電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-復(fù)合電場(chǎng)下?lián)Q流變壓器油流帶電的測(cè)量(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　復(fù)合電場(chǎng)下?lián)Q流變壓器油流帶電的測(cè)量</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其

2、自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　復(fù)合電場(chǎng)作用下?lián)Q流變壓器油流帶電的測(cè)量</p&g

3、t;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　特高壓直流輸電因其特有的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，換流變壓器作為特高壓直流輸電的核心設(shè)備，其穩(wěn)定性影響了整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的安全可靠。相對(duì)于普通的電力變壓器，換流變壓器的工作狀況更為復(fù)雜，除了要承受交流電壓、操作過(guò)電壓以及雷電沖擊過(guò)電壓以外，還要承受直流電壓、交直流疊加電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓的作用。在這些電壓的作用下，換流變壓器

4、內(nèi)部電場(chǎng)分布、絕緣材料擊穿特性、空間電荷的積累與分布、絕緣油油流帶電都與普通的電力變壓器存在很大的差異，并導(dǎo)致?lián)Q流變壓器的異常放電和擊穿。</p><p>　　本文主要針對(duì)換流變壓器內(nèi)部油流帶電問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容包括: 對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的兩種電極內(nèi)部的絕緣油流動(dòng)情況進(jìn)行了仿真，得到了實(shí)驗(yàn)電極內(nèi)部的絕緣油流動(dòng)速度矢量分布情況；對(duì)交直流實(shí)驗(yàn)電路的輸出電壓進(jìn)行了仿真，得到輸出電壓的波形；研究了直流情況下絕緣

5、油流速、溫度、電場(chǎng)幅值以及介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)油流帶電的影響以及不同直流分量下交直流疊加電壓對(duì)油流帶電的影響；最后研究了極性反轉(zhuǎn)電壓情況下絕緣油流速、電場(chǎng)幅值改變對(duì)沖流電流的影響。</p><p>　　該研究獲得的數(shù)據(jù)和規(guī)律可為換流變壓器絕緣的設(shè)計(jì)，高壓直流輸電設(shè)備制造和實(shí)驗(yàn)以及電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供指導(dǎo)和參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞　油流帶電；換流變壓器；交直流疊加電壓；油紙絕緣</p

6、><p>　　The Measurement of Oil-flow Electrification under The Superimposed AC- DC Voltage in The Converter Transformer</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　UHVDC transmission i

7、s widely used because of its unique advantages. Converter transformer, as the core equipment of HVDC transmission, Its reliability directly affect the safe operation of the whole system. Relative to the power transformer

8、, the working conditions of converter transformer is more complex. The operating converter transformer not only withstands AC voltage, lightning impulse and operate-over voltage but also DC voltage, superimposed AC-DC vo

9、ltage and polarity reversal voltage. Und</p><p>　　This article mainly do some research on the oil-flow electrification characteristics and breakdown characteristics of converter transformer, According to the

10、 working condition of converter transformer, a circuit has been designed and simulated, which is made for the superimposed AC-DC test equipment. In order to get the velocity distribution in the two experiment electrodes

11、another simulation is done and the result is obtained. Moreover, this paper have a study on the influence factor of the oil</p><p>　　The study can be referred to the insulation design of converter transforme

12、r and the HVDC apparatus testing.</p><p>　　Keywords　 oil-flow electrification; converter transformer; superimposed</p><p>　　AC- DC voltage; oil-paper combination insulation;</p><p>

13、;　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.

