变压器内部电弧故障快速检测方法研究与对比

变压器内部短路电弧故障是变压器最危险、最严重的故障,极有可能造成变压器油箱的形变和破裂,乃至变压器油的燃烧与爆炸,对人员生命安全、变电站财产安全、电网运行安全都造成了严重威胁。实现变压器内部短路电弧故障的快速检测有利于及时发出断路器分闸信号,从而缩短电弧燃弧时间,减小电弧能量,降低燃爆可能性。为寻找适用于电弧故障快速检测的信号及特征,首先搭建了基于电容电感串联谐振的油中工频大电流电弧实验平台,并实现了油中工频电弧的电压、电流、压力波、光、电磁脉冲、气泡形态等关键电弧特性的测量;发现压力波存在前期快速振荡-后期持续上升两阶段,光信号存在间隔约10 ms的脉冲,电弧电流过零点时必定会产生电磁脉冲,上述压力波、光和电磁脉冲3种信号及其特性有望应用于变压器内部短路电弧故障的快速检测;最后对比了这3种故障检测方法的优缺点,并指出这些方法在工程实际应用前急需进一步解决的问题。

基于软打分机制—多模态融合的真实开关柜局部放电模式识别方法

局部放电类型与开关柜早期绝缘劣化程度密切相关,准确识别开关柜局部放电类型是改善开关柜运行状态,保障电网安全的重要手段。文中设计了真实开关柜中易产生的尖端放电、悬浮电位放电、强垂直分量沿面和弱垂直分量沿面放电4种局部放电类型。利用特高频传感器、暂态地电波传感器、超声传感器和高频电流线圈对开关柜的局部放电进行多模态融合检测,分析了同一缺陷下不同传感器的检测灵敏度以及不同缺陷类型的谱图特性。提取谱图的放电密度分布特征参量为正负峰值差Dpn、边沿积分差值Dei、前端均值差Dav、前端放电数占比Pfd和相位横向跨度Tr。提取谱图的轮廓特征参量为与缺陷标准轮廓的相关系数r。将所提取的特征参量融合得到表征开关柜局部放电模式的新特征体系,并提出了一种基于软打分机制的开关柜局部放电模式识别方法。该方法解决了传统识别方法谱图特征单一、识别准确率低、识别类型不精准的问题,为开关柜设备的在线监测和故障诊断提供了理论依据。

特约主编寄语

变压器、高压开关、电缆、换流阀等输变电装备的运行状态直接关系着电力系统的安全稳定。掌握输变电装备的服役特性,并开展智能运检是提前发现隐患并避免事故的必要手段。随着新型电力系统的建设,输变电装备正在向智能化、环保化、复杂环境适应化等多维度发展,对其状态感知、诊断、评估技术提出了新的要求与挑战。

基于时-相合成谱图的电力电容器薄膜局部放电模式识别方法

局部放电类型与电力电容器薄膜早期绝缘劣化程度密切相关,对局部放电类型的准确识别将有效改善电容器的运行状态和保障电网安全。本文设计了金属化薄膜电容器中易产生的薄膜间尖端缺陷、气隙缺陷和沿面缺陷模型,分析了电容器薄膜局部放电的时间序列谱图和相位分布谱图特性及平均放电量Q和放电重复率F的发展规律。将Q和F的变化曲线取点拟合,并与局部放电信号进行相关性分析,将相关性系数作为时域特征量。提取局部放电相位分布谱图的正负半周偏斜度、正负半周陡峭度和正负半周不对称度作为相位特征量。提出了一种基于时-相合成雷达谱图的电力电容器薄膜局部放电模式识别方法。通过对合成谱图中特征量封闭图形外接矩形的重心坐标进行聚类分析,利用重心坐标分布的象限对薄膜局部放电进行模式识别。结果表明:该方法相较于传统的单一谱图模式识别准确率更高,为电容器设备的在线监测和故障诊断提供了理论依据。

