换流变压器油纸绝缘局部放电及电荷分布特性研究综述

油纸绝缘作为换流变压器(简称:换流变)阀侧绕组的主要绝缘形式,长期受到交直流复合电压、谐波以及极性反转等复杂工况的影响,其在电场、温度、水分等因素作用下易发生局部放电和空间电荷/界面电荷积聚,从而诱发绝缘介质劣化或击穿。为此从油纸绝缘局部放电及电荷分布特性两方面对国内外研究现状、研究热点和成果进行阐述,总结了不同电压类型、不同老化因素、不同绝缘位置等对油纸绝缘局部放电及电荷分布特性的影响规律,展望了油纸绝缘局部放电特性与机理的研究趋势,指出在极不均匀电场以及谐波、脉冲电压作用下的局部放电特性是未来研究的重点方向,并且需结合电荷分布试验/仿真/分子模拟从宏观和微观角度同时探究电荷分布与局部放电机理的内在联系。这些研究成果的总结可为基于局部放电特征的换流变在线监测技术以及换流变绝缘性能改进提供参考和借鉴。     

变频电机绝缘材料关键性能及纳米改性研究进展

本文分析了脉冲电压作用下变频电机绝缘材料的关键性能。在高频脉冲电压作用下,电机绕组匝间绝缘产生的强烈局部放电,是导致变频电机绝缘破坏的主要原因。空间电荷在介质内部的分布特性,决定了介质的老化状态。热降解过程中,分子链断裂的同时生成离子基团以及气态小分子产物,加速了材料劣化过程。最后,总结了纳米改性聚酰亚胺薄膜的研究进展。     

高频电压下油纸绝缘系统的局部放电及产气特性研究

高频变压器在提升电能传输效率的同时,也会加速油纸绝缘系统缺陷的劣化进程。为研究油纸绝缘系统在高频电压下的劣化特性,采用柱板模型模拟油纸绝缘的沿面放电缺陷,搭建高频局部放电试验平台,在10、20、30 k Hz电压下采用恒压法进行多组局部放电试验。利用摄像机和罗氏线圈分别记录试验现象和放电信号,分析高频电压下局部放电图谱和产气特性,并与工频局部放电试验的结果进行对比。结果表明:随着频率的提高,油纸绝缘系统的局部放电起始电压显著降低,单位时间内关键气体的产气量明显提高;但在高频电压下,绝缘油的劣化比绝缘纸板的劣化更为严重,因此提高了关键气体中H2的比例。由于空间电荷效应,放电相位集中于电压极性反转相位附近,且高频电压下的放电相位比工频电压下的放电相位宽;同时,在高频电压下,电压的上升速率、单周波内的有效放电时延受到频率的影响,使单周波内的平均放电幅值、平均放电次数在20 k Hz附近出现极大值。     

超导电缆绝缘及其材料性能

在26篇文献的基础上综述了超导电缆本体及终端结构和绝缘特点。分析了不同绝缘结构的特点及主要绝缘材料常温和低温条件下的电气及机械性能。固体绝缘在低温下具有更优异的电气性能,但机械性能下降。EPR绝缘在液氮低温下的机械性能优于同条件下PE及XLPE的性能。液氮浸渍复合绝缘结构较易产生局部放电,纤维基绝缘材料的耐局部放电性能比薄膜材料差。提高液氮浸渍复合绝缘中液氮的压力可提高绝缘层局部放电的起始放电电压。     

油纸绝缘气隙放电发展能量熵特征研究

油纸绝缘是变压器绝缘系统的重要结构之一,气隙放电是油纸绝缘局部放电的主要形式;研究气隙放电及其发展过程的特征信息,对于及时了解绝缘劣化状态和发现潜伏性故障具有重要意义。通过模拟实际变压器运行环境,建立气隙放电模型,根据油纸绝缘不同劣化状态的变化对局部放电能量分布造成的突变影响,构建了以不同频带能量分布为基础的能量熵模型,提出将能量熵作为气隙放电发展的新特征量,每次能量熵的"阶跃"变化分别对应油纸绝缘不同劣化状态的转换,通过试验验证了其有效性,为探索新的特征参量揭示油纸绝缘气隙放电的发展特性提出了新的思路。     

