面向数字孪生变压器的计算机辅助运维(CAM+)构架与关键技术

发展数字孪生变压器对支撑电力装备智能运维具有重要价值。目前变压器已具有计算机辅助设计、工程仿真的一般功能,但面向运行维护的场景、性能数字孪生还处于初级阶段。为此,该文提出了一种将计算机辅助设计、工程仿真、制造进一步拓展为电力装备的计算机辅助运维(computer aided maintenance+,CAM+)新模式,包含了场景更新、虚实融合、故障定位、智能运维等功能。该文首先介绍了CAM+的内涵,结合电力装备的数字孪生架构提出了面向数字孪生变压器的CAM+模式的技术架构。然后,综述了3维场景可视化建模、高精度传感、多物理场耦合模型与快速计算、虚实融合的动态推演、多源数据融合、状态智能评估、知识图谱等CAM+模式所涉及的关键技术。最后,分析了CAM+在变压器场景更新、参量孪生和智能运维的应用,并总结了未来CAM+所面临的挑战和发展方向。

静止和流动油体状态下沿面放电对油纸绝缘性能劣化的对比实验研究

本文在静止和流动油体状态下,对油纸在沿面放电劣化过程中的理化性能及电气性能进行了对比实验研究。利用红外光谱仪、微水测量仪分析油纸的放电产物及水分;利用黏度测试仪、X射线衍射仪、扫描电镜分析油纸的多层次微观结构;利用电气测量手段分析油纸的电导率、电气强度及局部放电等电气性能;对比分析油纸在静止与流动油体中的多类型放电劣化特征。结果表明:油体的流动减缓了油纸的沿面放电劣化,减缓了油纸电导率的上升幅度和电气强度的下降幅度,抑制了沿面放电的发生和发展;表面电导率决定了沿面放电发生的难易程度,其增长导致沿面放电次数统计分布逐渐呈现“波浪”的重复性特征;放电频次决定了油纸沿面放电劣化和破坏的程度,是评估油纸沿面放电劣化状态的高效特征量。

基于不同检测方法的高压电流互感器误差比较与分析

目前对高压电流互感器的误差检测有多种方法,但缺乏对各检测方法所得误差结果差异性和准确性的比较分析。采用单相检测法检测电流互感器误差、考虑电压对电流互感器误差的影响计算电流误差的综合绝对值、额定电压下检测电流互感器误差3种检测方法分别对高压电流互感器的误差开展检测和比较分析,并对其差异原因进行了理论分析。结果表明,电压会使电流互感器的比差和角差向负方向偏移,当电流较小(特别是20%额定电流以下)时,电压对电流误差影响较大,随着电流增大,其影响逐渐减小直至可以忽略;低压下测得的电流互感器误差在电流较小时不够准确,电流误差的综合绝对值远大于在高压下直接测得的电流误差,对高压电流互感器的误差检测宜采用在额定电压状态下直接测量的方式。

油纸绝缘复合电介质的空间/界面电荷特性及其抑制方法综述

聚合物电介质的空间/界面电荷问题一直是国内外绝缘领域研究的前沿和热点。换流变压器是超/特高压直流输电工程中的关键设备,其内部油纸绝缘系统空间/界面电荷的产生、输运、积聚等过程会直接导致局部电场分布的畸变,易诱发绝缘介质的击穿、沿面闪络、老化加速等,是影响换流变压器安全稳定运行的重要因素。文中总结了国内外近20年来油纸绝缘电介质空间/界面电荷方面的研究成果,首先介绍了油纸绝缘复合电介质的空间/界面电荷测量和仿真研究新进展;然后分析了不同电压类型(直流、交流、交直流复合、极性反转)、场强大小、温度梯度、油纸本体状态等对油纸绝缘电介质空间/界面电荷演化的影响规律;最后分析了油纸绝缘介质空间/界面电荷的抑制方法。国内外在油纸绝缘电介质空间/界面电荷研究方面取得的大量有价值的研究成果,为换流变压器绝缘结构设计、绝缘性能提升提供了理论支撑。未来仍需在大尺寸油纸绝缘结构空间/界面电荷的测量及仿真方法、空间/界面电荷与材料绝缘性能的关联机制,以及优异绝缘性能先进电工绝缘材料等方面进一步开展研究。

