特高压换流变压器油纸绝缘交直流击穿特性及选型

作为特高压直流系统的核心设备,特高压换流变压器的国产化对我国特高压直流技术的发展具有重要的推动作用。针对特高压换流变压器的实际运行工况,基于不同油纸组合交直流击穿特性,对其油纸选型进行研究。试验结果表明:绝缘油的击穿电压随交流分量的降低而缓慢下降;油纸绝缘的击穿场强随着交流分量的降低而快速上升;油纸绝缘的性能主要由绝缘纸决定,绝缘油对油纸绝缘强度影响较小。从特高压换流变压器网侧与阀侧出发,同时考虑交流、直流电压在油纸复合绝缘中的分布特点,分析油纸选型需要考虑的因素,根据实验结果,最终得到KI-50X绝缘油与魏德曼DPE绝缘纸为最佳油纸组合。研究结果可为特高压换流变压器的制造提供相关数据参考。     

热老化下换流变压器内油纸绝缘组合理化和电气特性研究

换流变压器是特高压直流输电系统十分重要的电力设备,其内部的油纸绝缘水平和运行状况直接关系到电力系统的安全与稳定。研究换流变压器内部油纸绝缘在热老化下的理化特性,将有助于提升换流变压器的油纸绝缘水平。选取了特高压换流变压器可能采用的绝缘油纸作为研究对象,对四种不同油纸组合展开加速热老化试验,测量并分析试验过程中绝缘纸聚合度、油中水分含量、油中酸值、绝缘油运动黏度、热稳定性、相对介电常数和介质损耗因数的变化情况,给出油纸绝缘理化和电气特性的理论参考。     

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。     

有机酸对变压器油纸绝缘进一步热老化的催化作用试验研究

为研究有机酸对电力变压器油纸绝缘进一步热老化的催化作用,制作了初始水分质量分数均为0.4%的绝缘纸试样和不同类型的酸性绝缘油溶液,在室温(25℃)和90℃下,研究了酸在油纸绝缘系统中的溶解分布特性。接着在90℃下对油纸绝缘试样进行加速热老化,测试了不同老化阶段试样的绝缘纸聚合度以及油纸绝缘试样的极化去极化电流。结果表明:甲酸主要分布在绝缘纸中,并会导致纸中水分向油中扩散,硬脂酸主要分布在绝缘油中;相比于硬脂酸,甲酸极大地加速了绝缘纸的降解速率,使极化去极化电流曲线的上移幅度也更大;甲酸酸值达到0.1×10-3、硬脂酸酸值达到0.3×10-3时会对油纸绝缘进一步热老化起到明显的催化作用;在分析实际运行中影响变压器油纸绝缘热老化的因素时,需特别考虑甲酸等低分子强极性酸对油纸绝缘进一步热老化的催化作用。     

绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷形成及迁移特性的影响

探索绝缘油老化或绝缘纸老化对油纸绝缘介质在老化过程中空间电荷形成及迁移特性的影响,能为有效抑制油纸介质空间电荷的形成提供科学依据。首先在130℃下将绝缘油进行22 d加速热老化,并对其老化状态进行表征;然后通过电声脉冲法测量由不同老化程度绝缘油浸渍的油纸试品,分析在加压、瞬时去压和去压情况下绝缘油老化对油纸试品直流空间电荷动态行为的影响;最后通过计算分析绝缘油老化对油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级分布和电场畸变率的影响。结果表明:在负极性电源电压下,贴近阳极(铝板)侧绝缘纸层内注入的正电荷密度以及在靠近阳极侧绝缘纸–绝缘纸界面处积聚的负电荷密度均随绝缘油老化程度加深而增大;绝缘油老化越严重,相应绝缘油浸渍油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率也越大。     

植物绝缘油与多种变压器用绝缘纸的相容性研究

为研究植物绝缘油与变压器绝缘纸材料的相容性,模拟变压器油纸绝缘系统,将丹尼森纸、电缆纸、铝箔皱纹纸等10种变压器用绝缘纸与植物绝缘油组成油-纸绝缘,研究它们的热老化特性。实验观察了28天热老化前后绝缘纸和绝缘油的变化,分别测试了这几种不同的油-纸在热老化7天、14天、21天和28天过程中,植物绝缘油的酸值和介质损耗因数。结果表明,该植物绝缘油与实验用的绝缘纸具有很好的相容性。     

老化对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电过程特性的影响

长期运行换流变压器中存在由沿面放电导致的绝缘故障的现象,而针对换流变压器中交直流复合电场下老化油纸绝缘的沿面放电发展过程特性研究又相对缺乏不足。因此,采用在130℃下加速热老化方法制备不同老化程度的油纸绝缘试样,并使用CIGRE method II推荐的典型球板电极模型对不同老化程度油纸绝缘试样在不同比例交直流复合电场下的沿面放电起始电压、闪络电压以及沿面放电发展速度等特性进行了对比分析研究,同时对老化前后油纸绝缘沿面放电发展过程中放电特征参数的变化规律展开了研究。研究结果表明,随着交直流复合电压中直流电压分量的不断增大,老化油纸绝缘沿面放电起始电压和闪络电压均呈现逐渐上升的趋势,其中纯交流电压下的沿面放电起始电压和闪络电压均最低;相同电压作用下的沿面放电起始电压随着油纸绝缘老化程度的不断加剧呈现先上升后下降的趋势;随着油纸绝缘老化程度的不断增加以及交直流复合电压中直流电压分量的不断增加,油纸绝缘沿面的爬电距离不断延长、耐受时间逐渐缩短,沿面放电发展速度逐渐加快。与未老化油纸绝缘沿面放电过程放电特征参数变化规律相比,老化后沿面放电发展特征参数幅值较大,各阶段变化起伏较少,变化趋势直接明显;同时发现交直流复合电压中的直流电压分量对老化油纸绝缘沿面放电发展具有加速的作用,而且直流电压分量越高,加速作用越明显。     

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.     

