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。     

温度对直流电压下油纸绝缘空间电荷特性的影响

油纸绝缘是直流输电设备的主要绝缘材料,其空间电荷特性变化会引起局部电场发生畸变,从而影响材料的介电强度,降低直流输电设备的运行可靠性和稳定性.使用电声脉冲法( PEA)测量装置,分析油纸绝缘中空间电荷的注入、迁移、消散规律,搭建试验平台,通过升压试验获得试品空间电荷注入的参考电压,然后对试品加3 kV的直流电压,分别在15℃、30℃、50℃温度下对油纸介质的空间电荷的特性进行分析.试验结果证明:在不同条件下发生空间电荷的注入,温度会对去压时空间电荷的消散产生很大的影响;温度会影响油纸绝缘介质内电场的大小和分布,使空间电荷严重畸变电场,引起绝缘的进一步破坏.     

直流电压下多层油纸绝缘介质的界面空间电荷特性

空间电荷对油纸复合绝缘结构电气性能的影响由于测量上的困难而至今尚未明了,多层复合绝缘结构使得空间电荷特性更加复杂。为此,应用电声脉冲(PEA)方法研究了电压极性对纸-纸和纸-油这2种双层绝缘结构中以及界面处空间电荷特性的影响。研究发现在2种结构的界面处积聚的空间电荷极性与施加电压的极性一致。对2种结构中空间电荷特性进行了比较,结果表明纸-油结构中空间电荷的运动速率比纸-纸结构中慢,并且具有更深的陷阱能级。通过分析认为双层介质界面处存在的势垒导致了界面电荷的积聚,其极性由电极的电荷注入、界面的陷阱、电场和介质的电导等因素协同决定;绝缘材料陷阱能级的不同是造成2种绝缘结构空间电荷运动速率不同的因素之一。     

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。     

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。     

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。     

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...     

不同类型变压器油的油纸复合绝缘空间电荷积聚与消散特性研究

在施加和撤去不同强度的直流电场下,研究了不同类型变压器油所构成的油纸绝缘体系空间电荷的积聚和消散特性.结果表明:与石蜡基变压器油相比,环烷基变压器油具有更高的环烷烃含量和适宜的芳烃含量,以及更高的电荷迁移速率,由它们构成的油纸绝缘体系在施加和撤去高压直流电场后,油纸之间电荷积聚量更小且更容易消散,从而有利于换流变压器中油纸绝缘材料中电荷的消散.     

极性反转电压下的油纸绝缘空间电荷特性

极性反转电压下换流变压器内部电场分布复杂,而空间电荷是引起电场畸变的重要因素。为研究极性反转电压下油纸绝缘空间电荷与电场分布特性,为此利用电声脉冲法开展了不同温度下单层油浸纸板与油-纸双层绝缘空间电荷试验研究。研究发现：不同温度下单层油浸纸板空间电荷在极性反转过程中变化很少,极性反转后电极附近电荷密度与电场畸变严重;温度通过改变反转前空间电荷分布影响极性反转过程中电场分布。双层绝缘中,温度升高导致油-纸界面电荷和纸中空间电荷密度降低;电压极性反转过程中,不同温度下纸内部空间电荷变化较少,常温时双层暂态电场符合容性电场分布;而60℃时油-纸界面电荷密度与极性快速变化,导致双层暂态电场分布不符合容性电场分布。     

变压器油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷输运特性

为得到换流变压器中使用的矿物油浸普通牛皮绝缘纸和油浸热稳定绝缘纸在直流电场中的空间电荷输运特性,对试样在3种不同等级外施直流电场作用下采用电声脉冲法(PEA)进行了空间电荷密度分布测量实验,分析了试样在加压时和去压后的空间电荷总量及其演变规律.实验发现:油浸普通牛皮绝缘纸的空间电荷注入起始阈值比油浸热稳定纸低,其体内易...     

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。     

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。     

直流电压下油纸绝缘中局部放电的超高频特性

为研究直流电压下油纸绝缘中局部放电的超高频特性,组建了一套直流电压下局部放电试验系统以及由局放超高频检测和超宽带检测组成的测量系统,其中脉冲电流超宽带检测的作用是确保超高频检测获取的信号来自于试品自身的局部放电。试验设计了6种油纸绝缘局放模型以模拟换流变压器的典型缺陷,并引入毫瓦分贝(DBM)频谱分析对超高频信号进行了统一化处理,以比较不同缺陷模型对应的超高频信号。直流下试验结果表明:局部放电电流脉冲具有极快的上升沿,能激励起大于300MHz的超高频电磁波,它可以通过超高频传感器加以耦合接收。各种缺陷模型局部放电的DBM频谱分布各异,超高频段能量幅值最大处也不一样。因此若想以高信噪比实现直流下局部放电超高频信号的在线监测,需要使用中心频率可调的窄带滤波器。这些特性为直流输电系统中使用油纸绝缘的电工设备进行局部放电超高频信号在线监测提供了试验依据。     

纳米TiO_2对油纸绝缘介质直流空间电荷特性的影响

为了改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,在绝缘纸的制备过程中掺杂了纳米TiO2,利用电声脉冲法(PEA)对浸油后绝缘纸中空间电荷的积聚与消散特性、以及其内部电场分布进行了测试和分析。结果表明,在电场强度为10 MV/m和30 MV/m的电场作用下,添加了纳米TiO2的样品阳极附近均没有出现负空间电荷的积聚,这可能是因为纳米TiO2的加入提高了阴极向油纸注入电荷的起始电压,引入了陷阱,进而减慢了电子的运动速率。因此在绝缘纸中加入纳米TiO2能够有效改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,显著降低绝缘纸内部的电场强度畸变率。     

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。