首页 最新录用 档期目录 过刊浏览 热点文章 阅读排序 下载排序

空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律及其对电场分布的影响

Space Charge Accumulation Behavior of Multilayer Structure Oil-paper Insulation and Its Effect on Electric Field Distribution

郝建1,2, 黄博3, 伏进2, 吴高林2, 王谦2

1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044

2. 国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆401123

3. 南安普顿大学电子与计算机科学学院,英国 南安普顿 SO17 1BJ

HAO Jian1,2, HUANG Bo3, George Chen3, FU Jin2, WU Gaolin2, WANG Qian2

1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China
2. State Grid Chongqing Electric Power Corporation Chongqing Electric Power Research Institute, Chongqing, 401123, China
3. School of Electronics and Computer Science, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK

  • 郝 建(通信作者) 1984—,男,博士 2007年取得重庆大学电气工程专业工学学士学位、工商管理专业管理学学士学位;2012年取得重庆大学电气工程专业工学博士学位。主要从事电气设备绝缘在线监测与故障诊断研究 E-mail: cquhaojian@126.com

  • 黄 博 1990—,男,博士生 主要研究油纸绝缘系统的空间电荷特性

  • George Chen 1961—,男,博士,教授 在英国南安普顿大学从事绝缘材料空间电荷特性相关研究 gc@ecs.soton.ac.uk

  • 伏 进 1968—,女,博士 主要从事设备状态评价相关研究

  • 吴高林 1978—,男,硕士 主要从事设备状态评价相关研究

  • 王 谦 1979—,男,硕士 主要从事设备状态检测相关研究

摘要

空间电荷是影响和制约变压器油纸绝缘材料耐电强度,导致其老化和引起绝缘故障的重要因素。对于换流变压器油纸绝缘系统,理解空间电荷对绝缘系统电场分布的畸变尤为重要。为此采用改进的电声脉冲测试系统测试分析了多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷动态迁移特性,运用COMSOL软件对多层油纸绝缘混合体系的电场分布进行了仿真,首次推演了空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律,细致对比研究了空间电荷加入前后对多层油纸绝缘混合体系电场强度分布的影响。结果表明：油隙与油浸纸板交界面处积聚的电荷极性与油浸纸板另一侧积聚的电荷极性相反,根据该2~4层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚模型,可以推演更多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚行为;考虑空间电荷积聚效应计算所得场强分布与传统基于麦克斯韦尔—瓦格纳方程计算所得的电场分布差异明显,空间电荷的存在明显畸变了油纸绝缘混合体系的电场分布。

关键词 : 油纸绝缘; 电声脉冲法; 空间电荷; 积聚模型; 电场分布;

DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20170527031

ABSTRACT

Space charge could constrain and impact the electric strength of transformer oil-paper insulation. It is also the important factors that lead to oil-paper insulation aging and insulation failure. For converter transformer oil-paper insulation system, understanding the effect of space charge on the electric field distribution distortion of the insulation system is particularly important. Consequently, we analyzed the space charge dynamic characteristic of the multilayer structure of oil-paper insulation mixed system by using the improved electro acoustic pulse system (PEA). The electric field distribution of the multilayer oil-paper insulation system is simulated by using the COMSOL software. Moreover, the electric field distribution of the multilayer oil-paper insulation system before and after addition space charge was comparatively studied in detail. The results show that the polarity of the accumulation charge at the interface between oil gap and oil impregnated insulation pressboard is opposite with the other side of the oil immersed pressboard. Space charge accumulation behavior of the more complex insulation structure can be deduced according to the space charge accumulation model of 2~4 multilayer structure. The electric field distribution is obvious considering the space charge accumulation effect and the traditional Maxwell-Wagner theory. The space charge makes obvious electric field distribution distortion of the mixed oil paper insulation. The results of this study have laid a theoretical foundation for optimizing the electric field distribution of the insulation system or inhibiting the space charge accumulation.

