直流电压下油纸绝缘局部放电数值仿真研究述评

直流电压下油纸绝缘的局部放电（partial discharge,PD）关系着换流变压器等关键输变电设备的安全可靠,而计算机技术的迅猛发展则促使PD数值仿真成为了探究PD机理、评估PD威胁的重要手段。文中首先阐述了PD仿真模型的研究现状,综述了abc电容模型、感应电荷概念模型、静电场模型、电流场模型以及迁移—扩散模型的建立机制及优缺点;其次,进一步分析了PD模型在交、直流电压下的主要差异以及目前直流电压下PD仿真的研究进展;最后,从仿真参数的确定以及多物理场的耦合两方面出发,讨论了仿真工况下油纸绝缘PD行为所面临的科学问题。基于上述讨论,期望为直流电压下油纸绝缘PD数值仿真研究提供启发和思路。     

油纸绝缘中局部放电的典型波形及其频谱特性

根据对变压器油纸绝缘内部常见缺陷的分析，进行了局部放电模型试验。通过考察不同类型放电的发展过程和电流脉冲的波形特征，发现油纸绝缘中产生的局部放电与空气中的放电过程表现出相似的发展规律。对应于不同的放电阶段，放电波形有较大差异，因而不同类型的放电脉冲具有不同的频谱特性。所得结果为深入研究绝缘介质中的局部放电的机理、放电脉冲在变压器绕组中的传播规律、局放检测系统的频率特性以及放电类型的波形识别提供了实验依据。     

基于超高频的直流电场下油纸绝缘局部放电检测与特性研究

为研究直流电场下的局部放电特性,开发了直流电场下局部放电的超高频信号测量系统,设计了针板、悬浮、沿面和气隙四种放电模型,通过对不同放电模型中局部放电产生的超高频信号进行测量和特性分析,研究了不同放电模型中超高频信号的频谱特性。结果表明:直流电场下不同放电模型中的局部放电可产生几百纳秒的超高频信号,其频谱分布中幅值较高的频段并不相同;在不同极性直流电场下,针板放电模型中超高频信号都存在300~500 MHz的超高频段,且负极性时还存在600~700 MHz的超高频段,除针板放电模型外的其他模型在不同极性直流电场作用下局部放电产生的超高频信号频谱较为相似;当外施直流电场升高时,局部放电产生的局部放电超高频信号的频谱幅值明显增大,但主要峰值的频率位置和频段并未发生明显变化,该特点可作为区分放电模式的有效依据。     

直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律

换流变压器阀侧油纸绝缘承受直流电压分量,使其局部放电特性不同于普通电力变压器,研究直流电压下油纸绝缘局部放电演化规律对换流变压器绝缘结构优化及状态评估具有重要意义。文中搭建了直流电压下油纸绝缘局部放电实验平台以及电场与电荷分布仿真模型,研究了油纸绝缘针板缺陷的局部放电演化规律与发展机制。发现：平均视在放电量与放电重复率呈先增加再减小最后稳定的规律,平均等效时间呈先减小再增大的规律,平均等效频率发展规律与之相反;负极性放电现象更剧烈,放电脉冲更陡峭;TRPD谱图出现分层现象,等效时频谱图呈右半拱形,并向左半拱形（正极性）或全拱形（负极性）发展;局部放电演化过程中的放电模式由横向沿面放电转变为油隙流注放电,最后再转变为凹陷侧壁的纵向沿面放电。     

直流电压下变压器油纸绝缘局部放电的发展过程

研究变压器油纸绝缘局部放电(PD)的发展过程对于特高压换流变压器的运行维护十分重要。为此,对典型油纸复合绝缘缺陷模型在直流电压长期(100 h)作用下的局部放电信号进行了统计分析;根据其统计特征图谱,将直流局部放电发展过程划分为4个阶段。此外,还采用无感电阻测量直流局部放电单个脉冲波形;并对直流电压长期作用下的油浸绝缘纸板表面形貌变化进行了观测。试验结果表明,直流电压下的局部放电脉冲的上升沿在10～100 ns范围内,首脉冲持续时间约500 ns,其余振荡脉冲脉宽在600～900 ns范围内;估算得出单次直流放电脉冲能量在0.01～0.1 J范围内。此外,研究发现绝缘纸板的表面会在针电极电蚀作用下产生"凹坑",这为实现基于多信息融合的直流局部放电发展趋势预测奠定了基础。     