基于介质损耗分析研究变频电机绝缘老化特性

变频牵引调速电机匝间绝缘承受来自逆变器的连续高压脉冲方波的作用,其老化机理与工频正弦电压作用下具有很大差异。笔者通过采用两种电压源对模拟变频电机匝间绝缘和对地绝缘的绞线对试样进行老化试验,测量了tanδ随老化时间的变化趋势,分析了电压形式对匝间绝缘和对地绝缘介质损耗产生和发展的作用机理。试验结果表明:脉冲电压下,匝间绝缘内部有放电发生时,放电与空间电荷协同作用使绝缘缺陷迅速增多;无放电时空间电荷反复注入和抽出造成绝缘损伤。交流电压下绝缘介质发热主要由局部放电造成,而脉冲电压下主要是由空间电荷所导致。对地绝缘由于其绝缘结构,呈现槽放电现象,空间电荷的引入大大加速了绝缘的老化。     

油纸绝缘直流极性反转试验及局部放电测量

对油纸绝缘缺陷模型在极性反转过程中局部放电特征图谱以及空间电荷特性进行了研究,实现了对油纸绝缘极性反转过程中局部放电信号和空间电荷的测量。     

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。     

直流预压对油纸复合绝缘局部放电特性的影响

为了研究直流预压对油纸绝缘交流局部放电特性的影响,对预压不同时间、不同幅值直流电压以及去极化后重复加压情况下的油纸绝缘交流局部放电特性,不同预压时间和去极化后的油纸绝缘材料的空间电荷特性进了研究。研究结果表明,随着预压直流电压幅值的增大和预压时间的延长,放电起始电压和熄灭电压减小;随着重复加压次数的增多,放电起始电压先上升后下降,但均低于未预压下局部放电起始电压。分析表明预压直流30min后油纸绝缘空间电荷分布达到平衡状态,预压时间越长,去极化后油纸绝缘材料残余空间电荷数量越多;同时长时高幅值预压会使得与高压电极接触的绝缘纸板表面电荷分布均匀,从而改善油纸绝缘内部的电场分布,进而影响油纸绝缘的局部放电特性。     

局部放电作用下变压器匝间油纸绝缘加速劣化规律

为研究变压器内油纸绝缘材料局部放电作用下劣化缺陷的发展规律及其与局部放电特征量的关联性,构建了匝间局部放电模型,进行了多组不同加压时间长度的恒压试验,并记录了试验过程中的局部放电信号。利用匝间绝缘纸带可层层拆解的结构特点,获得了匝间绝缘在加速电劣化下炭化通道发展的统计性规律。研究结果表明,恒压加速电劣化作用下匝间油纸绝缘局部放电缺陷即炭化通道沿宏观电场的纵向发展过程呈现增长、停滞和击穿三个基本阶段;脉冲重复率和脉冲1s内总放电量可以宏观地表征匝间油纸绝缘电劣化缺陷的发展状况,为油纸绝缘局部放电严重程度阶段性的准确划分提供参考依据。     

交直流复合电压下热老化油纸绝缘空间电荷特性

换流变压器阀侧绝缘长期承受交直流复合电压的作用。为了研究油纸绝缘在交直流复合电压下空间电荷特性,该文开展了油纸绝缘加速热老化试验,搭建复合电压下电声脉冲法空间电荷测量系统,测量交流、直流以及交直流复合电压下油纸绝缘内部空间电荷积聚和消散情况,并进一步计算得到油纸绝缘陷阱深度。研究结果表明,不同老化状态的油纸绝缘在交直流复合电压下均出现铝电极附近的负极性空间电荷积聚,老化的油纸绝缘由于正负电荷不同的注入迁移特性,在交流电压下同样出现负极性空间电荷积聚;随着老化时间的增加,油纸绝缘中积聚的空间电荷先减少后增加;与直流极化相比,交直流复合电压极化后老化油纸绝缘的平均陷阱深度更大。     