油浸式电力设备内部电弧引发的压力特征

油浸式电力设备内部电弧故障易引发严重的爆炸起火事故,对油浸式电力设备内部放电进行有效监测,开发高灵敏性、高可靠性的保护方案成为当下研究的重点。相比于其他放电监测手段的随机性和分散性较高、可靠性偏低,压力信号与内部贯穿性电弧的产生关联性极强,故将其作为保护依据具有更高的可靠性。而现阶段针对油浸式电力设备在内部电弧作用下的压力特征研究还并不完善,目前基于压力特征的保护方案也多停留在动作于其幅值越线的压力释放装置。为此设计并开展了油浸式电力设备内部电弧放电试验,测量并采集了针板结构油纸放电与柱板结构沿面放电两种放电模型由缺陷发展至电弧故障过程中压强信号的变化特征以及其同步电压电流数据。试验发现,两种放电模型的发展过程均可以划分为3个阶段,压强信号在针板结构油纸放电的电弧击穿阶段和柱板结构沿面放电的滑闪放电阶段与持续性闪络阶段有明显的波动,且波动特征具有很强的一致性,均由3种波动周期的压力分量叠加而成。试验中得到的压力特征可以作为判断油浸式电力设备内部是否有电弧产生的依据,从而对其内部情况进行诊断。相比传统的动作于压力幅值越线的机械式压力保护,结合压力信号的频率特征可以在较早期发现故障且能更好地识别累积能量较低的电弧故障。该文对于油浸式电力设备内部电弧引起的压力特征的研究为下一步开发基于压力特征的新型数字式非电量保护奠定了基础。

750kV罐式断路器合闸电阻操动冲击下应力分布数值模拟及影响因素分析

作为断路器中的关键组件,断路器合闸电阻在长期运行的过程中会承受巨大的机械和电流冲击,可能造成合闸电阻乃至断路器设备发生损坏。基于此,文中以典型LW13-800型罐式断路器为研究对象,建立了断路器合闸电阻数值仿真模型,计算了操动冲击力作用下合闸电阻的应力分布,分析了不同优化设计中的影响因素对合闸电阻应力的影响。研究结果表明:在同一电阻串上,最底端电阻片所受应力最大;合闸电阻串平均应力与操动冲击波形大致吻合;合闸电阻所受应力的平均值与操动冲击载荷呈正比例关系;在加装了纯铝过渡片后,可以对电阻串两端电阻片应力分布起到一定程度的改善。

操作冲击电压及其叠加工频电应力下油纸绝缘尖端放电及燃弧特性研究

具有油纸绝缘绕组结构的关键电力设备在投运时容易出现乙炔超标问题,进而产生局部放电和燃弧现象。为此,本文研究操作冲击电压及其叠加工频电应力下油纸绝缘的尖端放电及燃弧特性,对比分析不同尖端缺陷的放电与燃弧特性,讨论冲击电压与工频电压叠加相位的影响。结果表明:含有纸板的缺陷模型击穿后的燃弧过程可分为高频重燃弧阶段、稳定燃弧阶段、电压恢复前的重燃阶段,其中高频重燃弧阶段具有较高的燃弧频次与较低的恢复电压;操作冲击电压下,纯油隙缺陷模型出现多次击穿,油纸复合绝缘缺陷模型出现纸板直接击穿和油纸先后击穿,且缺陷模型的类型会影响放电特性及燃弧规律;叠加相位则是通过影响电应力幅值来影响放电特性与燃弧规律。

