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基于介电响应法的高压套管绝缘状态分析.pdf

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基于介电响应法的高压套管绝缘状态研究The Study of High Voltage Bushing InsulationBased on Dielectric ResponseAbstractBushing which is a key component of electrical equipment,will bear a greater load andelectric stress.The stability of the entire power grid operation will be decided by safe andreliable hi【gh voltage bushing.Especially in UHV transmission system,the level of pressure ishigher,the operating environment is more complex.A higher requirement of insulation testfor bushing is required.Currently it is lack of specific s for high voltage bushinginsulation state。There are certain problems in terms of the reliability and availability ofconventional insulation testing.Therefore,the study of high-voltage hushing insulation statedetection has important academic value and engineering applications.In this paper,the dielectric response of hilgh voltage bushing is studied by high voltageand insulation theory.The extended Debye equivalent model of highvoltage bushing paperinsulation is built.The simulation analysis of PDC and RVM of bushing is completed.Thelaw of dielectric response and external factors is explored,which will provide theoreticalguidance for High voltage bushing insulation aging research.Design and manufacture ofbushing sample,carry out a series of experiments.The relationship between dielectricresponse and external factors such as temperature,voltage,time and water content is obtained.By a large number of experiments get the following rulesTemperatures will increase theamplitude of the voltage and current.The voltage and current curves of time domain dielectricresponse will increase due tO the intensity of the degree of aging.Dominant time constant andmoisture content presents a good second-order function.When the aging situation of bushingis uneven,the RVM polarization spectrum will show a bimodal.The actual law is consistent with the simulation