电晕老化对油纸绝缘空间电荷特性的影响

电晕老化对油纸绝缘空间电荷特性的影响

0油纸粘连的空间电荷特性交换电流压缩器是高压直接电源系统的重要设备，其绝缘状况直接影响着直接电源系统的可靠性。换流变压器阀侧绕组承受着交流、直流和脉冲电压的共同作用,油纸绝缘在直流电场下容易形成空间电荷,空间电荷的积聚和迁移会使油纸绝缘内部电场分布发生畸变,导致局部电场加强,从而加速油纸绝缘的老化,严重影响换流变压器的绝缘性能。特别是换流变压器在极性翻转过程中,空间电荷容易造成内部绝缘的损伤而形成事故。因此,研究换流变压器内部油纸绝缘在复合电场中的空间电荷特性具有重要的学术意义和应用价值。油中电晕是变压器内部一种典型的放电形式。油纸绝缘在电晕老化的过程中,绝缘材料会发生化学结构的变化,引入更多缺陷或陷阱。陷阱密度的增加,可以作为判定油纸绝缘电晕老化程度的一个有效参数。国内外学者对聚合物空间电荷的研究主要集中在聚乙烯等材料上,对于油纸绝缘的空间电荷特性研究较少[7,8,9,10,11,12,13,14,15],而且尚未考虑脉动直流电压下电晕老化对油纸绝缘空间电荷特性的影响。本文针对换流变压器内部油纸绝缘老化过程中的空间电荷特性开展研究,设计了油中电晕放电模型,搭建了脉动直流电压下油纸绝缘油中电晕老化试验平台和局部放电测量系统,采用电声脉冲(pulsedelectro-acoustic,PEA)法测量在不同油中电晕老化阶段和不同电晕强度下的油纸绝缘的空间电荷特性,分析了空间电荷的含量、分布等与油中电晕老化程度之间的关系。1阀侧区域内的交、直流混合电压将两个或多个换流桥串联可以获得所要求的高直流电压。图1为±800kV换流变压器内部换流阀示意图,它是由2个6脉冲桥串联而成,与网侧绕组成星形连结的阀绕组同靠近极端的一组6脉冲阀桥(桥2)相接;与网侧绕组成三角形连结的阀绕组同靠近地电位的一组6脉冲阀桥(桥1)相接,将交流电压转换成直流电压。换流变压器阀侧绕组承受的交、直流混合电压波形示意图如图2所示,其中Uad=Uacsin(ωt+φ)+Udc,纹波系数为Uac/Udc。换流变压器星形连接绕组上承受的交、直流混合电压的纹波系数为0.33,三角形连接绕组上承受的交、直流混合电压的纹波系数为1。纹波系数越大对绝缘造成的损伤越严重。因此,本文所研究的脉动直流电压为三角形连接绕组上承受的交、直流混合电压。2测试方法2.1绝缘纸预处理油纸绝缘试品采用厚度为80μm的普通国产纤维牛皮绝缘纸。绝缘油使用克拉玛依#25变压器油。试验前需对绝缘纸试品进行预处理:首先将绝缘纸裁剪成圆形纸片,纸片的半径为2cm,并放置于干燥箱中,在120°C真空条件下干燥30min;然后对变压器油进行滤油、脱气、去杂质微粒等处理;最后将处理后的绝缘油倒入烧杯中,在50Pa/40°C条件下真空浸油24h。2.2电极系统结构及试品制备为了研究脉动直流电压下油中电晕老化过程,本文设计了油纸绝缘油中电晕放电模型。模拟油中电晕放电的针-板电极系统如图3所示。电极系统结构参照CMⅡ(CIGREMethodⅡ)电极系统结构尺寸设计制作。针颈直径0.2mm,针尖曲率半径<0.1mm。针与板电极间放置绝缘纸,d为1mm。试验中,试品浸渍在绝缘油中进行电晕老化。交流、直流电压一起施加在试品上,交、直流电压的幅值比例为1:1。试验中施加正极性脉动直流电压模拟正极性电晕放电。2.3试品和试验过程本文用PEA法测量了油纸绝缘试品的空间电荷动态特性,测量装置如图4所示。测量原理大致为脉冲源产生的高压窄脉冲,使介质中的空间电荷发生微小位移,压电传感器检测到了该位移,再经信号处理后即获得空间电荷密度分布信息。