14、1 課題背景1</p><p>　　1.2 油流帶電機(jī)理3</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外關(guān)于變壓器油流帶電的研究情況4</p><p>　　1.4 本課題研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　第2章 實(shí)驗(yàn)電極及油流分布仿真7</p><p>　　2.1 圓柱電極與仿真結(jié)果7</p><

15、p>　　2.1.1 圓柱電極模型7</p><p>　　2.1.2 仿真及結(jié)果分析8</p><p>　　2.2板式電極與仿真結(jié)果12</p><p>　　2.2.1平板式電極模型12</p><p>　　2.2.2 仿真及結(jié)果分析13</p><p>　　2.2.3板式電極改進(jìn)20</p>

16、;<p>　　2.3本章小結(jié)21</p><p>　　第3章 油流帶電試驗(yàn)系統(tǒng)22</p><p>　　3.1油流帶電試驗(yàn)平臺(tái)22</p><p>　　3.1.1 緩沖罐23</p><p>　　3.1.2制冷設(shè)備23</p><p>　　3.1.3加熱設(shè)備24</p><

17、p>　　3.1.4 濾油設(shè)備24</p><p>　　3.1.5松弛箱24</p><p>　　3.1.6 電荷測(cè)量箱25</p><p>　　3.2試驗(yàn)用高壓電源25</p><p>　　3.3 交直流疊加試驗(yàn)電路及電路可實(shí)現(xiàn)性仿真25</p><p>　　第4章 油流帶電試驗(yàn)及結(jié)果分析30<

18、/p><p>　　4.1 正、負(fù)極性直流電壓作用下的油流帶電30</p><p>　　4.2交、直流電場(chǎng)疊加實(shí)驗(yàn)34</p><p>　　4.3極性反轉(zhuǎn)下油流帶電實(shí)驗(yàn)38</p><p>　　4.3.1 沖流電流值與電壓幅值關(guān)系38</p><p>　　4.3.2. 沖流電流值與流速的關(guān)系40</p>

19、<p><b>　　結(jié)論42</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p>　　附錄1 英文翻譯47</p><p>　　附錄2 英文原文52</p><p&g

20、t;　　千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　眾所周知，變壓器油在變壓器油箱中起著良好的絕緣和散熱作用。

21、在低壓變壓器中，變壓器的冷卻是靠油層上下的溫差形成的對(duì)流效果，將熱量帶給散熱器，再靠空氣把器壁的熱量帶到大氣中，從而使變壓器的油溫維持在一定的額定值。此時(shí)由于變壓器油流速度較低，不存在油流帶電的現(xiàn)象。但是，隨著超高壓、大容量變壓器產(chǎn)品的制造和應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)變壓器體積小型化的要求，在變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻條件、防潮管理等方面相應(yīng)引進(jìn)并采取了一些新的技術(shù)措施，從而使變壓器油流帶電現(xiàn)象日趨明顯化。</p><p>　　

22、由于大容量變壓器電壓等級(jí)和的損耗較高，自然冷卻已不能滿足散熱要求，因此對(duì)強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻的使用越來(lái)越多，要求也越來(lái)越高。高強(qiáng)度的絕緣油在干燥的油道中循環(huán)流動(dòng)時(shí)，其流速比自然循環(huán)時(shí)高很多。在強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻的變壓器中, 變壓器油起著充當(dāng)冷卻介質(zhì)和絕緣介質(zhì)的雙重作用。隨著變壓器的電壓等級(jí)和容量的提高, 絕緣結(jié)構(gòu)愈趨緊湊化, 介質(zhì)絕緣性能普遍提高, 油流速度亦在增加, 其副作用是加劇了油與固體絕緣表面的電荷分離, 并且削弱了油中游離電荷的泄放能力

23、, 使得絕緣油流過(guò)油道時(shí)，就會(huì)在油紙界面上產(chǎn)生電荷，進(jìn)而形成油道中局部電荷的積累，即出現(xiàn)有油流帶電現(xiàn)象。這種積累達(dá)到一定程度，在油中產(chǎn)生懸浮云狀的直流勢(shì)差，將產(chǎn)生閃絡(luò)放電，從而破壞油道的絕緣性能，降低絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度，從而使超高壓變壓器油流帶電問(wèn)題成為影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。自1978 年的國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE) 上, 日本的T.Takagi 等人提出油流帶電問(wèn)題已成為500kV 大容量變壓器安全運(yùn)行的威脅因素以來(lái)