conclusion,which concluded that highvoltage bushing aging state and its time-domain response curve relate much.Bushing agingstate can be judged by six eigenvectors,which achieves the study of high voltage bushinginsulation aging based on dielectric response.This is a new breakthrough in the fieldof insulation testing ofhigh voltage bushing,which has broad application prospects.Key WordsHigh Voltage Bushing;Time Domain Dielectric Response;Polarization andDepolarization Current;Recover Voltage;Insulation Aging万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文1绪论1.1 高压套管绝缘老化的研究意义为贯彻国家能源发展战略,适应大规模跨区输电和新能源发电并网要求,国家电网公司提出发展特高压等大容量、高效率、远距离输电技术【11。根据国家电网公司规划,到2020年,将投产特高压线路7.8万千米、变电容量3.2亿千伏安、换容量3.8亿千瓦,全国形成“三华”电网、东北电网、西北电网和南方电网四个同步电网,实现新的高效能源配置格局阢特高压输电技术给输电系统带来了严峻的挑战,对电力设备安全性和运行可靠性提出了更高要求,提高电力设备的运行可靠性是建设智能坚强电网的关键[31。变压器是输电系统的重要枢纽设备之一,实现能量的转换和传输。变压器运行安全与否直接关系整个输电系事故,会中断电力供应,甚至引发连锁损坏,造成巨大经济损失。套管是变压器的重要组成部件,将变压器内部的高压线引出,起到绝缘和支撑固定的作用。在其他电力设备中,如电抗器、电容器和断路器等,套管也是极其重要的构件。根据统计超高压运行数据表明,变压器以及平波电抗器非计划停运的主要原因包括套管故障和非电量保护误动作两方面【4】。由此可见,安全可靠的高压套管是电网稳定运行的关键因素。尤其在特高压输电系统中,套管耐压水平更高,运行环境更复杂。一方面加大了设计制造难度,另一方面对套管的绝缘状态检测提出了更高的要求【51。目前,高压套管内部通常选用电容芯式绝缘结构设计,主要以油纸绝缘为主。套管运行环境极为复杂,油纸绝缘遭受不同程度热、电、机械应力等作用。长时间运行,油纸绝缘材料性能会有所改变,内部材料老化加速,寿命缩减。套管的绝缘性能主要取决于内部绝缘系统,油纸绝缘性能下降会引发套管故障,进一步致使变压器运行故障,甚至会破坏电网运行稳定性。实践证明,大部分套管故障是由内部油纸绝缘结构老化损坏引起【6】。通常认为,套管在未承受严重损坏的条件下,其绝缘性能相对稳定,具有比较长的使用寿命。但对于不同运行环境的套管,其绝缘性能以及使用寿命有很大的差异,不能一概而论。综上所述,研究高压套管绝缘老化相关问题,探索检测高压套管实际绝缘状态的新方法,进而评估其使用寿命,能够为高压套管实际运行维护提供合理的科学依据,为电网的安全稳定运行提供保障,具有十分重要的科研价值和实践意义。万方数据基于介电响应法的高压套管绝缘状态研究1。2高压套管的老化机理高压套管多采用电容芯子绝缘形式,内部以油纸绝缘结构为主,主要材料包括绝缘油、绝缘纸和铝箔。其中,铝箔的主要作用是均衡电场,强制电场均匀分布。在整个高压套管的服役过程中,高压套管的老化形式主要分为固体材料老化和液体材料老化[71。1.2.1固体绝缘材料的老化高压套管中的固体绝缘材料以绝缘纸为主,在高压套管运行过程中,其绝缘性能很大程度上取决于绝缘纸的老化状态。绝缘纸的老化表现为其机械强度的降低。老化反应的过程是不可逆的,绝缘纸的机械强度和电气强度一旦改变就不可恢复。绝缘纸在运行中同时受温度场和电场的作用,发生一系列物理和化学变化。这些物理化学反应会使绝缘纸的性能发生改变,同时产生低分子酸、吠喃化合物等物质。绝缘纸主要由纤维素构成,绝缘纸老化的实质是在电热环境下纤维素分子发生裂解反应。纤维素是一种常温下不溶于水、稀酸、稀碱的D.葡萄糖基以13.1,4苷键联接起来的链状高分子化合物,纤维素的机械强度主要取决于纤维素分子问与分子内的化学键作用。纤维素分子结构如图1.1所示。