大功率高频变压器绝缘问题研究综述

高频变压器是电力电子变换系统中负责电气隔离和电压变换的关键器件。大功率高频变压器紧凑化的结构使其复合绝缘或浇注绝缘承受严苛的电、热和机械应力,给绝缘设计带来很大挑战。该文首先回顾了高频变压器的应用背景和结构形式,然后分析了高频变压器主绝缘和纵绝缘承受的电压应力,指出变压器局部介电损耗的问题,从优化设计的角度表明了功率密度与绝缘可靠性之间的矛盾,并阐明了高频变压器绝缘承受机械应力。提取了近年来高频变压器样机的绝缘设计中常用的绝缘材料、绝缘形式、绝缘等级,分析了绝缘设计对变压器体积、电场分布及寄生参数等的影响,提出绝缘设计流程的改进方向。高频电压下聚合物绝缘的介电损耗、局部放电和空间电荷特性是目前相关研究的关注重点,而这些因素之间通常互相耦合。分析归纳了高频方波波形参数和温度等条件对局部放电、绝缘寿命、空间电荷和电树枝发展规律的影响,指出研究领域的空白。最后,对高频变压器应力特点、绝缘设计和绝缘问题研究现状进行了总结。

油纸绝缘水分迁移特性研究综述

油纸绝缘作为电力变压器的主要绝缘形式,其绝缘性能与水分含量密切相关,准确获得油纸绝缘的水分含量对变压器故障预警至关重要。在油浸式变压器内部电场、温度场等多物理场梯度的驱动下,水分始终处于动态迁移过程中,时空分布复杂,难以直接测量,因此需深入研究水分迁移特性。文中综述了油纸绝缘水分迁移机理、模型及特性研究上取得的成果:水分迁移是不同存在形式的水分子与绝缘油纸微观结构相互作用的过程,受多物理场的影响显著。现有油纸绝缘水分迁移研究多基于Fick定律,利用扩散系数表征水分梯度及温度对水分扩散速度的影响,但未能深入耦合多物理场的作用,不能获得温度梯度下的水分不均匀分布特性。研究获得了材料性质、温度、电场等多因素作用下扩散系数的变化规律及相应水分迁移过程,但将影响因素耦合于扩散系数的方式不能准确描述多物理场对水分迁移的作用,且缺少电场作用下的宏观水分迁移规律研究。根据驱动势平衡原理建立的热湿耦合模型能够描述水分的时空分布,量化电场对水分动态迁移特性的影响。进一步需推进基于水分时空分布无损测量的实验研究,深化多物理场耦合下水分迁移建模,构建多物理场下理论体系,以准确表征油浸式变压器中油纸绝缘水分迁移的时空分布。

GIS内自由导电微粒缺陷的局部放电相位图谱

GIS内自由导电微粒的存在是对GIS绝缘的最大威胁,如何检测GIS内自由导电微粒缺陷成为提高GIS设备运行可靠性亟待解决的问题之一。为此,搭建了GIS内自由导电微粒局部放电研究平台,明确了自由导电微粒造成的局部放电信号与微粒运动的关系,推导得到了理论局部放电相位图谱,该结果与实验结果相符。根据上述模型提出了GIS内自由导电微粒缺陷识别方法,并对现场工频局部放电试验的检测有效性进行研究。结果表明,GIS内自由导电微粒缺陷的理论局部放电相位图谱为正弦带状包络,呈现出对称性强、重复率低、放电全相位分布等特点;现场工频局部放电试验能够检测出不超过1 mm的铝质自由微粒,对GIS内自由导电微粒缺陷具有较高的检测有效性。研究为GIS内自由导电微粒缺陷的识别技术提供了理论支持。

波前时间对GIS典型绝缘缺陷放电特性的影响

为了解GIS各类绝缘缺陷在遭受过电压侵袭时的状况,研究了冲击电压波前时间对GIS典型绝缘缺陷50%放电电压（U50）以及伏秒特性的影响。实验发现,表面附着金属微粒的绝缘子和棒–板间隙U50随波前时间增加呈U形变化趋势;而同轴母线附着针凸起间隙的U50随波前时间增加近似呈线性增长,并逐渐趋于稳定值。研究了波前时间对伏秒特性的影响,实验发现,棒–板间隙伏秒特性曲线形状随外施电压波前时间变化而变化,且间隙距离d增加,最低击穿电压升高,U型伏秒特性曲线拐点有右移趋势。当缺陷类型为同轴母线附着凸起物时,随着波前时间增加,击穿电压分散性变大,伏秒特性曲线也变得平坦,且凸起物为针时,随着针长l增加,击穿电压降低,分散性变小,击穿发生在曲线拐点之后的概率增大。分析可知,可用空间电荷的形成、迁移以及复合状况来解释以上实验结果。

