电力变压器绝缘成型件的局部放电特性及其绝缘性能综合评价方法

本文搭建了电力变压器绝缘成型件的局部放电特性和闪络特性测试平台,获得了不同绝缘成型件的局部放电起始场强、局部放电起始放电量、局部放电熄灭场强、沿面闪络场强等4个关键绝缘指标的分布规律。结果表明:绝缘成型件的局部放电起始场强随着电极间距的增大而降低,平行分量下当电极间距从10 mm增大到25 mm时,局部放电起始场强降低了40.6%左右,不同分量下局部放电起始放电量为8.51~13.70 pC;在平行分量下,绝缘撑条和绝缘垫块的局部放电起始场强分别为2.55~2.85 kV/mm和1.43~1.78 kV/mm;在垂直分量下,绝缘撑条和绝缘垫块的局部放电起始场强分别为2.65~3.35 kV/mm和4.31~5.49 kV/mm。不同绝缘成型件表面形貌对其沿面闪络特性影响显著,表面压纹凹槽越密集,尺寸越大,阻碍沿面放电发展的效果越好。基于测试的试样数据库,提出基于熵权法的绝缘成型件综合性能评价方法,利用绝缘成型件放电特性的4个指标以及表观密度、尺寸偏差的离散程度确定不同性能指标的权重,对不同绝缘件进行了综合性能评价,验证了该评价方法的合理性。

直流电压下油中空间电场强度对油纸绝缘界面电荷特性的影响研究

直流电压下油纸绝缘界面电荷特性是换流变压器绝缘结构设计的巨大挑战。传统电阻-电容(RC)模型仅考虑由于油、纸材料的介电常数、电导率不同而引起的界面极化电荷,忽略了其他形式来源的电荷及其对空间电场的影响。本文基于Kerr电光效应原理,搭建了油纸绝缘结构油中空间电场特性非接触式、实时测量平台,针对变压器油-电工绝缘纸、变压器油-变压器纸板组成的复合绝缘结构,获得了不同极性、不同幅值直流电压下油中空间电场特性,计算并分析了界面电荷密度与RC模型计算的极化电荷密度的差异。结果表明:当油中场强较低时,油纸界面电荷以极化电荷为主;随着油中场强的增加,油纸界面电荷密度与RC模型计算极化电荷密度差异逐渐增大,出现了其他形式电荷的积聚,且其在界面总电荷量中占比逐渐增加,对电场强度的影响逐渐增大。

气体绝缘金属封闭输电线路的研究现状及应用前景

气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)由于其传输容量大、损耗小、安全性高以及环境友好等特点能够代替传统的架空线路或者电力电缆,可以用于大容量、长距离的电能传输。该研究概述了GIL设备的发展历史,介绍了GIL的特点和典型应用场合,总结了国内外GIL的应用现状以及关键技术问题,从制造加工和应用场合2个方面分析了GIL的发展前景。可以看出,经过40余a的发展,交流GIL设备的制造工艺日益成熟,结构更加紧凑,敷设方式更加多样,运行更加安全可靠,但受制于表面电荷积聚对绝缘性能的影响机理尚不明朗以及制造成本过高等因素,直流GIL设备的发展相对较为缓慢。随着电力行业的发展和科技的进步,未来GIL设备的研究会在绝缘件表面电荷特性、绝缘优化、新型替代气体以及低成本制造等关键技术问题方面取得突破,必将推动GIL设备获得更为广泛的应用,为我国保障电网"清洁、安全、自愈、经济、互动"的智能化运行提供必要的技术支撑。

