TiO_2纳米改性变压器油中正流注测量与机理分析

利用纳米粒子进行绝缘改性能够提高变压器油的正极性冲击击穿性能,但是其改性机理善不清楚。为此基于阴影测试技术搭建了变压器油中流注测量平台,测量研究了正极性标准雷电冲击电压作用下TiO_2纳米改性前后变压器油中流注的产生和发展特性。研究结果表明,TiO_2纳米粒子提高了变压器油中正极性的流注起始电压,且能显著抑制正流注的发展。与纯油相比,TiO_2纳米油中正流注的直径大,流注分支多。据推测TiO_2纳米粒子引入的更多浅陷阱对电子捕获作用,以及流注分支之间的屏蔽作用导致前端电场强度降低,是TiO_2纳米油正极性冲击击穿电压提高的原因。     

TiO_2纳米粒子对高水分变压器油中电荷输运的影响

水分是导致运行中变压器油绝缘性能下降的重要因素之一。为了提高高水分含量下变压器油的绝缘性能,本文利用半导体TiO2纳米粒子对变压器油进行改性研究。测量了不同水分含量下改性前后变压器油的工频击穿和局部放电特性。发现当变压器油中含水量较高时,半导体TiO2纳米粒子不仅可以使变压器油的工频击穿电压提高至改性前的2倍以上,而且可以有效抑制油中局部放电现象。利用电声脉冲(PEA)对变压器油中电荷累积和消散特性进行了测量研究,结果发现:TiO2纳米粒子能够提高高水分变压器油中电荷的消散速率,一定程度上抑制了水分对变压器油中电场的畸变,从而提高了变压器油的绝缘性能。     

利用局部放电评价GIS典型缺陷危险性的研究

采用脉冲电流法测量局部放电PRPD谱图,4054示波器获取局部放电信号的脉冲波形,研究了针板缺陷不同间隙距离下局放的起始电压、击穿电压和放电量;针板缺陷从发生局部放电到击穿整个过程PRPD谱图、放电脉冲的变化情况。研究结果表明,间隙距离越小,针板间隙发生局部放电后越危险;局部放电从产生到击穿可分为3个阶段,即放电起始阶段、放电发展阶段和邻近击穿阶段,以上结果为利用局部放电判断GIS运行状态提供了有效的判据。     

直流电压下TiO2纳米改性变压器油中电晕放电特性及机理

电晕放电作为变压器油中局部放电主要形式之一,危害换流变压器的安全运行。纳米改性可以提高变压器油的绝缘性能,但直流电压下电晕放电的改性效果和机理研究不足。为此制备了二氧化钛纳米改性变压器油,采用针板缺陷进行了电晕放电过程中的图像拍摄、脉冲电流及光脉冲的测量,并测量了油中的电荷输运特性。研究发现,负极性直流电压下,纳米变压器油的击穿电压提高了23.8%;电晕放电强度也明显降低:外施电压50 kV时,纳米变压器油中电晕发光面积减小了86.0%,光脉冲和电流脉冲的频率分别减小75.6%和76.3%,幅值分别减小92.8%和78.6%。纳米粒子抑制电晕放电是因为纳米粒子向变压器油中引入更多浅陷阱促使电子从电离区逃脱,同时其极化捕捉作用削弱了电子碰撞电离,抑制了电子崩起始;此外带负电的纳米粒子的形成相当于增加了负离子数量、降低了其迁移率,从而降低了针尖处电场强度。该研究可为直流电压下变压器油电晕放电的抑制方法和纳米粒子的选型提供依据。     