交直流复合电压中直流分量对油纸绝缘针板缺陷局部放电特性的影响

换流变压器阀侧绕组绝缘承受交直流复合电压的作用,其中直流电压分量对油纸绝缘的影响相比纯交流电压更为复杂。针对复合电压中直流分量对极不均匀电场下油纸绝缘局部放电特性的影响,采用基于脉冲电流法的局部放电测量系统,着重对比了不同直流分量交直流复合电压下油纸绝缘针板缺陷在起始放电和预击穿阶段的局部放电特性。实验结果表明:直流电场作用下的空间电荷积聚形成的反向电场使得起始放电电压和击穿电压随着直流分量的升高而逐渐增大;在整个局部放电发展过程中,直流分量增加时放电脉冲重复率与放电量会降低,而平均脉冲等效时间和等效频率与直流分量间没有表现出直接关系;随着直流分量的增加,局部放电分布相位开始向正半周期移动。实验结果可作为含不同直流分量交直流复合电压下局部放电模式识别的参考。     

芳香族化合物含量对交联聚乙烯绝缘电树枝及局部放电特性的影响

为研究芳香族化合物(aromatic compounds,ACs)添加剂含量对交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘电树枝劣化与局部放电特性的影响,制备了含有不同含量ACs添加剂的XLPE绝缘,探究了其在交流电压下电树枝生长形貌与局部放电特性。研究结果表明：ACs添加剂减弱了XLPE绝缘局部放电强度,抑制电树枝生长速率,增强绝缘耐电树性能,提升工频击穿场强;但过高的含量会使XLPE绝缘耐电树特性和击穿场强均出现下降趋势。基于密度泛函理论计算了ACs添加剂的静电势分布与激发态能级,表明此类添加剂利用局部放电产生的紫外波段能量引发夺氢反应,促进绝缘低密度区内的聚乙烯分子链进行再交联反应,形成网状分子链结构,阻止绝缘低密度区扩大,进而抑制绝缘电树枝劣化。     

?40℃条件下油纸绝缘沿面局部放电特性及击穿特性

为研究寒冷条件下油纸绝缘的沿面放电特性,建立了能够模拟最低温度为?50℃的高压低温试验系统,采用具有强平行电场分量的沿面电场模型,对比研究了?40℃及40℃条件下油纸绝缘的局部放电特性及击穿特性。研究结果表明:?40℃下局部放电的起始电压和熄灭电压分别比40℃下时高约18%及12%;局部放电发展过程可划分为3个阶段,?40℃下每阶段的平均放电量均小于40℃下的平均放电量,?40℃下局部放电图谱有明显的非对称特征;?40℃下的击穿电压比40℃下低约16%,首次引入水活度的概念对击穿电压下降的现象进行了机制解释,认为降温过程中变压器油游离水会析出形成微小冰粒,这部分冰粒积聚在纸板表面加剧了电场畸变,从而导致了击穿电压下降。最后,根据试验结果给出了特高压变压器的低温绝缘设计及试验检测的建议。研究结果有助于进一步理解低温下油纸绝缘的放电机制。     

重复脉冲上升时间对变频电机绝缘局部放电特征的影响

为研究重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘的局部放电特征影响规律,基于超高频天线、检波技术和宽带、高速数据采集和传输技术设计了重复脉冲电压下变频电机绝缘局部放电检测系统。研究了变频电机匝间绝缘在不同上升时间重复脉冲电压下的局部放电统计特性并对其机理进行了分析。结果表明:在微秒级的上升时间下,脉冲电压极性快速翻转导致变频电机绝缘薄弱处空间电荷电场和外部电场叠加,易超过局部放电起始电压,从而产生次数较多的小幅值放电,且放电幅值随着上升时间的减小而增大,但单个周期放电总量逐渐减少。因此设计耦合传感器时应根据重复脉冲上升时间和局部放电脉冲频域能量分布特点,设计高频响应较好的传感器,避免脉冲电源干扰使测试灵敏度降低,从而得到准确反映电机绝缘水平的PDIV和RPDIV。     

高压脉冲电容器的直流局部放电绝缘检测

高压脉冲电容器的绝缘性能直接关系到其在放电单元中工作的可靠性,直流局部放电测试能够为评估高压脉冲电容器绝缘性能状况提供有效信息。在分析油浸膜—纸绝缘电容器的绝缘特性的基础上,利用所研制的直流局部放电测试系统在一般屏蔽实验室条件下应用平衡法对油浸膜—纸绝缘电容器进行了直流局部放电实验研究,结果表明,可以用放电量—局部放电次数来表征电容器的绝缘状况。通过一批同型号、同批次电容器的直流局部放电试验研究,证明电容器绝缘劣化严重时,其局部放电水平随电压增加而剧烈变化。     