工频局部放电试验与雷电冲击耐受试验对GIS内局部电场集中缺陷检测的有效性

现场绝缘试验作为气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)设备投运前的最后一道关口,是保障GIS设备可靠运行的必要手段。为了明确高电压等级GIS的现场试验有效性,搭建了550 kV GIS真型试验平台,使用母线凸起物作为GIS内部电场集中缺陷,通过改变凸起物曲率半径及长度模拟不同的局部电场集中程度,分别进行工频局部放电试验及雷电冲击耐受试验,得到不同试验程序的检测盲区,从而对其有效性进行分析。结果表明,对于实验所用的550 kV GIS设备,工频局部放电试验对的临界长度随曲率半径减小出现先下降后上升的趋势,能够检测出的凸起物最小长度为4 mm;而雷电冲击耐受试验随曲率半径减小单调下降,能够检测出长度<1 mm的母线凸起物缺陷。工频局部放电试验的检测有效性受到起始条件和放电量条件二者约束。因此,对于现行的GIS设备现场试验标准而言,雷电冲击耐受试验相比于工频局部放电试验能够检测出尺寸更小的局部电场集中缺陷。因此,现阶段现场试验应在工频局部放电试验的基础上,补充开展雷电冲击耐受试验。

直流GIL盆式绝缘子的表面电荷分布

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL)盆式绝缘子的稳态电场按介质电导率分布,在长期直流电压作用下,绝缘子表面会积聚电荷,引起局部电场畸变,威胁设备的安全运行。因此有必要对直流盆式绝缘子表面电荷积聚现象进行研究,掌握准确的电荷测量技术、电荷反演计算方法和绝缘子表面电荷积聚特性,为提高盆式绝缘子的绝缘水平提供参考。文中研制了一套新型盆式绝缘子表面电荷测量装置,能够控制探头以等距垂直姿态对绝缘子曲面进行扫描式测量;采用同心圆环电极对静电容探头进行了标度,获得其空间响应函数,并基于矩阵的Cholesky分解法对绝缘子表面电荷分布进行了反演计算。实验研究了不同直流电压作用下,±200 kV直流盆式绝缘子表面电荷积聚和消散特性,并根据实验和仿真计算结果,提出了不同条件下适用的表面电荷分布模型。文中对深入认识直流盆式绝缘子的表面电荷积聚现象、完善电荷积聚机理具有重要意义。

气—固绝缘分界面电荷积聚模型及数值计算

气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)绝缘子在直流电压长期作用下,会积聚表面电荷,引起绝缘子沿面闪络电压降低,导致闪络事故。因此研究绝缘子在长期直流耐受下的表面电荷积聚现象,对气—固界面在直流电压下的电荷积聚机理进行分析,建立更为完善的表面电荷积聚模型,具有重要的理论意义和工程价值。笔者基于3种已有的表面电荷积聚模型、分界面电荷弛豫方程和更为普适的稳态电荷密度方程,利用微元法对盆式绝缘子表面电荷分布进行了数值计算。结果表明:分界面电荷弛豫方程能够近似描述电荷积聚的动态过程;稳态电荷密度方程揭示了电荷积聚的必然性,且能够在不同条件下退化为已有的3种积聚模型;介质分界面的电荷分布与外加电场、气体与固体的介电常数和电导率密切相关。

正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性

自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器(GIS)绝缘可靠性的主要威胁之一,常具有潜伏性和随机性,而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿,但相关研究鲜有报道。该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型,研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律,并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图。研究结果表明:初始时刻,在壳体加速度作用下,微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低,微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小。微粒运动过程中,相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关,且与微粒飞行时间呈正相关。与仅施加工频电压相比,外施振动激励条件下,微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲,且微粒飞行时间图谱呈山峰状,与带状飞行图谱相比具有明显差异,具有较高的识别性。

