交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电特性与电老化失效模型研究

摘要

换流变压器阀侧绕组主绝缘承受交流、直流电压分量复合而成的交直流复合电压以及因换相产生的谐波电压的共同作用，其阀侧电场分布与普通电力变压器相比具有显著差异。随着运行时间的增长，换流变压器内绝缘可能出现缺陷并引发局部放电，其中沿面局部放电沿着纸板向铁轭、铁芯、油箱壁等地电位器件发展并最终导致绝缘失效，是最危险的局部放电类型之一。绝缘系统的沿面局部放电特性及电老化失效特性与外施电压类型紧密相关，因此换流变压器绝缘系统的沿面局部放电特性及电老化失效特性也不同于普通电力变压器。本文针对换流变压器阀侧绕组的工况特点，系统地开展了交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电特性及电老化失效模型研究。论文主要包括以下内容： ①试验研究了交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电基本特性及现象。分析了换流变压器阀侧绕组主绝缘可能出现沿面局部放电的绝缘结构处的电场分布特征，分别采用针板及柱板放电模型模拟了极不均匀及稍不均匀电场下油纸绝缘沿面局部放电，分析了直流分量对放电相位分布、统计特征量及纸板表面白痕的产生的影响规律。试验结果表明，直流分量对极不均匀电场下的放电相位分布及纸板表面白痕的产生影响显著，对稍不均匀电场下放电相位分布、统计特征量及纸板表面白痕的产生影响较小；纸板表面出现的白痕本质上为气体通道且显著增大了放电强度及发展速度，其产生受电极的电场分布、几何结构及纸板中水分共同影响。 ②基于液体电介质电流体力学模型和传热方程建立了交直流复合电压极不均匀电场下油纸绝缘沿面局部放电电热物理模型，通过数值模拟研究了单次放电电流脉冲波形与带电粒子产生、运动及消失过程的对应关系，分析了放电通道的温度分布并与纸板表面出现白痕及碳痕等现象进行了关联分析；对比分析了交直流复合电压与交流电压下的单次放电过程，揭示了直流分量对单次放电物理过程及放电通道温度分布的影响机制。数值模拟结果表明，交直流复合电压和交流电压下，单次放电电流脉冲上升沿均与流注头部的变压器油分子场电离强度紧密相关，下降沿均与流注放电通道中电子吸附及带电粒子复合紧密相关；交流分量相等时，直流分量显著增大了流注放电在油纸界面上的发展速度及停止长度，减小了油纸界面放电通道最高温度区域的电子密度，进而降低了该区域的最高温度，这是交直流复合电压下针尖区域纸板不易产生白痕的重要原因。 ③研究了交直流复合电压及交流电压沿面局部放电下油纸绝缘的失效过程，对比分析了两种类型电压下放电发展过程中的白痕发展特性及放电谱图特征，揭示了直流分量对失效过程的影响规律。试验结果表明，直流分量对失效过程的影响与白痕发展路径相关；直流分量使纸板表面白痕较难保持及向前发展，但对向纸板内部发展的白痕通道影响小，进而使得交直流复合电压极不均匀电场下放电难以发展及导致油纸绝缘失效，并使交直流复合电压稍不均匀电场下油纸绝缘失效过程及放电谱图特征与交流电压下具有相似性。绝缘裕度相同时，交直流复合电压极不均匀电场下放电过程中沿面闪络比交流电压下容易发生，分析了沿面闪络发生的原因及路径，并提出了相应的预防措施；分析了稍不均匀电场下放电谱图随放电发展的变化规律，并建立了放电发展阶段划分方法。 ④开展了稍不均匀电场下油纸绝缘沿面局部放电电老化试验，获得了大量的油纸绝缘电老化失效数据，对失效数据进行了Weibull分布检验及特征参数提取；分析了交流及直流分量对油纸绝缘特征电寿命的影响规律，建立了交流分量有效值、交流含量相关的油纸绝缘改进反幂寿命模型，结合Weibull分布函数，建立了计及交流分量有效值、交流含量及老化时间的油纸绝缘改进电老化失效模型。试验结果表明，交流及直流分量均对油纸绝缘特征电寿命影响显著，交流分量对特征电寿命的影响程度远大于直流分量，且交流及直流分量对特征电寿命的影响具有显著的交互效应；假设检验结果表明，建立的油纸绝缘失效模型具有良好的准确度和适应性。 上述研究内容有助于进一步理解换流变压器阀侧绕组主绝缘沿面局部放电从产生、发展到绝缘失效整个过程的规律及机理，并为换流变压器油纸绝缘沿面局部放电故障诊断及绝缘可靠性评估提供了理论支撑及试验依据。

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