直流电压下油纸绝缘纤维杂质成桥放电特性综述

换流变压器阀侧绕组长期处于直流电场分量作用下,其绝缘面临严重的纤维杂质成桥放电问题。对此,系统综述了直流电压下油纸绝缘纤维杂质成桥放电特性研究进展。首先论述了纤维杂质在电、热、流场作用下的生成机制,指出电场下的空间电荷作用及电场力作用、热场下的热裂解及氧化裂解、流场下的分子振动均可能导致纤维脱落而形成杂质;其次探讨了油中自由纤维杂质迁移规律,提出纤维杂质运动过程主要考虑重力、浮力、库伦力、介电泳力及粘滞阻力的影响,且直流电场作用是纤维杂质成桥的必要条件;随后介绍了直流电压作用下纤维杂质诱发油中放电机理,指出纤维杂质易与水构成“核壳”高电导结构,并以直接场畸变效应及亚稳态液体成核气化效应诱发油中放电。在此基础上,提出目前直流电压下油纸绝缘纤维杂质成桥放电研究亟待解决的关键科学问题,即探究电、热、流多场协同作用下的纤维素分子链断裂机理,揭示纤维杂质动力学行为特征对油中电荷行为的影响规律。     

交流电压下油纸绝缘针板放电特性

为探究油纸绝缘针板放电发展过程和老化对放电特性的影响,在实验室条件下,通过油纸绝缘130℃加速热老化试验,以绝缘纸板聚合度为表征老化程度的特征参量,得到了不同老化阶段的油纸绝缘样品。基于脉冲电流法,测量了交流电压下不同老化状态油纸绝缘针板模型局部放电信号,分析了从起始至预击穿过程中局部放电相位分布模式的幅值分布H(q,φ)谱图,并讨论了油纸绝缘老化对局部放电H(q,φ)谱图、放电量、放电次数和统计参数的影响。研究结果表明:针板电极局部放电H(q,φ)谱图中放电分布在正、负峰值附近,工频正半周的脉冲幅值、个数均分别大于负半周,且正半周的H(q,φ)谱图放电随电压升高呈现"倒V型";平均放电量-相位分布Hqave(φ)正半周的偏斜度Sk+随电压的升高呈下降趋势,且在油纸绝缘样品达到预击穿阶段Sk+变为负值,因此Sk+可用于评估油纸绝缘针板电极模型下的缺陷发展状态;随着油纸绝缘的老化,导致油中老化产物增多,进一步畸变了场强,老化后的油纸绝缘样品正半周局部放电次数明显增多,平均放电量、最大视在放电量增大。     

直流和交流电压下油纸绝缘超宽频带局部放电波形比较

换流变压器阀侧绕组运行时的电压环境复杂,其阀侧绕组油纸绝缘强度的要求远高于普通电力变压器,因此对直流电压作用下油纸复合绝缘局部放电进行研究,对换流变压器绝缘优化设计具有一定的实际意义。利用超宽频带(UWB)检测系统分别采集正、负极性直流电压和交流电压作用下油纸绝缘局部放电波形,通过统计分析各波形的上升时间、半波时间和波形频谱,以找寻3者之间的差异。研究表明,交流电压作用下局部放电最易发生,其次为负极性直流电压和正极性直流电压;3种外施电压形式下的放电波形存在明显差异,可以通过其波形或频谱的形貌特征区分外施电压的种类。     

纤维杂质对油纸复合绝缘局部放电特性影响研究

为研究纤维杂质对油纸绝缘局部放电特性的影响,搭建了直流油纸绝缘实验平台,观测了油中纤维杂质产生及成桥过程,就杂质成桥的动力学基础进行了分析,并对杂质影响下的油纸绝缘局部放电频数、平均放电量及最大放电量等特征参数进行了研究。结果表明,直流电压下纤维杂质在油中受电场力、重力、浮力及油黏性阻力作用。当杂质所在处场强大于2.12×105 V/m时,纤维杂质以缓慢速度向高压电极运动,且沿电压梯度最大方向成桥;纤维杂质畸变电场可使油纸绝缘局部放电频数上升、放电量下降。进一步实验表明,纤维小桥可导致油隙内泄漏电流增加,引起局部发热,并使油中水分局部气化为微小气泡。直流电压下低电导率气泡承担较强电场,先于变压器油发生放电,宏观表现为更加密集且强度较低的局部放电。     