交/直流电压下气体绝缘变电站盆式绝缘子表面电荷对闪络电压的影响

在气体绝缘变电站(GIS)中,盆式绝缘子表面电荷的存在会使局部电场发生畸变,严重时还会降低沿面闪络电压。为此,研制了一种用于实际252 k V GIS盆式绝缘子表面电荷的3维测量装置,可以对盆式绝缘子表面电荷进行全径向、全角度测量。参考实际盆式绝缘子的绝缘设计裕度及其沿面闪络特性,设计了闪络试验模型,分别针对直流、交流电压作用下绝缘子表面电荷对沿面闪络电压的影响开展了研究。结果表明:在交流电压和直流电压作用下,随着表面电荷积累量的增加,绝缘子沿面闪络电压有所减小;相比于交流电压50 k V作用1 h工况下,在53 k V交流电压作用3 h工况下,盆式绝缘子的沿面闪络电压降低了10.2%,而直流电压下,绝缘子的沿面闪络电压最大可降低23.0%,这说明了绝缘子表面电荷的存在对其沿面闪络电压具有明显的影响,在绝缘设计时需予以重视。研究结果可为GIS及气体绝缘输电线路(GIL)绝缘子的绝缘设计提供参考。

大尺寸油纸绝缘结构多电压应力下空间电场特性

换流变压器油纸绝缘设计可靠性主要依靠仿真计算及简易等效模型下的电场实测校验,缺乏大尺寸复杂结构下电场实测验证,该文利用研发的基于Kerr电光效应的空间电场测量传感器,针对换流变压器阀侧出线大尺寸油纸绝缘模型,获得了直流电压、交流电压及极性反转电压下,模型不同油道内油中电场特性,试验结果表明:①正极性直流电压下,随着加压时间的延长,外侧油道的油中电场逐渐降低,内侧油道和中间油道的油中电场逐渐增加,稳态时内侧油道的电场强度比电容-电阻率(RC)模型计算值增大了2.04倍;负极性直流电压下,油道内电场特性与正极性电压下一致;②交流电压下,油中电场随加压时间基本保持不变,电场强度实测值与仿真值结果最大差异为4.08%;③极性反转电场下,极性反转时间越短,反转后油中电场越高,且不同油道内界面电荷积聚状态的不同会导致其油中电场过零点与外施电压过零点时刻不一致。该文提出了基于油纸界面电荷动态变化过程的油中电场分析方法,对直流电压及极性反转电压下油中电场及电荷特性进行了机理解释。

真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚和消散特性的研究

真空器件中绝缘子的沿面闪络电压远低于绝缘子自身以及同等长度真空间隙的闪络电压,影响沿面闪络电压的重要因素是绝缘子表面电荷的积聚,其严重制约着真空器件的性能。为了提高真空中纳秒脉冲作用下的沿面闪络电压,绝缘子表面电荷分布的研究十分重要。本文搭建了一套真空纳秒脉冲下绝缘子表面电荷测量平台来研究绝缘子表面电荷分布。本文采用静电容探头法得到不同类型的陶瓷试样的表面电荷分布状况,并对电荷的积聚和消散特性进行了对比分析。试验结果表明不含添加剂的试样表面电荷积聚明显,而掺有添加剂的试样测不到表面有电荷或是存在低于探头灵敏度的电荷积聚。所有试样加压3次以后与加压1次相比较,整体电荷积聚量均有增加。不同试样的电荷消散特性试验结果表明,静置一个小时后,不同试样的电荷消散量均小于10%。

冲击电压下不同温度油中空间电荷迁移对电场分布影响

冲击电压下油中空间电场分布对于变压器内部绝缘优化设计至关重要,现有设计方法没有考虑温度和空间电荷迁移对电场的影响。为了研究温度对空间电荷迁移特性的影响,搭建温度可控的冲击电压下油中电场测量平台,测量雷电冲击电压下25℃、50℃、60℃均匀电场的油中空间电场分布,分析空间电荷对油中电场的影响。实验结果表明:随着温度的增加,60℃时油中场强峰值比25℃时下降了5.2%;50℃时油中场强分布在0.60μs时提前达到稳定阶段。温度升高后,电子漂移速度最大是25℃下的1.8倍,迁移率最大是25℃下的2.0倍,温度升高引起电子迁移率、漂移速度的增加导致了上述现象。该文研究结果为变压器绝缘优化设计提供了实验依据。

