绝缘纸热老化对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

油纸绝缘介质在高压直流电场的作用下容易在其内部积聚空间电荷,造成电场畸变进而引发材料绝缘性能的下降,为了深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究区分绝缘纸老化和绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。首先将纤维素绝缘纸在130℃下进行加速热老化,然后将不同老化状态绝缘纸浸渍新绝缘油,得到不同老化状态的油纸试品,最后运用电声脉冲(PEA)法研究油纸试品的空间电荷注入、迁移和消散特性,并分析单纯绝缘纸老化对油纸绝缘试品在加压和去压过程中的空间电荷总量变化规律的影响,以及对油纸试品表面陷阱能级密度分布的影响。结果表明:随着绝缘纸老化程度的加深,加压过程中阳极处的正电荷密度峰值以及试品内部负电荷密度峰值逐渐增大,去压后空间电荷衰减速率减小;绝缘纸老化越严重,试品内部积聚的空间电荷总量、试品的表面陷阱能级密度也越大。与绝缘油老化对油浸绝缘纸空间电荷特性的影响相比发现,绝缘油与绝缘纸的老化均会改变油纸绝缘介质空间电荷分布,增大空间电荷注入总量,从而对材料绝缘性能造成巨大影响。     

绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷形成及迁移特性的影响

探索绝缘油老化或绝缘纸老化对油纸绝缘介质在老化过程中空间电荷形成及迁移特性的影响,能为有效抑制油纸介质空间电荷的形成提供科学依据。首先在130℃下将绝缘油进行22 d加速热老化,并对其老化状态进行表征;然后通过电声脉冲法测量由不同老化程度绝缘油浸渍的油纸试品,分析在加压、瞬时去压和去压情况下绝缘油老化对油纸试品直流空间电荷动态行为的影响;最后通过计算分析绝缘油老化对油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级分布和电场畸变率的影响。结果表明:在负极性电源电压下,贴近阳极(铝板)侧绝缘纸层内注入的正电荷密度以及在靠近阳极侧绝缘纸–绝缘纸界面处积聚的负电荷密度均随绝缘油老化程度加深而增大;绝缘油老化越严重,相应绝缘油浸渍油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率也越大。     

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。     

油老化状态对油纸绝缘直流电场下空间电荷特性的影响

为了深入研究油老化对油纸绝缘直流电场下空间电荷特性的影响,通过加速热老化得到三组不同老化程度的绝缘油试样,并对其进行理化及电气特性分析;然后利用所得油样分别对经过真空干燥的新绝缘纸进行真空浸渍,得到3组油老化状态不同的油纸绝缘试品;进而采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)在室温下分别测量了3组试品在施加直流电压和撤除电压情况下的空间电荷分布,讨论了油老化状态对油纸绝缘试品中空间电荷注入、积聚及消散等特性的影响。实验结果表明：施加直流电压下,3组油浸纸试品与电极界面处均发生了同极性电荷注入现象,油老化程度越严重,电极与介质界面处感应的电荷密度峰值越大,积聚在试品中的空间电荷总量也逐渐增大,负电荷积聚区域逐渐向阳极方向推进。撤除电压后,随着绝缘油老化程度的加重,试品中的空间电荷消散速率增大,且正电荷的消散速率大于负电荷的消散速率。     

油纸绝缘介质的空间电荷积聚与消散特性

油纸材料的绝缘问题在换流变压器、直流套管、直流电缆等高压大型直流设备大量应用的情况下显得十分突出。为探讨高压直流设备绝缘的最主要问题—空间电荷效应,应用电声脉冲法(PEA)对油纸绝缘材料的空间电荷特性进行了研究。有关外加场强对油纸材料中空间电荷积聚情况的影响和在较高场强下油纸材料的击穿破坏与空间电荷关系的研究结果表明:①低场强下油纸材料中空间电荷以电离产生为主;而在较高场强下,先后在阴极和阳极产生了同极性载流子注入。②相对于聚乙烯而言,由于油纸材料的电导率较大,材料内的空间电荷在外加电场撤去后很快消散。③空间电荷的注入和运动会导致油纸材料的劣化和破坏。油纸材料中的空间电荷快速消散现象有利于直流设备在极性反转条件下的运行,为阐释油纸绝缘良好的长期性能提供了有重要意义的试验依据。     