本试验中所使用的AVIR-C型脉冲源由加拿大AVTECH公司生产,该产品的脉冲宽度为2~5ns,脉冲电压幅值为200V;所使用的AU-20R3-LC型高压直流源为日本MAT-SUSADA公司生产,脉冲输出电压0~±20kV。使用硅油作为声耦合剂,测量时的环境温度为(25±1)°C,相对湿度为(40±2)%。本文对试品施加直流场强-12.5kV/mm。图5为油纸试品空间电荷测量试验过程。试验主要分为加压试验、瞬时去压试验和去压试验3个部分。加压试验是在外加直流电压作用时取样,观察试品内部空间电荷积聚和迁移情况;瞬时去压试验是在加压试验完成后,暂时撤去直流电压,分析介质内部快慢速运动电荷的运动情况,通过该试验可大致地区分试品内部深浅陷阱的数量;而去压试验是加压完成之后,去掉电压,观察空间电荷的消散情况。3试验结果3.1电晕老化对试品电荷密度的影响不同电晕老化程度下油纸绝缘加压试验时的空间电荷曲线如图6所示。图中左侧虚线为阳极界面,右侧虚线为阴极界面。可以明显地看到,正极处电荷峰较清晰,负极位置的电荷峰较模糊,这主要是因为正极离电声传感器近,电声脉冲信号的衰减较小,传感器可以较准确地检测到测量信号,而负极距传感器较远,信号在传输过程中产生较大的散射和衰减,传感器检测到的信号不能完全反映真实情况。图6中,图6(a)~图6(d)为不同油中电晕老化阶段下试品加压试验时的空间电荷曲线。图6(a)为未老化试品加压试验时的空间电荷曲线。图中出现了两个空间电荷峰,正、负极和试品中部两个空间电荷峰的电荷密度的变化趋势如图所示。说明试品加压时间短时以正电荷注入为主导,加压时间长时以负电荷注入为主导。图6(b)为3kV电晕老化5h后试品加压试验时的空间电荷曲线。试品加压时间短时以负电荷注入为主导,随着加压时间的延长趋于以正电荷注入为主导。图6(c)为3kV电晕老化10h后试品加压试验时的空间电荷曲线。正、负极和试品中部两个空间电荷峰的电荷密度的变化趋势如图所示。说明试品临近正极处以正电荷注入为主导,临近负极处以负电荷注入为主导。图6(d)为3kV电晕老化30h后试品加压试验时的空间电荷曲线。随着加压时间的延长,正电荷注入试品为主导的现象已非常明显。结果表明,电晕老化后试品的初始电荷峰值均大于未老化的试品,随着电晕老化时间的增加,正、负极初始电荷密度呈增大的趋势。由于试品在电晕老化的过程中,绝缘材料发生化学结构的变化,引入更多陷阱。从空间电荷注入的速率角度分析,当直流电压施加在试品两端时,立刻出现电荷注入。不同电晕老化时间下,均有明显的空间电荷注入现象。此外,不同电晕老化阶段的试品中均出现同号电荷注入现象,即试品内部的正电荷由正极注入,试品内部的负电荷由负极注入形成。这可能与电极-试品界面的势垒高度低,热电子发射较易形成,试品内部靠近电极部分积聚同极性电荷,而异极性电荷则积聚在试品内部较深区域有关。随着电晕老化时间的增加,空间电荷注入的深度逐步增加。特别是正电荷,在3kV电晕老化5h后试品中,正电荷注入到绝缘纸中临近正极处;在3kV电晕老化10h后试品中,正电荷注入到绝缘纸的中间部分;而在3kV电晕老化30h后试品中,正电荷已经注入到绝缘纸中临近负极处。说明电晕老化时间短时试品中以负电荷注入为主导,随着电晕老化时间的增加,试品中电荷复合加剧,并逐渐以正电荷注入为主导。当正电荷注入占主导时,正极处的电荷量明显减少;而当负电荷注入占主导时,由于电声脉冲信号的衰减,负极处不能明显看到电荷量的减少,但空间电荷由两极不断注入到试品内部的趋势是十分明显的。