大尺寸油纸绝缘结构空间电场非接触式测量的光学传感器

油纸绝缘结构可靠的绝缘设计对保证电力变压器乃至电网的安全可靠运行至关重要,目前其设计可靠性主要依靠电场仿真计算及简易等效模型下的电场实测校验。对于换流变压器出线装置等大尺寸复杂结构,现有的电场测量手段无法有效应用,难以获得复杂结构内空间电场/电荷特性,对其绝缘设计和校核提出了挑战。基于Kerr电光效应,研发一种可用于大尺寸油纸绝缘结构内部空间电场测量的小型化传感器及相应的测量系统。该传感器内部采用多反射结构有效减小了器身尺寸,并显著提升了测量灵敏度,采用聚砜非金属材料降低了传感器的引入对待测电场的影响,定制化光学元件及合理的内部结构设计保证了其结构的小型化。利用平板电极,对所研制传感器的关键技术性能参数进行试验标定。利用所研发传感器,针对换流变压器阀侧出线装置大尺寸模型,进行直流电压模型内部油中空间电场特性的实验测试。测试结果表明:直流电压下,无论正负极性,随着加压时间的延长,内侧油道油中电场逐渐增加,最大增幅可达118.8%;中间油道同样逐渐增加,但达到稳态时间更短,增幅更小;外侧油道油中电场逐渐降低,最大降幅可达75.0%。该空间电场非接触式光学传感器可为进一步研究油纸绝缘空间电场和电荷分布特性提供新的方法和手段。

高密度电工纸板关键介电特性及性能评价方法

高密度电工纸板作为电力/换流变压器等大型电力设备的主要绝缘材料,其性能直接影响电力设备甚至电网系统的安全稳定运行。为解决高密度电工纸板的绝缘性能参差不齐、缺少性能评价及纸板遴选方法等实际问题,该文搭建电工纸板关键介电特性测试平台,选取相对介电常数、体积/表面电阻率等关键介电特性,针对五种国内外主流绝缘件供应商提供的高密度电工纸板进行完整测试,并获得温度、水分等外界条件对其影响规律,进行量化关系拟合和物理解释,测试结果表明:①随着纸板温度和水分含量的增加,纸板的相对介电常数增加,最大增幅可达55.85%,不同种类纸板受外界因素影响程度差异较大,最大可达22.05%;②随着纸板温度和水分含量的增加,纸板的体积/表面电阻率逐渐降低,最大降幅可达98.25%,且不同种类纸板性能受外界因素的影响程度同样存在巨大差异,最大可达94.32%;③同一种类纸板的不同批次试样之间的介电特性差异明显;④利用电工纸板常规理化性能的测试结果对不同种类纸板之间的介电特性差异进行分析。该文利用测试所得多维度、多指标、多环境变量的电工纸板介电特性数据,建立基于介电特性的高密度电工纸板性能评价方法,横向比较了不同绝缘纸板产品的介电特性,对电力设备绝缘结构的设计和绝缘材料的遴选提供数据支持和技术参考。

冲击电压下温度对油中电场时空分布的影响

冲击电压下油中空间电场分布对于变压器内部绝缘优化设计至关重要,现有设计方法未考虑空间电荷作用和温度影响。为了研究空间电荷和温度对油中电场的影响,搭建了温度可控的冲击电压下油中电场测量平台,测量了雷电冲击电压下25、50、60℃平板电极油中空间电场分布随时间和空间的变化规律。实验结果表明:随着温度的增加,油中场强的最大值呈下降趋势,60℃时油中场强峰值比25℃时下降了5.2%;随着温度的增加,油中空间电场的分布逐渐均匀,25℃下0.36μs时油中实测空间场强最大、最小值相差3.2 kV/mm,50℃下0.36μs时相差值为0.7 kV/mm,且50℃下0.60μs时油中场强分布均达到稳定阶段。通过测量油中的电子漂移速度发现,50、60℃下的电子平均漂移速度分别是25℃下的1.3、1.8倍,温度引起电子漂移速度的增加是导致上述现象的主要原因。

