变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究

摘要

变压器的严重事故不但会导致自身的损坏，还会中断电力供应，造成巨大的经济损失。由内绝缘老化而引发的变压器故障占变压器事故的重要部分。以介电响应为基础的极化/去极化电流法和频域介电谱法不仅是无损的电气诊断技术，而且是变压器绝缘状态诊断中本领域国内外学者研究的热点之一。研究一种对变压器绝缘老化进行无损诊断的介电响应测量新方法或新特征量是尚需解决的难题之一。变压器油纸绝缘的介电性能和空间电荷特性的联系、油纸绝缘介质在老化过程中绝缘油性能对空间电荷形成及迁移的影响、以及作为油纸绝缘老化产物且直接影响油纸绝缘介电性能的水分对多层油纸绝缘介质空间电荷的影响，均是需要研究解决的问题。另外，由于绝缘材料在交流下空间电荷测试的复杂性和硬件设备性能的限制，绝缘材料交流空间电荷特性的研究未得到广泛开展，油纸绝缘介质的交流空间电荷特性也是需要研究的课题。因此，本文变压器油纸绝缘热老化的时频介电和空间电荷特性的研究具有重要的理论价值和工程实际意义。
　　 本文首先采用极化/去极化电流和频域介电谱测试技术研究不同老化状态变压器油纸绝缘试品的极化/去极化电流特性和频域介电谱特性，分别研究提取对油纸绝缘试品老化状态反应敏感的时域和频域介电特征量，建立时域和频域介电特征量与绝缘老化状态的量化关系，并研究温度对变压器油纸绝缘试品极化/去极化电流特性和频域介电特性的影响；然后采用电声脉冲法研究不同热老化程度绝缘油浸渍油纸绝缘试品和不同水分含量油浸绝缘纸在直流下的空间电荷特性，分别分析绝缘油热老化和水分对油纸绝缘介质电荷积聚行为的影响；最后采用改进的电声脉冲法测试系统研究不同热老化状态油纸绝缘介质在正弦交流下的空间电荷特性，分析油纸绝缘介质在正弦交流加压、瞬时去压和去压过程中空间电荷的动态行为。论文取得的主要创新性成果有：
　　 (1)首次提出采用“稳定去极化电量”评估油纸绝缘老化状态的方法。通过不同老化状态变压器油纸绝缘试品的Debye电路参数计算得到的去极化电量对绝缘老化状态反应极为敏感，不同老化状态变压器油纸绝缘试品的“稳定去极化电量”随绝缘纸聚合度降低呈指数规律增大，利用“稳定去极化电量”可评估油纸绝缘老化状态。
　　 (2)首次提出采用在低频段特征频率处的介电特征量评估油纸绝缘老化状态的方法。变压器油纸绝缘试品在低频段的频域介电特征量对其绝缘老化状态反应敏感，不同老化程度油纸绝缘试品在特征频率处(10-3Hz，10-2Hz和10-1Hz)的εr和tanδ值与绝缘纸聚合度满足指数函数关系，利用低频介电特征量可评估油纸绝缘老化状态。
　　 (3)油纸绝缘试品在低频段特征频率处(10-3 Hz，10-2 Hz和10-1 Hz)的εr和tanδ值随温度的升高呈指数规律增大，提出利用“频温平移”法可将不同测试温度下的频域介电特征量归算到参考温度，解决了温度对频域介电特征量的影响。研究得到“频温平移因子”随温度的升高呈指数规律增大。
　　 (4)采用电声脉冲法分别研究了绝缘油热老化和：水分对多层油纸绝缘介质直流空间电荷特性的影响。与油纸绝缘整体热老化的空间电荷特性相比，发现绝缘油性能和水分对多层油纸绝缘介质直流空间电荷的影响显著。绝缘油热老化越严重，相应绝缘油浸渍油纸绝缘试品内部越容易注入和积聚电荷；油浸绝缘纸试品内部的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率均随绝缘油老化程度的加重而增大。油纸绝缘试品的水分含量越高，越利于电荷的注入和迁移，而且油纸绝缘试品内部慢速运动电荷的量也越少。
　　 (5)采用改进的电声脉冲测试系统研究了油纸绝缘热老化对其工频电压下空间电荷特性的影响规律。与直流条件下相比，在工频电压下油纸绝缘介质内部积聚的电荷量显著减少；在工频场强下，相位相差180°的两相位下电极处的电荷极性相反，电荷密度值基本相同；工频加压过程中，90°和270°相位下绝缘纸-绝缘纸界面处积聚的电荷随着油纸绝缘热老化的进行会不断向对面电极迁移。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究的意义

