海上风电低频变压器铁心损耗特性实验研究

为准确分析海上风电变压器在低频工作时不同温度下的磁特性和损耗特性,推导了不同温度和频率对变压器铁心硅钢片磁特性的影响,通过实验测得某海上风电低频变压器铁心硅钢片在不同温度、不同频率下的磁化曲线和损耗曲线,分析了低频低温工作状态对变压器运行的影响,利用有限元软件建立三维模型进行了仿真验证。然后,分析了温度为80℃时变压器分别工作在工频50 Hz和低频20 Hz状态下硅钢片的损耗曲线变化规律。最后,基于实验分析和仿真验证,得出了海上风电变压器在低频低温环境下工作损耗的一般变化规律,从而为降低变压器损耗及其设计提供了依据。

基于材料绝缘寿命的高频变压器绕组绝缘试验电压确定方法

频率的提升使高频变压器具有较高的传输效率,然而在高频电-热耦合效应下绕组绝缘问题显著。为保证高频变压器的长期稳定运行,提出一种基于材料绝缘寿命的高频变压器外施耐压、感应耐压试验电压确定方法。该方法基于绝缘材料在不同频率下的V-t特性,获得电老化速率最快绝缘材料对应的1min耐压值与设备预期寿命对应耐压值之比,提出高频/工频(H-P)换算系数,分别给出高频、工频试验条件下的高频变压器外施耐压试验电压建议值。此外,基于Weibull分布获得绝缘材料的击穿电压-频率(V-f)特性,对传统的倍频升压法进行改进,提出感应耐压试验电压的测定方法。

高频变压器用匝间绝缘材料沿面放电特性的实验研究

沿面闪络是导致高频变压器绕组匝间绝缘失效的主要原因之一。通过搭建气-固高频沿面放电实验平台,选取Nomex绝缘纸、改性DMD绝缘纸、PET聚酯薄膜及聚酰亚胺薄膜作为研究对象,在高频电源电压为0~20kV、频率为1~20kHz的双极性方波电压下开展实验研究。采用双参数Weibull统计法分析放电间距对沿面闪络电压的影响规律,基于二次电子发射雪崩(SEEA)模型分析起始放电电压、闪络电压随频率的变化规律,并提出适用于绝缘材料沿面绝缘寿命估算的反幂函数模型,最后对以上四种匝间绝缘材料在高频高压下的沿面绝缘特性进行综合性评估。

高频变压器用耐高温型匝间绝缘材料的击穿特性

高压高频变压器长期运行于频率为1~20 kHz的非正弦电压下,为研究绕组匝间绝缘的耐压能力,以Nomex纸、改性DMD纸、PET薄膜以及PI薄膜为研究对象,在高频电源产生的1~20 kHz、0~20 kV双极性高频方波电压下开展了击穿特性实验研究。利用双参数Weibull统计法计算材料的绝缘失效率,讨论特征击穿电压与频率的关系;基于乘幂函数拟合计算U-t特性曲线及特征关系式,分析高频方波下U-t特性随频率的变化规律;最后结合组合导线匝绝缘结构特点,探究不同频率下介质厚度对击穿电压的影响。实验结果表明:基于Weibull分布的特征击穿电压随频率的提高而显著下降,击穿电压下降速率在1~5kHz频率范围达到最大值;U-t特性曲线随频率的提升而明显下移,高频热效应是导致击穿电压下降及长期运行绝缘寿命缩短的主要原因;电场不均匀度与热量的增加导致击穿电压随厚度呈非线性变化,频率的提高使非线性变化趋势愈发明显。

变压器耐高温型匝间绝缘材料的放电特性研究

变压器匝间绝缘长期处于不均匀电场下,既是绕组绝缘结构中最薄弱的环节之一,也是电力变压器绝缘设计的重点。为此以Nomex绝缘纸、改性DMD绝缘纸、PET薄膜以及聚酰亚胺薄膜等耐高温型绝缘材料为研究对象,在0～20kV正弦波电压下开展了固体匝间绝缘材料的放电特性实验,利用V-t特性曲线对比各种绝缘材料的击穿特性,通过沿面闪络实验探究放电间距对沿面闪络电压的影响规律,并采用双参数Weibull统计方法计算待测材料绝缘失效的Weibull分布密度表达式,为电力变压器匝间绝缘材料的合理选取提供依据。实验测试及理论分析的结果表明,在不均匀电场下,薄膜材料的击穿场强远高于绝缘纸,但同时其电老化速率也较高;沿面闪络电压随放电间距的变化规律与材料类型的关联性较大,纤维类绝缘纸闪络电压呈近似线性变化;四种绝缘材料的闪络电压远低于各自的绝缘击穿电压,且呈现出较大分散性,利用Weibull分布密度表达式可有效估算绝缘失效率,上述研究为电力变压器的耐高温型匝间绝缘材料的寿命预测提供了理论支持。