直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性

为了研究GIS绝缘子在交流电压和直流作用下的表面电荷分布特性,针对实际220 k V GIS盆式绝缘子研制了高分辨率的表面电荷三维测量装置,可以实现绝缘子表面电荷全径向、全圆周的扫描测量,通过实测获得了直流电压和交流电压作用下GIS绝缘子表面电荷的分布特性。研究结果表明:1)直流电压作用下绝缘子表面电荷积聚呈现明显的极性效应:正极性电压下绝缘子表面主要积聚正极性电荷,负极性电压作用下只积聚负极性电荷;无论绝缘子表面积累电荷的极性如何,其密度随着电压幅值的增大而逐渐增多,并且随电压作用时间的增加逐渐增长并趋于饱和。2)在交流电压作用下绝缘子也存在表面电荷积聚的现象,但电荷密度明显小于直流电压作用下的电荷密度;随着电压幅值的增加,电荷密度先升高再减小并趋于稳定。因此,由表面电荷引起的实际设备中的绝缘问题需引起足够重视,该文所得到的直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性,可为GIS/GIL设备绝缘子的设计优化提供参考。

直流电压下界面电荷积聚对“液-固”油纸绝缘电场分布影响的仿真分析及试验验证

界面电荷积聚引起的电场畸变给换流变压器的绝缘性能带来巨大挑战,因此迫切需要针对“液–固”油纸绝缘介质界面电荷对电场分布的影响进行深入研究。首先联合双极性载流子模型、Maxwell-Wagner方程和Poole-Frenkel方程,建立了“液–固”油纸绝缘体系在直流电压下的空间/界面电荷仿真模型,并采用二分迭代法确定了仿真参数。然后在此基础上分别仿真分析了“油隙+油浸纸板+油隙”结构、换流变阀侧出线装置缩比结构的空间/界面电荷分布特性,分析了电荷积聚效应对电场分布的影响,并将考虑了空间/界面电荷影响的电场强度仿真结果与利用克尔效应实际测得的结果进行了对比。结果表明:所提模型及参数适用于直流电压下多层“液–固”油纸绝缘体系的空间/界面电荷分布特性研究;在典型平板多层“液–固”油纸绝缘体系中,电场强度的仿真结果与实测结果基本一致,证明了电荷积聚导致电场发生严重畸变;在换流变出线装置缩比结构中,不同油道的电场强度的仿真结果与实测结果之间的相对误差在3%~7%之间,不仅进一步表明了该仿真方法的有效性,也表明了电荷积聚对电场分布的严重畸变。研究成果为直流电压下考虑电荷积聚效应后多层“液–固”油纸绝缘体系的电场分布计算提供了参考。

冲击电压下变压器油中电场特性及电荷运动模型

冲击电压下油纸绝缘结构的电场特性和电荷特性是变压器绝缘设计中需要考虑的关键环节,目前主要依靠仿真计算获得,其结果不仅难以体现电场作用下产生的空间电荷对电场的影响,而且缺乏实测手段的支撑和验证。该文利用基于光学克尔效应的油纸绝缘空间电场非接触式测量方法,对冲击电压下变压器油中的电场特性开展了实测研究,获得了电极材质、电压幅值、波前时间对空间电场及电荷特性的影响规律,并且基于实测结果建立了冲击电压下变压器油中电荷运动模型。试验结果表明:在冲击电压作用下,铝电极对纯变压器油中的电荷注入量最大,不锈钢次之,铜最少,这是由不同电极中金属元素的功函数不同所导致;随着电压幅值的增大,空间电荷对油隙中间电场的作用是先增强后削弱再增强;随着波前时间的延长,变压器油中电场的峰值呈现逐渐减小的趋势,波前时间40μs时间时比500ns时降低了17.6%,其原因在于波前时间较长时注入电荷量较大、削弱作用较强所致;在冲击电压过程中,电荷存在动态运动过程,不同时刻电荷位置不同导致对电场的作用不同,负电荷由阴极运动到阳极的平均运动速率为1.1×10-3m2/(V?s),负电荷达到相对稳定状态所需时间至少为2μs。用场致发射和场致电离理论分别解释了变压器油中负、正电荷的来源,建立了电荷运动模型,阐释了电荷运动机制。

