脉冲振荡电压下电抗器匝间绝缘击穿特性

发布时间：2016-08-31 06:58

第 1 章  绪论 

1.1  研究背景及目的意义
近年来，我国电力系统迅猛发展，电网容量也变的越来越大，电压等级越来越高，电网装机容量增大，造成了系统短路时电流增大，事故时电压波动大，功率因数偏低等；同时，由于输电线路距离和等级的不断提高，线路中常会出现无功功率增大，末端电压升高及工频过电压等现象。在系统上安装干式空心电抗器可有效解决上诉问题[1-3]。 目前，国外生产干式空心电抗器的厂家有欧洲的 ABB、德国的 BLOCK、波兰的 HMP-FALEDY 和加拿大的尼尔贝克等等。我国自 1980 年左右引入进来，受到了电力系统的广泛欢迎，国内主要生产厂家有思源电气、北京电力设备总厂、上海晶鑫电工等等，但是国内产品生产加工工艺有待进一步提高[4-5]。 干式空心电抗器体积小、重量轻、结构简单、维护方便，一般采用无油结构，杜绝了油浸电抗器漏油等缺点。无铁芯，不存在磁饱和，因而电感值的线性度好。采用机械强度较高的铝质星形架来减小涡流损耗，且可满足线圈分数匝要求。所有的导线引出线全部用氩弧焊焊接在星形接线臂上，不用螺钉连接可提高运行可靠性。采用多层绕组并联的筒形结构，所有包封在电气上是并联的，每个包封用浸有环氧树脂的长玻璃纤维包绕，包封表面涂有特制的绝缘漆以起到抗紫外线和抗老化的作用。包封经高温固化后，整体性、机械强度和耐受短时电流的冲击力均有所改善，，且满足产品动、热稳定的要求。各包封之间由聚酯引拨条支撑形成通风气道，使空气对流形成自然冷却，自然风冷的散热方式性能较好。每个包封中有若干个并联连接的线圈，每层线圈又由单股或多股小截面圆导线平行绕制，导线通常是直径为 2mm~4mm 的圆铝导线或铜导线，可使涡流损耗和漏磁损耗明显减少。每根导线表面都用多层绝缘性能良好的聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜进行叠绕包裹，聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜作匝绝缘大大提高了匝间绝缘强度[6-7]。干式空心电抗器结构如图 1-1 所示。 
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1.2 国内外研究现状
吉林电力科学研究者敖明发表了关于《户外干式空心电抗器表面树枝状放电试验的研究》，采用针板电极系统对环氧树脂和玻璃丝纤维复合材料进行了电热老化击穿试验，提出了环氧树枝和玻璃丝复合材料的电击穿机理，从而引申到电抗器表面树枝状放电研究。他通过对 2 个生产厂家根据各自的生产工艺和原材料制造的电抗器模型施加 12k V 的交流电压，经计算，相当于匝电压364V，此匝电压相当于产品工作电压的 3-4 倍，自配电导率为 395 ??mm 污液，再按一定周期向模型喷射，为检测每个过程的局部放电电压，经过喷射自配污液 2min，自然干燥 30min 一个周期后进行。研究指出电抗器的沿面放电是由于环氧树脂和玻璃纤维复合材料在局部放电下不断破坏而产生击穿通道，是电应力和机械应力共同作用的结果，电应力破坏是引起机械应力破坏的前提，机械应力又促进电腐蚀的发展[15]。 倪雪峰等人对干式空心电抗器表面发电原因进行了探究并提出了解决方法，总结出空心电抗器外绝缘主要存在 4 个方面的问题，包括设计制作、加工工艺、漏磁通及漏电起痕。他们当时认为局部过热和绝缘气泡等缺陷无从着手，所以仅仅对生产制造问题提出解决方案，对微裂痕、粉化、裂化等现象处理后重新涂抹漆渍，对漏磁通消除弥合环路等。 2011 年法国北部里尔大学 S.Savin 等人对双股线圈匝间局部放电初始电压进行了研究，他们对线圈在 280℃下进了持续 24 小时十个周期的加速热老化后对绝缘性能进行检测，老化过程遵循阿列纽斯法则和相关标准进行。在每个老化周期后对线匝进行局部放电试验。局部放电实验装置包括电源电路、一个耦合电容、测试样品和耦合装置。通过电源电路提供波形幅值，在由低频发生器提供稳定的频率，通过快速示波器直观的检测局部放电初始电压值，另外用一个分流电阻测试局部放电电流。研究表明随着热老化周期的增加，局部放电初始电压有些许降低，但是样品的击穿数量在增加[16]。 
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第 2 章  试验平台组建 