直流电压作用下油纸绝缘局部放电发展不同阶段的理化特性

换流变压器阀侧绕组同时承受交流、直流电压作用,其内部油纸复合绝缘局部放电性故障与以往交流电力变压器存在较大差别,而相关研究明显不足。为研究油纸绝缘直流局部放电发展过程与绝缘材料理化特性变化规律之间的关系,对典型油纸绝缘缺陷模型在80℃环境中进行了200 h直流耐压试验,考察油纸绝缘直流局部放电发展不同阶段统计特征谱图变化规律,并利用高速摄像装置对油纸绝缘针板电极模型的局部放电发生、发展及击穿的动态过程进行观测。同时,为揭示直流局部放电对油纸绝缘的破坏作用,分别通过X射线能量色散谱分析(EDS)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)研究直流局部放电相应阶段油纸绝缘的理化特征变化规律。试验结果表明:根据油纸绝缘直流局部放电脉冲的统计特征谱图,将其发展过程划分为5个阶段,此过程中伴随着绝缘纸板表面纤维氧元素的增加和羰基含量、油中酸值增加的过程,说明直流电应力对绝缘纸板的破坏作用主要表现在使绝缘纸板表面纤维素分子发生氧化反应,导致绝缘纸板的绝缘性能的逐渐下降,反之,绝缘材料在直流电应力作用下发生损伤,会促进直流局部放电的发生程度加剧。     

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。     

直流电压分量对交直流叠加电压下油纸绝缘沿面闪络的影响

为了更加深入地了解换流变压器中交直流叠加电压下油纸绝缘的沿面闪络问题,通过搭建直流电压分量可以任意调节的交直流叠加电源系统,研究了具有背面电极和不具有背面电极这2种结构下油纸绝缘的沿面闪络问题。试验结果表明:在复合电场下,有背面电极时,沿面闪络电压比无背面电极时稍低;在2种结构下,沿面闪络电压均表现为纯交流电压时最低,随着直流电压分量的增加,沿面闪络电压也逐渐增加。此外为分析油纸绝缘界面的影响,还研究了相同电极结构下纯油的击穿电压。对比分析纯油的击穿电压和油纸绝缘的沿面闪络电压后发现:直流电压分量较低时,油纸绝缘界面的存在降低了该结构的击穿电压;而直流电压分量较高时,油纸绝缘界面的存在反而稍微提高了该结构的击穿电压。最后从复合电场分布的特点出发,分析了不同直流电压分量下油纸绝缘的沿面闪络过程。分析后认为:直流电压分量较小时,电极附近电场强度较高,导致油易于电离并产生大量载流子,从而促进了油纸沿面闪络的发展;而随着直流电压分量的变大,电场分布将变得不同,其沿面闪络电压升高;同时,上述电场分布的特点也是造成直流电压分量较低时沿面闪络电压低于纯油击穿电压的原因。     

重复加压及直流预压过程对油纸绝缘局部放电特性的影响

换流变压器出厂试验过程,经常遇到直流耐压试验结束后若干h内,交流耐压试验按照GB/T 18494.2执行无法顺利通过的问题,说明直流预压对油纸绝缘交流局部放电特性产生一定影响。为此,采用球-板电极模型模拟油纸绝缘系统中的稍不均匀电场,试验探究重复加压与直流预压过程对油纸绝缘局部放电特性的影响,重点对比分析纯交流初次加压、重复加压以及直流预压3种情况下的局部放电起始电压、临界击穿电压及熄灭电压变化规律。研究结果表明:重复加压过程会大幅减少绝缘系统的局部放电起始电压(降至约33.44%),临界击穿电压下降约7.84%,熄灭电压几乎不受影响,经过高压端接地约8~9 h后,系统内的局部放电耐受水平与初次升压过程水平相当;而直流预压过程会一定程度上减小系统的局部放电起始电压(降至约82.38%)、临界击穿电压(降至约89.75%),且随着直流预压水平的提高上述两参数降幅更加明显,熄灭电压几乎不受直流预压作用的影响,一般经过4~6 h高压端接地静置,直流预压过程对于油纸系统内局部放电特性的影响消失。基于多次试验结果,提出重复加压及直流预压过程产生的空间预存电荷是对交流电压下局部放电特性造成影响的主要原因。     

