交直流复合电场下油纸绝缘界面电荷对沿面闪络电压的影响

在交直流复合电场下,换流变压器的油纸界面会积聚电荷,使得油纸界面的电场发生畸变,容易引发沿面放电。为揭示交直流复合电场下油纸界面电荷对其沿面闪络电压的影响,采用针-板沿面放电模型,测量了交直流复合电场下油纸绝缘的沿面闪络特性,通过静电电容探头法测量了直流电压作用下沿面放电模型油纸界面的电荷分布。研究发现,负极性直流叠加交流电压下的油纸沿面闪络电压高于正极性直流叠加交流电压下的情况。原因是油纸界面积聚了与外施直流电压极性相同的界面电荷以及相同条件下油纸界面积聚的负极性电荷密度要大于正极性电荷密度。     

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。     

非线性油纸复合绝缘结构中交直流混合电场的数值计算

分析了换流变压器端部电场的分布特性。首先从能量的角度获得直流电场的有限元计算模型；然后针对材料的非线性特征，用迭代法进行求解，并给出了合理的收敛判据和收敛因子；最后计算分析了各种励磁下电场的分布特征以及场域温度，油纸电导率之比的变化对电场分布的影响。     

极性反转条件下的油纸沿面绝缘界面电荷特性

高压直流输电系统出现潮流反转或电压陡变情况,换流变压器的油纸绝缘会承受极性反转电压,往往容易造成绝缘失效。为研究此过程中油纸绝缘界面电荷特性,利用静电容探头法测量了极性反转过程和电压陡变条件下油纸沿面绝缘结构界面电荷密度的变化。发现了油纸界面电荷能加强外施电压极性反转时刻的瞬态电场,加强程度与积聚的界面电荷密度成正比;油纸沿面绝缘结构和平行绝缘结构的界面电荷积聚时间差异显著,极性反转过程中会强化电场分布的不均匀程度;建议采用CIGRE推荐电压陡变波形(反转时间2 ms)作为对换流变压器出厂试验的考核。这些结论对改善换流变压器的绝缘设计和提高其运行维护可靠性有重要意义。     

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。     

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.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,并总结电场分布规律.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.     

换流变压器阀侧绕组端部瞬态电场分析

为了研究换流变压器阀侧绕组区域的瞬态电场分布规律,即在长时直流电压和极性反转电压作用下的电场分布规律,建立了2个典型的油纸绝缘模型和1个±500kV换流变压器绕组端部简化模型,并利用有限元软件ANSYS对上述模型进行了长时直流电场和极性反转电场分析,主要分析了模型结构、材料属性和试验时间对上述电场分布的影响,得到了直流电场趋于稳态所需时间的影响因素以及极性反转电场的一些特点。最后重点分析了±500kV换流变压器绕组端部的极性反转电场,同时考虑了绝缘纸板的正交各向异性。结果表明,直流电场趋于稳态所需时间的长短与模型结构及绝缘材料的电阻率有关;合理地设置极性反转时间才能保证对变压器油的有效考核。这些结论可为换流变压器绝缘结构的设计及绝缘试验提供参考依据。     

直流和极性反转电压下石蜡基与环烷基变压器油纸界面电荷积聚特性及动态过程

以环烷基变压器油(N油)和石蜡基变压器油(P油)为研究对象,实测得到直流和极性反转电压下油纸绝缘空间电场和界面电荷动态过程。结果表明:恒定直流电压下,P油和N油纸界面电荷积聚速率和量值存在明显差别,P油油纸界面电荷积聚量为N油的0.86倍,电荷积聚速率小于N油的30%;极性反转电压下,极性反转时间对这两种油纸界面电荷动态特性影响较大,当极性反转时间1s时第一次极性反转后电场强度P油为N油的0.54倍,而当极性反转时间120s时P油为N油的1.65倍。从不同于理化特性、电气参数等传统性能指标的角度揭示了石蜡基油和环烷基油对油纸绝缘空间电场时空分布的影响机制,即不同品类变压器油中载流子迁移特性不同,导致油纸界面电荷分布形态出现不同规律。该文研究成果可为换流变压器设计时合理选用变压器油、校核优化绝缘结构提供新的思路方法和指导依据。     