正极性直流电压下油纸绝缘针板电极局放脉冲波形与局放机理

为研究直流电压下油纸绝缘局放脉冲波形特性,建立了正极性直流电压下针板局放平台,记录局放脉冲与流注形状,同时构建了电场与电荷密度分布仿真模型。根据流注形状可将局放分为：电晕放电、树状放电、单流注放电、多流注放电。仿真表明局放类型与油纸界面电荷及空间电场有关。除电晕放电,其余局放波形均为无过零振荡的单峰脉冲,且随电压幅值增加或油隙宽度降低,脉冲上升沿与下降沿变陡,放电幅值增加。为讨论局放机理,探究脉冲波形与流注演变的时间对应关系,建立了局放电路模型。研究表明,局放脉冲上升沿对应流注发展过程,下降沿对应纸面电荷积累过程。局放脉冲本质是外电路对被流注部分“短路”的缺陷充电而产生的电流脉冲。该文可为油纸绝缘局放特性研究及基于局放的油纸绝缘状态诊断提供理论参考。

氩气气流增强沿面介质阻挡放电等离子体特性的实验研究

为提高沿面介质阻挡放电等离子体激励器放电强度及其流动控制能力,通过光电测量的方法,研究了引入氩气气流以后,空气沿面介质阻挡放电等离子体放电参数的变化以及氮分子的激发和电离过程。结果表明,氩气引入之后,放电强度和均匀性明显增加,产生了稳定的大面积均匀放电等离子体,"温升效应"明显,有利于增加动量传递效率,提高气流诱导速度。空间测量结果表明:谱线强度、气体温度在中心处最强,且随着到极板边缘距离的减少而减弱;N2(C3Πu)振动温度的变化与气体温度相反。另外,随着氩气流量增加,放电强度先增加后减弱,气体温度升高,加入氩气之后N2(C3Πu)振动温度下降,之后随流量增加先增加后减小并趋于稳定,电子激发温度受流量影响较小。

交直流复合电压下老化油纸绝缘针板模型局部放电特性

为研究换流变压器阀侧实际运行老化的油纸绝缘局部放电特性,提高交直流复合电压下油纸绝缘局部放电研究的工程实际意义,取运行5 a的换流变油纸样本,建立典型针板电极油纸绝缘缺陷模型,对交直流复合电压下老化油纸绝缘局部放电从起始阶段到击穿的整个过程进行了实验模拟并记录放电时域信号。随着局部放电发展,放电幅值逐渐提高,出现放电的相位分布扩大,相应相位出现的放电次数增加,当临近击穿时,负周期放电量超正周期数倍。基于时域放电信号建立了多个放电周期的H_(umax)(φ)、H_(umean)(φ)、H_n(φ)和H_n(u)等PRPD谱图。分析谱图特性,并计算各个谱图的偏度(Sk)等统计参量因子,基于自适应阈值模糊聚类分析方法,将统计参量因子分为10类,分类之后可看出一定的时间延续性。结合分类结果和局部放电发展的不同时刻的信息,将放电模型的发展过程划分为初始放电阶段、放电发展阶段、放电稳定阶段和预击穿阶段。划分结果可为交直流复合电压下油纸绝缘局部放电在线监测和模式识别提供参考。

直流及复合电压作用下油纸绝缘局部放电研究综述

总结了直流和复合电压下油纸绝缘的局部放电检测技术,包括传统的基于脉冲峰值-时间序列的局部放电检测技术,以及能够检测直流下局部放电的基于脉冲电流波形的宽带/超宽带检测技术。深入分析了直流下油纸绝缘的局部放电机理和影响因素,介绍了目前直流局部放电检测与分析技术的研究现状。还分析了±500 k V直流输电系统中整流变压器阀侧绕组绝缘承受的电压波形,讨论了复合电压作用下局部放电呈现出的特性。

基于局部放电的电力变压器油纸绝缘状态评估关键问题分析

目前局部放电(PD)已作为绝缘状态质量监控的重要指标,但基于局部放电的变压器油纸绝缘状态评估并无广泛工程应用。为此,总结基于局部放电的变压器油纸绝缘状态评估的研究成果,并提出需要深入研究的方向与未来发展趋势,以为后续研究提供基础。通过讨论分析油纸绝缘局部放电特性、油纸绝缘局部放电模式识别、油纸绝缘老化评估及油纸绝缘缺陷发展程度诊断4个问题,得出:不同电场类型下,油纸绝缘局部放电的起始放电特性和波形特性差异较大;在局部放电模式识别中,时间序列谱图与相位分辨局部放电(PRPD)谱图相结合的识别率最高,可达95%;图谱多元特征量的提取、降维、分类以及识别是老化评估的必要步骤;局部放电程度可分为起始、发展、严重、危害4个阶段。研究表明针对不同问题的特征量灵敏度分类以及缺陷诊断与老化评估的综合分析是需要深入研究的方向。此外,多维信息融合评估是未来变压器油纸绝缘在线评估的发展趋势。