换油对变压器油中糠醛含量和绝缘纸老化评估的影响及修正

为研究现场变压器换油后油中糠醛的变化规律及换油对使用油中糠醛评估绝缘纸老化的影响,在实验室对油纸绝缘样品进行130℃加速热老化,在老化的前、中、后期分别换油,对比换油前、后油中糠醛的含量。结果表明,换油后,油中糠醛大量损失;换油前、后油中糠醛含量的差值随老化时间的加长而逐渐减小;不考虑换油,直接使用油中糠醛评估绝缘纸老化会使评估结果偏高,误差在换油后初期尤其显著。定义在相同的老化时间换油后与换油前油中糠醛的比例为修正函数,研究了修正函数的变化规律,并用其对换油后油中糠醛进行修正。结果表明,使用修正函数可以有效改善换油后绝缘纸老化程度的评估效果。研究了修正函数向现场运行温度推广的方法,以利于现场变压器换油后的糠醛修正。

输变电设备状态评估方法的研究现状

准确评估关键输变电设备的运行状态,及时制定针对性的运维检修策略,对保证电力系统安全、可靠和经济运行具有重要意义。随着智能电网技术、信息技术和智能运维技术的快速发展,输变电设备的状态数据逐渐呈现出体量大、类型多和增长快等大数据特征。如何实现多源异构数据的高效综合利用、各类数据与设备状态间关联关系的深入挖掘、设备在不同运行工况下的差异化和精细化状态评估等已经成为亟待解决的问题。因此介绍了设备状态数据的来源与特点、数据质量提升以及状态参量的提取方法;分析了输变电设备状态评估和故障诊断领域的研究现状;通过实例展示了大数据分析方法在设备状态评估方面的优势并总结了大数据分析方法的特点;最后简要分析了输变电设备状态评估领域面临的难题。

颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因分析

换流变压器是超高压/特高压直流输电工程中重中之重的设备。目前,绝缘油中杂质颗粒成为威胁在运换流变压器可靠运行不容忽视的因素。该文首先通过试验研究了不同浓度和不同尺寸的纤维颗粒、金属铜颗粒、纤维与铜混合颗粒对矿物绝缘油直流击穿场强的影响规律,然后联合运用颗粒动力学模型及颗粒积聚模型仿真分析了杂质颗粒在油中的积聚行为及颗粒积聚对电场分布的影响,揭示了颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因。结果表明:颗粒属性决定着绝缘油直流击穿电压变化规律,含单纯纤维或铜金属颗粒油品的直流击穿电压随颗粒浓度增加总体上呈线性递减的趋势,含纤维和金属混合颗粒油品的直流击穿电压随着铜颗粒浓度的增加呈指数衰减的趋势;金属颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于非金属纤维颗粒,混合颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于单一颗粒,纤维颗粒粒径的增加进一步降低了油品直流击穿场强。试验和仿真结果一致表明,直流电场分量作用下油中颗粒积聚成桥,大幅度提升了油品的电导率,导致油中电场分布出现显著畸变。与无预压模式下直流击穿电压相比,直流预压模式下形成的颗粒积聚导致油品直流击穿场强显著下降,下降幅度超30%。

数字孪生在电力装备领域中的应用与实现方法

数字孪生(digitaltwin,DT)是推动电力装备领域数字化、智能化发展的关键技术之一,相关研究处于初期起步阶段,如何实现电力装备数字孪生成为亟需解决的问题。该文首先阐述了数字孪生的内涵及应用;从数字孪生框架与实现方法、其在装备全寿命周期的应用、主流厂商及其平台方面总结了装备领域数字孪生的研究与应用进展;其次分析了电力装备数字孪生实现所需的关键技术;最后以变压器为例给出了基于MicrosoftAzure和ANSYS Twin Builder的电力装备多物理场数字孪生实现方法,并指出实现电力装备数字孪生在数据采集、模型构建与求解、平台使用方面的挑战。该文建议下一步开发高性能传感装置并构建合理的传感网络提升数据采集的深度与广度;开展电力装备全尺度多物理场模型的构建与实时求解算法研究;开发面向电力装备性能分析的国产化数字孪生平台。

