高压直流超导限流器绕组和电流引线绝缘研究

摘要

高压直流系统故障阻尼小、短路电流大，换流器不具备抵抗短路冲击的能力，且短路电流无自然过零点又加剧了直流故障断流的难度。超导限流器以其正常输电低阻抗、故障限流高阻抗等特点，能够有效限制故障电流，对于高压直流系统的发展具有重要意义。超导限流器绝缘处于高压、低温等极端环境中，高电场下电荷积聚引起的局部电场畸变和温度变化时热膨胀系数不匹配导致的热应力，会加速绝缘失效。本文以高压直流超导限流器绕组和电流引线绝缘为研究对象，通过表层分子结构改性和无机纳米填充的方法分别对绕组和电流引线绝缘材料的性能进行调控，并对其电荷特性和击穿性能进行测试，以期为超导限流器的低温绝缘设计提供理论基础和实验依据。论文主要研究工作和取得的成果如下： （1）通过±200 kV柔性直流输电系统短路故障仿真模型，获得了满足短路电流抑制率大于35%要求的超导限流器阻抗值；发现直流出口母线两极短路故障后，超导限流器将承受远高于额定电压的脉冲过电压，获得了其脉冲过电压和电流波形。 （2）通过对超导绕组聚丙烯层压纸和聚酰亚胺绝缘进行表层分子结构调控，并对调控前后绝缘材料的化学结构特性和元素组成进行测量，发现表层分子结构调控可以将材料表层分子中的H原子置换为F原子，在材料表面形成数微米厚的氟化层；通过基于表面电位衰减和等温放电电流的陷阱分布计算，发现表层分子结构调控降低了材料的陷阱密度，导致陷阱捕获电荷数量减少，有效抑制了电荷积聚；由于氟元素强的电负性，氟化层能够束缚大量电子，在材料表面形成屏蔽层，阻挡电荷向材料内部的注入，改善电场分布，提高聚丙烯层压纸和聚酰亚胺绝缘的击穿强度。 （3）基于电流引线绝缘用材料存在的问题，采用物理共混法制备了环氧树脂/AlN纳米复合绝缘材料，发现纳米AlN粒子的填充提高了复合绝缘的热导率，降低了其热膨胀系数；通过直流与脉冲复合电压下表面电位测量系统，获得了脉冲电压幅值对直流电压作用下复合绝缘表面电位特性的影响规律；纳米 AlN粒子的填充增加了复合绝缘的深陷阱密度，提高了环氧树脂/AlN纳米复合绝缘的耐击穿性能。

目录

声明

第1章绪论

1.1高压直流输电系统短路故障与保护现状

1.2超导限流器及其在电力系统的应用研究

1.3超导限流器绝缘研究现状

1.4本文的主要研究工作

第2章高压直流超导限流器过电压分析与绝缘结构设计

2.1高压直流超导限流器过电压分析

2.2高压直流超导限流器工作原理与绝缘结构设计

2.3本章小结

第3章高压直流超导限流器屏蔽绕组绝缘及电荷抑制技术

3.1超导屏蔽绕组聚丙烯层压纸绝缘简介

3.2聚丙烯层压纸表层分子结构调控与性能表征

3.3表层分子结构调控对聚丙烯层压纸表面电位特性的影响

3.4基于表面电位衰减的聚丙烯层压纸陷阱特性研究

3.5基于等温放电电流的聚丙烯层压纸陷阱特性研究

3.6脉冲电压下聚丙烯层压纸击穿特性研究

3.7本章小结

第4章高压直流超导限流器限流绕组绝缘及空间电荷测量技术

4.1超导限流绕组聚酰亚胺绝缘简介

4.2聚酰亚胺薄膜试样制备与性能表征

4.3表层分子结构调控对聚酰亚胺表面电位特性的影响

4.4表层分子结构调控对聚酰亚胺空间电荷特性的影响

4.5基于等温放电电流的聚酰亚胺陷阱特性研究

4.6直流叠加脉冲电压下聚酰亚胺击穿特性

4.7本章小结

第5章高压直流超导限流器电流引线绝缘及击穿特性

5.1电流引线环氧树脂绝缘简介

5.2环氧树脂/AlN纳米复合绝缘制备与性能表征

5.3粒子含量对环氧树脂/AlN纳米复合绝缘表面电位特性的影响

5.4粒子含量对环氧树脂/AlN纳米复合绝缘陷阱特性的影响

5.5直流叠加脉冲电压下环氧树脂/AlN纳米复合绝缘击穿特性

5.6本章小结

第6章结论

6.1结论

6.2后续研究工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