交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电发展过程研究

通过搭建一套交直流复合电压油纸绝缘针板缺陷局部放电试验平台,对交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电发展过程中的局部放电参数及谱图变化进行研究分析。结果表明:根据局放特征参数随时间的变化规律,局放发展过程可分为起始阶段、发展阶段、严重阶段及预击穿阶段。平均周期放电次数在发展阶段与严重阶段增加,在预击穿阶段减少;平均放电幅值在发展阶段增加,在严重阶段与预击穿阶段下降,脉冲平均等效时间与频率在严重阶段与预击穿阶段呈现相反的变化趋势。局放特征谱图的形状变化规律可成为识别局放发展阶段的重要依据。

基于雷达谱图的交直流复合电压下油纸针板模型局放阶段识别

交直流复合电压下油纸绝缘局放发展阶段的划分与识别是换流变压器绝缘故障诊断的基础。文中研究了1：1交直流复合电压下油纸绝缘针板电极模型的局放特性与雷达谱图特性。基于模糊聚类分析,运用6个局放特征量（最大视在放电量、平均视在放电量、放电重复率、放电最大时间间隔、局放脉冲等效时间及等效频率）将放电发展过程划分为5个阶段,并对每个阶段进行了物理描述,发现放电阶段与绝缘状态和放电形式有关。根据6个放电特征量建立的局放雷达谱图在不同放电阶段呈现不同的形状,雷达谱图的重心坐标比与长宽比作为谱图形状的量化特征量,可在其二维特征域内有效区分不同的局放阶段。最后基于雷达谱图形状特征,运用粒子群优化的最小二乘支持向量机,设计了油纸绝缘针板模型局放发展阶段识别器,其识别率达92.9%。

纳秒脉冲电压下油浸纸局部尖端缺陷击穿特性及损伤规律

配电变压器在高空电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse,HEMP)早期传导环境中将遭受纳秒电应力入侵,易在绕组引线焊点处造成绝缘失效或损伤。为此,该文研究纳秒脉冲电压下油浸纸尖端缺陷的伏秒特性、击穿概率、脉冲电压幅值与绝缘击穿时脉冲累积次数之间的关系(即U-N特性),并基于放电特性、微观形貌、流注仿真探究纳秒脉冲电压下的油浸纸尖端缺陷损伤规律与机理。研究表明:伏秒特性、击穿概率分布、U-N特性均有明显极性效应,极性效应与界面屏障电荷有关;纳秒脉冲致损油浸纸可分为轻度与重度两个等级,轻度损伤易形成表面斑状缺陷,呈现多次低幅值的工频局部放电模式,重度损伤易形成龟裂缺陷,呈现少次高幅值的工频局部放电模式,损伤差异与油纸界面流注特性有关。结果可为提高配电变压器在HEMP传导环境中的生存能力与评估技术提供一定参考。

交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷的预击穿阶段局部放电特性

交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电分散性大、随机性强,绝缘预击穿阶段产生的大量气泡进一步增加了局部放电特性的复杂性。因此,文中利用脉冲电流法对交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷预击穿过程中局部放电参数随时间的变化规律和放电随机性的具体表现进行了实验研究。平均放电幅值和平均周期放电次数总体上随加压时间的增加而减小。但各组试验的变化规律并不相同,大致可以分为波动型变化和单调型变化两类。两类预击穿特性的不同主要与放电过程中气泡在纸板表面的聚集有关。从等效时频谱图看,大部分放电随着预击穿的发展向拱顶区域集中。拱顶对应的等效时间为1 300~1 600 ns,等效频率为7.5~10 MHz。等效时频谱图在预击穿末期可能呈现半拱形或全拱形两种不同的形状。

