脉冲电压下纤维素绝缘纸局部放电特性的综合实验设计.pdf
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1、 第卷 第期 年月:脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 局 部 放 电特 性 的 综 合 实 验 设 计严 家 明,周 一 恒,陈奎,徐 瑞 东(中 国 矿 业 大 学电 气 工 程 学 院;信 息 与 控 制 工 程 学 院,江 苏 徐 州)摘要:设 计 了 纤 维 素 绝 缘 纸 在 脉 冲 电 压 下 局 部 放 电 特 性 的 综 合 实 验。利 用 扫 描电 镜、微 水 测 试 仪 和 高 阻 仪 测 量 了 绝 缘 纸 的 表 面 形 貌、水 分 含 量、表 面 及 体 积 电 导率 等 理 化 性 能;参 考 局 部 放 电 测 量 标 准,检 测 了 绝 缘 纸 的 放
2、 电 起 始 电 压、放 电 干 扰、放 电 次 数、放 电 量 等 放 电 特 性;对 比 了 脉 冲 和 交 流 电 压 下 的 放 电 特 性,并 分 析 了 放电 特 性 与 理 化 性 能 之 间 的 关 联。实 验 设 计 基 于 教 师 科 研 成 果;实 验 内 容 涉 及 物 理、化 学、材 料 和 电 气 等 多 学 科 交 叉;实 验 过 程 涵 盖 材 料 处 理、模 型 制 作、数 据 测 量 及 结果 对 比 分 析 等 多 环 节。同 时,采 用 类 比 推 演 的 教 学 方 法 引 导 学 生 由 传 统 实 验 逐 步走 向 学 科 前 沿。关 键 词:脉
3、冲 电 压;绝 缘 纸;局 部 放 电;多 环 节 配 合;类 比 推 演中 图 分 类 号:;文 献 标 志 码:文 章 编 号:()收 稿 日 期:基 金 项 目:全 国 煤 炭 行 业 高 等 教 育 研 究 重 点 课 题();教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目();国 家 重 点 研 发 计 划项 目()作 者 简 介:严 家 明(),男,安 徽 六 安 人,博 士,讲 师,主 要 从 事电 气 设 备 在 线 监 测 及 故 障 诊 断 方 面 的 教 学 与 科 研。:通 信 作 者:周 一 恒(),女,江 苏 徐 州 人,硕 士,高 级 实 验 师,主要 从 事
4、 电 子 电 气 课 程 教 学 与 实 验 研 究。:,(;,):(),;,;,“”,“”,“”,“”第卷 ,:;引言随 着“双 碳”目 标 的 推 进,越 来 越 多 的 电 力 电 子 变压 器 在 新 型 电 力 系 统 中 投 入 使 用,成 为 新 型 电 力 系 统能 量 转 换 和 传 输 的 核 心。电 力 电 子 变 压 器 受 到 上升 时 间 短、频 率 高、幅 值 大 的 重 复 方 波 脉 冲 电 压 长 期 作用,其 中 的 油 纸 绝 缘 面 临 更 加 严 酷 的 电 磁 环 境,极 易 发生 局 部 放 电(简 称 局 放),导 致 绝 缘 提 前 失 效。
5、因此,研 究 脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 的 局 部 放 电 特 性,对于 创 造 新 型 耐 局 部 放 电 绝 缘 纸,提 高 绝 缘 故 障 诊 断 效率,进 而 保 障 变 压 器 及 电 网 的 安 全 运 行,具 有 重 要 的 理论 意 义 及 实 际 应 用 价 值。目 前,脉 冲 电 压 下 绝 缘 的 局 部 放 电 研 究 主 要 集 中在 聚 酰 亚 胺、环 氧 树 脂、聚 乙 烯 等 电 机 电 缆 类 绝 缘 材料;纤 维 素 绝 缘 纸 的 局 部 放 电 研 究 主 要 在 单 一 的交 流 电 压、直 流 电 压 或 交 直 流 复 合 电 压
