运行条件对复合电场下油纸绝缘击穿特性的影响

摘要

换流变压器是直流输电网络中的关键设备之一，由于所受电压与普通交流电力变压器不同，且在特殊环境下运行的技术资料不充足，其阀侧主绝缘在出厂试验和运行中都具有较高的故障率。国内外专家针对换流变压器绝缘问题开展了大量研究，但研究内容较少涉及换流变压器运行环境对绝缘的影响，因此有必要对运行条件下换流变压器阀侧主绝缘开展更加深入的研究。
　　为研究温度及水分对复合电场下油纸绝缘电场分布的影响，在不同温度及不同含水量下对变压器油和浸油纸板进行了相对介电常数和体积电阻率的测量，通过曲面拟合的方法得到了水分及温度影响下二者的相对介电常数和体积电阻率表达式。结合对电路模型的推导，得出了温度及含水量影响下的复合电场分布方程，通过仿真分析了温度及水分对复合电场下典型油纸绝缘结构电场分布的影响。研究结果表明，随温度及含水量的增加，变压器油和浸油纸板的体积电阻率和相对介电常数均按指数规律下降，但相对介电常数变化不明显。温度升高将导致纸中电场强度下降和油中电场强度上升，且水分平衡处于非平衡状态过程时油纸绝缘中电场强度的变化幅度比水分平衡时大，交流含量越低该现象越明显。当水分平衡处于稳定状态时随含水量增加油中场强上升、纸中场强下降；随着含水量的上升，油纸绝缘电场分布的变化呈加速趋势。经分析后得出结论，变压器油和浸油纸板的体积电阻率在温度（或含水量）影响下变化率不同，导致交流含量较低的复合电压下温度（或含水量）对油纸绝缘电场分布有较大影响。
　　为进一步分析运行条件对复合电场下油纸绝缘击穿特性的影响，分别在不同温度、含水量以及交流含量的复合电压下对平板电极油纸绝缘模型进行了击穿试验，得到了条件下油纸绝缘的复合电场击穿特性。总结出复合电场下油纸绝缘击穿电压数学模型，并提出了对复合电场下油纸绝缘结构设计进行优化的可能。试验结果表明，随温度上升复合电压下油纸绝缘的击穿电压先升后降，但峰值对应的温度点不同，且击穿电压的变化范围也不相同。不同含水量下，随交流含量增加击穿电压先升后降，随含水量增加呈下降趋势，且交流含量不同击穿电压下降幅度也不同。分析发现，温度（或含水量）在改变变压器油和浸油纸板所受场强的同时，也改变了二者的介电强度，最终导致油纸绝缘的击穿电压发生变化。变压器油和浸油纸板所受电场强度随交流含量变化而改变，且各自在交流和直流电场下具有不同的击穿特性，是导致油纸绝缘击穿电压随交流含量变化的主要原因。
　　为分析油流对油纸绝缘击穿特性的影响，在不同流速下对油纸绝缘进行了复合电场油流带电及击穿特性试验。试验结果显示，随交流含量上升油纸复合绝缘的击穿电压在不同流速下均呈先升后降的趋势，但击穿电压的变化范围随流的速变化而不同，击穿电压随流速增加而下降，流速越高击穿电压变化范围越低。不同交流含量的电压下冲流电流均随流速升高而增大，但交流含量不同，冲流电流上升的幅度不同；随流速升高，冲流电流均有饱和显现出现，且随外施电压直流分量上升，冲流电流饱和值所对应的流速也随之上升。分析后发现，直流电场使起电层区域扩大，导致油流带电程度随外施电压升高而增大；交流电场由于半周期时间远小于起电层扩散所需时间，导致其对油流带电影响程度不大。油流带电使油纸界面空间电荷量增大，增加了纸板和油中的电场强度。油流带电所导致的电场畸变与变压器油在流动状态下的击穿特性两方面，共同导致了复合电场下油纸绝缘击穿电压随流速升高而呈现不同变化。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2换流变压器油纸绝缘特性国内外研究现状

1.3本文的主要工作内容

第2章 试验平台搭建及样品处理工艺

2.1试验平台搭建

2.2高压试验电源设计

2.3油纸绝缘试验模型及试样处理工艺

2.4本章小结

第3章 温度及水分对油纸绝缘电场分布的影响

3.1含水量对油纸绝缘介电参数的影响

3.2温度对油纸绝缘介电参数的影响

3.3复合电场下油纸绝缘电场分布

3.4水分对油纸绝缘复合电场分布的影响

3.5温度对油纸绝缘复合电场分布的影响

3.6本章小结

第4章 温度及水分对油纸绝缘击穿特性的影响

4.1直流分量对油纸绝缘击穿特性的影响

4.2水分对油纸绝缘击穿特性的影响

4.3温度对油纸绝缘击穿特性的影响

4.4本章小结

第5章 油流对油纸绝缘击穿特性的影响

5.1复合电场油流带电特性及模型

5.2油流带电对电场分布的影响

5.3油流下典型油纸复合绝缘击穿特性

5.4本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文和专利

致谢