交直流复合场针板模型局部放电发展过程中相位分布的特点

换流变压器是直流输电系统中整流和逆变环节的核心设备,其运行状况直接影响着系统运行的安全可靠性。换流变阀侧绕组所处电场环境复杂、相应绝缘要求严苛,且其在工程应用中故障率较高;所以,通过对复合电场局部放电发展过程中绝缘介质劣化严重程度的研究,可为换流变压器的故障诊断提供依据。本文以放电发展过程中放电谱图在各个统计时间段内所呈现出的相位特征作为绝缘介质劣化程度的外在表征,从能量转化的角度建立数学模型,定性解释放电谱图中所呈现的相位分布特点及其与绝缘介质劣化程度之间的关系。本文认为,相位分布可以作为研究交直流复合电场中局放发展过程中绝缘劣化程度的特征量之一,放电相位的分布与绝缘介质劣化程度之间存在对应关系;试品在局放发展过程中,因其在不同劣化程度下的等效阻抗不同,所以在外施交、直流电压共同作用下呈现出了不同的阻抗特点,这是放电相位分布发生改变的原因。     

方波脉冲电压下温度对聚酰亚胺薄膜电气绝缘特性的影响

为了研究温度尤其是高温对变频牵引电机绕组匝间绝缘材料电气绝缘特性的影响,以聚酰亚胺纳米复合薄膜为研究对象,测试了薄膜的介电温度谱,研究了方波脉冲电压下温度θ对薄膜局部放电起始放电电压(partial discharge inception voltage,PDIV)、击穿电压Ub及老化寿命的影响,分析了薄膜在老化期间的空间电荷分布特性。研究结果表明:θ升高,薄膜高分子链热运动加剧,阻碍了分子链极性端基及侧链的取向极化作用,使薄膜的介电常数ε减小;同时,薄膜的介质损耗tanδ也因极化作用的减弱而减小,但因弛豫现象使介质损耗温度谱在110℃处出现1个峰值;θ升高,被陷阱捕获的电子更容易受激发而脱陷,易满足局部放电对初始电子的要求,使PDIV降低;载流子平均自由程增大,载流子能量增强,对薄膜高分子链的破坏作用加剧,导致Ub降低。空间电荷分布特性研究表明:θ升高,载流子能量增大,加速了薄膜高分子链降解并生成小分子及自由基,增大了薄膜的陷阱密度,载流子频繁地入陷与脱陷,进一步加剧了高分子的降解,使薄膜老化寿命明显缩短。研究为优化变频牵引电机绝缘系统的设计奠定了基础。     

高频表面电荷输运对油纸绝缘局部放电的影响

为研究表面电荷输运特性对高频局部放电的影响机制,该文采用表面电位衰减法,搭建高频脉冲下油纸绝缘表面电荷输运平台,分析油纸绝缘的表面电荷积聚消散特性及陷阱分布特性,定量计算油纸绝缘中的陷阱密度,从而得到高频脉冲下表面电荷输运特性对油纸绝缘局部放电的影响机制。结果表明：高频油纸试样初始表面电荷积聚量随频率变化从1856.6V下降至1017.8V,表面电位衰减率从68.5%先上升至80%再下降至65.9%,存在一个峰值点;试样中总陷阱密度随频率增加整体呈下降趋势,从1.82×10³⁸ m^-3下降至9.99×10³⁷ m^-3,陷阱深度呈先下降后上升趋势;表面电荷输运机制是影响高频油纸绝缘局部放电特性改变的重要原因。研究结果可为深入理解高频下油纸绝缘局部放电特性提供理论依据。     

局部放电对绝缘劣化及剩余寿命诊断的局限性

局部放电测量与绝缘劣化、破坏的关系,在近来的许多文献上引起了广泛注意。本文着重指出此种诊断应用于固体绝缘系统的固有局限性.讨论是以简单的试验和固体绝缘内部放电的物理现象为基础的。固体绝缘系统中的气隙内的放电,长期来是与其绝缘的逐渐劣化和介质破坏相关连的。气隙放电与劣化之间的关系已为旋转电机、电力电缆、干式变压器以及许多其它固体绝缘介质系统所确定.因此,气隙放电及绝缘劣化之间的关系,目前已很好地确立了。气隙能够在广大