高频变压器绝缘材料的环氧预浸处理对放电特性的影响

高频变压器长期运行于频率1~20kHz的非正弦电压下,绕组层间绝缘材料的合理选取对样机可靠性具有重要意义。为此以GHG纸、GHG环氧预浸纸、DMD纸以及DMD环氧预浸纸为研究对象,在0~20kV、1~20kHz双极性方波电压下开展层间绝缘材料放电特性实验,对比材料在环氧预浸处理前后高频绝缘特性,基于热击穿机理解释高频下预浸处理前、后的击穿场强变化规律,利用SEEA模型分析预浸处理技术对闪络电压的影响,最后提出环氧预浸技术在绕组层间绝缘中的应用建议。实验测试及理论分析结果表明,预浸处理后材料内部及表层的气隙被填充,在介电损耗尤为显著的高频条件下,发热点与周围环境有效散热面积下降,加速了材料热老化,导致击穿场强下降;对GHG纸预浸处理后,电子陷阱俘获作用减弱,导致闪络电压显著下降,而DMD纸在预浸处理前后表面状况变化较小,闪络电压基本不变;在利用环氧预浸技术提升材料机械、电气性能的同时,应充分考虑高频下预浸处理对材料散热性能、表面状况的影响,上述研究为高频变压器层间绝缘材料选取与绕组绝缘优化设计提供借鉴。

SF_(6)气体中绝缘材料高频沿面放电特性的实验研究

为解决干式高频变压器存在的绝缘劣化和散热性能较差的缺陷,拟采用SF_(6)气体作为高频变压器的绝缘材料与冷却媒介,而沿面放电通常是导致变压器绕组匝间绝缘失效的主要原因之一。通过搭建气-固沿面放电实验平台,选取聚酯薄膜及聚酰亚胺薄膜作为研究对象,研究高频方波下SF_(6)气体中绝缘薄膜的沿面放电特性,分析电压频率以及气体压强对闪络电压的影响。基于二次电子发射崩模型分析SF_(6)气体中与空气中高频闪络规律的差异,基于沿面闪络实验数据拟合出SF_(6)气体中闪络电压的工程计算公式,对SF_(6)填充高频变压器的绝缘设计具有重要参考价值。

空气电晕放电发展过程的特征发射光谱分析与放电识别

局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程,并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200~980 nm范围内的发射光谱。放电初期的发射光谱主要由氮气分子N_(2)的带状光谱组成,分别为N_(2)第二正带系(second positive system,SPS)和N_(2)第一正带系(first positive system,FPS)。放电程度加深后,发生能级跃迁的粒子种类更加丰富,由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线,光谱范围也由放电初期的280~460 nm扩展至200~980 nm。放电处于临界击穿时,发射光谱的强度急剧增加,强度最高值出现在500.715和777.202 nm处,分别对应氮离子N^(+)和氧原子O的辐射谱线,这意味着微观放电过程再次发生改变。基于空气放电机理分析得到:放电初期、放电加深、放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N_(2),NO与O和N^(+)辐射跃迁所致,这由放电间隙的能量所决定,其特征光谱分别为336.907,239.687和500.715 nm。放电初期,336.907 nm处的强度绝对占优,239.687和500.715 nm处的相对强度极小;放电程度加深时,239.687 nm处的强度占优,500.715 nm处的相对强度极小;临界击穿时,500.715 nm处的强度占优,336.907 nm处的强度最弱。空气电晕放电的200~980 nm光谱范围内,紫外波段、可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加,但各波段光子数的归一化结果表明:随着放电程度的加深,紫外波段的光子比例逐渐减小,可见光波段的光子比例逐渐增加,近红外波段光子比例变化相对较小。不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异,可以反映放电的发展程度。

基于多物理场仿真的低频变压器温度特性分析及导向结构优化

为了降低低频工况下油浸式电力变压器的热点温度与内部温升,基于电磁-热-流体场多物理场耦合对低频变压器绕组区域导向结构开展优化分析。通过对变压器电磁部分的有限元数值计算,确定低频变压器与同工况下的工频变压器在铁芯和绕组区域的磁密分布与损耗特性区别。然后在此基础上将铁芯和绕组的损耗作为热源代入流体场和温度场进行仿真分析,得到变压器整体和绕组区域局部的温度及油流分布。最后通过构建20 Hz低频变压器绕组区域的油流传热模型,结合有限元仿真研究导油挡板数量与分布对绕组区域油流量、平均温度和热点温度的影响,并获得导向结构的最佳分配方案。研究结果表明,20 Hz低频变压器绕组区域的热点温度较无挡油板的模型下降了14.44%,该结果可为低频变压器紧凑化设计提供优化方案。