直流电压下油纸绝缘沿面闪络特性及数值模拟

变压器油纸绝缘沿面放电起始与发展的物理过程较为复杂,放电机理尚未明确.本文通过对油间隙放电针-板电极模型和油纸绝缘沿面放电针-板电极模型进行试验测量和数值模拟,获取并分析油间隙放电和油纸绝缘沿面放电在不同纸板厚度、不同沿面距离下的放电特性和放电机理.结果表明:直流电压下,油纸绝缘沿面闪络电压低于油间隙击穿电压的原因在于绝缘纸板的存在不仅改变了电场的分布,使针尖处平行电场分量增大,流注放电的起始电压降低,还阻碍了空间电荷的扩散,加剧电场畸变程度,提升流注的发展速度.另外,由于绝缘纸板的存在,油纸绝缘沿面放电流注的起始过程也不同于油间隙放电流注的起始过程,存在着流注通道向绝缘纸板贴合的过程.增大纸板厚度可使针尖处平行电场分量增加,流注放电的起始电压降低,流注的发展速度变缓,沿面闪络电压降低.油纸绝缘沿面闪络电压随沿面距离的增加而增大,其呈现非线性变化是由于流注在向自持放电阶段发展的过程中,受外施电压的作用逐渐减弱,空间电荷畸变电场的作用占主导地位.     

电压水平对交流恒压下油楔放电发展及击穿过程的影响

为实现通过局部放电检测来准确诊断电气设备绝缘缺陷并对危险放电状态进行预警,文中对模拟电力变压器绕组匝间和饼间局放缺陷的油楔放电模型,采用恒压法和全实时高频/特高频联合检测系统,对其发展至击穿全过程的局放信号进行了研究。通过改变外施电压,研究了电压水平对油楔放电发展进程的影响;总结了不同电压下油楔放电发展全过程特征参数的变化规律,提出了放电阶段状态划分的方法和原则;从机理的角度对不同阶段的放电机制进行了解释。研究表明,恒压下,不同电压水平油楔放电均存在平稳发展和加速劣化发展两种典型阶段,放电从平稳发展阶段转变到加速发展阶段均具有明显的突变过程;同时油楔放电在加速劣化状态具有相同的统计特征。文中的研究成果对局放状态监测的预警具有工程指导意义。     

纳米改性变压器油的破坏特性

变压器等输变电主设备的油纸介质已越来越不能满足特高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。为了解决输电电压等级提高带来的高性能变压器油及油纸绝缘问题,基于纳米改性技术,开展具有优异电气性能的新型纳米油纸复合绝缘系统的研究。采用变压器油纳米添加改性技术,研究了纳米改性变压器油的制备方法,得到了纳米改性提高变压器油破坏特性的最佳配比,并对纳米改性变压器油在交流、直流、雷电冲击下的破坏特性和局部放电起始电压进行了对比研究。研究发现纳米改性可以提高在较大间隙下变压器油的击穿电压,并且能显著提高其局放起始电压,改善其雷电冲击下50%放电伏秒特性曲线。基于纳米粒子介质球在电场中的极化理论,研究了粒子表面极化电荷密度分布和产生的势阱,并指出纳米粒子界面对载流子的捕获和流注的阻挡作用是较大电极间隙下纳米改性变压器油绝缘性能提高的原因。研究结果说明了纳米改性对于变压器油纸绝缘系统的性能提高提供了新的可能途径。     

GIS中不同长度金属尖端缺陷超声波局部放电发展特性研究

气体绝缘组合电器设备(gas insulated switchgear,GIS)因具有占地面积小、可靠性高等优点在电力系统获得了广泛应用。GIS设备在制造或安装过程中可能在高压导体产生金属尖端缺陷,进而在运行过程中产生局部放电,持续的局部放电会导致绝缘击穿,影响设备运行。针对GIS高压导体金属尖端缺陷局部放电特性,文中在实体GIS高压导体上设置了不同长度的金属尖端缺陷,利用超声波法对其从局放起始到绝缘击穿整个过程中的局放信号进行了测量,结果表明,随着电压的升高局放过程可分为局放起始阶段、局放相位转换阶段、局放发展阶段及临界击穿阶段,不同长度的缺陷其发展阶段类似,但其局放起始电压及放电强度不同。     

