换流变压器油道中带电自由金属微粒运动规律和局部放电特性研究

摘要

换流变压器作为高压直流输电系统中最重要和最昂贵的电力设备之一，其安全可靠运行对整个输电系统的安全与稳定起着至关重要的作用。在变压器制造、运输、安装、运行和维修等环节中，由于材料加工、机械振动和油泵磨损等因素，变压器油不可避免地会受到自由金属微粒的污染。自由金属微粒的大量存在会严重降低变压器油绝缘性能，极易在污染初期导致局部放电(Partial discharge，PD)，污染严重时诱发绝缘击穿，已经成为影响换流变压器安全运行的主要问题之一，受到国内外学者和工程技术人员的高度关注。但到目前为止，相关研究主要针对油道表面裸露时交流或直流电压下自由金属微粒对静止变压器油绝缘性能的影响，而对换流变压器阀侧油道强迫油循环状态下的油中自由金属微粒与油道表面固体绝缘介质接触带电过程与机理、在流场和交直流复合电场共同作用下油中自由金属微粒运动规律、运动中的自由金属微粒引起绝缘油的各种放电特性与机理等研究不多，显然，运动中的带电金属微粒对油介质绝缘性能的影响更为复杂，已成为亟待深入研究的难点问题。　　作者搭建了变压器油循环流动装置和微粒运动观测系统，测量了在电极表面覆盖绝缘纸时油中自由金属微粒的带电量，系统研究了不同油流速度、直流分量外施电压和电极覆纸情况时含金属微粒变压器油的PD特性，构建出耦合电场的层流固-液两相流模型，观测了油中金属微粒运动，验证了构建的流动变压器油中自由金属微粒运动仿真模型，阐明了不同因素下自由金属微粒运动对PD的作用机制。主要研究工作与取得的成果如下：　　①根据实际换流变压器油道结构，搭建了能够有效模拟不同油流速度、外施电压直流分量和电极覆纸情况实验条件下的PD综合实验平台，同时建立了微米级金属微粒运动观测系统，为深入研究油中自由金属微粒带电特性、PD特性以及运动规律奠定了坚实的实验基础。　　②利用动力学平衡方程法，测量了平行板电极覆纸时自由金属微粒的带电量，发现微粒接触裸露电极后的带电量与理论值一致，未在电极表面滞留。金属微粒接触覆纸电极时会在电极表面短暂滞留，当外施电压超过PD起始电压后，微粒可以未滞留而离开覆纸电极，但其发生概率远低于滞留情形。在单电极覆纸时，外施电压越高，滞留时间越短，接触覆纸电极后的带电量越高，带电量为接触裸露电极后的一半；在双电极覆纸时，滞留时间进一步延长，带电量更小。自由金属微粒主要通过绝缘纸传导带电，导致了滞留时间的存在，减小了带电量。　　③开展了不同油流速度、外施电压直流分量和电极覆纸情况时变压器油中自由金属微粒PD实验，统计了起始放电电压、放电重复率、平均放电量和单位时间累积放电量等PD特征量，构建了PD图谱。研究结果表明：油流速度越快，PD强度越弱；在无直流分量时，放电图谱对称，PD强度最高；在外施电压含直流分量时，放电图谱不对称，直流分量增加，PD强度增强；在单电极覆纸时，PD集中于外施电压上升的相位区间发生，PD强度比双电极裸露时较弱；在双电极覆纸时，PD集中于外施电压下降的相位区间发生，PD强度弱于单电极覆纸时。　　④开展了不同影响因素下油中自由金属微粒运动规律观测实验，构建了耦合电场的层流固-液两相流模型，仿真出自由金属微粒的运动轨迹。实验和仿真结果均表明：直流电压下，未带电金属微粒沉降至下电极并带电，带电金属微粒随油流水平运动的同时，在电极间上下往复运动，并与电极碰撞；流速越快，沉降时水平位移越长，落点间距越短而落点时间间隔不变；外施电压中直流分量越多，微粒轨迹越接近于直流电压情形，落点间距和落点时间间隔均变短；在无直流分量时，金属微粒只在下电极附近上下往复运动，并在水平方向随油流运动，落点间距和落点时间间隔均最短；在单电极覆纸时，微粒会在覆纸电极表面短暂滞留，滞留后向相反电极运动的同时随油流运动，落点间距和落点时间间隔相比双电极裸露时较长，但均短于双电极覆纸时。　　⑤利用验证后的仿真模型，提取了不同影响因素下自由金属微粒与电极的碰撞频率，计算了微粒与电极间隙中的电场，统计了不同相位的微粒碰撞密度，从而阐明了各因素对PD特性的影响机制。研究结果表明：油流速度越快，碰撞频率越低，间隙中电场不变，导致PD强度减弱；在无直流分量时，碰撞频率最高，间隙中电场较强，故PD强度最高；外施电压中直流分量越多，碰撞频率越高，间隙中电场越强，PD强度越强；相比双电极裸露时，单电极覆纸时的碰撞频率较低且间隙中电场强度较弱，但均高于双电极覆纸时，从而阐明了PD强度随电极覆纸情况变化的原因；在外施电压含交流分量时，由于PD容易在碰撞密度高的相位区间发生，所以放电图谱主要由碰撞密度相位分布决定。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自由金属微粒的带电特性

1.2.2 油中带电自由金属微粒的运动特性

1.2.3 油中带电自由金属微粒的局部放电特性

1.3 本文主要研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 变压器油中自由金属微粒局部放电和运动观测实验平台

2.1 交直流复合电压下含金属微粒变压器油PD 实验平台

2.1.1 变压器油循环流动装置

2.1.2 交直流复合电压发生装置

2.1.3 局部放电测量系统

2.2 油中微粒运动观测系统

2.2.1 观测系统构建和观测方法

2.2.2 轨迹生成和运动特征量测量

2.3 试样制备与实验方法

2.3.1 试样制备

2.3.2 实验参数的选择

2.3.3 实验方法

2.4 本章小结

3 电极表面覆盖绝缘纸时自由金属微粒带电特性

3.1 动力学平衡方程法测量微粒带电量

3.2 主要影响因素下的金属微粒带电特性

3.2.1 电场强度对带电特性的影响

3.2.2 电极覆纸情况对带电特性的影响

3.3 电极覆纸时金属微粒电荷转移机制

3.4 本章小结

4 含金属微粒流动变压器油的局部放电特性

4.1 油流速度对变压器油中金属微粒PD特性的影响

4.1.1 起始放电电压

4.1.2 PD统计特征量

4.2 直流分量对含金属微粒流动变压器油PD特性的影响

4.2.1 起始放电电压

4.2.2 PD统计特征量

4.3 电极覆纸情况对含金属微粒流动变压器油PD 特性的影响

4.3.1 起始放电电压

4.3.2 PD统计特征量

4.4 本章小结

5 微粒运动对油中带电自由金属微粒局部放电的作用机制

5.1 变压器油中金属微粒运动行为的实验研究

5.1.1 油流速度对微粒运动行为的影响

5.1.2 直流分量对微粒运动行为的影响

5.1.3 电极覆纸情况对微粒运动行为的影响

5.2 耦合电场的层流固-液两相流模型及仿真分析

5.2.1 耦合电场的层流固-液两相流模型

5.2.2 微粒运动仿真轨迹与实验结果对比

5.3 不同影响因素下金属微粒运动对PD的作用机制

5.3.1 油流速度对PD的影响机制

5.3.2 直流分量对PD的影响机制

5.3.3 电极覆纸情况对PD的影响机制

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 今后工作展望

参考文献

附 录

致谢