换流变直流电场分量对油纸绝缘针板局放特性影响及其放电机理研究

发布时间：2020-10-08 22:48

　　随着我国特高压直流输电(UHVDC)工程的不断建设,作为UHVDC核心设备的换流变压器(简称:换流变)对电网安全稳定运行的责任日渐重大。近年来,换流变事故多发,且绝缘事故比重较高。减少换流变绝缘事故的措施为优化绝缘结构(主动措施)与提高绝缘状态在线评估技术(被动措施)。局部放电(简称:局放)不仅是引起换流变绝缘失效的主要原因之一,也是检测换流变绝缘劣化程度的重要手段之一,其特性与机理已备受关注:局放特性的研究有助于建立完善有效的局放特征数据库,推动换流变绝缘状态在线评估技术的发展;局放机理的研究有助于发现局放现象与电荷运动规律的内在联系,推动换流变绝缘结构的优化。换流变阀侧油纸绝缘承受电压含高比例直流分量,使其局放特性与机理更加复杂。特别是针板局放(极不均匀电场下局放典型代表)不仅具有更明显的分散性、随机性、极性效应,还极易引发突发的、难以预测的绝缘故障。因此,换流变直流分量对油纸绝缘针板局放特性影响及其放电机理需重点研究。本研究搭建了交流叠加直流电压下油纸绝缘局放实验平台与检测系统,设计了有油隙针板间隙模型、无油隙针板间隙模型、针板沿面模型,运用脉冲电流法采集局放信号,采用混合粒子群优化小波自适应阈值估计算法进行去噪。基于流体动力学漂移-扩散理论与双极性载荷子理论建立了油纸绝缘电场与电荷分布模型,研究了换流变直流分量对油纸绝缘针板局放特性影响及其放电机理。针对各类局放模型,对比研究交流电场与直流电场下局放特征的相似性与差异性,包括局放典型特征随时间变化趋势对比、局放谱图分布特性与演变规律对比、局放脉冲波形特性对比;在此基础上研究直流电压分量的比例与极性对局放特征的影响。此外,1)针对有油隙针板模型,依据油隙放电通道形状对直流分量作用下的正极性局放分类,并通过仿真研究油纸界面电荷对油隙流注的影响来分析分类机理;基于流注演变规律及局放脉冲特性,建立极不均匀电场下的局放等效电路模型,寻找局放脉冲与油隙流注的内在联系。2)针对无油隙针板模型,基于模糊聚类分析,在局放典型特征空间中对直流分量作用下的油纸绝缘电老化阶段进行划分,并解释阶段划分的物理意义;基于局放典型特征与谱图特征建立有效的电老化阶段识别方法;研究直流电场作用下的电场与电荷分布,解释各电老化阶段的局放模式与机理。3)针对针板沿面模型,研究电场垂直分量对局放特性的影响;研究直流电场作用下的电场与电荷分布,解释各电老化阶段的放电模式与机理。对于有油隙的针板模型,研究表明:1)有油隙油纸绝缘电老化过程缓慢,局放特性受电老化时间的影响较小,但极性效应明显。直流分量越高,平均视在放电量Qave、放电重复率Fnc、脉冲平均等效频率Feqave越大,脉冲平均等效时间Teqave、脉冲平均上升沿Fuave、脉冲平均下降沿Tdave越小。2)直流分量引起的界面电荷对流注发展有屏蔽作用。3)直流电场分量作用下的正极性局放可分为电晕放电、树状放电、单流注放电、多流注放电,此现象与界面电荷量以及油中气泡有关。4)脉冲上升沿对应流注传播过程,脉冲下降沿对应界面电荷积累过程,脉冲峰值时刻对应流注到达纸板表面的时刻。对于无油隙的针板模型,研究表明:1)基于模糊聚类分析,任何直流分量比例作用下的油纸电老化过程可分为起始、过渡、发展、稳定、预击穿五个阶段。2)随直流分量的增加,TRPD谱图中局放分层现象更明显,等效时频谱图甚至出现全拱形。3)提出了基于局放雷达谱图的可视化识别法与基于局放谱图小波矩不变量的高精度识别法。4)Qave、Fnc与Feqave随直流分量的增加而降低,Teqave与Tuave随直流分量的增加而增高。局放典型特征具有明显的极性效应。5)起始阶段以径(横)向沿面放电为主;过渡阶段以小桥放电为主;发展阶段与稳定阶段以油隙流注放电为主;预击穿阶段以轴(纵)向沿面放电为主。对于针板沿面模型,研究表明:1)强垂直分量下,纸板劣化痕迹分为内部击穿痕迹、沿面闪络痕迹、复合痕迹;弱垂直分量下,只产生沿面闪络痕迹。不同直流分量比例下,痕迹类型占比不同。2)油纸绝缘沿面劣化过程均分为起始、发展、击穿三个阶段。直流分量对强垂直分量下的放电特征影响更大,对发展阶段与击穿阶段的放电特征影响更大。3)直流分量作用下,TRPD谱图出现分层分段分布,易出现残余电荷放电现象。4)正极性沿面流注分为强自持、弱自持、稳定三个阶段。强垂直分量下,油纸界面产生滞留电荷,形成流注痕迹。弱垂直分量下,易产生二次流注(正极性下)和反向沿面流注(负极性下)。本研究得到的流注演变规律与局放机理可为换流变绝缘结构优化提供理论基础,同时提出的高效电老化识别方法也推动了油纸绝缘状态评估技术的发展。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM855
【部分图文】：