交流和直流电压下纤维和金属颗粒对天然酯击穿特性的影响差异研究

鉴于绝缘油中存在杂质颗粒是油品绝缘性能劣化的主要原因之一,为更好地推广应用天然酯及管控天然酯油品质量,进行了交流和直流电压下纤维和金属颗粒对天然酯击穿特性的影响差异研究,对含纤维和金属铜颗粒的天然酯分别在有无交流和直流预压2种加压情况下的击穿场强进行了测试,运用两参数Weibull分布模型分析了交流和直流电压下的击穿数据,并记录了油品击穿过程中的颗粒积聚形态。研究表明:随着天然酯中纤维或金属颗粒浓度的增加,天然酯的交流和直流击穿电压均呈现线性下降规律;与交流电压作用相比,天然酯的直流击穿电压随颗粒浓度的增加表现出更大的下降幅度;无论在交流还是直流电压作用下,含金属铜颗粒的天然酯均比含纤维颗粒的油品表现出更低的击穿强度;直流预压模式下含纤维和金属铜颗粒天然酯在击穿过程中存在明显的颗粒积聚成桥现象;通过对比交流和直流电压下有无预压2种模式下的击穿强度变化幅度,表明颗粒积聚成桥是导致天然酯的直流预压击穿强度比无预压情况下呈现更大下降幅度的原因。

打浆度对纤维素绝缘纸性能的影响

打浆度是综合反映绝缘纸纤维素被切断、润胀和纤维细化的程度,直接影响电力变压器中油纸复合绝缘性能的重要指标。为探究打浆度对油–纸绝缘系统性能的影响规律,在实验室制备了5个不同打浆度的绝缘纸手抄片,浸油后形成油纸复合绝缘样品,测试了不同打浆度油纸绝缘样品的机械性能和交/直流介电性能。利用扫描电子显微镜对绝缘纸表面和断面的纤维进行了微观形貌观测,研究了现有条件下打浆度对绝缘纸机械性能影响,并结合典型的油纸复合绝缘“纸带”模型,分析了打浆度对绝缘纸绝缘性能的影响规律。结果表明:随着打浆度的增加,纤维的分丝帚化程度增加,并逐渐变短变细,纤维分布更均匀,纤维间连接变紧密,但随着打浆度的持续上升,后期纤维质量受损严重,因此使得绝缘纸机械强度、电气强度呈先上升后下降趋势;内部陷阱能级先降低后增高,相对介电常数和介质损耗先减小后增大。综合认为,5个打浆度中,85°SR打浆度时绝缘纸具有最优的绝缘性能。

绝缘油中抗氧化剂DBPC对油纸绝缘老化速率及糠醛生成特性影响研究

二叔丁基对甲酚(DBPC)是绝缘油最常用的抗氧化剂,试验发现绝缘油中DBPC的添加量会影响绝缘纸老化速率和糠醛的产生。为确定DBPC对油纸绝缘系统老化及糠醛产生的影响,在实验室条件下使用添加不同浓度DBPC的绝缘油与绝缘纸组成油纸绝缘样品,在130℃下进行恒温老化。通过定期对绝缘纸的聚合度、绝缘油中糠醛含量以及绝缘纸中糠醛含量进行测量,分析抗氧化剂对绝缘纸老化、糠醛产生及糠醛评估变压器老化的影响。得出如下结论:绝缘油中添加抗氧化剂会加速绝缘纸的老化,建议工程中在能达到抗氧化性能的前提下降低绝缘油中抗氧化剂的添加比例,待DBPC部分消耗后勤于补加;DBPC会使绝缘纸老化到相同程度时糠醛产量提高,并且油中抗氧化剂添加量越大糠醛产量越多,因而建议运用糠醛评估变压器老化时需要区别变压器油中是否添加抗氧化剂或者考虑抗氧化剂的大致含量。油中添加DBPC后酸值增加,DBPC在高温下电离出的氢离子是绝缘纸加速老化和糠醛产量提高的主要原因。

纳米Al_2O_3掺杂对绝缘纸的空间电荷及陷阱能级分布特征的影响

传统纤维素纸在直流电场的作用下易于积聚空间电荷而导致介质内部电场发生畸变引发事故。为改善油浸纤维素绝缘纸在直流电场下的空间电荷特性,使空间电荷难以积聚且易于消散,利用纳米Al2O3对绝缘纸进行改性,采用脉冲电声法(PEA)测试了不同纳米含量的油浸改性纸样在直流电场下的空间电荷密度,并对陷阱参数进行了计算。结果表明:纳米Al2O3掺杂质量分数为1%时对空间电荷行为的抑制效果最佳;纳米氧化铝的掺杂激发了深陷阱的形成,增大了深陷阱的密度,改变了纤维素绝缘纸中的陷阱能级分布;陷阱能级分布的改变解释了改性绝缘纸的体积电阻率和直流击穿场强随纳米氧化铝含量变化的原因。研究结果可为进一步研究纤维素绝缘纸的改性技术和提高纤维素绝缘纸的各项性能提供参考。