图6中,图6(a)、图6(c)、图6(e)、图6(f)为不同电晕强度下试品加压试验时的空间电荷曲线。图6(e)为6kV电晕老化10h后试品加压试验时的空间电荷曲线。说明试品临近正极处以正电荷注入为主导,临近负极处以负电荷注入为主导。图6(f)为9kV电晕老化10h后试品加压试验时的空间电荷曲线。说明试品加压时间短时以负电荷注入为主导,加压时间长时以正电荷注入为主导。电晕老化时间的增加和电晕强度的增加都表示电晕老化程度的加深。综合对比图6(a)~图6(f)可见,随着电晕老化程度的加深,试品加压试验时空间电荷特性的变化趋势基本一致。3.2加压试验时的空间电荷特性在很多文献中,由空间电荷所受陷阱束缚作用的大小,可粗略地划分为慢速运动空间电荷和快速运动空间电荷2类。前者反映的是受限于深陷阱中的电荷,撤去电压后,电荷短时间内较难脱陷阱;而后者反映的是受限于浅陷阱中的电荷,这部分电荷在撤去电压后脱陷较快。不同电晕老化程度下试品瞬时去压试验时的空间电荷曲线如图7所示。对比图6和图7可知,尽管空间电荷密度不同,但空间电荷的分布和变化趋势基本一致。这说明在加压时,试品内部的空间电荷大多被深陷阱或较深陷阱所束缚,而瞬时去压后,试品内部少量被浅陷阱束缚的空间电荷快速脱陷而被中和掉,大量的空间电荷被深陷阱束缚在较短时间内无法完成脱陷;同时证实加压试验中总结的试品空间电荷特性变化趋势的结论是正确的。对比图7(a)~图7(f)可知,随着电晕老化程度的加深,正、负极和试品中部2个空间电荷峰的电荷密度的变化趋势基本一致。3.3间荷的主导率未老化试品的空间电荷消散速度比较缓慢,大约20min完全消散。而电晕老化后试品的空间电荷均在30s内完全消散。这是由于电晕老化作用提高了试品的电导率,在没有外加场强的情况下,空间电荷很容易消散。电晕老化后油纸绝缘材料中的空间电荷快速消散现象有利于换流变压器在极性反转条件下的运行,为阐释油纸绝缘良好的长期性能提供了有重要意义的试验依据。4分析与讨论4.1电晕老化过程中试验品内部负荷的变化不同电晕老化程度下试品加压试验时的电荷总量如图8所示。由图8(a)可知,电晕老化后试品的电荷总量均大于未老化的试品,随着电晕老化时间的增加,初始电荷总量呈增大的趋势。证实试品在电晕老化的过程引入更多陷阱的结论。未老化试品内电荷总量随着加压时间的延长基本保持稳定;3kV电晕老化5h后试品和3kV电晕老化10h后试品内电荷总量随着加压时间的延长略有减少,说明试品中已出现一定程度的电荷复合;3kV电晕老化30h后试品内部电荷总量10min前数值变化不大。随着加压时间的延长,电荷总量剧烈下降,30min后又有所增加,该现象说明试品中出现大量电荷复合,最后以电荷注入占主导,这与之前的分析相一致。对比图8(a)和图8(b)可知,随着电晕老化程度的加深,试品加压试验时的电荷总量的变化趋势基本一致。4.2空间电荷总量测定不同电晕老化程度下试品瞬时去压试验时的电荷总量如图9所示。由图9(a)可知,3kV电晕老化5h后试品和3kV电晕老化10h后试品内电荷总量随着瞬时去压时间的增大逐渐减少;3kV电晕老化30h后试品内部电荷总量10min前数值变化不大。随着瞬时去压时间的增大,电荷总量剧烈下降,30min后又有所增加。对比图8和图9,尽管空间电荷总量大小不同,但电荷总量的变化趋势基本相同。对比图9(a)和图9(b)可知,随着电晕老化程度的加深,试品瞬时去压试验时的电荷总量的变化趋势基本一致。5电晕老化程度对试品负荷的影响本文通过油纸绝缘电晕