直流电压下油、纸绝缘结构不连续界面空间电荷积聚特性

在直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚会导致空间电场畸变,对直流输电设备的绝缘设计和运行有重要影响。为研究该问题,利用纸板覆盖上、下电极的油纸复合绝缘模型,研究了在不同极性直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚过程。试验中,搭建了基于Kerr效应法的油纸绝缘光学空间电场的测量平台,以实现变压器油中电场的在线非接触式测量。试验结果表明:不同极性的直流电压下,油中电场的暂态过程差异显著,具有明显的极性效应;油、纸界面积聚空间电荷的极性与外施电压的极性和油、纸板的空间位置直接关联:纸板覆盖上电极时油纸界面电荷极性与外施电压极性相反,纸板覆盖下电极时油、纸界面电荷极性与外施电压极性相同;与传统的电阻率-介电常数模型下界面电荷的积聚现象不同,油纸界面电荷积聚的速度具有明显的极性效应:油、纸界面负电荷的积聚速度远大于正电荷的积聚速度,导致不同极性电压下油中电场从暂态容性电场到稳态阻性电场的过渡过程差异显著。     

直流下油纸绝缘中局部放电脉冲典型波形及其参数提取

笔者介绍了直流下局部放电脉冲波形测量系统的组建以及测量电阻的校验。利用该试验系统对模拟换流变压器油纸绝缘的5种典型缺陷模型进行了局放脉冲波形测量。试验结果表明:直流下油纸绝缘中缺陷放电稳定,脉冲波形无振荡分量和过冲,且不随电压变化而发生畸变。在对典型脉冲波形进行预处理的前提下,使用形状参数法、自相关函数法、AR模型参数法以及Renvi信息量进行了波形特征参数提取。所得结果为深入研究直流下油纸绝缘中局部放电机理、局放在线监测系统的频率特性以及放电类型的波形识别提供了实验依据。     

交直流复合电压下油纸绝缘内部气隙缺陷局部放电特性

为了研究换流变压器油纸绝缘的局部放电特性,制作了典型的油纸内部气隙缺陷放电模型,设计了交流和直流电压叠加的实验回路,模拟换流变压器绝缘承受的电压类型。针对实验模型施加不同分量的交流电压和直流电压,用脉冲电流法分别检测该模型局部放电的各个特征参数,进行比较研究。总结了复合电压下油纸气隙放电模型的局部放电脉冲特征规律,并分析了其放电机理。结果表明,交直流复合电压下的油纸绝缘气隙放电具有不同于交流和直流下局部放电新的特点。为实现换流变压器的绝缘状态在线监测与综合评估积累了经验数据。     

油纸绝缘直流局部放电的研究

主要研究了油纸绝缘的直流局部放电规律。实验结果表明,放电重复率随温度、电压的增加而增加。常温下在电压降到接近零时,放电次数较多,随着时间的延长,放电逐渐减少到无放电;但在高温下,能看到明显的熄灭电压。     

操作冲击电压下油纸针板缺陷局部放电研究

操作冲击电压下油纸绝缘局部放电特性对于油浸式变压器的过电压防护具有重要意义。为此,采用油纸绝缘针板缺陷模拟油中电晕放电对其放电特性进行研究。通过试验和仿真手段研究其在标准操作波(波前时间250±20%μs,半峰值时间2 500±60%μs)下的放电特性,并对试验现象进行解释。试验结果表明:随着外施操作冲击电压幅值的升高,操作冲击电压上升时间内的主脉冲强度显著增强,下降时间内的局部放电信号无明显变化;随着外施操作冲击电压幅值的升高,油纸针板缺陷的初次放电时刻显著提前,初次放电时刻对应的冲击电压瞬时值显著上升;局部放电幅值(平均值、最大值)、平均放电重复率和放电脉冲数均随外施操作电压幅值的增加而增加。研究结果对于变压器的过电压防护及故障诊断有很大帮助,具有实际工程应用价值。