操作沖擊電壓下納米改性變壓器油中空間電荷分布特性和流注放電研究.pdf

1、電力變壓器作為電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備,其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系著人們正常的生活和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈,由操作沖擊導(dǎo)致的內(nèi)絕緣放電將帶來(lái)嚴(yán)重的后果。變壓器油是一種絕緣性能優(yōu)良的液體電介質(zhì),并已在電力變壓器中廣泛應(yīng)用,隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷增加,為了節(jié)省生產(chǎn)成本的和空間資源,變壓器本身逐漸緊湊化,這進(jìn)一步增加了變壓器絕緣的設(shè)計(jì)與制造難度;同時(shí),變壓器油中不可避免地存在空間電荷,空間電荷的出現(xiàn)不一定引起擊穿,但能夠

2、通過(guò)畸變場(chǎng)強(qiáng),影響變壓器油的擊穿強(qiáng)度。因此,需要從變壓器油本身出發(fā),提高其絕緣性能,這對(duì)提升變壓器的絕緣水平和保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的工程和理論研究?jī)r(jià)值。
　　本文開(kāi)展了變壓器和納米改性變壓器油中電場(chǎng)和空間電荷分布的測(cè)量工作,對(duì)納米改性變壓器油的操作沖擊擊穿特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究、仿真模擬與理論分析。主要研究?jī)?nèi)容和相應(yīng)的結(jié)論有:
　?、僖愿?Kerr常數(shù)碳酸丙烯酯液體為載體,分析了其中空間電荷分布的Kerr電光測(cè)量系統(tǒng)、

3、測(cè)量原理,探索了液體中電場(chǎng)-光強(qiáng)圖的成像規(guī)律,研制的Kerr電光測(cè)量系統(tǒng)為變壓器油中電場(chǎng)和空間電荷分布的測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。為了提高電光測(cè)量的精度,對(duì)光路進(jìn)行了優(yōu)化以消除電場(chǎng)等傾線的干擾,得到了一種規(guī)范的空間電荷分布的測(cè)量系統(tǒng)及其反算方法。并最終利用該系統(tǒng)測(cè)量并得到了操作沖擊電壓下碳酸丙烯酯液體中空間電荷的注入水平及其分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程,其中 CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合元件)圖像的灰度化處理和頻域?yàn)V波等技術(shù)提高

4、了液體中空間電荷的計(jì)算精度。對(duì)碳酸丙烯酯液體中空間電荷注入與輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了仿真,與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)雙電層理論和電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分別能夠很好地解釋液體中空間電荷的注入與產(chǎn)生機(jī)理。
　?、诨诟逰err常數(shù)碳酸丙烯酯液體中空間電荷的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法,利用陣列型光探測(cè)量了低Kerr常數(shù)純變壓器油和納米改性變壓器油在操作沖擊電壓作用下的電場(chǎng)和空間電荷分布。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)平板不銹鋼電極系統(tǒng)下的納米改性變壓器油的耐受電壓比純變壓器油的高8

5、.3％,利用陣列型光探測(cè)量結(jié)果解釋了納米變壓器油的耐受電壓提高的原因,即不銹鋼平板電極間納米改性變壓器油中的雙電極同性電荷注入現(xiàn)象更加明顯,電極附近的電荷注入水平更高(純變壓器油和納米改性變壓器油空間電荷水平分別為0.010 C/m3和0.036 C/m3),空間電荷的屏蔽作用更好,從而使納米改性變壓器油具有更高的耐壓特性。
　?、垩芯苛思{米改性變壓器油中納米粒子的自然穩(wěn)定機(jī)制和被充電后的納米粒子在電場(chǎng)作用下的遷移過(guò)程,對(duì)納米粒子

6、進(jìn)行了表面改性試驗(yàn)、油中納米粒子的分散性測(cè)試,結(jié)果表明,自然狀態(tài)下經(jīng)表面改性后的納米粒子能夠穩(wěn)定的分散在變壓器油中,直流電場(chǎng)下納米粒子容易吸附到正電極,交流和操作沖擊電壓下的納米改性變壓器油中的納米粒子也是穩(wěn)定的。對(duì)介電型(Al2O3)、半導(dǎo)體型(TiO2)和導(dǎo)電型納米粒子(Fe3O4)改性的變壓器油在操作沖擊電壓作用下的擊穿特性進(jìn)行了測(cè)試,并與傳統(tǒng)變壓器油的擊穿特性進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,Al2O3、TiO2、Fe3O4納米改性變壓器油的

7、正極性操作沖擊擊穿電壓較純油分別提高了35.9％、33.3％、44.3％,而負(fù)極性操作沖擊下變壓器的擊穿電壓分別只提高了11.5％、10.2％、8.12％,提高幅度較小。
　?、軓膶?dǎo)電型納米粒子與介電型納米粒子在外加電場(chǎng)下的界面電荷特性入手,分析了它們對(duì)電子載流子的捕捉作用,得到了不同介電特性納米粒子對(duì)流注發(fā)展過(guò)程影響的普適性規(guī)律,即不論是導(dǎo)電型納米粒子還是介電型的納米粒子,在電場(chǎng)作用下,其界面分別形成的感應(yīng)電荷和極化電荷,都會(huì)產(chǎn)

8、生電荷勢(shì)壘,吸附變壓器油擊穿過(guò)程中流注中的電子,從而降低流注發(fā)展速率,提高了變壓器油的擊穿電壓水平。納米粒子對(duì)電子吸附的飽和電量與其電導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān),每個(gè)Al2O3、TiO2、Fe3O4納米粒子分別能吸附的電子數(shù)為7.9e、11e、11.4e。
　?、莼趯?duì)變壓器油中電荷載體的注入、產(chǎn)生、消失、復(fù)合、遷移等過(guò)程的理論分析和參數(shù)的確定,建立了變壓器油中流注放電發(fā)展的場(chǎng)致分子電離模型,基于該模型得到的流注尺寸和流注發(fā)展速率與試驗(yàn)結(jié)

9、果吻合,同時(shí)得到了流注通道內(nèi)的電場(chǎng)、空間電荷、電位、溫度分布等參數(shù)。納米改性變壓器油中納米粒子對(duì)流注中電子的捕捉作用降低了流注發(fā)展速率和限制了流注尺寸,且流注頭部的正離子、負(fù)離子、電子及空間電荷密度都有所提高,而流注通道中只有電子密度相對(duì)純油中流注通道是降低的,原因是納米粒子對(duì)電子的捕獲作用降低了流注頭部的電子數(shù)密度,為了維持流注的進(jìn)一步發(fā)展,流注頭部更多的中性分子會(huì)被電離。
　　上述研究工作,為新型變壓器油的研制提供了試驗(yàn)支持和