6、 下 进 行,获得 了 相 应 条 件 下 绝 缘 纸 的 局 部 放 电 特 性 及 破 坏 机 理,并 基 于 局 部 放 电 探 讨 了 绝 缘 纸 健 康 状 态 的 诊 断 技 术。对 于 脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 的 局 部 放 电,文 献 中 研 究 了 纳 秒 脉 冲 电 压 或 冲 击 脉 冲 电 压 累 积 作 用损 伤 后 油 浸 纸 的 击 穿 规 律 和“工 频”局 部 放 电 特 性;虽然 文 献 中 研 究 了 谐 波 电 压 作 用 下 油 纸 绝 缘 的局 部 放 电 特 性 及 其 失 效 模 型,但 谐 波 电 压 的 上 升(或下 降)
7、时 间 远 高 于 脉 冲 电 压 的 上 升(或 下 降)沿。目前,脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 的 局 部 放 电 特 性 研 究 还鲜 见 深 入 报 道。培 养“多 元 化、创 新 型”的 卓 越 工 程 人 才 已 成 为“新 工 科”建 设 的 一 个 主 要 目 标。局 部 放 电 实 验 在工 程 实 践 中 在 已 成 为 评 估 电 力 设 备 绝 缘 状 态 的 常 规 预防 性 实 验 之 一,在 实 践 教 学 中 也 已 成 为 电 力 类 学 生 必须 重 点 掌 握 的 专 业 实 验 项 目 之 一。但 传 统 局 放 实 验 教学 主 要 在
8、交 流 电 压 下 开 展,重 点 进 行 放 电 信 号 的 检 测、特 征 量 提 取 及 发 展 规 律 分 析,实 验 内 容 相 对 陈 旧,难 以向 学 生 展 示 最 新 的 学 科 前 沿 成 果;同 时,传 统 局 放 实 验教 学 主 要 依 托 于 信 息 学 科 的 理 论 与 技 术,学 科 层 次 单一,忽 视 了 放 电 信 号 的 发 生、发 展 与 材 料 理 化 性 能 的 关联,不 利 于 学 生 知 识 多 元 化 复 合 培 养;另 外,传 统 局 放实 验 教 学 中,实 验 的 内 容、方 法 及 步 骤 等 往 往 由 教 师 提前 设 定 好,
9、学 生 只 需 被 动 接 受 和 执 行,学 生 参 与 实 验 的积 极 性 和 主 动 性 不 高。随 着 特 高 压 技 术 的 发 展 及 新 型电 力 系 统 的 建 设,亟 待 优 化 电 力 专 业 中 局 部 放 电 实 验教 学 的 内 容 及 模 式。本 文 设 计 了 脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 局 部 放 电 特性 实 验,利 用 扫 描 电 镜、微 水 测 试 仪 和 高 阻 仪,测 量 了绝 缘 纸 的 表 面 形 貌、水 分 含 量、表 面 及 体 积 电 导 率;参考 局 部 放 电 测 量 标 准,并 利 用 高 速 示 波 器 检 测 了
10、绝 缘纸 的 放 电 起 始 电 压、单 次 及 周 期 局 部 放 电 信 号;对 比 了脉 冲 和 交 流 电 压 下 绝 缘 纸 的 放 电 特 性,并 分 析 了 理 化性 能 与 放 电 特 性 之 间 的 关 联。实 验 设 计 基 于 教 师 科 研成 果;实 验 内 容 涉 及 物 理、化 学、材 料 和 电 气 等 多 学 科交 叉;实 验 过 程 涵 盖 材 料 处 理、模 型 制 作、数 据 采 集 及测 量 结 果 对 比 分 析 等 多 环 节 配 合;同 时,采 用 类 比 推 演的 教 学 方 法 引 导 学 生 由 传 统 实 验 逐 渐 走 近 学 科 前 沿
