六组iPP试样的电场畸变率均不超过6%;70℃、-100 MV/m条件下极化30 min,各组试样靠近阴极处均积聚正电荷,纯iPP试样电场畸变率最大(36.1%),而iPP-β0.1%(0.1%含量β成核剂)仅为13.2%。结合偏光显微观测和微晶团簇尺寸统计结果,从β成核剂的分散和成核过程分析了iPP试样中β晶含量变化的原因;利用极化和去极化过程中空间电荷的测试结果,并依据材料的微观结构与内部陷阱的相关性,解释了β成核剂含量对iPP试样内部空间电荷迁移和分布的影响过程。     

纳米改性变压器油的破坏特性

变压器等输变电主设备的油纸介质已越来越不能满足特高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。为了解决输电电压等级提高带来的高性能变压器油及油纸绝缘问题,基于纳米改性技术,开展具有优异电气性能的新型纳米油纸复合绝缘系统的研究。采用变压器油纳米添加改性技术,研究了纳米改性变压器油的制备方法,得到了纳米改性提高变压器油破坏特性的最佳配比,并对纳米改性变压器油在交流、直流、雷电冲击下的破坏特性和局部放电起始电压进行了对比研究。研究发现纳米改性可以提高在较大间隙下变压器油的击穿电压,并且能显著提高其局放起始电压,改善其雷电冲击下50%放电伏秒特性曲线。基于纳米粒子介质球在电场中的极化理论,研究了粒子表面极化电荷密度分布和产生的势阱,并指出纳米粒子界面对载流子的捕获和流注的阻挡作用是较大电极间隙下纳米改性变压器油绝缘性能提高的原因。研究结果说明了纳米改性对于变压器油纸绝缘系统的性能提高提供了新的可能途径。