電暈老化對油紙絕緣空間電荷特性的影響

電暈老化對油紙絕緣空間電荷特性的影響

0油紙粘連的空間電荷特性交換電流壓縮器是高壓直接電源系統(tǒng)的重要設(shè)備，其絕緣狀況直接影響著直接電源系統(tǒng)的可靠性。換流變壓器閥側(cè)繞組承受著交流、直流和脈沖電壓的共同作用,油紙絕緣在直流電場下容易形成空間電荷,空間電荷的積聚和遷移會使油紙絕緣內(nèi)部電場分布發(fā)生畸變,導(dǎo)致局部電場加強(qiáng),從而加速油紙絕緣的老化,嚴(yán)重影響換流變壓器的絕緣性能。特別是換流變壓器在極性翻轉(zhuǎn)過程中,空間電荷容易造成內(nèi)部絕緣的損傷而形成事故。因此,研究換流變壓器內(nèi)部油紙絕緣在復(fù)合電場中的空間電荷特性具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。油中電暈是變壓器內(nèi)部一種典型的放電形式。油紙絕緣在電暈老化的過程中,絕緣材料會發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,引入更多缺陷或陷阱。陷阱密度的增加,可以作為判定油紙絕緣電暈老化程度的一個有效參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對聚合物空間電荷的研究主要集中在聚乙烯等材料上,對于油紙絕緣的空間電荷特性研究較少[7,8,9,10,11,12,13,14,15],而且尚未考慮脈動直流電壓下電暈老化對油紙絕緣空間電荷特性的影響。本文針對換流變壓器內(nèi)部油紙絕緣老化過程中的空間電荷特性開展研究,設(shè)計(jì)了油中電暈放電模型,搭建了脈動直流電壓下油紙絕緣油中電暈老化試驗(yàn)平臺和局部放電測量系統(tǒng),采用電聲脈沖(pulsedelectro-acoustic,PEA)法測量在不同油中電暈老化階段和不同電暈強(qiáng)度下的油紙絕緣的空間電荷特性,分析了空間電荷的含量、分布等與油中電暈老化程度之間的關(guān)系。1閥側(cè)區(qū)域內(nèi)的交、直流混合電壓將兩個或多個換流橋串聯(lián)可以獲得所要求的高直流電壓。圖1為±800kV換流變壓器內(nèi)部換流閥示意圖,它是由2個6脈沖橋串聯(lián)而成,與網(wǎng)側(cè)繞組成星形連結(jié)的閥繞組同靠近極端的一組6脈沖閥橋(橋2)相接;與網(wǎng)側(cè)繞組成三角形連結(jié)的閥繞組同靠近地電位的一組6脈沖閥橋(橋1)相接,將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。換流變壓器閥側(cè)繞組承受的交、直流混合電壓波形示意圖如圖2所示,其中Uad=Uacsin(ωt+φ)+Udc,紋波系數(shù)為Uac/Udc。換流變壓器星形連接繞組上承受的交、直流混合電壓的紋波系數(shù)為0.33,三角形連接繞組上承受的交、直流混合電壓的紋波系數(shù)為1。紋波系數(shù)越大對絕緣造成的損傷越嚴(yán)重。因此,本文所研究的脈動直流電壓為三角形連接繞組上承受的交、直流混合電壓。2測試方法2.1絕緣紙預(yù)處理油紙絕緣試品采用厚度為80μm的普通國產(chǎn)纖維牛皮絕緣紙。絕緣油使用克拉瑪依#25變壓器油。試驗(yàn)前需對絕緣紙?jiān)嚻愤M(jìn)行預(yù)處理:首先將絕緣紙裁剪成圓形紙片,紙片的半徑為2cm,并放置于干燥箱中,在120°C真空條件下干燥30min;然后對變壓器油進(jìn)行濾油、脫氣、去雜質(zhì)微粒等處理;最后將處理后的絕緣油倒入燒杯中,在50Pa/40°C條件下真空浸油24h。2.2電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及試品制備為了研究脈動直流電壓下油中電暈老化過程,本文設(shè)計(jì)了油紙絕緣油中電暈放電模型。模擬油中電暈放電的針-板電極系統(tǒng)如圖3所示。電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參照CMⅡ(CIGREMethodⅡ)電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)制作。針頸直徑0.2mm,針尖曲率半徑<0.1mm。針與板電極間放置絕緣紙,d為1mm。試驗(yàn)中,試品浸漬在絕緣油中進(jìn)行電暈老化。交流、直流電壓一起施加在試品上,交、直流電壓的幅值比例為1:1。試驗(yàn)中施加正極性脈動直流電壓模擬正極性電暈放電。2.3試品和試驗(yàn)過程本文用PEA法測量了油紙絕緣試品的空間電荷動態(tài)特性,測量裝置如圖4所示。