24、，這個(gè)問(wèn)題已引起了各國(guó)電力部門和變壓器行業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。其后，日本、美國(guó)、法國(guó)、瑞典和英國(guó)等很多國(guó)家投入了大量的人力</p><p>　　超高壓直流輸電因?yàn)槠涮赜械膬?yōu)點(diǎn)而成為了各國(guó)家研究的熱點(diǎn)，尤其我國(guó)超高壓直流輸電由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛的得到應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn)包括：不須考慮穩(wěn)定問(wèn)題；線路故障恢復(fù)能力較強(qiáng)；調(diào)節(jié)作用利于交流系統(tǒng)的穩(wěn)定；減少互聯(lián)交流系統(tǒng)的短路容量；超過(guò)一定距離建設(shè)投資更經(jīng)濟(jì)等。換流變壓器是直流

25、輸電系統(tǒng)中必不可少的重要設(shè)備[1]。</p><p>　　作為直流輸電的重要設(shè)備，其工況特殊。換流變壓器的閥側(cè)繞組耐受的電壓并不是單獨(dú)的交流，還有直流電壓分量的作用，所以換流變壓器繞組承受的是直流疊加交流復(fù)合電場(chǎng)的作用。換流變壓器和普通電力變壓器雖有不同，但內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)仍借鑒了電力變壓器，采用油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)。換流變壓器運(yùn)行時(shí)承受交流疊加直流電壓，工作時(shí)承受交直流疊加電場(chǎng)在交流電壓作用下電場(chǎng)呈容性分布，場(chǎng)強(qiáng)與材料

26、的介電常數(shù)成反比。由于變壓器油的介電常數(shù)約為絕緣紙板的一半，所以變壓器油承擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)大于絕緣紙板承擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)，大部分交流電壓由變壓器油承受，絕緣紙板主要是分割和支撐變壓器油道[6]。在直流電壓分量作用時(shí)，電場(chǎng)與材料的電導(dǎo)率成反比，在絕緣中呈阻性分布。電壓加載時(shí)間、電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度及濕度均會(huì)對(duì)材料的電導(dǎo)率造成影響，通常絕緣紙板與變壓器油的電導(dǎo)率之比大概是1:10—1:500，電壓絕大部分由絕緣紙板承受。在整流站，用換流變壓器將交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)

27、隔離，通過(guò)換流裝置將交流網(wǎng)絡(luò)的電能轉(zhuǎn)換為高壓直流電能，利用高壓直流輸電線路傳輸；在逆變站，通過(guò)換流裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，再通過(guò)換流變壓器送到交流電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)交流輸電網(wǎng)絡(luò)與高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)</p><p><b>　　油流帶電機(jī)理</b></p><p>　　當(dāng)變壓器油靜止時(shí)，絕緣油與固體絕緣材料接觸，由于固體絕緣材料表面存在空隙，對(duì)電荷有一定的吸附作用

28、，由于固體絕緣材料不同則吸附的電荷極性也不相同，在變壓器中的中性分子會(huì)因?yàn)檫@種吸附作用而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，固體絕緣材料所容易吸附的電荷排列在固體絕緣材料的表面，因?yàn)殡姾赊D(zhuǎn)移而產(chǎn)生的極性相反的電荷排列在外，形成雙電層（偶電層）。此時(shí)，絕緣油仍顯電中性。當(dāng)絕緣油流動(dòng)，油流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切力大于中性分子的化學(xué)鍵能時(shí)，將導(dǎo)致雙電層分離，雙電層外層電荷隨絕緣油的流動(dòng)而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，形成沖流電流，即油流帶電。電荷會(huì)隨著絕緣油的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)到變壓器的各個(gè)部分。油