等效电路图,气隙,等效电路,局放

缘更易击穿［４４］。逡逑华北电力大学李成榕教授课题组对交直流复合电压下油纸绝缘典型缺陷放逡逑电现象及特性进行了一系列研究［４６］。课题组设计了气隙［４７］、柱板沿面［４８］、球板逡逑［４９］、匝间模型［５Ｑ］等局放模型，讨论了各类局放模式的统计特性与谱图特性，定性逡逑地描述了各类模型空间电场与电荷分布规律，并基于平均视在放电量、脉冲重复逡逑率、总烃体积分数随时间的变化趋势将各类局放发展过程分为起始阶段、发展阶逡逑段、邻近击穿阶段［４６，５°］。另外，课题组进一步详细研宄了气隙模型的局放特性：逡逑（１）建立了复合电压下油纸绝缘气隙结构的数学模型（图１－４），发现直流分量逡逑可抑制局放重复率与视在放电量、提高局放起始电压、改变ＰＲＰＤ谱图的相位分逡逑布［５１］；邋（２）研究了不同电老化阶段局放特性，发现局放发展的突变现象，总结各逡逑阶段局放特征，为换流变绝缘故障诊断提供依据［５２］；邋（３）研宄直流分量对局放特逡逑性的影响（图１－５），发现气隙放电产生的空间电荷所形成的反向电场使起始电压逡逑和击穿电压随着直流分量的增加而增大［５３１。逡逑１逦Ｈ逦ｈ３逦ｈｉ逦Ｕ７逡逑＊

谱图,直流分量,局放

瞬态,计算流程,电荷分布,板内部

度梯度对纸板内部电荷分布的影响［ｎｓ］。武汉大学的阮江军教授结合肖特基注入逡逑理论，提出．了一种基于瞬态上流元法的双极性载荷子迁移方程求解方法［１１９］（求逡逑解流程见图１－８），并探究了注入势垒、载荷子扩散率与迁移率，陷阱分布等参数逡逑对电荷分布的影响，通过实验验证了模型解法的有效性［１２（），１２｜］。逡逑逦求解逡逑逦（对流逦邋邋Ａ逡逑逦！逦肖特？电逦方程．逦将电＇荷密逦／＼逡逑逦！逦求解泊松逦了？发射讣逦计算逦戌代入泊逦／是否＼逦逦逡逑初始交＿邋方程得到逦，？电极表＿．邋ｆ逦＿．松靡ｒ邋＿ｙ达到、撪．求解完成逡逑电荷分布逦初始空间Ｔ＂＊面电荷密逦时间逦５？．该时刻￣＼稳定／￣分析结果逡逑逦邋电场分布逦Ｓ作为边逦步的逦空间电场逦＼条件／逡逑逦１逦界条件逦空间逦强埯逦＼邋／逡逑逦邋电荷逦邋邋Ｙ逡逑Ｉ密度逦否逡逑图１－８瞬态上流元法计算流程逡逑综上所述，油浸纸板内部电场与电荷分布特性的研究主要包括实验研究与仿逡逑８逡逑

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