KEY WORDS : oil-paper insulation; pulsed electro-acoustic (PEA); space charge; accumulation model; electric field distribution;

0 引言

换流变压器是超/特高直流输电工程中的重要设备,其内部绝缘材料主要由绝缘油和油浸绝缘纸板组成。已有大量研究表明：换流变压器内油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷和油纸绝缘介质的绝缘性能密切相关[1-4],它可导致油纸绝缘系统电场分布畸变,对介质内部局域电场起到削弱或加强作用,若电场畸变严重,将引起油纸绝缘系统的击穿和老化,直接威胁运行变压器的可靠性和安全性[5-8]。

目前,绝缘系统内部电场分布的计算理论依据是麦克斯韦尔-瓦格纳方程,计算结果依赖于绝缘系统材料的电导率和介电常数[9-10]。但是,该方程没有考虑材料内存在的电荷对电场畸变的影响,这使得换流变压器内绝缘系统的电场分布计算仅依靠麦克斯韦尔-瓦格纳方程并不准确。然而由于换流变压器运行过程中其阀侧绕组油纸绝缘系统会承受交/直流叠加的复杂场强,理解空间电荷对绝缘系统的电场分布的畸变尤为重要。

文中首先试验研究多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷动态迁移特性,以此提出空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律模型。然后以CIGRE建议的换流变压器油纸绝缘混合体系模型为基础,运用COMSOL软件仿真多层油纸绝缘混合体系的电场分布,并将试验所得多层油纸绝缘混合体系的空间电荷净注入量加入到仿真模型中,对比研究空间电荷加入前后对多层油纸绝缘混合体系电场强度分布的影响。

1 试验与仿真部分

1.1 空间电荷特性测试

本文采用改进的基于电声脉冲法的空间电荷测量系统研究多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷特性。图1为PEA法（电声脉冲法）测量空间电荷的基本原理图[6,11-13]。其中,q(x)为被测样本体内电荷分布;p(t)为随时间变化的声波信号,与脉冲电场是一致的;Us(t)是传感器输出的电压信号。当被测样品外加一定的脉冲电压,就会产生电场,在库仑力的作用下,储存在样本中的电荷就随即发生移动,在运动的过程中产生声波,被贴在地电极的压电传感器检测到该信号并将其转化为电信号,经过放大器后再传输到数字示波器采集存储。

直流电压下空间电荷测试系统示意图如图2所示[7]。直流电源可提供0~20 kV的直流电压,脉冲发生器发出的脉冲宽度5 ns,脉冲幅值为0~600 V;测量系统压电传感器薄膜 (Polyvinylidene Fluoride,PVDF) 厚度为9 μm,上电级半导体薄膜直径为8 mm,下电极平板铝电极厚度为10 mm。

多层结构油纸绝缘混合体系模型见图3,分别试验研究“油隙-油浸绝缘纸板”、“油浸纸板+油隙+油浸纸板”和“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”混合体系的空间电荷特性。油浸绝缘纸的空间电荷注入起始阈值场强约5 kV/mm[14-15]。在2层“油隙-油浸绝缘纸板”和3层“油浸纸板+油隙+油浸纸板”模型中,油隙厚度0.5 mm,纸板厚度1 mm,混合油纸绝缘体系施加的平均场强为12 kV/mm。由于声波经过厚样品传递时,会出现声波衰减,目前国内外基于电声脉冲法的空间电荷测试系统均无法实现较厚绝缘系统的空间电荷测试,因此在4层“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”模型中,调整油隙厚度为0.27 mm,纸板厚度为0.5 mm,混合油纸绝缘体系施加的平均场强为15 kV/mm。

1.2 多层结构油纸绝缘混合体系的电场分布仿真

采用COMSOL软件进行多层结构油纸绝缘混

图1 PEA法基本原理 Fig.1 Principle of PEA

图2 直流电压下PEA空间电荷测量原理 Fig.2 Space charge measurement principle under DC

图3 多层结构油纸绝缘混合体系模型 Fig.3 Model of multilayer oil-paper insulation

合体系的电场分布仿真,此电场分布结果依据麦克斯韦尔-瓦格纳方程。仿真模型是基于CIGRE A2/D1 JWG41建议的变压器油纸绝缘系统模型见图4。仿真所用油纸和油的电导率和电介质常数与上述试验所用材料参数相同,实测性能参数见表1。