29、中電荷可能部分積聚形成電位大于絕緣油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部放電的產(chǎn)生，局部放電產(chǎn)生的氣體進(jìn)一步電離加強(qiáng)局部放電的產(chǎn)生。而固體表面的電荷則吸附在固相表面，如果固體表面對(duì)地絕緣則會(huì)形成對(duì)地電位，固體絕緣如果接地，則會(huì)形成泄露電流。</p><p>　　而現(xiàn)在我們所采用的變壓器多以絕緣紙作為固體絕緣起到絕緣與支撐的作用。變壓器絕緣紙中含有纖維素和木質(zhì)素，它們都帶有羥基(–OH)。此外，木質(zhì)素還帶有醛基(–COH)和羧

30、基(–COOH)。氧原子具有大的電負(fù)性，吸引與其結(jié)合的氫原子中的電子，使氫原子帶正電。這樣，當(dāng)絕緣油與絕緣紙相接觸時(shí)，絕緣紙表面的正電荷就吸引油中的負(fù)電荷。在表面形成固定層，而油中的負(fù)離子被固定層吸引?？拷?fù)電荷層形成一層稱為附著層的正電荷層。這種由固定層和附著層形成的偶電層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1a）。當(dāng)油開(kāi)始流動(dòng)時(shí)，構(gòu)成附著層的離子被油流帶走，形成沖流電流。這樣，偶電層中正負(fù)電荷失去平衡。即正負(fù)電荷由相互吸引狀態(tài)變成分離狀態(tài)(見(jiàn)圖 lb)。在

31、這種狀況下，附著在管壁的離子由于失去了構(gòu)成附著層的離子的吸引而從束縛態(tài)變成自由態(tài)。若管壁對(duì)地不絕緣．則管壁上的電荷將向地流動(dòng)。形成所謂的泄漏電流；若對(duì)地絕緣，管壁上的電荷逐漸積累，形成對(duì)地電位，稱為表面電位[8]。</p><p>　　（a） 油靜止 (b) 油流動(dòng)</p><p>　　圖1-1 絕緣油流動(dòng)對(duì)偶電層離子作用 <

32、;/p><p>　　國(guó)內(nèi)外關(guān)于變壓器油流帶電的研究情況</p><p>　　油流帶電理論方面的研究最早是在石化及燃料工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái)的。20 世紀(jì)50﹑60 年代，Cooper、Klinkenberg 及Koszman & Gavis 等對(duì)工業(yè)管道中的油流起電進(jìn)行了初步探討[9-10]。</p><p>　　從70年代后期至今，美國(guó)、日本、法國(guó)、瑞典、波蘭等很多

33、國(guó)家對(duì)變壓器中的油流帶電問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了初步成果，日本的東芝、三菱等廠家利用各種模型，包括多臺(tái)實(shí)尺寸超高壓變壓器模型，從實(shí)際測(cè)量、理論分析、材料選擇和靜電抑制等方面分別進(jìn)行了有重點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究。研究課題包括：測(cè)定變壓器油流速、油流量與靜電帶電的關(guān)系；固體絕緣表面平整度對(duì)帶電量的影響；變壓器油經(jīng)過(guò)過(guò)濾、加熱、脫氣并注入變壓器的工藝過(guò)程對(duì)油流帶電的影響，以及變壓器的電氣性能參數(shù)對(duì)油流帶電的影響等[11-12]。美國(guó)、法國(guó)等國(guó)

34、對(duì)反映變壓器油在給定條件下產(chǎn)生靜電帶電能力即變壓器油的靜電帶電趨勢(shì)進(jìn)行了深入的研究。研究項(xiàng)目包括：新舊變壓器油的電荷密度的測(cè)定；電荷密度與油溫度、光線照射、微量雜質(zhì)的關(guān)系等。波蘭等國(guó)對(duì)油流帶電與油老化指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了一些研究工作。倫塞勒工學(xué)院( Rensselaer Polytechnic Institute, RPI) 的NelsonJ. K 等人側(cè)重于通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析絕緣材料、變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其尺寸等對(duì)油流帶電的影響，認(rèn)為同等外部條