老化绝缘纸表面的沿面放电试验分析

在故障变压器检修及事故调查中发现,变压器内绝缘纸界面发生沿面闪络后会留下烧灼痕迹,对此分析了油纸绝缘界面沿面闪络的起因及影响因素。测量了在添加和不添加绝缘纸板条件下绝缘油的击穿电压和起始局放电压,分析不同热老化程度的绝缘纸沿面闪络电压和起始局放电压的变化规律。研究结果表明:添加新绝缘纸不会改变油间隙的电气强度,但是老化后的绝缘纸会大幅降低油间隙的沿面闪络电压以及起始局放电压,在老化过程中产生的大量水分子可能是导致上述试验现象的重要原因。     

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。     

换流变压器阀侧绝缘电场特性研究

采用Matlab软件仿真分析换流变压器阀侧绕组端部电场的励磁电压类别后建立了电容系数和电导率复合介质电场的数学模型,并对其复合绝缘结构建模,用有限元分析法分析计算各种励磁电压作用下的电场分布,得出了换流变压器阀侧绕组端部电场的复杂特性,为换流变压器阀侧绕组端部的安全绝缘设计提供了科学依据。     

交直流复合电场作用下油纸绝缘悬浮放电脉冲波形特征

悬浮放电是换流变压器油纸绝缘中比较常见的一种缺陷形式,由于换流变压器内部电场除单纯交、直流电场外,还存在交直流复合这种比较特殊的电场形式,因此本文结合换流变压器实际运行环境搭建了一套交直流复合局部放电检测平台,采用串联加压法获取了交直流复合电场情况下油纸绝缘悬浮放电的宽带脉冲波形,并提取了波形的时域、频域及时频联合特征。实验结果表明,换流变压器悬浮放电出现了两种截然相反的首波主脉冲放电波形,同时每种波形都具有明显的时、频域特征,该结果可为换流变压器的悬浮放电诊断提供依据。     

电压类型对柱板电极放电故障下油纸绝缘产气特性的影响

由于换流变压器内存在交直流复合电场,交流变压器所采用的色谱诊断方法是否适用于换流变压器尚未可知,因此本文建立了一套交流及交直流复合电压作用时油纸绝缘柱板放电试验平台,对比了两种电压作用下的产气特性,并分析了原因。研究结果表明:柱板电极在不同类型电压作用下油纸绝缘产气特性不同,交流产气量大,产气速率大,能够较早地发现故障;而交直流复合场产气前期变化不明显,最后阶段产气量骤增后绝缘迅速失效;另外,交流和交直流复合电压作用下油纸绝缘柱板缺陷模型DGA诊断结果相同,都为火花放电,说明已有DGA诊断标准在换流变压器中有一定的适用性。     

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。     

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。     

植物油-纸绝缘的电老化寿命试验研究

植物绝缘油具有高燃点和高闪点，几乎可完全生物降解以及良好的电气性能，是目前国际上重点研究的环保型液体绝缘材料。油纸绝缘结构因其稳定的性能而在电力设备中得到广泛的应用，因此评估植物油-纸绝缘的寿命具有重要意义。采用逐步升压法对植物油-纸绝缘模型进行加速电老化试验，利用双参数Weibull分布对试验数据作统计分析，反幂函数和指数函数拟合试验数据并求得电压耐受系数；同时进行矿物油-纸绝缘模型的加速电老化寿命试验，对比分析了2种油纸绝缘的加速老化性能。试验结果表明，由于植物绝缘油的介电常数比矿物绝缘油的高，使植物油-纸绝缘结构的电场分布比矿物油-纸绝缘结构的均匀，因此植物油-纸绝缘的电老化性能优于矿物油-纸绝缘。     

Transient Electric Field Analysis in Consideration of the Electric Field Dependence of Resistivity in the Converter Transformer

In this paper, values of the electric field in the pressboard and oil during the polarity reversal test of the converter transformer were calculated with transient analysis. First, we confirmed the accuracy of the nonlinear analysis in the model test. Next, we carried out nonlinear transient electric field analysis for polarity reversal test of the converter transformer. In the results, when the applied time of dc voltage before the polarity reversal is 360 min, the values of the electric field of oil area are the same as when it is 90 min. Although, the electric field in the pressboard becomes higher in response to the applied time dc voltage, it does not cause a problem on the insulation. Because withstand voltage of pressboard is very high. In the results, the correlation between the applied time of dc voltage before the polarity reversal and the withstand voltage of transformer is considered low. This result can be applied to the design of the converter transformer.