SiO_2纳米改性变压器油特性研究

采用SiO_2纳米颗粒对变压器油进行改性研究,制备了0.5%、1%、1.5%、2%4种质量浓度的SiO_2纳米改性变压器油。通过比较不同浓度SiO_2纳米改性变压器油的分散稳定性和电气理化特性,确定最佳浓度为1%,此时测得其微水含量为5.118 mg/L,击穿电压为52.05 k V,介质损耗为2.107%。利用COMSOL Multiphysics建立稳态圆筒型散热模型,分析SiO_2纳米改性变压器油的散热特性,采用稳态法和瞬态法对配制的SiO_2纳米改性变压器油的热导率进行研究,在最佳浓度下测得其热导率为0.15 W/(m·K),较纯油提高了5%以上。仿真和实验结果均表明SiO_2纳米改性变压器油具有较好的散热性能。     

金属颗粒对绝缘油流注发展特性的影响研究

变压器在制造、运行和维修等过程中,其内部绝缘油难免会引入金属颗粒,为探究金属颗粒对油纸绝缘性能的影响,文中搭建并调试了油纸绝缘雷电冲击放电试验平台等,开展了金属颗粒对绝缘油流注发展特性影响试验研究,研究了不同浓度金属颗粒对绝缘油流注起始电压与发展过程中形态的影响,并通过COMSOL仿真平台进行验证。结果表明,金属颗粒会促进油中流注的起始与发展过程,流注停止长度和发展速度与颗粒浓度呈正相关,而绝缘油流注起始电压与击穿电压与颗粒浓度呈负相关,金属颗粒的引入会使得流注形态更加发散。分析认为油中金属颗粒与流注的相互作用是降低流注起始电压,加速流注发展,进而降低绝缘油击穿电压的主要原因。     

不同曲率下针–板沿面放电模型白斑发展过程及放电特性

电力变压器绝缘纸板上的白斑会降低油纸绝缘的性能,但在检修阶段很难发现白斑现象。为了寻找白斑发展过程中的局部放电特性,在实验室条件下建立交流针–板沿面放电模型,研究不同曲率半径下白斑形成发展过程及放电特性。研究结果表明:起始放电电压和闪络电压与曲率半径间存在一次线性相关和二次非线性相关;同一曲率下局部放电发展过程可分为5个阶段,第2阶段到第5阶段分别对应着白斑产生、迅速延伸、缓慢延伸和闪络击穿现象;5个阶段中同一阶段局部放电特征参数的幅值和大小随着曲率半径的减小呈现出先减小后增大的趋势;不同曲率半径下白斑发展过程和局部放电特性与绝缘纸板上火花放电的集中程度相关。研究结果可为通过局部放电谱图形状和放电量大小诊断变压器绝缘纸板上的白斑提供参考。     

交直流叠加电压下针板模型放电及产气特性

换流变压器内电场以交直流叠加电场为主,与交流变压器有明显区别,因此其局部放电和产气特性与交流变压器不同,已有的交流诊断依据不适用于换流变压器,需要重新对判定依据进行总结。搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘针板放电试验平台,通过分析放电特征的时间变化趋势及统计规律,总结不同时间的产气特性,得到了适用于换流变压器的诊断依据。研究结果表明：交直流复合电压作用下放电和产气特性表现出明显的阶段特征,整个过程可以划分为3个阶段：放电起始阶段、发展阶段及临近击穿阶段;根据局部放电和产气特性的规律及趋势可以作为换流变压器针板放电阶段的判定依据,即脉冲重复率很小,烃类气体产出极少为起始阶段;脉冲重复率明显增加,CH4产出量大为发展阶段;绝对产气速率超过0.5 mL/h,C2H2产出量最大,且出现C2H6时为临近击穿阶段。     