11、。实 验 设 计 实 验 材 料 及 模 型()实 验 材 料。实 验 采 用 厚 度 的 普 通 纤维 素 绝 缘 纸(即 牛 皮 纸),克 拉 玛 依矿 物 绝 缘 油。首 先,将 绝 缘 纸 裁 剪 成 直 径 圆 片;然 后,根 据 实际 变 压 器 绝 缘 处 理 工 艺对 绝 缘 纸 进 行 预 处 理:将 裁剪 好 的 绝 缘 纸 在 温 度、真 空 度 条 件 下 脱气 并 干 燥,以 尽 可 能 脱 去 纸 中 水 分;随 后,在 温 度、真 空 度条 件 下 用 已 脱 气 的 新 矿 物 油 将 绝缘 纸 充 分 浸 渍。()实 验 模 型。制 作 如 图的 局 部 放
12、电 模 型,其中 电 极 参 考 标 准 绝 缘 材 料 电 气强 度 试 验 方 法(第部 分:工 频 下 试 验)制 作;预 处 理后 的 油 纸 试 品 置 于 上、下 电 极 之 间;整 个 电 极 浸 于 充 满矿 物 油 的 有 机 玻 璃 容 器 中;同 时,模 型 带 有 循 环 装 置 以控 制 油 流 状 态。实 验 过 程()实 验 系 统 搭 建。搭 建 如 图的 油 纸 局 部 放 电实 验 系 统:将 一 批 放 电 模 型 置 于 恒 温 箱 中,并 根 据 标 准 电 力 变 压 器 第部 分:液 浸 式 变 压器 的 温 升 ,设 置 恒 温 箱 为 以 模
13、拟 油 纸 实 际 运 行环 境;将 试 验 变 压 器 或 脉 冲 电 源 通 过 保 护 电 阻 向 放 电模 型 分 别 施 加 工 频 交 流 电 压 或 方 波 脉 冲 电 压;同 时,利用 高 压 探 头()测 量 施 加 电 压 的 大 小及 相 位,并 利 用 高 速 示 波 器()检 测 油 纸 试 品 的 局 部 放 电 信 号。()实 验 电 压 施 加。为 便 于 观 测,选 择 在 低 频 电第期严 家 明,等:脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 局 部 放 电 特 性 的 综 合 实 验 设 计 高 压 端;螺 母;铜 柱;有 机 玻 璃 容 器;矿物 油;
14、油 纸 试 品;不 锈 钢 地 电 极;地 线;油 流入 口;油 泵;电 机;油 管;漏 筛;油流 出 口图局 部 放 电 模 型图实 验 系 统 电 路压、静 止 油 体 下 进 行 油 纸 局 部 放 电 破 坏 实 验:当 施 加 交流 电 压 时,交 流 工 频,且 以 工 频 交 流 下 油 纸 放 电 起 始 电压 的 倍 作 为 施 加 电 压;当 施 加 脉 冲 电 压 时,以 与 工频 交 流 施 加 电 压 同 频 率、同 峰 值 的 双 极 性 连 续 方 波 脉冲 电 压 作 为 施 加 电 压,脉 冲 边 沿(上 升 或 下 降 沿)。根 据 前 期 预 备 实 验,
15、施 加 本 文 设 定 的 工 频 交 流 电压 和 方 波 脉 冲 电 压 后,油 纸 将 分 别 在 约 和 约后 发 生 沿 面 闪 络 击 穿,一 旦 发 生 沿 面 闪 络 击 穿 则 放电 破 坏 过 程 结 束。特 性 测 量将 整 个 放 电 破 坏 过 程 平 均 分 为个 阶 段:初 始(前 期)、中 前 期、中 期、中 后 期、后 期;在 每 一 阶 段,采集 放 电 信 号,并 取 出 部 分 绝 缘 纸 及 绝 缘 油 试 品 分 别 进行 理 化 及 放 电 特 性 测 量。每 阶 段 取 样 时 间 分 别 为:交 流 电 压 下“初 始()、中 前 期()、中