操作冲击电压下GIS绝缘子表面电荷的积聚特性

在气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)的实际运行工况中,开关操作会使GIS设备承受操作冲击过电压,导致盆式绝缘子表面积聚表面电荷,表面电荷的存在不仅会使得局部电场发生畸变,更为沿面放电的发展提供了电荷,是造成绝缘子沿面闪络的重要因素。该文以实际的252k V GIS盆式绝缘子为试验模型,建立了表面电荷测量试验平台,采用静电探头法测量了SF6气体密闭环境下盆式绝缘子的表面电荷,获得了操作冲击电压作用下盆式绝缘子表面电荷积聚特性及其外施电压作用次数和电压幅值对其的影响。研究结果表明:无论在正极性或负极性操作冲击电压下,绝缘子表面均同时积聚正负极性电荷,但是负极性电荷相比于正电荷积聚量更大,且正极性电压下此现象更为明显;正极性操作冲击电压下,随着电压幅值的增加,绝缘子表面电荷平均积聚量明显增加,最高电荷幅值为-0.52μC/m^2,而负极性电压下,电荷平均积聚量表现出先增大后减小的趋势,其电荷平均密度最大为-0.16μC/m^2;表面电荷积聚量随着外施电压次数的增加逐渐增大,正极电压下表面电荷积聚量的增幅明显,而负极性电压下表面电荷增幅较小,但分布较均匀。该文研究所得到的操作冲击电压下GIS表明电荷积聚特性,进一步强调了由表面电荷引起的实际工况下设备绝缘问题的重要性,可为GIS设备绝缘子的优化设计提供参考。

纳秒脉冲下真空绝缘子表面电荷的三维分布形态

表面电荷的积聚会改变电场分布,也会参与放电的电子倍增过程,导致真空绝缘子的沿面闪络电压显著降低。工程中的真空绝缘子是45°圆台形,现有的表面电荷二维测量不能满足研究要求。为研究表面电荷分布特性,研制了表面电荷三维测量平台,获得了表面电荷的三维分布形态。在正极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为正,在负极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为负。靠近上电极表面电荷密度大。随着脉冲电压幅值和次数的增加,电荷积聚量明显增大。表面电荷的积聚使闪络电压有一定程度的降低。45°圆台绝缘子上电极处的强电场导致的场致发射是表面电荷产生的原因。

换流变压器电荷赋值型直流电场外推计算方法

直流电场计算校核是换流变压器设计的重要环节。研究表明直流电压下油纸界面电荷积聚分布与传统阻容模型计算结果之间存在很大差异,基于理想模型的电场校核方法失效。该文提出一种基于油纸界面电荷特性、直接在换流变压器实际结构中进行电荷分段赋值的外推方法。首先,对于均匀场区域,用离子迁移模型计算出各个油纸界面的电荷密度,进行均一化赋值。其次,对于非均匀场区域,从均匀场区域向非均匀场区域推算,根据具体赋值部位的界面电荷分布曲线,划分区间并分段赋值。最后,将电荷场与外施电场叠加合成,获得全域内直流电场分布情况。在换流变压器阀侧出线结构模型中的实测验证表明,电荷分段映射叠加外推方法得到的电场计算值与电场实测值之间偏差较小。该方法解决了传统方法依赖材料宏观参数、无法准确计算和反映大尺寸油纸绝缘系统电场分布真实情况的问题。

基于电荷分段映射叠加的油纸绝缘直流电场计算方法

油纸绝缘直流电场仿真计算依赖油、纸电导率参数,而油、纸电导率在各种因素影响下存在较大不确定性,且界面电荷的存在也会使直流电场分布规律变得更加复杂。因此,该文提出将静电场与界面电荷场叠加计算油纸绝缘直流电场分布的电荷分段映射叠加法。首先,从理论角度论证方法的可行性,提出采用电荷分段赋值线性叠加的方法解决电场空间非线性问题。然后,用Kerr效应法实测获得了不同交直流复合电压下纸板交叠结构模型油纸界面的电荷分布规律,基于实测界面电荷密度利用电荷分段映射叠加法计算得到了直流电场分布,电场计算值与实测值之间最大误差为4.3%。最后,对比恒定电流场与该方法的仿真结果,可知恒定电流场不能反映电荷极性效应引起的空间非对称特征,而该方法可以有效解决这一问题。