冲击电压对电容器用聚丙烯薄膜累积效应的研究

摘要

电力电容器作为电力系统中重要的无功补偿和过电压防护设备，在长达数十年的运行周期中，频繁遭受各种冲击过电压的累积作用。研究表明，部分电力电容器所承受的冲击过电压次数多达上万次，冲击过电压的累积作用会导致固体绝缘介质的劣化，给设备安全运行带来隐患。针对上述现象，本文研究了冲击电压作用下电容器用聚丙烯薄膜的累积失效特性与损伤特性。
　　①基于某变电站的过电压在线监测数据，研究了变电站内实测冲击过电压波形参数的分布规律。研究发现实测冲击过电压波形具有振荡衰减特性，与 IEC推荐的双指数冲击电压波形具有显著差异。本文搭建了冲击电压累积试验平台，研究不同波形参数冲击电压作用下聚丙烯薄膜的击穿特性和 V-N特性，该平台能够输出不同波形参数的双指数冲击电压和双极性振荡衰减冲击电压。
　　②试验研究了双指数冲击电压作用下聚丙烯薄膜的击穿特性以及波头、波尾时间对其击穿特性的影响规律：随着波头时间的减小或波尾时间的增加（一定范围内），聚丙烯薄膜的击穿电压逐渐降低；获得了双指数冲击电压作用下聚丙烯薄膜50％击穿电压与波头、波尾时间的拟合公式： u=17.43-4.27×0.3386a+2.79×0.9950b。研究了双指数冲击电压作用下聚丙烯薄膜的累积失效特性，采用双参数 Weibull分布模型对试验数据拟合分析，得到双指数冲击电压作用下聚丙烯薄膜的V-N特性曲线以及波头、波尾时间对聚丙烯薄膜V-N特性曲线的影响规律：一定范围内，随着冲击电压波头时间的减小或波尾时间的增加，聚丙烯薄膜耐受冲击电压累积作用的次数逐渐减少；试验研究了双极性振荡衰减冲击电压作用下聚丙烯薄膜的击穿特性和 V-N特性，得到了振荡频率和半峰值时间对聚丙烯薄膜击穿特性与 V-N特性的影响规律：一定范围内，随着振荡频率的降低或半峰值时间的增加，聚丙烯薄膜的击穿电压和累积击穿次数逐渐降低；对比分析了双指数冲击电压和双极性振荡衰减冲击电压作用下聚丙烯薄膜 V-N特性的差异性规律，发现聚丙烯薄膜对标准雷电冲击电压的耐受能力较振荡衰减冲击电压更弱。
　　③采用扫描电子显微镜和原子力显微镜研究了冲击电压累积作用对聚丙烯薄膜表面微观形貌和粗糙程度的影响规律，结果表明冲击电压的累积作用会对聚丙烯薄膜表面造成损伤，导致聚丙烯薄膜表面粗糙程度增加，经过200、400、600次冲击电压的累积作用后，聚丙烯薄膜表面的算术平均高度 Sa分别增加为冲击电压累积作用之前的1.31倍、1.51倍和1.80倍；研究了不同次数冲击电压累积作用后聚丙烯薄膜介电参数的变化规律，发现聚丙烯薄膜的介电常数实部εr′、介质损耗因数tanδ和电导率σ均随冲击电压累积作用次数的增加而增加。分析认为冲击电压的累积作用会引起聚丙烯介质内极性物质和载流子的增加，导致聚丙烯薄膜介电常数、介电损耗和电导率的增大；通过热分析法对比分析冲击电压累积作用对聚丙烯薄膜热稳定性的影响规律，研究发现，经过0、100、200、400和600次冲击电压的累积作用后，聚丙烯薄膜的热分解起始温度分别为309℃、352℃、358℃、366℃和375℃，热分解终止温度分别为480℃、482℃、483℃、485℃和486℃，分析认为冲击电压的累积作用导致聚丙烯薄膜内部薄弱环节发生断裂，剩余分子主链结构较为稳定，介质整体热稳定性产生变化；通过红外光谱仪以及 X射线衍射仪分析冲击电压累积作用前后聚丙烯薄膜内部结构及主要官能团的变化，结果表明聚丙烯薄膜内部主要官能团和晶体类型并未发生明显变化，分析认为，聚丙烯薄膜内部主要的化学键构成为C-C键和C-H键，分子链的断裂未对其内部主要化学键的种类产生显著影响。

目录

1 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作

2冲击电压累积试验平台的搭建

2.1概述

2.2变电站实测冲击电压波形统计

2.3连续冲击电压试验平台的搭建

2.4本章小结

3不同波形参数冲击电压作用下聚丙烯薄膜的累积失效特性

3.1概述

3.2聚丙烯薄膜V-N特性的试验方法

3.3双指数冲击电压作用下聚丙烯薄膜的V-N特性

3.4双极性振荡衰减冲击电压作用下聚丙烯薄膜的V-N特性

3.5本章小结

4冲击电压累积作用下聚丙烯薄膜损伤特性研究

4.1概述

4.2冲击电压累积作用对聚丙烯薄膜表面形貌的影响

4.3冲击电压累积作用对聚丙烯薄膜电气参数的影响

4.4冲击电压累积作用对聚丙烯薄膜热稳定性的影响

4.5冲击电压累积作用对聚丙烯薄膜化学结构的影响

4.6本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目