16、期()、中 后 期()、后 期()”;脉 冲 电 压 下“初 始()、中 前 期()、中期()、中 后 期()、后 期()”。()理 化 性 能。利 用 扫 描 电 镜(,型 号)观 测 油 纸 的 微 区 形 貌;利 用 由 卡 尔 菲 休 库 伦滴 定 仪(型 号)与 干 燥 炉(型 号)联 用 的 微水 测 试 仪,测 量 绝 缘 油 和 绝 缘 纸 中 的 水 分 含 量。根 据 固 体 绝 缘 材 料 体 积 电 阻率 和 表 面 电 阻 率 试 验 方 法 ,采 用 高 阻 仪(型 号),测 量 油 纸 的 表 面 电 导 率 和 体 积 电 导 率,并 取个 试 品 的 测 量
17、均 值。()放 电 特 性。参 考 局 部 放电 测 量 ,利 用 高 速 示 波 器 实 时 采 集 由 脉 冲 电 流 传 感器 感 应 的 油 纸 放 电 信 号,其 中 以 采 样 率 采 集 单次 放 电 信 号、以 采 样 率 采 集 周 期 放 电 信 号。同 时,基 于 实 验 模 型 中 的 电 极 系 统,参 考 放 电 测 量标 准 ,采 用 阶 梯 升 压 法(升 压 速 度 )分 别 在 交 流 电 压 下 和 脉 冲 电 压 下 测 量 油 纸 的 放电 起 始 电 压,并 取个 试 品 的 测 量 均 值。实 验 结 果 及 分 析 油 纸 理 化 性 能 表 面
18、 形 貌利 用测 得 的 放 电 破 坏 过 程 中 油 纸 表 面 形 貌如 图所 示。初 始 阶 段:表 面 纤 维 纹 路 清 晰、完 整,且具 有 较 强 立 体 感 和 辨 识 度(图()。中 期 阶 段:在交 流 电 压 放 电 破 坏 下,纤 维 表 面 更 加 平 整,立 体 感 消 失(图()中);而 在 脉 冲 电 压 放 电 破 坏 下,纤 维 出 现明 显 的 分 丝 帚 化 现 象,甚 至 形 成 网 状 分 丝(图()中)。后 期 阶 段:在 交 流 电 压 放 电 破 坏 下,纤 维 也 出 现分 丝 帚 化 现 象,并 有 轻 微 断 裂 出 现(图()中);而
19、在 脉 冲 电 压 放 电 破 坏 下,纤 维 已 出 现 明 显 裂 痕,并 有 镂空 出 现,且 纤 维 表 面 有 晶 状 固 体 生 成(图()中)。因 此,脉 冲 电 压 放 电 过 程 中,油 纸 表 面 纤 维 逐 渐 破坏,粗 糙 度 逐 渐 加 深,且 放 电 破 坏 较 同 期 交 流 电 压 下 的放 电 破 坏 更 加 严 重。水 分 含 量水 分 是 绝 缘 的 天 敌,严 重 影 响 材 料 的 绝 缘 性能。实 验 测 得 的 油 纸 体 系 水 分 含 量 如 图所 示:放 电破 坏 过 程 中,不 论 交 流 还 是 脉 冲 电 压 下,绝 缘 纸 和 绝 缘
20、油 中 的 水 分 含 量 均 呈 逐 渐 增 长 趋 势,但 水 分 主 要 分 布在 绝 缘 纸 中;同 时,在 脉 冲 电 压 放 电 破 坏 作 用 下,绝 缘纸 和 绝 缘 油 中 的 含 水 量 均“高”于 同 期 交 流 电 压 放 电破 坏 作 用 下 的 含 水 量。绝 缘 纸 和 矿 物 油 均 由 含 碳()、氢()、氧()的化 合 物 混 合 构 成。在 放 电 作 用 下,碳 氢 键()和碳 氧 键()易 被 打 断,形 成 游 离 态 的 碳()、氢()、氧();游 离 态 碳()沉 积 于 绝 缘 表 面 形 成 油 泥斑 点,游 离 态 氢()和 氧()极 不