35、件下殼式變壓器比芯式變壓器油流帶電更為嚴(yán)重，油紙絕緣界面的電荷沉積</p><p>　　近年來(lái)，隨著我國(guó)投運(yùn)的500kV電力變壓器數(shù)量的增加、國(guó)產(chǎn)設(shè)備實(shí)行運(yùn)行考核時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，進(jìn)一步暴露出一些問(wèn)題。從1989年起，相繼在不同地區(qū)、不同廠家的500kV電力變壓器上發(fā)生事故。根據(jù)事故的調(diào)查，事故點(diǎn)都在線圈底部，靠近油流動(dòng)速度最高的部位；另外，變壓器線圈底部導(dǎo)油管上的游離碳痕跡都說(shuō)明了存在“油流帶電”的問(wèn)題。因此，油

36、流帶電的研究工作也日益受到重視，500kV電力變壓器中油流帶電問(wèn)題在1990年7月的連云港全國(guó)變壓器、互感器工作會(huì)議上被列為制造部門要認(rèn)真加以研究的最主要課題之一。我國(guó)一些高校和電力試驗(yàn)部門都研究過(guò)變壓器油流帶電問(wèn)題, 其中哈爾濱電工學(xué)院在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了一系列油流帶電的試驗(yàn)研究，原電力部電力科學(xué)研究院采用“過(guò)濾式”帶電度測(cè)試置國(guó)產(chǎn)變壓器油的帶電度及有關(guān)靜電帶電性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)BTA在抑制油流帶電方面的作用以及檢測(cè)變壓器中油流靜電

37、的試驗(yàn)方法進(jìn)行了探討；華北電力大學(xué)采用改進(jìn)型的圓盤系統(tǒng)、圓筒式油流帶電模型和循環(huán)管道式模型就油流流速、溫度、濕度、電導(dǎo)率、雜質(zhì)及添加劑等因素對(duì)油流起電的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，清華大學(xué)進(jìn)行了超高壓變壓器油流靜電帶電的計(jì)算模型及實(shí)驗(yàn)研究[</p><p>　　在變壓器油流帶電領(lǐng)域，應(yīng)該說(shuō)取得了一些研究成果，主要表現(xiàn)為在油流帶電的機(jī)理和影響因素的認(rèn)識(shí)上以及所提出的眾多的研究油流帶電的手段、方法和針對(duì)油流帶電所采取的對(duì)策等

38、方面。但對(duì)于變壓器油流帶電的研究還很不成熟，無(wú)論是基于油流帶電機(jī)理的基礎(chǔ)研究，還是基于油流帶電抑制的研究，都遠(yuǎn)不能令人滿意[18-20]。應(yīng)該說(shuō)目前的工作還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，離實(shí)際應(yīng)用有相當(dāng)?shù)牟罹?，今后還需在形成規(guī)范化、系統(tǒng)化的油流帶電研究方法和抑制對(duì)策方面加強(qiáng)研究，促進(jìn)其工程化、實(shí)用化。國(guó)內(nèi)近年來(lái)也陸續(xù)發(fā)生超高壓變壓器油流帶電事故，但在這方面的研究仍舊很少，各項(xiàng)工作還剛剛起步，與國(guó)外相比有很大的差距，應(yīng)該在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上

39、，盡快地、深入地進(jìn)行超高壓變壓器油流帶電問(wèn)題的研究。</p><p>　　整體上，現(xiàn)代換流變壓器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上借鑒了很多防止油流帶電的成功經(jīng)驗(yàn)，例如：閥側(cè)繞組大量采用絕緣角環(huán)在一定程度上對(duì)油流起到了導(dǎo)向作用，客觀上有利于降低油流速度和改善冷卻效果等[21]。因此，尚未見(jiàn)到目前運(yùn)行的換流變壓器中存在油流帶電問(wèn)題的報(bào)道，但不能據(jù)此否定其存在的可能性。在±800kV 特高壓直流輸電工程的實(shí)施中，高端換流變壓器的