油纸绝缘内部合成电场数值模拟方法

油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘介质,其内部电场的分布受外加电压以及空间电荷的影响,而传统的数值方法无法准确计算空间电荷的影响。提出一种基于电极肖特基发射理论和瞬态上流元法(TUFEM)求解载流子输运方程的方法,计算了考虑注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数以及载流子复合系数等参数影响下的单层油纸绝缘介质内部空间电荷运动分布特性。与试验结果对比表明瞬态上流元法的有效性。研究典型油纸绝缘介质结构内部合成电场强度畸变程度随温度梯度变化的特性。同时,计算得到极性反转电压下不同时刻的电荷运动和电场分布规律。该方法可推广在(特)高压直流换流变压器内绝缘电场计算和优化设计。     

温度对油纸绝缘空间电荷消散特性的影响

换流变压器的出厂试验中,残留在电介质中的空间电荷将会影响绝缘试验。通过研究油纸绝缘中空间电荷的消散特性,可以为换流变压器出厂试验项目程序和时间间隔控制提供理论和试验依据,进而提出合理的试验方案。本文通过电声脉冲法和三电极法测量不同温度条件下的油浸纸试品,观察温度对油浸纸试品直流空间电荷消散特性的影响,并分析提取空间电荷总量、最大正向场强、油浸纸体积电导率等特征量。研究得到了油纸绝缘的活化能为0.48e V。随着温度升高,油纸绝缘不仅在去极化过程中空间电荷消散速度加快,在极化过程中其积聚总量也增加。去极化的初始阶段,最大正向场强出现的位置靠近阳极,随着去极化时间的延长,最大正向场强出现区域逐渐向阴极扩展。同样温度下,去极化过程中,电流达到稳定值的时间小于空间电荷总量消散达到稳定值的时间。在工厂试验和运行过程中,为避免空间电荷畸变电场造成对绝缘的损伤,去极化过程或极性反转时间间隔按照空间电荷总量消散达到稳定值的时间计算,不低于38min。     

脉动直流电压下油中电晕老化过程中油纸绝缘的空间电荷特性

为探讨脉动直流电压下油中电晕老化过程中空间电荷对油纸绝缘的影响,设计了油中电晕放电模型,在脉动直流电场下进行油纸绝缘电晕老化试验,采用电声脉冲(PEA)法测试不同电晕老化程度下绝缘纸的空间电荷特性,并分析了空间电荷特性随着电晕老化程度加深的变化规律。试验和分析结果表明:在脉动直流下的油中电晕老化初期,以负电荷注入油纸试品为主导;随着电晕老化程度的加深,油纸试品中的电荷复合加剧,并逐渐以正电荷注入为主导;此外,电晕老化后试品的空间电荷消散速率比未老化试品大幅增加,该现象对其直流条件下反极性效应的研究有重要的理论和工程意义。     

直流电场下油纸绝缘介质界面处的空间电荷特性

换流变压器是直流输电系统的核心设备,其油纸复合绝缘结构的空间电荷特性复杂,工程实践表明其对绝缘放电的影响不可忽略,因此针对油纸复合绝缘开展空间电荷特性的研究对换流变绝缘结构设计和运行分析有指导意义。为此,应用电声脉冲（PEA）法研究了电场对双层油浸纸介质中空间电荷特性的影响以及界面处的空间电荷特性。指出在双层油浸纸的界...     

空间电荷对油纸绝缘体击穿强度和沿面闪络的影响

换流变压器是直流输电工程的核心设备之一,其结构和工作状况比传统交流变压器更为复杂。针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,初步对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究。试验结果表明,极性反转现象同样存在于油纸绝缘系统中。即在直流电压下油纸绝缘中积聚的空间电荷畸变了周围的电场,导致油纸绝缘的直流击穿强度发生改变。同时,对油纸绝缘进行的沿面闪络试验表明,空间电荷的存在同样会影响油纸绝缘的沿面闪络。通过对上述试验结果进行讨论,发现传统交流变压器的设计理论和经验已不能满足换流变压器的要求,在换流变压器设计和制造中应给予空间电荷问题足够的关注。     

基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性

目前国内外关于油纸绝缘介质空间电荷特性的研究全部基于油浸绝缘纸,且已有的电声脉冲测试系统无法实现对油隙与油浸纸组合而成的混合体系的空间电荷特性的测试。通过采用改进的电声脉冲测试系统首次对油隙与油浸纸板组合而成的混合体系的空间电荷动态行为特性进行研究,分析空间电荷积聚对油纸混合体系内部电场分布的影响。研究发现油纸绝缘界面处及油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷和电场畸变程度与绝缘油和油浸纸板的电导率关系很大。由绝缘油劣化导致油纸绝缘系统的电导率提升更易引起油浸纸内部场强严重畸变,油浸纸内部最大场强约达到平均场强的2.5倍。而由油浸纸电导率增大引起的油纸绝缘系统的电导率提升减轻了油浸纸内部的电场畸变程度,但电荷快速迁移会导致介质热效应显著也易诱发击穿。消除绝缘结构界面引起的空间电荷积聚效应、限制空间电荷在绝缘介质内部的快速迁移或使电荷在介质内部分布更加均匀,从三方面出发将有助于抑制空间电荷的危害。     