特高压换流变压器阀侧出线装置直流电场计算与分析

换流变压器的阀侧出线装置是换流变压器内部最复杂,同时也是最重要的绝缘结构之一。在运行时,它不仅要耐受交流电压,而且也要耐受直流电压。在直流稳态下,阀侧出线装置的电场分布取决于材料的电阻率。变压器油和绝缘纸板的电阻率与电场强度有关,表现为非线性;绝缘纸板在层压及垂直层压方向的电阻率有很大的不同,表现为各向异性。笔者对换流变压器的阀侧出线装置的非线性、各向异性直流电场进行计算,并将计算结果与线性、各向同性模型及线性、各向异性模型的结果进行对比。对比结果表明:在对换流变压器阀侧出线装置的直流电场进行分析、校核时需要同时考虑油纸绝缘的非线性及各向异性。     

换流变压器极性反转三维瞬态电场计算

换流变压器是高压直流输电系统中的重要设备之一,运行过程中不仅要承受交流电压、直流电压和交直流电压叠加,还要承受极性反转电压的作用。为了考量换流变压器油纸等绝缘媒质的绝缘特性,首先,建立了瞬态电场的理论计算模型;其次,利用Ansys软件建立了换流变压器的三维瞬态电场计算模型;然后,考察了换流变压器油纸等绝缘结构在极性反转电压下的瞬态电场变化特性;最后,仿真分析了极性反转试验电压类型的不同对瞬态电场的影响。结果表明:油纸等绝缘结构在第一次极性反转过程中承受的瞬态电场值最大,且极性反转试验电压类型的不同对油纸等绝缘结构所承受的瞬态电场影响很大,为准确的进行换流变压器绝缘结构设计提供参考。     

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。     

换流变压器油纸绝缘复合电场击穿特性及其试验方法

为了查明换流变压器油纸绝缘在交流叠加直流电场下的击穿特性,利用交流、直流及交流叠加直流等复合电场,对油隙、浸油纸板和油纸复合绝缘进行了击穿试验研究。结果表明：油隙的击穿场强几乎不随交流电压分量变化;浸油纸板击穿场强随交流电压分量增加迅速下降;受浸油纸板击穿特性影响,油纸复合绝缘击穿场强随交流电压分量减小明显提高。说明油隙的击穿场强与交流电压分量基本无关,但浸油纸板的击穿场强受交流电压分量影响严重。依据试验结果,进一步对换流变压器交流和直流电压试验项目的有效性进行了讨论。经分析发现换流变压器主绝缘的油隙与浸油纸板在运行电压下出现的最高电压仍为交流叠加直流电压。交流和直流电压试验的电压幅值能够满足要求,但电压波形与承受的运行电压相差较大。认为交流电压试验考核油隙绝缘介电强度是有效的,而直流电压试验考核浸油纸板绝缘介电强度并不充分。     

正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸沿面流注动态变化规律研究

油纸绝缘复合电介质沿面放电是电力设备内绝缘的研究基础,其在雷电冲击电压下的绝缘特性是变压器绝缘设计的重要参数之一。为了获得油纸沿面流注传播与消散过程中电学、空间电荷分布演化规律及其关联关系,以交界面平行于施加电场方向的油纸系统为研究对象,通过构建适用于绝缘油油纸沿面流注动态变化特性的试验观测系统,可同步获得正极性雷电冲击电压下流注传播和消散过程中的电压、放电电流和放电通道流注阴影图像。利用该平台还测量了油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压。试验结果表明,在正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸绝缘相对介电常数差异并不会促进油纸沿面流注的传播过程,而粘度对于油纸沿面流注侧向分支影响显著。粘度越低,空间电荷在迁移过程中所受到的阻力越小,流注头部空间电荷在受到表面电荷的斥力后越容易往油中扩散,空间电荷在绝缘油中所形成的空间电场使得油纸沿面流注的主分支能够在绝缘油中传播,增加了油纸沿面流注传播距离,从而使低粘度天然酯绝缘油油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压略高于其纯油击穿电压。     