H H0I/f一/OH\£ 乙一ICHz0H图1.1纤维素分子结构式Fig.1.1 Molecular slructure ofcelluloseD.葡萄糖基通过13.1,4苷键联接,每个葡萄糖基均由一个氧原子和三个羟基构成不对称结构,这样的结构使得纤维素大分子极性特别强,相对介电常数大,分子间相互作用力大,机械强度大。纤维素的分子结构中含有很多羟基.OH,这就给了它很好的亲水性,可以和水形成氢键,与水缔合,因此纤维素容易吸水。吸水之后羟基之间的相互作用力变小,致使纤维素的机械强度下降。万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文当分子间的相互作用力开始下降,纤维素开始降解,绝缘纸发生老化。因此,通常将纤维素的平均聚合度作为评定绝缘纸老化的标准之一。理论认为,新制绝缘纸的聚合度值介于1300--1800范围内;平均聚合度值降到500时,可以认为绝缘纸处于寿命中期;当平均聚合度降为250时,一般认为绝缘纸寿命终止。在绝缘子老化的过程中,纤维素发生降解化学反应,致使其平均聚合度降低,平均聚合度下降的快慢反应了绝缘纸老化的速度[81。纤维素在电热环境中降解老化,主要有热解降解、电降解、水降解和氧化降解四种反应,且这四种反应同时进行。1热降解反应在热解反应的过程中,纤维素分子链的任何部位都可能发生开环或者断裂。若分子链尾部发生开环或断裂,那么会有CO、C02等气体以及糠醛等液体有机物产生,甚至会产生固体碳。当温度升高至100℃时,纤维素分子中的化学结合水会开始脱去,逐渐焦化。如果套管中的氧含量比较高,分子结构中的部分羟基会与氧结合生成水,导致进一步脱水。2电降解反应套管在运行过程会发生电老化,其实质是绝缘纸在电场中发生电降解反应。电解反应包括一系列复杂的物理化学变化,如绝缘纸在放电过程会产生带点质点轰击,引起介质热效率。局部放电让绝缘纸获得能量,这些能量足以使纤维素分子结构中的化学键断裂,导致其聚合度降低,机械性能下降。3水降解反应受酸性液体、高温以及水的作用,纤维素分子中的苷键处于不稳定的状态,很容易断裂发生水解反应。水降解反应会使部分纤维素分子转化成葡萄糖,葡萄糖会进一步氧化生产C02和水。当绝缘纸运行环境中的水份含量越高,水降解反应越容易发生。4氧化降解反应 ’纤维素分子上的伯醇基CH20H化学性质活泼,易发生氧化反应,醇基转化成荃基,荃基进一步发生氧化反应生成羧基。葡萄糖分子苷碳会产生双键,苷碳键不稳定,易发生水解反应。绝缘纸在老化过程中伴有一系列物理化学反应,这些反应会在套管中产生新的物质,如CO、C02等气体以及糠醛等液体有机物。同时,这些物质会加速套管老化,相关检测方法就是通过检测老化产物含量评估绝缘纸老化状态。万方数据基于介电响应法的高压套管绝缘状态研究1.2.2液体绝缘材料的老化高压套管内部充有绝缘油进行绝缘,绝缘油是高分子有机材料。在运行过程中,绝缘油处于温度场和电场构成的复合电场中,其化学稳定性受到影响,会发生物理和化学反应。伴随化学反应会有新的物质生成,包括气体、分水、酸性物质等【9】。绝缘油在运行环境中发生老化反应时,其性能发生不可逆的变化,主要有以下三种形式热老化、电老化和化学老化。1热老化绝缘油热老化分为两种形式热老化和热氧老化。在热力作用下,绝缘油分子会发生热降解反应。热降解反应使得高分子链断裂,产生挥发物质,剩余聚合物的相对分子质量变小。在热样老化过程中首先会产生过氧化氢,然后过氧化氢继续氧化分解,分解后会产生游离基促进其他氧化反应进行。2 电老化绝缘油在套管内部发生放电时会产生电老化,不同的放电强度和放电类型会对绝缘油产生不同的影响。电老化反应发生时,会在绝缘油中产生聚合物游离基、氧原子等其他化学性质活泼的物质。不同放电类型下绝缘油的老化情况如表1.1所示表1.1放电类型及老化状态Tab.1.1 Discharge type and aging state3化学老化绝缘油充在套管内腔,电容芯子浸在油中,这些绝缘材料长时间与绝缘油接触会发生化学反应,易使绝缘油发生化学反应,导致绝缘油老化。在套管长时间运行过程中,水会进入绝缘油中。在水侵蚀作用下,绝缘油大分子化学键会发生断裂,引起水解反应。综上所述,掌握高压套管的老化机理能够为探究套管老化规律和特征提供理论指导,为研究高压套管老化检测方法奠定基础。万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文1.3高压套管绝缘老化研究现状随着高压套管服役时间的增加,套管绝缘老化导致故障问题逐渐暴露,但是传统的套管检测方法检测内容相对片面,不能准确完全反映套管的绝缘状态。目前,套管的绝缘老化检测特征量主要分为两类化学物理特征量和电特征量。