换流变压器油纸绝缘局部放电及电荷分布特性研究综述

油纸绝缘作为换流变压器(简称:换流变)阀侧绕组的主要绝缘形式,长期受到交直流复合电压、谐波以及极性反转等复杂工况的影响,其在电场、温度、水分等因素作用下易发生局部放电和空间电荷/界面电荷积聚,从而诱发绝缘介质劣化或击穿。为此从油纸绝缘局部放电及电荷分布特性两方面对国内外研究现状、研究热点和成果进行阐述,总结了不同电压类型、不同老化因素、不同绝缘位置等对油纸绝缘局部放电及电荷分布特性的影响规律,展望了油纸绝缘局部放电特性与机理的研究趋势,指出在极不均匀电场以及谐波、脉冲电压作用下的局部放电特性是未来研究的重点方向,并且需结合电荷分布试验/仿真/分子模拟从宏观和微观角度同时探究电荷分布与局部放电机理的内在联系。这些研究成果的总结可为基于局部放电特征的换流变在线监测技术以及换流变绝缘性能改进提供参考和借鉴。

交直流复合电压下换流变绝缘纸板凹陷放电特性的模拟研究

换流变压器的阀侧绝缘主要承受交直流复合电压,这种电压所引起的局部放电与纯交流或纯直流电压所引起的明显不同。基于流体动力学漂移-扩散方程和双极性电荷传输方程的仿真模型能反映电场强度和电荷密度的分布,所以局部放电的产生和发展能被有效描述。该文首先用实验结果验证仿真理论的可行性,然后建立纸板因电老化而存在凹陷的仿真模型,并先后施加多种交直流复合电压。不仅研究了沿面放电在凹陷中的形成和发展过程,还探讨了瞬时电压、几何参数、电压比例和介电常数等因素的变化对局部放电的影响。对沿面放电的研究能部分揭示换流变压器阀侧局部放电的物理过程和影响因素,有利于绝缘结构的优化和沿面放电机理的进一步研究。

针-环与针-网电极液体EHD泵静态驱动力的实验研究

为验证离子拖拽效应与异电荷层传导效应在尖端电极EHD泵中能否共存,设计了单针-环与针-网EHD泵,该结构避免尖端电极金属底座对实验产生的影响,测量了无座单级单针-环与针-网EHD泵的静态驱动力,并以更加精确的模型分析了电极间电场方向、工作液体老化程度、电极间距等因素对针-环与针-网电极EHD泵驱动力的影响,并运用Ansoft Maxwell软件对电极间电场分布进行了仿真。结果表明,离子拖拽效应与异电荷层传导效应在尖端电极EHD泵中可以共存,但两种效应并不是线性叠加的,而是相互削弱的;针-环与针-网电极液体EHD泵存在阈值电压;减小电极间距与增加环电极宽度均可提高针-环与针-网EHD泵的驱动力,而工作液体相对介电常数对其影响不大;实验还证明,尖端电极EHD泵具有明显的极性效应。

换流站阀塔光纤闪络和局部放电特性研究

针对换流站阀塔光纤出现闪络和局部放电的问题,在直流电压叠加不同频率的交流电压下对光纤护套材料进行闪络试验,并测试实际光纤在工频叠加直流电压下的局部放电特性,分析护套材料对局部放电起始电压的影响。结果表明:交直流电压的比例不同,光纤护套材料的闪络电压也不同。S形布置的实际光纤在弱垂直分量电场下的局部放电主要集中在交流电压正半周的下降沿,并且护套材料的体积电阻率和相对介电常数的比值与光纤本体的比值越接近,其局部放电起始电压越高。