空间电荷及金属颗粒对换流变阀侧套管的电场分布影响

换流变压器阀侧套管承受交、直流复合电压,对套管的性能和质量有严格的要求。直流电压下,不同介质界面处空间电荷积聚会引起局部电场的畸变,金属颗粒的存在也会大幅提高局部场强,二者均会降低套管的绝缘性能。文中根据换流变压器阀侧套管的结构,采用有限元分析软件,建立了阀侧套管的仿真模型,分析了加入空间电荷后不同类型电压下套管的电场分布以及金属颗粒对局部电场的影响。结果表明,直流电压下介质界面处空间电荷更容易积聚,交直流复合电压下空间电荷能够引发套管内部局部电场的畸变。与交流电压相比,直流电压下金属颗粒对局部电场的畸变程度影响更大,在SF₆气体中金属颗粒对电场畸变程度的影响大小与其所在位置的关系不大。     

换流变压器各向异性直流电场的有限元计算

笔者以变压器内部常见的油纸绝缘结构为例,利用自编程对换流变压器阀侧绕组直流电场进行了计算,并通过有限元软件ANSYS仿真,验证了文中方法的正确性。基于纸板材料电导率的各向异性特性,推导了电导率各向异性情况下直流电场的数学模型,给出了离散格式,分析了电导率对直流电场的影响,并对1台500 kV换流变压器进行了计算。计算结果表明,考虑材料的各向异性后纸板中场强减小,油中场强增大,变化的幅度与电导率初值有关。     

非线性有限元法在出线装置复合绝缘结构电场计算中的应用

极性反转是换流变压器出线结构复合绝缘的一种特殊工作状态,极性反转时由于空间电荷作用可导致绝缘介质内部及界面处电场畸变。另一方面,绝缘介质电性能参数是温度的函数,因此温度梯度导致的电性能参数改变同样会影响绝缘结构在极性反转过程中的瞬态电场分布。基于此,为了较准确地模拟复合绝缘结构在考虑温度分布条件下的极性反转瞬态电场,提出应用非线性有限元法对以上2种瞬态电场影响因素进行耦合分析。首先研究了油浸纸复合绝缘体系电性能参数与温度的关系;然后详细介绍了基于非线性有限元法的瞬态电场计算流程,并通过双层同轴复合绝缘结构模型验证了其有效性;最后对实际换流变压器出线装置的油纸-环氧浸渍典型复合绝缘结构建立了二维轴对称仿真计算模型,在考虑材料非线性的条件下对其极性反转瞬态电场变化过程进行了仿真分析。计算结果表明传统模拟方法与考虑材料非线性时的结果存在较大差异,且极性反转过程中复合绝缘结构易出现畸变严重的局部高场强区。     

换流变压器阀侧绕组非线性各向异性直流电场分析

由于绝缘材料的电阻率具有非线性和各向异性,故在计算换流变压器阀侧绕组直流电场时需要考虑到绝缘材料的非线性和正交各向异性。笔者采用ANSYS二次开发技术,计算了在考虑绝缘材料电阻率随场强和温度变化情况下的非线性直流电场及非线性各向异性直流电场。计算结果表明,在考虑绝缘材料电阻率非线性和各向异性的情况下,电场分布与不考虑这些条件下的分布有很大的不同。因此,换流变压器阀侧绕组的直流电场应该按非线性各向异性场计算。     

高压直流换流变压器阀侧非线性电场的求解

为研究换流变压器阀侧绕组端部的高度非线性直流电场,经理论分析建立了非线性电场的有限元计算模型。针对绝缘材料的非线性特征应用所建模型通过迭代求解,获得了工程关心部位的电场强度分布。计算一种典型的换流变压器绕组端部绝缘中直流电场分布的结果表明,绝缘纸板、变压器油中的最高场强值均变小,尤其是绝缘纸板中最大单元场强明显降低,这个变化趋势对绝缘结构设计非常有益。     

棒-板油纸复合绝缘的电场数值计算

换流变压器阀侧绕组端部属极不均匀场,承受交流电压、直流电压及极性反转等电压的作用。为此采用有限元仿真软件对棒-板油纸复合绝缘极不均匀场模型在不同参数情况时的直流场强分布、交流场强分布及极性反转场强分布进行了计算,绘制了绝缘油及绝缘纸板中最大场强与绝缘纸板厚度、纸板长度、棒直径等参数的关系曲线。棒-板油纸复合绝缘模型在交流电压及极性反转电压作用下的场强分布较为接近,但与直流电压下的场强分布有很大的不同。通过提高换流变压器阀侧绕组端部等效棒直径及油的电阻率,选择合理的油与纸空间相对位置及几何尺寸,可比较明显地提高换流变压器阀侧绕组绝缘特性。