1.3.1 化学物理特征量及检测技术根据对套管老化机理的深入研究,针对高压套管的化学物理特征量,目前有四种绝缘老化检测依据,分别是平均聚合度DP、油中糠醛含量、油中溶解气体分析DGA、傅立叶红外光谱测量法。1平均聚合度DP纤维素由葡萄糖分子聚合而成,平均链长或聚合度超过20000。对于油纸绝缘结构,绝缘纸在经过制造工艺后,其聚合度测定值约为1000--1300;经过真空浸渍机处理后,绝缘纸的聚合度降为900左右在运行过程中,绝缘纸的聚合度会继续下降,若DP测试值为500,可断定油纸绝缘结构绝缘寿命进入中期;如果绝缘纸的聚合度值小于250,可认定该油纸绝缘系统寿命进入晚期。但目前对于绝缘纸寿命终点对应的聚合度值为多少存在很大争议。绝缘纸的聚合度能够很好的体现其机械性能,老化后的绝缘纸其机械性能会有明显的下降,因此,以Omen为代表的研究人员在80年代提出用测量粘度法获得绝缘纸的聚合度,以此作为纸绝缘系统的老化判断依据【101。然而,高压套管尤其是特高压套管其体积十分庞大,不同部位附近的温度场和电场差距明显,致使套管老化不均匀,这样会导致绝缘纸聚合度呈现分散状态分布。而且聚合度测量过程繁琐不宜实现,人为不确定因素容易使测得的结果产生很大的误差。因此,将绝缘纸聚合度测试用于高压套管油纸绝缘系统的绝缘检测以及寿命评估这项研究内容还有很多工作有待完成。2油中糠醛含量糠醛是呋喃环系最重要的衍生物,化学性质活泼,是纤维素老化分解的特殊产物,广泛存在于油纸绝缘系统中,包括变压器、电抗器、高压互感器等电力设备中含有该物质。由此可见,油中糠醛含量能够提供固体绝缘老化信息。国内外研究人员相继开展油纸绝缘加速老化实验,测取老化实验品中油中糠醛含量,分析油纸绝缘系统老化过程中油中糠醛含量的变化规律,并形成了相关的标准。其中,严重老化和非正常老化的糠醛含量限值在DL/T596-1996电力设备预防性实验中有明确规定当油中糠醛含量达万方数据基于介电响应法的高压套管绝缘状态研究到0.5mg/L时,可判断被测系统绝缘水平为寿命中期;而当糠醛含量大于4mg/L时,系统绝缘水平评定为寿命晚期,可通过糠醛含量评估绝缘老化程度。该方法的缺点是绝缘系统通常设有滤油装置,会将一部分糠醛吸走,测得的糠醛含量不够真实,以此评估绝缘系统老化程度必定与实际值有较大出入。因而,糠醛含量检测方法需在掌握绝缘系统更多的资料情况下才能用于绝缘老化状态评估【¨】。3油中溶解气体分析DGA油中溶解气体分析法主要通过采用红外光谱、气相色谱、光声光谱等技术分析油中溶解气体的组成成分及其含量,诊断油纸绝缘系统是否存在故障以及故障严重程度。与电气检测方法比较,该方法具有明显的优势,能够发现潜伏性故障,特别适应于油纸绝缘系统的早期故障诊蝌12,13】。油纸绝缘系统在老化过程中,会分解产生20多种气体。国外研究人员检测油中溶解气体的种类多达十二种,包括丙烷、丙烯和异丁烷等。国内LD/T7222000变压器油中溶解气体分析和判断导则规定了9种可用于检测的油中气体CO、C02、H2、CH4、C2H2、C2I-h、C2H2、H202,其中H2和02为推荐检测气体,剩余七种气体为故障可能增长气体,能够反映系统隐性故障。其中CH4、C2H6、C2H4和C2H四种气体统称为总烃,简写为C1C2。虽然油中溶解气体组分含量能够反映绝缘系统的老化程度,但是油中气体种类繁多,各种气体来源无法清晰界定,不确定因素较大。同时,检测过程气体容易散出,致使检测准确度降低,影响检测准确性。以上化学方法虽然能够得到绝缘材料的真实情况,但是测试过程均较为繁琐,需要对高压套管绝缘系统进行取样,带回实验室进行一系列化学实验才能获得绝缘状况评估结果,不能在设备运行现场直接得到结果,十分不便。1.3.2电气特征量及检测技术国内外学者普遍认为油纸绝缘系统中纤维素发生老化后直接影响其机械性能,但是其电气性能却没有明显变化。在油纸绝缘结构长期运行过程中,电力部门通过材料测试绝缘电阻、极化指数和介质损耗等传统电气测试手段作为油纸绝缘结构设备的绝缘状态评估方法。近年来,随着高压绝缘技术的研究与发展,以及计算机和数字化测量技术的进步,绝缘老化方面的电气诊断技术有了新的进展,其中以局部放电测量和介质响应诊断技术最为显著。1局部放电检测技术万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文老化后的绝缘介质存在局部缺陷,此类缺陷在交流电场下局部放电状态不一致,随着现代检测技术的发展,局部放电技术被用作研究固体绝缘的老化过程。通过获得能够反映绝缘缺陷的局部放电特征量,识别不同类型的绝缘故障。油纸绝缘老化状态的判别,可通过基于不同老化介电的主成分因子向量聚类分析实现[141。相关研究证实,局部放电特征参量能够有效反映介质不同老化阶段的绝缘性能,但单一或者几个特征参量并不能真实全面评估介质的真实老化状态。