1.2 变压器油纸绝缘的老化形式

1.2.1 变压器油的老化形式

1.2.2 油浸绝缘纸的老化形式

1.3 变压器油纸绝缘的时频域介电特性研究现状

1.3.1 变压器油纸绝缘的回复电压特性研究现状

1.3.2 变压器油纸绝缘的极化/去极化电流特性研究现状

1.3.3 变压器油纸绝缘的频域介电特性研究现状

1.3.4 应用介电响应法评估变压器油纸绝缘老化状态需要解决的问题

1.4 变压器油纸绝缘介质的空间电荷特性研究现状

1.4.1 变压器油纸绝缘介质的直流空间电荷特性研究现状

1.4.2 变压器油纸绝缘介质的交流空间电荷特性研究现状

1.4.3 变压器油纸绝缘介质空间电荷特性尚需深入开展的研究

1.5 本文研究内容

2 变压器油纸绝缘热老化的极化/去极化电流特性及其特征量研究

2.1 引言

2.2 极化/去极化电流法测试的基本原理

2.3 变压器油纸绝缘试品的加速热老化及其极化/去极化电流测试

2.3.1 油纸绝缘试品的加速热老化试验

2.3.2 不同老化程度变压器油.纸绝缘试品的极化/去极化电流测试

2.4 试验结果及分析

2.4.1 热老化变压器油纸绝缘试品的部分理化特性

2.4.2 不同热老化状态变压器油纸绝缘试品的极化/去极化电流特性

2.5 应用去极化电量评估变压器油纸缘老化状态

2.5.1 极化/去极化电流的Debye等效电路仿真

2.5.2 去极化电量与绝缘老化状态的关系

2.6 不同温度下变压器油纸绝缘试品的极化/去极化电流特性

2.7 小结

3 变压器油纸绝缘热老化的频域介电特性及其特征量研究

3.1 引言

3.2 频域介电谱测试的基本原理

3.3 变压器油纸绝缘试品的加速热老化及其频域介电特性测试

3.3.1 加速热老化试验

3.3.2 频域介电谱测试

3.4 试验结果及分析

3.4.1 老化变压器油浸绝缘纸的水分及聚合度分析

3.4.2 老化变压器油浸绝缘纸的εr和tanδ变化规律分析

3.5 应用频域介电特征量评估油浸绝缘纸老化状态

3.6 温度对变压器油浸绝缘纸频域介电特征量的影响

3.7 应用“频温平移”解决温度对变压器油浸绝缘纸频域介电特征量的影响

3.8 小结

4 直流电压下变压器油纸绝缘热老化的空间电荷特性研究

4.1 引言

4.2 空间电荷的电声脉冲法测试原理

4.3 直流电压下油纸绝缘热老化的空间电荷特性

4.4 油浸绝缘纸试品的制备及其空间电荷测试

4.4.1 实验材料和测试设备

4.4.2 不同热老化状态绝缘油浸渍油纸绝缘试品的制备及其性能测试

4.4.3 不同水分含量油浸渍油纸绝缘试品的制备及其性能测试

4.4.4 不同热老化状态绝缘油浸渍油纸绝缘试品的空间电荷测试

4.4.5 不同水分含量油浸渍油纸绝缘试品的空间电荷测试

4.5 热老化绝缘油及其浸渍绝缘纸的性能分析

4.5.1 不同热老化状态绝缘油的光谱特性和酸值

4.5.2 不同热老化状态绝缘油浸渍油纸试品的频域介电特性

4.6 不同热老化状态绝缘油浸溃油纸绝缘试品在正极性场强下的空间电荷特性

4.6.1 正极性场强20 kV/mm下的空间电荷特性

4.6.2 正极性场强30 kV/mm下的空间电荷特性

4.7 不同热老化状态绝缘油浸渍油纸绝缘试品在负极性场强下的空间电荷特性

4.8 绝缘油热老化对油纸绝缘介质电荷迁移、表面陷阱能级分布和电场畸变的影响

4.8.1 绝缘油热老化对油纸绝缘试品电荷积聚和消散特性!的影响

4.8.2 绝缘油热老化对油浸绝缘纸表面陷阱能级分布的影响

4.8.3 绝缘油热老化对油纸绝缘介质内部电场畸变的影响

4.9 不同水分含量油浸绝缘纸的频域介电特性

4.10 不同水分含量油浸绝缘纸在正极性场场强下的直流空间电荷特性

4.10.1 正极性场强20 kV/mm下的空间电荷特性

4.10.2 正极性场强30 kV/mm下的空间电荷特性

4.11 不同水分含量油浸绝缘纸在负极性场强下的直流空间电荷特性

4.12 不同水分含量油浸绝缘纸的电荷积聚特性

4.13 绝缘油热老化及水分对油浸绝缘纸空间电荷注入的影响程度

4.14 油浸绝缘纸介电特性和空间电荷特性的初步关联分析

4.15 小结

5 工频电压下变压器油纸绝缘热老化的空间电荷特性研究

5.1 引言

5.2 变压器油纸绝缘试品的加速热老化及其在工频电压下的空间电荷测试

5.2.1 变压器油纸绝缘试品的加速热老化试验

5.2.2 交流条件下空间电荷测试系统

5.2.3 变压器油纸绝缘试品在工频电压下的空间电荷测试

5.3 不同老化状态变压器油纸绝缘试品的工频加压空间电荷特性

5.3.1 工频加压3s时的空间电荷特性

5.3.2 工频加压过程中90°和270°相位的空间电荷特性

5.3.3 工频加压120 min时的空间电荷特性

5.4 不同老化状态变压器油纸绝缘试品的工频加压瞬时去压空间电荷特性

5.5 不同老化状态变压器油纸绝缘试品工频加压后去压空间电荷特性

5.6 小结

6 结论及展望

致谢

参考文献

附 录

A 不同老化程度变压器油纸绝缘试品的DEBYE电路参数

B 作者在攻读学位期间发表的主要论文目录

C 作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目

D 作者在攻读学位期间申请的专利