2 实验结果及分析

2.1 多层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚规律

图5(a)为“油隙+油浸纸板”2层结构油纸绝缘混合体系在平均场强12 kV/mm下的空间电荷特性（图中负极为铝板;正极为半导体薄膜）,图中黑色竖直实线为正负电极所处位置,正负电极间竖直直线为绝缘油与油浸纸板的界面位置（下同）。图中箭头曲线从末端指向箭头端的变化方向为测量初期到测量结束过程中箭头附近区域空间电荷密度曲线的运动方向（下同）。由于声波在油中和纸中的传播速度不同,下文图中横坐标代表油隙和油浸纸板组合的相对位置,即测试时阴极信号、样品内部电荷信息信号在示波器窗口观察时所处的位置。图5(a)表明,阴极处的空间电荷密度值在加压过程中逐渐减小,意味着负极性空间电荷向样品内部注入和迁移;在绝缘油与油浸纸板界面处,可观察到明显的同号

图4 变压器典型油纸模型 Fig.4 Model of typical oil-paper insulation

图5 “油隙+油浸纸板”2层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚特性 Fig.5 Space charge accumulation behavior of the ‘oil gap+oil immersed pressboard’

表1 实测油纸材料特性参数 Table 1 Properties of the oil and paper

电荷（负电荷）注入,而在阳极附近区域的油浸纸板内部,可观察到大量正电荷的注入和积聚,且两处电荷密度值随加压时间的增长而增大。图5(b)为根据上述实测结果绘制的“油隙+油浸纸板”两层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚模型。

图6(a)为“油浸纸板+油隙+油浸纸板”3层结构油纸绝缘混合体系在平均场强12 kV/mm下的空间电荷特性。阴极处的空间电荷密度值在加压过程中依然逐渐减小,且空间电荷密度曲线逐渐向试品内部移动。在阳极附近区域的油浸纸板内部,可观察到大量正电荷的注入和积聚,且此处电荷密度值随加压时间的增长而增大。而在油浸绝缘纸与油隙交界的两个界面处,积聚的电荷极性相反。靠近阴极的交界面处积聚的电荷极性为正,而靠近阳极的交界面处积聚的电荷极性为负。图6(b)为根据实测结果绘制的“油浸纸板+油隙+油浸纸板”3层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚模型。

图5和图6均表明油隙与油浸纸板交界面处积聚的电荷极性与油浸纸板另一侧积聚的电荷极性相反。因此,将“油隙+油浸纸板”2层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚模型和“油浸纸板+油隙+油浸纸板”3层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚模型联合扩展,可以推演“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚模型,推演结果如图7所示。

4层“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”结构油纸绝缘混合体系的空间电荷特性实测结果如图8所示。根据油隙和油浸纸板厚度对各个界面处的电荷特性进行区分,可见图8实测结果与图7推演结果相一致。根据上述不同层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚模型图,还可继续推演5层、6层乃至更多层结构的油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚规律模型,在此不再赘述,这为后续将空间电荷加入到多层油纸绝缘混合体系奠定了基础。

2.2 多层结构油纸绝缘混合体系的电场分布

本文采用COMSOL软件对图4变压器典型油纸模型上部的“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的电场分布进行仿真,结果如图9所示。自阳极至阴极油隙与油浸纸板具体厚度依次为：油浸纸板3 mm、油隙6 mm、油浸纸板2 mm、油隙2 mm。直流电压下油隙与油浸纸板场强由电阻率决定。

图6 “油浸纸板+油隙+油浸纸板”3层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚特性 Fig.6 Space charge accumulation behavior of the “oil immersed pressboard+oil gap+oil immersed pressboard”

图7 空间电荷在“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的积聚模型 Fig.7 Space charge accumulation model of the ‘oil gap + oil immersed pressboard + oil gap + oil immersed pressboard’

2.3 空间电荷对多层结构油纸绝缘混合体系电场分布的影响

图9所示场强分布是在没有考虑空间电荷积聚效应对电场畸变的条件下得到的,这也是传统电场强度计算的方式。然而,若油纸绝缘混合体系存在空间电荷,清晰理解和计算考虑空间电荷积聚效应