測量原理大致為脈沖源產(chǎn)生的高壓窄脈沖,使介質(zhì)中的空間電荷發(fā)生微小位移,壓電傳感器檢測到了該位移,再經(jīng)信號處理后即獲得空間電荷密度分布信息。本試驗(yàn)中所使用的AVIR-C型脈沖源由加拿大AVTECH公司生產(chǎn),該產(chǎn)品的脈沖寬度為2~5ns,脈沖電壓幅值為200V;所使用的AU-20R3-LC型高壓直流源為日本MAT-SUSADA公司生產(chǎn),脈沖輸出電壓0~±20kV。使用硅油作為聲耦合劑,測量時的環(huán)境溫度為(25±1)°C,相對濕度為(40±2)%。本文對試品施加直流場強(qiáng)-12.5kV/mm。圖5為油紙?jiān)嚻房臻g電荷測量試驗(yàn)過程。試驗(yàn)主要分為加壓試驗(yàn)、瞬時去壓試驗(yàn)和去壓試驗(yàn)3個部分。加壓試驗(yàn)是在外加直流電壓作用時取樣,觀察試品內(nèi)部空間電荷積聚和遷移情況;瞬時去壓試驗(yàn)是在加壓試驗(yàn)完成后,暫時撤去直流電壓,分析介質(zhì)內(nèi)部快慢速運(yùn)動電荷的運(yùn)動情況,通過該試驗(yàn)可大致地區(qū)分試品內(nèi)部深淺陷阱的數(shù)量;而去壓試驗(yàn)是加壓完成之后,去掉電壓,觀察空間電荷的消散情況。3試驗(yàn)結(jié)果3.1電暈老化對試品電荷密度的影響不同電暈老化程度下油紙絕緣加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線如圖6所示。圖中左側(cè)虛線為陽極界面,右側(cè)虛線為陰極界面?？梢悦黠@地看到,正極處電荷峰較清晰,負(fù)極位置的電荷峰較模糊,這主要是因?yàn)檎龢O離電聲傳感器近,電聲脈沖信號的衰減較小,傳感器可以較準(zhǔn)確地檢測到測量信號,而負(fù)極距傳感器較遠(yuǎn),信號在傳輸過程中產(chǎn)生較大的散射和衰減,傳感器檢測到的信號不能完全反映真實(shí)情況。圖6中,圖6(a)~圖6(d)為不同油中電暈老化階段下試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。圖6(a)為未老化試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。圖中出現(xiàn)了兩個空間電荷峰,正、負(fù)極和試品中部兩個空間電荷峰的電荷密度的變化趨勢如圖所示。說明試品加壓時間短時以正電荷注入為主導(dǎo),加壓時間長時以負(fù)電荷注入為主導(dǎo)。圖6(b)為3kV電暈老化5h后試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。試品加壓時間短時以負(fù)電荷注入為主導(dǎo),隨著加壓時間的延長趨于以正電荷注入為主導(dǎo)。圖6(c)為3kV電暈老化10h后試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。正、負(fù)極和試品中部兩個空間電荷峰的電荷密度的變化趨勢如圖所示。說明試品臨近正極處以正電荷注入為主導(dǎo),臨近負(fù)極處以負(fù)電荷注入為主導(dǎo)。圖6(d)為3kV電暈老化30h后試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。隨著加壓時間的延長,正電荷注入試品為主導(dǎo)的現(xiàn)象已非常明顯。結(jié)果表明,電暈老化后試品的初始電荷峰值均大于未老化的試品,隨著電暈老化時間的增加,正、負(fù)極初始電荷密度呈增大的趨勢。由于試品在電暈老化的過程中,絕緣材料發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,引入更多陷阱。從空間電荷注入的速率角度分析,當(dāng)直流電壓施加在試品兩端時,立刻出現(xiàn)電荷注入。不同電暈老化時間下,均有明顯的空間電荷注入現(xiàn)象。此外,不同電暈老化階段的試品中均出現(xiàn)同號電荷注入現(xiàn)象,即試品內(nèi)部的正電荷由正極注入,試品內(nèi)部的負(fù)電荷由負(fù)極注入形成。這可能與電極-試品界面的勢壘高度低,熱電子發(fā)射較易形成,試品內(nèi)部靠近電極部分積聚同極性電荷,而異極性電荷則積聚在試品內(nèi)部較深區(qū)域有關(guān)。隨著電暈老化時間的增加,空間電荷注入的深度逐步增加。特別是正電荷,在3kV電暈老化5h后試品中,正電荷注入到絕緣紙中臨近正極處;在3kV電暈老化10h后試品中,正電荷注入到絕緣紙的中間部分;而在3kV電暈老化30h后試品中,正電荷已經(jīng)注入到絕緣紙中臨近負(fù)極處。