直流叠加冲击电压对GIS中自由导电微粒检测的有效性

自由导电微粒是造成气体绝缘金属封闭开关(GIS)设备故障的一个主要原因,而目前现场交接试验项目难以对GIS中的自由导电微粒进行有效检测,因此有必要研究新的检测手段,以对现场试验进行补充。直流电压下自由导电微粒容易起跳和运动,从而引起电场畸变,而冲击电压对于局部电场集中的检测较为有效,论文结合这2种电压的优点,提出了自由导电微粒缺陷的直流叠加冲击电压检测方法,并通过搭建叠加电压实验回路,在500k V GIS中对该方法的有效性进行了研究。结果表明:直流电压下,线形微粒的运动主要有跳跃与飞萤2种模式;随着直流电压的升高,微粒处于飞萤状态的概率逐渐增大,且正极性电压下飞萤发生在壳体表面,负极性电压下发生在母线表面,负极性电压下微粒呈现飞萤状态的概率远高于正极性电压;先对GIS施加负极性直流电压使微粒起跳,然后施加冲击电压,可以对GIS中自由导电微粒进行有效检测;随着微粒长度的增大,GIS在直流叠加冲击电压下的放电电压迅速降低;随微粒半径的增大,放电电压呈现降低趋势。负极性直流叠加正极性冲击下GIS放电电压较负极性直流叠加负极性冲击下更低,更有利于微粒的检测。

材料电导率对盆式绝缘子沿面电场与电荷分布的影响

在直流电压作用下,气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)盆式绝缘子表面容易积聚电荷;切断电压后,绝缘子表面电荷消散较慢,母线常存有残压。残余电荷的存在会威胁设备的安全运行,因此抑制表面电荷积聚,改善绝缘子沿面电场分布,具有重要意义。为此建立了恒定电场下200kV盆式绝缘子仿真模型,提出了绝缘材料表面电导率与体电导率的比值α,计算了不同α值下绝缘子沿面电场、电荷分布以及电荷消散时间常数,最后确定了α的合理取值范围。结果表明,α值在1-10[m]之间时,直流电场分布比较均匀,绝缘子表面电荷积聚较少;该范围内表面电荷消散时间常数为数百秒,沿面是电荷消散的主要途径。该研究结果对合理选择绝缘子表面电导率与体电导率比值、优化沿面电场分布、加快表面电荷消散等方面有一定的工程参考价值。

采用频域介电谱法的高压干式套管屏间局部绝缘劣化诊断

干式套管作为变压器的重要组成部分,屏间局部绝缘劣化时有发生,严重威胁变电站的安全运行。为进一步研究干式套管屏间局部绝缘劣化的现象,构建了实验模型,通过并联电阻的方式模拟了屏间局部绝缘劣化的现象,并基于频域介电谱（frequency-domain dielectric spectroscopy,FDS）对其在室温下进行了相应的诊断。结果表明,随着屏间局部绝缘劣化的发展,套管电容和介质损耗因素的频响曲线存在明显的过渡过程,在绝缘劣化发生的早期,工频检测方法有效性较低,而FDS的有效性则较高,且测量频率越低,对屏间局部绝缘劣化早期缺陷的检出效果越好。此外针对tanδ-f曲线中出现的快速下降段,修正了CIGRE套管模型,计算结果与实验结果一致性较好。

油纸绝缘层间气泡局部放电演化特性

在变压器内部电、热多重应力作用下,油纸绝缘匝间易产生气泡诱发局部放电,威胁变压器的安全运行。文中采用脉冲电流法研究油纸绝缘层间气泡局部放电的演化特性,掌握局部放电演化与气泡缺陷劣化的关联。结果表明,根据局部放电平均放电量(Q)、放电重复率(N)、局部放电相位谱图(PRPD)随时间的变化规律,气泡局部放电演化可分为起始、过渡和稳定3个阶段。通过改变加压时间和气泡位置,以及分析局部放电持续不同时间后气泡内部气体含量的变化,研究局部放电演化机制,发现起始阶段图谱特征产生的原因为绝缘纸表面电荷的积累,而过渡阶段的演化则源于以氧气为代表的电负性气体在局部放电持续作用下消耗殆尽,使得气泡内的放电模式发生改变。此外,气泡所处层间位置、气泡高度以及面积对放电量和重复率影响显著。定量结果表明:局部放电剧烈程度与气泡缺陷参数正相关,可以通过局部放电评估缺陷的劣化程度。研究揭示了层间气泡局部放电的演化规律及影响因素,能够为变压器油纸绝缘状态评估提供参考。