交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电发展过程研究

通过搭建一套交直流复合电压油纸绝缘针板缺陷局部放电试验平台,对交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电发展过程中的局部放电参数及谱图变化进行研究分析。结果表明:根据局放特征参数随时间的变化规律,局放发展过程可分为起始阶段、发展阶段、严重阶段及预击穿阶段。平均周期放电次数在发展阶段与严重阶段增加,在预击穿阶段减少;平均放电幅值在发展阶段增加,在严重阶段与预击穿阶段下降,脉冲平均等效时间与频率在严重阶段与预击穿阶段呈现相反的变化趋势。局放特征谱图的形状变化规律可成为识别局放发展阶段的重要依据。     

油中微水对变压器匝间放电的影响

为了研究微水对油纸绝缘匝间放电的影响,在实验室建立了匝间放电试验平台。模拟了变压器油微水体积分数为11×10-6和28.6×10-6的匝间放电,采用恒压法研究了从起始放电到绝缘击穿的整个过程,使用常规脉冲电流(CIC)测量方法检测局部放电的信息。对所采集的CIC信息进行了放电次数和平均放电量进行统计分析,可以将匝间放电划分为4个阶段:起始放电阶段、放电发展阶段、放电严重阶段和放电严重阶段。试验结果表明:1)微水体积分数为11×10-6的变压器油起始放电电压高于微水体积分数为28.6×10-6的变压器油;2)微水体积分数为11×10-6的变压器油与体积分数为28.6×10-6的变压器油相比,单位时间内的各阶段的放电次数和视在放电量前者小于后者;3)微水体积分数为11×10-6与28.6×10-6的变压器油相比,前者放电持续时间长,后者放电持续时间短。     

加速老化下油纸绝缘气隙缺陷模型放电的特征演化与参量表征研究

气隙放电是变压器内最为常见的放电形式,通过检测其放电发展程度来表征油纸老化程度有助于对变压器放电危险性进行定量评估。为研究不同老化状态下的油纸绝缘内部气隙放电的发展特性,提出表征老化程度和放电危险度的特征量,通过加速热老化制备4种不同老化程度的油纸绝缘试品,搭建油纸绝缘局部放电试验平台,在阶升电压下获得局部放电发展过程中的放电谱图。研究发现,随着老化程度的加深,局部放电起始电压和击穿电压总体呈下降趋势,且放电量的威布尔尺度参数α值和平均放电功率P变化较为显著;连续放电时间差Δt对放电发展阶段和绝缘老化程度反应灵敏,可用于放电危险度评估指标。     

交直流复合电压作用下油纸绝缘典型缺陷放电现象及特征

为实现换流变压器油纸绝缘故障诊断,搭建了一套交直流复合电压作用下油纸绝缘缺陷局部放电和油中溶解气体检测平台,选取针板模型、沿面模型和悬浮模型作为研究对象,得到每个模型不同发展阶段的局部放电和产气特性,对比了3种典型缺陷模型的特征区别。研究结果表明:1)根据3种典型缺陷模型的脉冲重复率、平均放电量和总烃体积分数变化趋势中的变化现象可以将放电过程划分为起始阶段、发展阶段和邻近击穿阶段;2)针板模型的脉冲重复率最低,沿面模型起始脉冲重复率较低但是放电后期较大,悬浮模型放电脉冲重复率最高;针板模型起始时放电量为97.5 pC,邻近击穿时超过900 pC,沿面模型起始时只有7.1 pC,随后增长到18.2 pC,而邻近击穿时也只有45.6 pC;悬浮模型起始阶段的平均放电量很大,发展阶段迅速减小到1 000 pC,邻近击穿阶段大于1 500 pC;3)针板模型在放电发展阶段总烃中以CH4为主,沿面模型在放电发展阶段中C2H2占到总烃体积分数的60.6%,悬浮模型在放电发展阶段4类烃类气体都有产出,其中C2H2气体最多。     