40、容量增大、閥側(cè)繞組絕緣加厚，將可能導(dǎo)致其對(duì)冷卻能力需求的增加，在油道設(shè)計(jì)、油流速度選擇等方面與以往有所不同，因此，在換流變壓器的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中應(yīng)深入地分析和關(guān)注油流帶電問(wèn)題[22]。</p><p>　　隨著電壓的升高油流帶電問(wèn)題愈見(jiàn)顯著，油流帶電現(xiàn)象逐漸受到重視。到目前為止，雖然在在變壓器領(lǐng)域雖然取得了一些研究成果，但是仍存在著明顯的局限性，主要有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（1

41、） 對(duì)于油流帶電的機(jī)理并未達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一的、深刻的認(rèn)識(shí)，這也是該領(lǐng)域的研究處于停滯不前的根本原因；</p><p>　?。?） 沒(méi)有形成一套完整的用于分析變壓器油流靜電帶電問(wèn)題的理論和計(jì)算手段[23]；</p><p>　?。?） 沒(méi)有獲得一套系統(tǒng)、規(guī)范化的可用于界定變壓器靜電特性的值得廣泛推薦的測(cè)試方法、過(guò)程和參數(shù)[24]； </p><p>　?。?） 沒(méi)有總結(jié)

42、出一套系統(tǒng)的、成文的預(yù)防變壓器靜電放電的措施和手段同時(shí)這些局限性也正是繼續(xù)研究油流帶電問(wèn)題的動(dòng)力和方向，人們正在以上諸方面進(jìn)行著不懈的努力。綜合各國(guó)的研究工作大體可分為兩類：一類研究工作側(cè)重于機(jī)理和影響因素的研究，即在實(shí)驗(yàn)室模擬油流靜電現(xiàn)象，這是早期工作的研究重點(diǎn)，目前在這方面投人的精力漸少[25]；另一類則從運(yùn)行維護(hù)的需要分析故障變壓器實(shí)例，運(yùn)用理論計(jì)算和實(shí)測(cè)相結(jié)合的辦法，找出故障的部位、成因等，并積極設(shè)法診斷上述故障，提出可行的技術(shù)

43、措施，力求減輕這類故障的危害程度。這也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)和趨勢(shì)[26]。</p><p><b>　　本課題研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　由于變壓器容量和電壓等級(jí)的不斷增大，加上絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊化，變壓器內(nèi)部的油流帶電問(wèn)題更顯突出。根據(jù)變壓器的運(yùn)行需要，本文針對(duì)變壓器油流帶電問(wèn)題做了以下研究：</p><p>　　首先，本文對(duì)油流帶電實(shí)

44、驗(yàn)平臺(tái)所采用的圓柱式和平板式兩種實(shí)驗(yàn)電極內(nèi)的油流狀態(tài)進(jìn)行了仿真，得到了兩種電極內(nèi)部的絕緣油速度分布矢量圖。其次，為確定交直流實(shí)驗(yàn)選用系統(tǒng)的可行性，本文對(duì)不同直流分量的交、直流疊加電壓進(jìn)行了輸出電壓波形仿真。再次，針對(duì)絕緣油流速、電場(chǎng)幅值、溫度及介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)油流帶電的影響，進(jìn)行了正、負(fù)極性直流電壓作用下的油流帶電實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析。最后，對(duì)交、直流疊加電壓及極性反轉(zhuǎn)電壓下的油流帶電進(jìn)行了研究，獲得了規(guī)律性結(jié)論。隨著人們對(duì)油流

45、帶電現(xiàn)象及其危害的逐步認(rèn)識(shí)和深入研究，油流帶電的測(cè)試與監(jiān)測(cè)成為分析油流帶電現(xiàn)象的重要手段之一。本文以換流變壓器內(nèi)油流帶電作為主要研究?jī)?nèi)容獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可為保證變壓器的安全、可靠運(yùn)行提供依據(jù)。</p><p>　　第2章 實(shí)驗(yàn)電極及油流分布仿真</p><p>　　本文在對(duì)復(fù)合電場(chǎng)作用下?lián)Q流變壓器內(nèi)部油流帶電特性研究時(shí)，選用了兩種實(shí)驗(yàn)電極，分別為圓柱式實(shí)驗(yàn)電極和平板式實(shí)驗(yàn)電極。為了分析變