21、稳 定,易 结 合 形 成 水分();故 放 电 破 坏 过 程 中 油 纸 体 系 的 水 分 含 量 逐渐 增 长、表 面 沉 积 碳 逐 渐 增 多。油 纸 体 系 中 水 分 分 布第卷()初 始(前 期)阶 段交 流 电 压 下脉 冲 电 压 下()中 期 阶 段交 流 电 压 下脉 冲 电 压 下()后 期 阶 段图油 纸 表 面 形 貌图图油 纸 体 系 水 分 含 量是 个 动 态 平 衡 过 程,由 于 绝 缘 纸 中 纤 维 素 分 子 的 羟 基()易 于 吸 引 水 分()而 形 成 氢 键(),故 水 分 主 要 分 布 于 绝 缘 纸 中。同 时,脉 冲 电 压边
22、沿 突 变()产 生 的 瞬 时 电 场 力,加 速 了 放 电过 程 中 油 纸 分 子 共 价 键 的 断 裂,导 致 形 成 更 多 的 游 离态 碳()、氢()、氧(),进 一 步 加 剧 了 水 分 及 沉 积碳 的 形 成,从 而 在 脉 冲 电 压 放 电 破 坏 作 用 下,绝 缘 纸 和绝 缘 油 中 的 含 水 量 以 及 表 面 碳 的 沉 积 量 均“高”于 同期 交 流 电 压 放 电 破 坏 作 用 下 的 含 量。电 导 率绝 缘 材 料 在 运 行 中 须 保 持 低 电 导 特 性,这 是 保 障电 气 设 备 安 全 运 行 的 基 本 要 求。实 验 测
23、得 的 油 纸 表 面 及 体 积 电 导 率 如 图所 示:放 电 破 坏 过 程 中,不 论 交 流 还 是 脉 冲 电 压 下,油 纸 的 表面 及 体 积 电 导 率 均 呈 逐 渐 上 升 趋 势;同 时,在 脉 冲 电 压放 电 破 坏 作 用 下,油 纸 的 表 面 及 体 积 电 导 率 均“高”于同 期 交 流 电 压 放 电 破 坏 作 用 下 的 表 面 及 体 积 电 导 率。图油 纸 表 面 电 导 率()及 体 积 电 导 率()水 分 和 碳 均 具 有“高 电 导”秉 性。随 着 放 电 破 坏过 程 中 绝 缘 纸 水 分 含 量 的 增 长 以 及 表 面
24、沉 积 碳 的 增多,直 接 导 致 了 油 纸 的 表 面 及 体 积 电 导 率 上 升。放 电破 坏 过 程 中,绝 缘 纸 在 脉 冲 电 压 下 的 含 水 量 本 就“高”于 同 期 交 流 电 压 下 的 含 水 量,伴 以 脉 冲 电 压 放 电 破 坏作 用 下 油 纸 表 面 较 交 流 电 压 放 电 破 坏 作 用 下 更 加 粗糙,导 致 油 纸 表 面 更 多 的 分 丝 帚 化 微 细 纤 维 突 出 到 绝缘 油 中 并 与 其 密 切 接 触,将 加 剧 绝 缘 纸 对 油 中 水 分 的吸 附,则 进 一 步 提 升 了 绝 缘 纸 在 脉 冲 电 压 放
25、电 破 坏 作用 下 的 含 水 量;同 时,在 脉 冲 电 压 放 电 破 坏 作 用 下,油纸 表 面 的 碳 沉 积 量 也“高”于 同 期 交 流 电 压 放 电 破 坏作 用 下 的 碳 沉 积 量;因 此,在 脉 冲 电 压 放 电 破 坏 作 用下,油 纸 中 水 分 和 沉 积 碳 的 更 高 含 量 也 直 接 导 致 了 其表 面 及 体 积 电 导 率 均“高”于 同 期 交 流 电 压 放 电 破 坏作 用 下 的 表 面 及 体 积 电 导 率。油 纸 放 电 特 性 放 电 干 扰实 验 采 集 的 单 次 及 周 期 局 部 放 电 信 号 分 别 如 图和 图所
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- 关 键 词:
- 脉冲 电压 纤维素 绝缘纸 局部 放电 特性 综合 实验设计
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