图8 实测“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷特性 Fig.8 Space charge accumulation behavior of the “oil gap + oil immersed pressboard + oil gap + oil immersed pressboard”

图9 在12 kV/mm下4层新油纸稳态电场强度分布 Fig.9 Electric field distribution of the four layers of oil-paper insulation

在内的电场强度分布,对增强绝缘系统的绝缘性能及优化绝缘结构,将具有重要的现实意义。

为将空间电荷积聚效应对电场分布的影响考虑在内,所测得的油纸混合体系在各个加压时刻的空间电荷密度曲线值应当减去0 s时未注入空间电荷时的电荷密度曲线,以此除去电极两端积聚的电极电荷的影响。图10所示是2层“油隙+油浸纸板”外施平均场强12 kV/mm下180 min和0 s时的空间电荷分布,将180 min所测得的空间电荷密度曲线值减去0 s时的空间电荷密度曲线值,便得到了180 min时注入到油纸混合体系中的净电荷,见图11。为将注入到油纸混合体系的空间电荷插入到油纸混合体系模型电场分布仿真中,将注入到油纸混合体系的空间电荷分为4部分,分别是阳极注入的电荷

图10 “油隙+油浸纸板”2层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚特性 Fig.10 Space charge accumulation behavior of the ‘oil gap+oil immersed pressboard’

图11 “油隙+油浸纸板”两层结构油纸绝缘混合体系180 min时注入到油纸混合体系中的净电荷 Fig.11 Space charge calculated result of the “oil gap + oil immersed pressboard” at 180 min

（①）,油浸纸板中的电荷（②）,油隙中的电荷（③）和阴极注入的电荷（④）。此电荷分层法优点是可利用COMSOL软件快速准确地将实测空间电荷量加入到油纸绝缘混合体系模型的相应部分,进而分析空间电荷对电场强度分布的影响。

图12是将图11实测空间电荷分层加入到图4上部“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构中的示意图。分层加入空间电荷的方法如文献[10]所示。图13是图4上部4层油纸绝缘混合体系加入的空间电荷的分布。图14是根据图13计算所得的考虑空间电荷积聚效应后的4层油纸绝缘混合体系电场分布。图14表明油浸纸板中场强分布不再如图9中所示,油浸纸板内部不同部位的场强均发生了变

图12 “油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的分层示意图 Fig.12 Configuration of the space charge added into the ‘oil gap + oil immersed pressboard + oil gap + oil immersed pressboard’

化,而且出现了明显的电场畸变点。对比油中场强,考虑空间电荷积聚效应后油中的场强增大了。通过比较图9和图14所示结果,可知加压180 min时,考虑空间电荷积聚效应后,4层“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”内部各处的场强分布与麦克斯韦尔-瓦格纳方程所计算的电场强度具有较大差异;图14明显表明了空间电荷积聚对电场分布的畸变。

3 结论

1）空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚行为与混合体系的构造密切相关,油隙与油浸纸板交界面处积聚的电荷极性与油浸纸板另一侧积聚的电荷极性相反;根据2层和3层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚模型,可以推演4层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚行为;同样,根据2层、3层、4层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚模型,也可推演更多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚行为。该空间电荷分布模型在油纸绝缘混合体系的测试场强高于其空间电荷注入阈值场强时是适用的。

2）采用分层加入的方法,可将实测空间电荷量加入到油纸绝缘混合体系,进而得到考虑空间电荷积聚效应的油纸绝缘混合体系的电场强度分布。考虑空间电荷积聚效应计算所得场强值与传统基于克斯韦尔-瓦格纳方程计算所得电场分布差异明显,空间电荷的存在明显畸变了油纸绝缘混合体系的电场分布。

3）首次探索和推演了空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚模型,获得了将实

图13 加入的空间电荷在“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的分布 Fig.13 Distribution of the added space charge in the ‘oil gap + oil immersed pressboard + oil gap + oil immersed pressboard’ system

图14 加入空间电荷后“油隙+油浸纸板+油隙+油浸纸板”4层结构油纸绝缘混合体系的电场分布 Fig.14 Electric field distribution of the ‘oil gap + oil immersed pressboard + oil gap + oil immersed pressboard’

测空间电荷量加入到油纸绝缘混合体系后的电场分布规律。基于本文研究思路及方法,可从优化或抑制空间电荷积聚角度出发实现绝缘系统电场分布的优化,进而优化变压器绝缘结构,保障设备更安全可靠运行。

参考文献

[1] TANG C, CHEN G, FU M, et al.Space charge behavior in multi-layer oil-paper insulation under different DC voltages and temperatures[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, 17(3): 778-788.