46、壓器油在以上兩種電極內(nèi)油流速度分布情況，采用了fluent軟件對(duì)油流狀態(tài)進(jìn)行了仿真。</p><p>　　2.1 圓柱電極與仿真結(jié)果</p><p>　　2.1.1 圓柱電極模型</p><p>　　本文所采用的圓柱電極結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。</p><p>　　1—外電極；2—內(nèi)電極；3—絕緣紙；4—油進(jìn)口；5—油出口</p>

47、<p>　　圖2-1 圓柱式電極結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)裝配圖獲得建模數(shù)據(jù)，外電極采用不銹鋼制成，外半徑為18mm，長(zhǎng)度為1132mm。內(nèi)電極從左至右分為六個(gè)半徑不同部分，其半徑、長(zhǎng)度及材料分別：為半徑18mm，長(zhǎng)度20mm，材料為聚四氟；半徑9mm，長(zhǎng)度45mm，材料不銹鋼；半徑12.5mm，長(zhǎng)度1000mm，材料不銹鋼；半徑13.5mm，長(zhǎng)度5mm，材料不銹鋼；半徑10mm，長(zhǎng)度42mm，材料

48、不銹鋼；半徑18mm，長(zhǎng)度20mm，材料為聚四氟。油流入口管道為半徑17mm，長(zhǎng)度80mm，材料不銹鋼。油流出口管道為半徑13.5mm，長(zhǎng)度80mm，材料聚四氟。</p><p>　　2.1.2 仿真及結(jié)果分析</p><p>　　對(duì)上述圓柱模型進(jìn)行建模及剖分，得到的三維仿真模型如圖2-2所示。 </p><p>　　圖 2-2 圓柱式試驗(yàn)電極建模三維圖<

49、/p><p>　　進(jìn)行仿真時(shí)，中間點(diǎn)部分選取較大流速為0.6m/s,計(jì)算得到油流入口速度為0.348m/s，給定入口速度均勻分布，得到圓柱電極利用fluent軟件得到仿真結(jié)果如圖2-3—圖2-9所示，選取不同二維平面的仿真結(jié)果以分析獲得極板內(nèi)的絕緣油三維流動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　圖 2-3 圓柱式電極xz平面的整體速度矢量圖</p><p>　　圖 2-4

50、圓柱式電極xz平面近入口處的速度矢量圖</p><p>　　圖 2-5 圓柱式電極xz平面x為 500mm—600mm處速度矢量圖</p><p>　　圖 2-6 圓柱式電極xz平面近出口處的速度矢量圖</p><p>　　圖 2-7 圓柱式電極xy平面近入口端速度矢量圖</p><p>　　圖 2-8 圓柱式電極yz平面x=37mm

51、處速度矢量圖</p><p>　　圖 2-9 圓柱式電極yz平面x=1075mm處速度矢量圖</p><p>　　從得到的各仿真圖中可以觀察不同二維平面上的絕緣油流動(dòng)情況，具體的流動(dòng)情況如下：</p><p>　?。?）在圖2-4中端部入口速度均勻，隨著絕緣油的流動(dòng)近壁側(cè)的速度降低，中間流速逐漸增大。當(dāng)遇到橫向x軸管壁阻擋進(jìn)入主油路入口時(shí)，速度呈現(xiàn)不均勻，出現(xiàn)了速

52、度較大的黃色區(qū)域，在x截面變化處上下管壁形成渦流，并且上管壁的流動(dòng)速度較大并逐漸減小，下管壁流動(dòng)速度較小并逐漸增大。而在主流道最左端的速度很小。</p><p>　?。?）圖2-5為xz平面x為500mm—600mm處，上下管壁速度幾乎相同，近壁側(cè)速度較小，中間速度較大，管中間速度與近壁側(cè)的速度相差較小近似可以看成等速，其速度矢量代表了主管道中的流速情況。</p><p>　?。?）圖2-