2.1 试验模型制作
匝间绝缘击穿试验需要非常大的样本个数，如果制作电抗器作为试样，研究成本非常高。仅对匝间绝缘进行击穿试验研究，制作一段匝间绝缘结构就能满足要求，本文针对这种试验模型进行了设计。 试样材料选用较主流厂商(北京电力设备总厂)绕制干式空心电抗器所用膜包圆铝导线，参考干式空心电抗器制造规范，选用了三种常用绝缘导线制作匝间线圈模型[20-21]。铝线的外绝缘为 2/3 叠绕，具体型号及其结构如表 2-1 所示：从工厂用大捆铝线上剪下长度相等的若干段铝线，取两根相同长度(420mm) 直导线构成相邻匝，两个线匝在中部有一段紧贴的部分(长度200mm)，这与实际干式空心电抗器中匝间绝缘情况基本一致[22]。首先利用成型模板使铝线两端成 30 度角相背弯曲并行，同时用绝缘扎带紧固线匝，并在导线弯曲处用绝缘胶带紧紧缠绕，加强弯曲处绝缘（弯曲处曲率半径较小、且可能产生微小气隙，因此防止在尺寸击穿，影响数据准确性）。样品几何尺寸如图 2-1 所示。 按照绝缘薄膜 50k V/mm 击穿场强及均匀电场核算，参照表 2-1 中的绝缘厚度，三种绝缘导线做成的匝间绝缘样品击穿电压峰值分别为 21.2k V、21.2k V 和 29.7k V，最高试验电压接近 30k V。为了防止线匝样品的端部发生异常放电，每根导线的端部采用直径为 25mm 的铜棒均匀电场。每 5 个试样样品并联为一组，间隔 50mm，导线端部分别嵌于对应铜棒通孔处并用内顶丝夹紧。铜棒两端通过聚四氟绝缘板固定，起支撑和绝缘作用，同时也为后续的老化试验奠定基础。铜棒分别与高压电极和接地电极相连接，两端又设计加工了防电晕球，放置在铜棒端部，同时起到均匀电场和紧固作用。匝间绝缘样品实物照片如图 2-3 所示，其中近端铜棒为高压电极，连接样品的一根绝缘导线，远端两根铜棒为地电极，连接样品的另一跟导线。
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2.2 高频脉冲振荡试验设备研制

对于 35k V 电压等级及以下的干式空心电抗器，国际标准 IEC60076-6-2007、国家标准 GB1094.6-2011、行业标准 JB/T5346-1998 都容许采用高频脉冲振荡电压试验取代感应电压试验和雷电冲击试验。国家标准 GB1094.6-2011《电力变压器 第 6 部分：电抗器》规定的干式空心电抗器匝间过电压原理图如下图 2-5 所示。在试验时，首先利用直流源对充电电容充电，当电压达到一定值时，球隙击穿放电，此时在电容与试品线圈形成一定频率的阻尼振荡，当振荡放电电流衰减到零，电弧熄灭，电容又再次重新充电，达到一定电压时球隙击穿放电，过程不断重复[26-28]。国家标准要求试验持续时间为 1min，每次放电的初始峰值应为 2 倍(户内设备)或 233.1倍(户外设备)GB1094.3 中表 2 和表 3 给出的额定短时感应或外施耐压试验电压(r.m.s)。响应频率是绕组电感和充电电容的函数，一般在 100k Hz 及以下，应包含不少于 3000 个要求幅值的过电压。试验电压波前包含多个高频振荡，波前时间远远小于雷电冲击的波前时间[29-31]。 评判绕组匝间绝缘是否完好的常用方法是波形比较法。在电抗器的两端分别施加两次电压，一次是标定电压，一次是试验电压，比较两次所加电压得出总电压波形或总电流波形，通过观测过零点的变化和衰减速度的快慢来判断绝缘是否完好。若电抗器有匝间短路的故障发生，在试验时也会伴随着刺激性气味、噪音、烟雾或者火花放电等等现象，以上这些也都可以作为判断匝间绝缘是否完好的依据[32-33]。 