說明電暈老化時間短時試品中以負(fù)電荷注入為主導(dǎo),隨著電暈老化時間的增加,試品中電荷復(fù)合加劇,并逐漸以正電荷注入為主導(dǎo)。當(dāng)正電荷注入占主導(dǎo)時,正極處的電荷量明顯減少;而當(dāng)負(fù)電荷注入占主導(dǎo)時,由于電聲脈沖信號的衰減,負(fù)極處不能明顯看到電荷量的減少,但空間電荷由兩極不斷注入到試品內(nèi)部的趨勢是十分明顯的。圖6中,圖6(a)、圖6(c)、圖6(e)、圖6(f)為不同電暈強(qiáng)度下試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。圖6(e)為6kV電暈老化10h后試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。說明試品臨近正極處以正電荷注入為主導(dǎo),臨近負(fù)極處以負(fù)電荷注入為主導(dǎo)。圖6(f)為9kV電暈老化10h后試品加壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線。說明試品加壓時間短時以負(fù)電荷注入為主導(dǎo),加壓時間長時以正電荷注入為主導(dǎo)。電暈老化時間的增加和電暈強(qiáng)度的增加都表示電暈老化程度的加深。綜合對比圖6(a)~圖6(f)可見,隨著電暈老化程度的加深,試品加壓試驗(yàn)時空間電荷特性的變化趨勢基本一致。3.2加壓試驗(yàn)時的空間電荷特性在很多文獻(xiàn)中,由空間電荷所受陷阱束縛作用的大小,可粗略地劃分為慢速運(yùn)動空間電荷和快速運(yùn)動空間電荷2類。前者反映的是受限于深陷阱中的電荷,撤去電壓后,電荷短時間內(nèi)較難脫陷阱;而后者反映的是受限于淺陷阱中的電荷,這部分電荷在撤去電壓后脫陷較快。不同電暈老化程度下試品瞬時去壓試驗(yàn)時的空間電荷曲線如圖7所示。對比圖6和圖7可知,盡管空間電荷密度不同,但空間電荷的分布和變化趨勢基本一致。這說明在加壓時,試品內(nèi)部的空間電荷大多被深陷阱或較深陷阱所束縛,而瞬時去壓后,試品內(nèi)部少量被淺陷阱束縛的空間電荷快速脫陷而被中和掉,大量的空間電荷被深陷阱束縛在較短時間內(nèi)無法完成脫陷;同時證實(shí)加壓試驗(yàn)中總結(jié)的試品空間電荷特性變化趨勢的結(jié)論是正確的。對比圖7(a)~圖7(f)可知,隨著電暈老化程度的加深,正、負(fù)極和試品中部2個空間電荷峰的電荷密度的變化趨勢基本一致。3.3間荷的主導(dǎo)率未老化試品的空間電荷消散速度比較緩慢,大約20min完全消散。而電暈老化后試品的空間電荷均在30s內(nèi)完全消散。這是由于電暈老化作用提高了試品的電導(dǎo)率,在沒有外加場強(qiáng)的情況下,空間電荷很容易消散。電暈老化后油紙絕緣材料中的空間電荷快速消散現(xiàn)象有利于換流變壓器在極性反轉(zhuǎn)條件下的運(yùn)行,為闡釋油紙絕緣良好的長期性能提供了有重要意義的試驗(yàn)依據(jù)。4分析與討論4.1電暈老化過程中試驗(yàn)品內(nèi)部負(fù)荷的變化不同電暈老化程度下試品加壓試驗(yàn)時的電荷總量如圖8所示。由圖8(a)可知,電暈老化后試品的電荷總量均大于未老化的試品,隨著電暈老化時間的增加,初始電荷總量呈增大的趨勢。證實(shí)試品在電暈老化的過程引入更多陷阱的結(jié)論。未老化試品內(nèi)電荷總量隨著加壓時間的延長基本保持穩(wěn)定;3kV電暈老化5h后試品和3kV電暈老化10h后試品內(nèi)電荷總量隨著加壓時間的延長略有減少,說明試品中已出現(xiàn)一定程度的電荷復(fù)合;3kV電暈老化30h后試品內(nèi)部電荷總量10min前數(shù)值變化不大。隨著加壓時間的延長,電荷總量劇烈下降,30min后又有所增加,該現(xiàn)象說明試品中出現(xiàn)大量電荷復(fù)合,最后以電荷注入占主導(dǎo),這與之前的分析相一致。對比圖8(a)和圖8(b)可知,隨著電暈老化程度的加深,試品加壓試驗(yàn)時的電荷總量的變化趨勢基本一致。4.2空間電荷總量測定不同電暈老化程度下試品瞬時去壓試驗(yàn)時的電荷總量如圖9所示。由圖9(a)可知,3kV電暈老化5h后試品和3kV電暈老化10h后試品內(nèi)電荷總量隨著瞬時去壓時間的增大逐漸減少;3kV電暈老化30h后試品內(nèi)部電荷總量10min前數(shù)值變化不大。隨著瞬時去壓時間的增大,電荷總量劇烈下降,30min后又有所增加。對比圖8和圖9,盡管空間電荷總量大小不同,但電荷總量的變化趨勢基本相同。對比圖9(a)和圖9(b)可知,隨著電暈老化程度的加深,試品瞬時去壓試驗(yàn)時的電荷總量的變化趨勢基本一致。5電暈老化程度對試品負(fù)荷的影響本文通過油紙絕緣電暈