绝缘纸中空间电荷效应的模拟研究

为明晰空间电荷对油纸绝缘纸板中电场强度的畸变效应、纸板老化状态与空间电荷的作用机制,采用双极性载流子输运模型,对不同老化状态的绝缘纸板中的空间电荷特性进行数值模拟。对于同一老化状态下的绝缘纸板施加直流电压时,纸板中会出现同极性电荷积聚现象,且正极性电荷的分布范围较负极性显著变窄;随着加压时间的增加,纸板中的电场畸变率呈增大趋势。当绝缘纸板老化程度加深时,其陷阱密度和深度均会增加,致使空间电荷在纸板的近电极侧大量积聚,进而削弱纸板和电极边界处的电场强度,加剧纸板内部的场强畸变;且绝缘纸板老化愈严重,空间电荷对电场的畸变作用愈突出,使得绝缘纸板加速老化,容易诱发绝缘击穿故障。研究结果可为变压器油纸绝缘设计提供参考。     

基于混合电场线性叠加原理的换流变压器内部电场分布规律研究

换流变压器是特高压直流输电系统中的关键设备,其阀侧承受着交直流复合电压。研究热老化对交直流电压在油纸绝缘内分布的影响,可为换流变压器油纸选型提供理论借鉴。选取了换流变压器常用的绝缘油和绝缘纸作为研究对象,并对2种不同油纸组合展开加速热老化试验,测量并分析试验过程中绝缘油和绝缘纸的介电常数和电阻率的变化规律,在此基础上通过油-绝缘纸-油有限元电场仿真模型分析,基于线性叠加原则,得到了交直流电压在热老化过程中的分布变化情况,表明热老化主要影响油纸中直流分量的分布,将显著提高油中的电场强度。     

不同因素影响下的油纸绝缘直流击穿特征

由于系统性原因,换流变压器阀侧在实际运行过程中长期承受直流电场分量作用,油纸绝缘在直流电压下的耐受能力是换流变压器设计过程中的重要关注点。文中考虑谐波含量、油温、含气量、油纸介电常数、纸板浸渍程度等各种潜在因素,开展了油纸绝缘直流击穿特征的基础试验研究,并用初始电子发射、空间电荷、杂质小桥等电介质理论对结果予以合理阐释,相关结论可对换流变压器阀侧绝缘结构优化和场强设计提供一定的参考。     

混合电场作用下换流变压器阀侧绕组电场分析

为了计算换流变压器阀侧绕组端部电场分布,建立了油纸复合绝缘结构的电路模型。并在分析阀侧绕组励磁电压类型的基础上,利用有限元分析法计算了在交流、直流、交直流叠加和极性反转电压作用下的电场分布,总结了电场分布规律。结果表明,换流变压器阀侧绕组电场分布既有其规律性又有其复杂性,在直流电场作用下的阻性电场分布将导致纸板中的电场集中;而交流电场作用下的容性电场分布将导致变压器油中的电场集中;在极性反转过程中由于空间电荷的存在,油中承担了较高的电压。该分析结果可为换流变压器阀侧绕组端部的绝缘设计提供依据。     

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲（PEA）法测量了不同热老化程度下试样在直流电场（20 kV/mm）作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明：随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。     

植物油-纸绝缘的电老化寿命试验研究

植物绝缘油具有高燃点和高闪点，几乎可完全生物降解以及良好的电气性能，是目前国际上重点研究的环保型液体绝缘材料。油纸绝缘结构因其稳定的性能而在电力设备中得到广泛的应用，因此评估植物油-纸绝缘的寿命具有重要意义。采用逐步升压法对植物油-纸绝缘模型进行加速电老化试验，利用双参数Weibull分布对试验数据作统计分析，反幂函数和指数函数拟合试验数据并求得电压耐受系数；同时进行矿物油-纸绝缘模型的加速电老化寿命试验，对比分析了2种油纸绝缘的加速老化性能。试验结果表明，由于植物绝缘油的介电常数比矿物绝缘油的高，使植物油-纸绝缘结构的电场分布比矿物油-纸绝缘结构的均匀，因此植物油-纸绝缘的电老化性能优于矿物油-纸绝缘。