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第 3 章  热老化匝间绝缘的击穿特性 ...... 20 
3.1 热老化试验方案 ...... 20 
3.1.1 热老化试验原理 ....... 20 
3.1.2 匝间绝缘样品热老化方法 ....... 22 
3.2 电压施加方法 .......... 23 
3.3 试验结果及分析 ...... 24 
3.4 本章小结 .......... 29 
第 4 章  开裂缺陷匝间绝缘的击穿特性 .......... 30 
4.1 开裂缺陷的模拟 ...... 30 
4.2 击穿电压试验结果 .......... 31 
4.2.1 气隙缺陷样品试验结果 ........... 31 
4.2.2 绝缘破损缺陷样品试验结果 ........... 33 
4.3 破损绝缘寿命评定 .......... 33 
4.3.1 试验方法 ........... 33 
4.3.2 试验结果 ........... 34 
4.3.3 结果分析方法 ........... 35 
4.3.4 寿命曲线 ........... 38 
4.4 开裂绝缘击穿特性的讨论 ...... 40 
4.5 本章小结 .......... 42 

第 4 章  开裂缺陷匝间绝缘的击穿特性 

4.1 开裂缺陷的模拟 
开裂是干式空心电抗器常见的一种故障形式，有必要针对这一缺陷对匝间绝缘性能的影响进行评估。开裂产生的主要原因是运输和安装过程外部应力作用以及运行过程内部应力的作用。运行过程中内部应力主要包括电抗器温度变化造成热胀冷缩形成的伸缩力，以及电动力，尤其是投切过程形成的暂态电动力。匝间开裂后，匝间绝缘电压分布会产生变化，气隙处会出现强电场。而且，开裂电抗器容易受到潮气、雨水和脏污的侵袭，进一步造成匝间绝缘性能下降。一台开裂的串联电抗器照片如图 4-1 所示。不严重的匝间绝缘开裂是在两线匝间构成缝隙，如果开裂造成包绕在铝导线的匝间绝缘破裂，会形成严重的开裂缺陷。本文通过人为模拟的方式制作了匝间绝缘缺陷。 固化前，样品匝间放置固定厚度的插板，插板两端用扎带勒紧，形成绝缘导线微变形，升温固化一小时后撤除插板，此时，环氧胶液凝固，形成匝间气隙缺陷，继续升温完成固化。这种气隙成楔形，最大间距分别为 0.5mm、1mm、1.5mm、2mm，实物如图 4-2 所示。 固化前，用壁纸刀破坏一根绝缘导体的匝间绝缘薄膜。制作样品时，被破坏处正对另一根绝缘，从而形成单侧破损匝间绝缘。用小刀破坏两根导体的匝间绝缘，制作样品时两处破损绝缘相邻，形成双侧破损匝间绝缘。单侧破损匝间绝缘实物如图 4-3 所示。 
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结论 

本文设计了匝间绝缘模型，组建了脉冲振荡高压试验设备，对不同绝缘类型、不同老化程度和不同开裂程度匝间绝缘进行了击穿电压试验研究，同时监测了局部放电电压水平，扫描了表面形貌和开裂绝缘寿命评定，得到以下结论： 
1．本文设计的试验电路合理，搭建的试验平台胜任试验研究工作。 
2．热老化迅速降低聚丙烯薄膜的绝缘特性，造成匝间绝缘击穿电压迅速降低。对聚脂薄膜和聚酰亚胺薄膜的影响较小，击穿电压基本不随老化时间变化。干式空心电抗器中杜绝使用聚丙烯薄膜。 
3．开裂绝缘的击穿电压迅速下降，电场强度越高越严重。电抗器运行过程应该完善工艺，避免开裂发生，适当增加绝缘厚度也可以降低气隙的电场强度。运行过程应该避免出现高幅值过电压。 
4．综合局部放电监测结果、绝缘表面形貌和寿命评估结果，匝间绝缘击穿是局部放电产生、发展一直到击穿的过程。有必要改善绝缘工艺，减小局部放电量。  
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参考文献(略)

本文编号：106434