特高压换流变压器绝缘油老化特性研究

我国特高压设备的设计制造水平在国际上尚处于跟跑阶段,作为特高压工程的核心部件,特高压换流变压器的精益化设计对提高我国特高压装备水平意义重大。针对±1100kV特高压换流变压器设计过程中的基础问题,基于老化试验结果,对绝缘油的性能进行了研究。首先选取了可能用于特高压换流变压器的3种绝缘油,对其进行130℃热老化试验,测量试验过程中聚合度(DP),油中酸值,水分质量分数,介电常数,介损,电阻率,运动黏度以及交流击穿电压变化情况进行分析,得到较优的绝缘油选择。同时考虑特高压换流变压器的复杂运行工况,分析特高压换流变压器的用油要求,根据实验结果,分析3种绝缘油的综合性能,最终得到较优的绝缘油型号,为特高压换流变压器的设计制造提供技术支撑。

油纸绝缘热老化过程中胺类化合物对绝缘油的影响机理

为了研究胺类化合物对绝缘油的影响,在已有的研究基础上选取了基于二氰二氨、三聚氰胺及聚丙烯酰胺的复合热稳定剂,制备了含有不同配比复合热稳定剂及未添加任何试剂的绝缘纸,干燥浸油处理后通过30d130℃加速热老化实验,测量了绝缘油的酸值、水分、介电损耗和击穿电压等热老化特性。结果表明胺类化合物改性绝缘纸会导致绝缘油老化过程中水分含量降低,对击穿强电压影响较小,但绝缘油的酸值及介电损耗会明显增加,加速绝缘油劣化。当三聚氰胺、二氰二氨及聚丙烯酰胺添加量质量分数分别为2.25%、0.75%、0.2%时,绝缘纸的热稳定性提升最大,且对绝缘油老化特性影响效果较小。通过铜元素含量及前线轨道能隙分析,认为胺类化合物在老化过程中产生氨气,促进铜离子的生成,从而加速绝缘油的老化。

绝缘纸板表面微纳结构Al2O3功能膜的构筑及其抑制空间电荷注入的机制

空间电荷是影响和制约换流变油纸绝缘材料绝缘强度的关键因素。与体掺杂不同属性纳米颗粒实现抑制空间电荷的传统方法相比,需要探索新思路、新方法实现油浸绝缘介质的空间电荷注入。以射频反应磁控溅射为技术手段,在绝缘纸板表面成功制备了微纳结构Al2O3功能膜;通过电声脉冲空间电荷测量法,以及预压及无预压情况下的直流击穿测试获得构筑微纳结构Al2O3功能膜油浸绝缘纸板的空间电荷和直流击穿特性。研究表明,绝缘纸板表面构筑的微纳结构Al2O3功能膜提升了油浸绝缘纸板体积电阻率,有效抑制油浸绝缘纸板空间电荷的注入,并显著减弱由空间电荷积聚引起的油浸纸板内部电场畸变程度,表面构筑微纳结构Al2O3功能膜油浸纸板的预压直流击穿电压值得到了较高提升。微纳结构Al2O3功能膜除了具备纳米粒子相关效应外,还提升了电荷注入势垒。

采用空间电荷分析的导线交流起晕电压测量

导线电晕现象是导线表面电场强度高于周围介质电气强度所产生的电气现象,与导线的空间结构、电压、大气环境等因素有关。导线起晕电压的准确测量可以优化导线及其电场结构,提高其电气强度,减小电晕损耗及干扰。基于分析电晕产生空间电荷的过程及其对电场的畸变作用,提出导线附近空间电荷的检测方法。通过导线与感应电极间杂散电容与取样电容分压的方式,分析交流电压下电晕空间电荷影响感应电压波形的规律。采用特征量提取法分析计算导线起晕电压。搭建导线交流电晕放电模拟实验平台,验证了特征量提取测量起晕电压方法的有效性。