[2] MORSHUIS P, JEROENSE M.Space charge in HVDC cable insulation[C]∥IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society. Minneapolis, USA: IEEE, 1997: 28-31.

[3] LIU R S, JAKSTS A.Moisture and space charge in oil-impregnated pressboard under HVDC[C]∥1998 IEEE International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, ABB Corporate Research. Viistmh, Sweden, 1998: 17-22.

[4] CIOBANU R, SCHREINER C, PFEIFFER W, et al.Space charge evolution in oil-paper insulation for DC cables application[C]∥IEEE 14th International Conference on Dielectric Liquids (ICDL), IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society. Massachusetts, USA: IEEE, 2002: 321-324.

[5] 周远翔,戴超,黄猛,等. 电老化过程中直流电场对油纸绝缘空间电荷特性的影响[J]. 高电压技术,2016,42(12):3861-3867. ZHOU Yuanxiang, DAI Chao, HUANG Meng, et al.Effect of DC electric field on space charge characteristics of oil-paper insulation in electrical aging process[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3861-3867.

[6] 郝建. 变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究[D]. 重庆:重庆大学,2012. HAO Jian.Study on time/frequency domain dieletric spectroscopy and space charge characteristics of transformer oil-paper insulation thermal aging[D]. Chongqing, China: Chongqing University, 2012.

[7] 周远翔,黄猛,陈维江,等. 直流电场下多层油纸绝缘介质界面空间电荷特性的研究[J]. 高电压技术,2013,39(6):1304-1311. ZHOU Yuanxiang, HUANG Meng, CHEN Weijiang, et al.Interface space charge characteristics in multi-layer oil-paper insulation under DC voltage[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(6): 1304-1311.

[8] 魏艳慧,穆海宝,朱明晓,等. 空间电荷对不同老化状态油纸绝缘击穿特性的影响[J]. 高电压技术,2015,41(9):3066-3072. WEI Yanhui, MU Haibao, ZHU Mingxiao, et al.Influence of space charge on breakdown characteristics of oil-paper insulation with different aging status[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(9): 3066-3072.

[9] WU K, ZHU Q, WANG H, et al.Space charge behavior in the sample with two layers of oil-immersed-paper and oil[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2014, 21(4): 1857-1865.

[10] HUANG B, HAO M, HAO J, et al.Space charge characteristics in oil and oil-impregnated pressboard and electric field distortion after polarity reversal[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2016, 23(2): 881-891.

[11] MORSHUIS P, JEROENSE M.Space charge measurements on impregnated paper: A review of the PEA method and adiscussion of results[J]. IEEE Electr Electrical Insulation Magazine, 1997: 26-35.

[12] HAO M, ZHOU Y, CHEN G, et al.Space charge dynamics in oil and thick pressboard combined system under polarity reversal voltage[C]∥Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. [S.l.]: IEEE, 2014: 867-870.

[13] CHEN G, Tanaka Y, Takada T, et al.Effect of polyethylene interface on space charge formation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2004, 11(1): 113-121.

[14] 王霞,孙晓彤,刘全宇,等. 基于空间电荷效应的绝缘老化寿命模型的研究进展[J]. 高电压技术,2016,42(3):861-867. WANG Xia, SUN Xiaotong, LIU Quanyu, et al.Research development of aging models of insulation materials based on space charge effect[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3861-3867.

[15] 李伟. 不同热老化时间下两种油浸绝缘纸的直流电场空间电荷特性[D]. 重庆:重庆大学,2011. LI Wei.Space charge properties of two kinds of oil-paper under DC electric field during the process of thermal aging[D]. Chongqing, China: Chongqing University, 2011.

  • 目录

    图1