2介质响应检测技术介电响应测量技术是一种通过外加激励源获得被测物绝缘状态的一种无损绝缘检测方法,主要研究电介质极化特性与绝缘老化的关系。按照外加激励源类型的区别,响应形式分为时域介质响应和频域介电响应。当下研究最为广泛的三种介电响应测试方法是回复电压法Recovery Voltage -RVM、极化去极化电流法Polarization andDepolarization Current-PDC和频域谱法Frequency Domain Spectroscopy-FDS。其中回复电压法和极化去极化电流法属于时域介质响应,频域谱法是频域介电响应检测法。这三种方法在油纸绝缘系统的现场诊断中均有应用,测量结果能够较好的反映被测设备的绝缘状态信息【15.171。①极化去极化电流法PDC极化去极化电流法是在时域范围内的一种介质响应测量方法,该方法无破坏性,不需对油纸绝缘系统进行取样。使用该方法对高压套管进行测试,首先要外加一个直流电压,维持一定充电时间,并记录该过程的充电极化电流。然后对高压低压端进行短接,并记录该过程去极化电流。通过比对极化电流和去极化电流的初始值大小、电流变化频率和电流曲线变化趋势等相关特征参量,判断老化程度,而且也可以评估绝缘系统的含水量。目前,国内很多学者已经将极化去极化电流方法应用于变压器固体绝缘诊断领域,用于评估变压器的绝缘性能以及老化程度。关于应用该方法诊断高压套管电气性能鲜有报道,将该方法应用于高压套管检测是一个新的突破,很多特征参量研究规律特性还有待研究。②回复电压法RⅧ回复电压法是一种用于油纸绝缘结构绝缘诊断的方法,目前这种方法是绝缘诊断领域的研究热点之一。回复电压曲线和回复电压极化谱曲线是现在研究的最为广泛的两种万方数据基于介电响应法的高压套管绝缘状态研究回复电压分析方法。国外利用回复电压曲线评估1 15kV高压套管的绝缘老化状态,老化后的套管回复电压峰值更大【18】。与传统测量手段相比,如介电损耗测量、绝缘电阻测量等,回复电压测试结果更能较为全面的反应套管绝缘介质老化和受潮状态,而且测试过程简便易于实现,对被测套管无破坏性。目前,国内外学者通过回复电压峰值、峰值时间和起始斜率来诊断油纸绝缘系统的老化受潮程度。相关研究机构已研制出用于工程应用的回复电压测试设备,如瑞士Tettex公司的RVM测量仪5461和5462,西班牙Euro SMC公司的ETP2等。③频域谱法FDS与上面两种方法不同,频域谱法是在频域下的介电响应特性研究。该方法研究电介质在交流电压下的极化特性,在外施正弦电压下,通过测量电流峰值和对应的相位,然后计算得到介质损耗角正切值、复电容、复相对介电常数等特征参量。这些特征参量会根据油纸绝缘系统的老化程度和含水量的不同有所变化,通过分析这些参数的变化规律,实现对油纸绝缘系统的绝缘性能以及老化状态的评估。频域谱法也是一种无损的电气绝缘状态诊断方法,具有很好的抗干扰性能,该方法也是绝缘检测领域的研究热点之一。目前,该方法的特征参量与试品绝缘老化关系相关规律还不是特别明确,有待进行更多的实验验证。1.4本文研究目标与研究内容在掌握高压套管绝缘特性及其化学物理特征量等理论,熟悉目前油纸绝缘电力设备绝缘状态检测手段和油纸绝缘状态评估技术的基础上,本论文致力于探究介电响应绝缘检测评估方法在高压套管绝缘老化状态评估中的应用。研究工作包括以下四个方面1分析高压套管介电响应特性,建立高压套管油纸绝缘扩展Debye等效模型,并根据此模型实现套管油纸模型时域介电响应特性仿真计算分析。利用仿真软件分析时域条件下外部条件变化对介电响应特性曲线的影响,为后续试验做准备。2通过理论分析,设计合理的套管绝缘参数和绝缘结构。搭建老化试验平台,设计老化试验流程,完成套管老化试验,采用加速老化方式模拟套管实际运行老化过程。3构建极化去极化和回复电压测试平台,通过改变外部条件,进行一系列时域介电响应测试试验,分析温度、电压、时间和水份等因素对介电响应曲线的影响。4通过分析不同老化时间下的高压套管的时域介电响应曲线,总结套管介电响应曲线随老化程度增加的变化规律,并用传统油纸绝缘评估特征参量对比,用聚合度检验研究结果,验证时域介电响应评估高压套管绝缘状态的有效性和可行性。万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文1.5小结本章介绍了高压套管对电力系统安全运行的重要性,指出对高压套管绝缘老化状态进行检测的研究意义。分析高压套管的老化机理,以及相关检测方法的研究现状。总结国内外学者对介质响应法用于油纸绝缘电力设备检测的研究,明确本文的主要研究内容。万方数据
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