TiO2纳米粒子表面修饰对变压器油冲击击穿性能的影响

采用液相法制备了乙酸、己酸和油酸修饰的TiO2纳米粒子及其改性变压器油,利用透射电子显微镜（TEM）和傅里叶红外光谱仪（FTIR）测试表征了纳米粒子的形貌和表面修饰状态,通过测试变压器油改性前后的正冲击击穿电压和流注发展形态,研究了纳米粒子表面修饰对变压器油击穿性能的影响规律。结果表明：表面修饰纳米粒子极大地提高了变压器油的正冲击击穿电压,并显著延长了击穿时间。其中,乙酸修饰纳米粒子的改性效果最佳,将冲击击穿电压从纯油的84.73 kV提高到116.42 kV,提高了37.4%,击穿时间延长至纯油的1.68倍。纳米粒子表面修饰增大了油中浅陷阱的密度,改变了油中流注的发展形态,显著抑制了流注的发展速度,从而提高了变压器油的冲击击穿性能。     

环氧树脂/Al2O3纳米复合材料直流电树枝及局部放电特性研究

为了研究纳米Al2O3对环氧树脂直流电树枝的影响,制备了环氧树脂及环氧树脂/Al2O3纳米复合材料,采用针-板电极对试样进行电树枝试验及局部放电检测,分析了直流电树枝的起树、生长及老化对应的局部放电情况.结果表明:添加纳米Al2O3颗粒能够降低环氧树脂中直流电树枝的起树概率和生长速度,当Al2O3的质量分数小于3.0％时,其含量越高,抑制电树枝的能力越强.此外,电压上升速度越快,环氧树脂直流电树枝的引发概率越高.试样中的电树在加压时间约为1800 s时会出现滞长现象,且电树枝均为枝状电树.局部放电是环氧树脂直流电树枝老化的一个重要原因,局部放电脉冲簇主要出现在每个周期电压上升和下降的阶段,推测原因是在这两个阶段电树枝快速生长.通过对比纯环氧树脂和Al2O3质量分数为1.0％的环氧复合材料试样的局部放电测试结果,发现纳米Al2O3能够抑制电树枝发展过程中的局部放电,导致放电脉冲幅值降低并且出现更多局部放电稀疏的区域,说明纳米颗粒可以通过抑制局部放电来抑制电树枝的发展.     

UHVDC换流变压器油纸绝缘缺陷直流局部放电发展过程

特高压换流变压器绝缘承受的直流电压高,绝缘缺陷劣化发展迅速,且单凭局部放电(PD)量值和放电次数无法对绝缘缺陷的发展阶段进行分析诊断。为此,研究了特高压换流变压器内部油纸绝缘缺陷直流局部放电特征及其发展过程,构建了油纸针-板等7种局部放电模型。采用阶梯式升压法研究在长期外加电压作用下,绝缘纸板从起始放电到被击穿的整个缺陷发展过程中脉冲电流信号的实时特征及其统计特性,通过拍照的方式给出各模型各发展阶段纸板表面电腐蚀状态,并给出各相应发展阶段电场的空间分布。结果表明:直流局部放电发展过程复杂,初期以大放电脉冲为主,放电频率低,等待恢复时间随机性强;中期和末期以小脉冲放电为主,等待恢复时间均匀分布;临界击穿时等待恢复时间分布集中。结合多种放电模型直流局部放电试验,可断定不同缺陷结构从起始直流局部放电到击穿的过程中,其局部放电的总体发展趋势表现一致。     

半导体纳米粒子改性变压器油的绝缘性能及机制研究

磁性导电纳米粒子可以提高变压器油的导热和绝缘特性,但其分散性极易受到磁场的影响,不利于变压器油性能的改善。利用半导体纳米粒子对变压器油进行改性,测量了改性前后变压器油的工频击穿特性、雷电击穿特性和局部放电特性,可知半导体纳米粒子不仅可以使变压器油的工频和雷电击穿电压提高至未改性变压器油的1.2倍,而且可以改善变压器油的局部放电特性。由于现有的电子捕捉理论无法解释这种现象,利用热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)法对改性前后变压器油中的陷阱特性进行了测试,结果表明:纳米粒子的加入增加了变压器油中的浅陷阱密度,提高了变压器油对电荷的消散和输运能力,从而能够改善变压器油的绝缘性能。