绝缘油中糠醛稳定性的影响因素

油中糠醛含量是评估变压器绝缘纸老化的一种重要特征量,其在变压器油中的稳定性直接决定了评估结果的可靠性。为此探究了温度、铜和氧气3种因素对绝缘油中糠醛稳定性的影响：在实验室条件下配置一定糠醛质量浓度的绝缘油,并将其分别置于温度（90、110、130℃）、铜（有、无）、氧气（有、无）3个因素组合条件下,通过定期测量绝缘油中糠醛质量浓度来判断糠醛在不同条件下的稳定性情况。实验结果表明：单就温度而言,即使温度升高到130℃糠醛依然稳定,无铜无氧情况下,温度变化（≤130℃）不影响糠醛稳定性;铜对糠醛稳定性的影响随温度变化,在90℃下不影响糠醛稳定性,在110℃和130℃下均会使油中糠醛缓慢降解,130℃时的降解速率快于110℃,并且在50 d实验周期内下降了19%;氧气对糠醛稳定性的影响比较明显,糠醛在氧气存在环境下会降解,并且铜和高温均会加速该环境下糠醛的降解速率;高温、铜、氧气对糠醛稳定性的影响表现为一种协同作用,在其他2个条件不具备的情况下,单因素对绝缘油中糠醛质量浓度无影响或影响很小。

三元混合式绝缘油与绝缘纸板“液–固”组合体系的沿面闪络特性

油浸式电力变压器中油-纸绝缘体系的"液–固"交界面易发生沿面闪络,导致变压器绝缘失效。为考察新型三元混合式绝缘油对油-纸绝缘体系沿面闪络电压的提升效果,为此以矿物油–纸绝缘为参比,研究了交流电压下三元混合式油–纸绝缘体系的沿面闪络特性,分析了沿面闪络电压、油浸纸板表面损伤、以及沿面闪络后的油中溶解气体特性。结果表明:当针–板电极间距离由5 mm增大至20 mm时,与矿物油–纸绝缘体系相比,三元混合式绝缘油-纸绝缘体系的沿面闪络电压约高10%~20%,主要原因在于三元混合式绝缘油–纸绝缘体系中针电极尖端的电场值较小,且三元混合式绝缘油的击穿性能优于矿物油。经历多次沿面闪络后,三元混合式绝缘油浸渍纸板的表面损伤程度弱于矿物油浸渍纸板,且三元混合式绝缘油中溶解的C2H2及总烃类气体含量低于矿物油。该结果为安全应用三元式混合绝缘油提供了数据支撑。

受潮对油纸电容式套管频域介电响应的影响

设计制作了10 kV油浸纸套管模型,对该模型进行电势分布仿真,得出电势沿径向路径线性分布的结论。同时,套管模型实际工频电容测量值30.197 pF与理论计算值30.172 pF接近,套管模型基本满足实际需求。测试了不同受潮程度下套管的主绝缘与绝缘油的频域介电响应特性后发现:受潮缺陷会使主绝缘的介质损耗和电容在整个频域(10^-3-10^3Hz)内明显增加;受潮后的绝缘油介质损耗在整个频域内明显增加,而电容则在10^-3-10^-1Hz频段内明显增加,10^-1-10^3Hz内基本保持不变。最后选取特征频率点(10^-3、10^-2、10^-1Hz)下的电容值与工频电容值的比值为特征量有效地实现了对套管受潮状态的评估,为频域介电响应技术应用于油纸电容式套管的状态评估提供了理论参考。

掺杂纳米Al_2O_3对纤维绝缘纸电寿命的影响及机理

纳米Al_2O_3掺杂能有效提升纤维绝缘纸的热寿命,为进一步探究其对纤维绝缘纸电寿命的影响,在实验室制备了纳米Al_2O_3改性纤维绝缘纸(质量分数为2%的掺杂量)和普通纤维绝缘纸手抄片,均采用矿物油进行真空浸渍后作为对比研究对象。在多样品绝缘材料电老化试验平台上,对两种油浸绝缘纸分六种不同电压开展加速电老化试验,以绝缘击穿失效作为寿命终点,利用电寿命反幂函数模型,分别计算并对比了其寿命指数,并对其介电性能进行测试。结果表明,相较于改性前的油浸绝缘纸,改性后的油浸绝缘纸具有更低的相对介电常数及介质损耗,寿命指数提高了20%,具有更高的抗电老化性能及更长的电寿命。最后,结合改性前后介质中电场分布、介质损耗及传导电流变化,分析了纳米Al_2O_3掺杂对油纸绝缘电寿命的影响机理。