53、6中在接近出口處x方向速度仍相對(duì)均勻，在截面變小時(shí)速度增大，在出口處速度呈現(xiàn)不均勻，在出口的油道中，剛出口時(shí)在左側(cè)壁形成了明顯的渦流，近壁側(cè)速度小，中間速度較大。隨著絕緣油流動(dòng)速度相對(duì)均勻。下壁近出口處速度較小。</p><p>　?。?）圖2-7截面較小處速度分布不均勻，近內(nèi)壁側(cè)速度較大，近外壁側(cè)速度較小。截面變化速度發(fā)生變化。</p><p>　?。?）圖2-8為在入口直徑處的yz平面

54、圖，與圖2-4結(jié)合觀察入口速度分布，入口速度均勻，隨絕緣油流動(dòng)近壁側(cè)速度減小，中間速度增大。在遇到x方向主油道時(shí)，速度變化明顯，近入口處速度大，對(duì)側(cè)速度小。</p><p>　?。?）圖2-9為出口x=1075mm處得速度矢量圖。與圖2-6結(jié)合解釋絕緣油流出出口情況。主油道圓環(huán)截面近外側(cè)壁速度大且分布不均，近出口處速度較大；近內(nèi)壁側(cè)速度小分布相對(duì)均勻。藍(lán)色部分顯示有明顯的渦流。隨著絕緣油流動(dòng)速度逐漸均勻。<

55、/p><p>　　整體油流流動(dòng)情況解釋：絕緣油從側(cè)入口流入電油流帶電箱，在進(jìn)入帶電箱時(shí)受到電極端頭的阻礙，在此處形成繞流，同時(shí)由于帶電箱端部為密封結(jié)構(gòu)，沒(méi)有油流出口存在，因此此處絕緣油基本不參與循環(huán)流動(dòng)。結(jié)合仿真結(jié)果可以看到絕緣油進(jìn)入帶電箱后向右流動(dòng)，液體內(nèi)部壓力為左高右低，由于流動(dòng)方向存在90°的轉(zhuǎn)折，將在入口處產(chǎn)生渦流。并且由于油流在進(jìn)入帶電箱后直接由于慣性沖向入口異側(cè)，導(dǎo)致在油流入口附近與入口同側(cè)的部

56、分絕緣油流速較低。隨著絕緣油繼續(xù)向前流動(dòng)，由于圓周向流動(dòng)的存在將導(dǎo)致管道截面上的流速趨向于均勻分布，據(jù)圖可知在帶電箱1/5處內(nèi)外兩側(cè)絕緣油流速基本相同。在帶電箱出口處，由于流動(dòng)方向的改變使得在出口側(cè)管產(chǎn)生漩渦，而帶電箱尾部的絕緣油依然因?yàn)槠涮幱诹鲝揭酝舛静粎⑴c油流循環(huán)。此外，在帶電箱的端部和尾部，內(nèi)電極直徑的變化會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)狀態(tài)的突變。</p><p>　　2.2板式電極與仿真結(jié)果</p><

57、;p>　　2.2.1平板式電極模型</p><p>　　本文所采用的平板式電極結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。</p><p>　　1—上四氟襯板； 2— 帶電箱上蓋；3—帶電箱上沿；4—帶電箱側(cè)短板；5—端頭四氟襯板；6—配套法蘭端頭；7—下四氟襯板；8—帶電箱下底；9—帶電箱長(zhǎng)側(cè)板；10—不帶孔襯板；11—引出線；12—帶孔襯板；13—引出線密封件；14—引出線緊固件；15—電極板；16—

58、電極定位件；17聚四氟隔板；18—油流入口；19—油流出口</p><p>　　圖2-10 板式電極裝配圖</p><p>　　根據(jù)裝配圖獲得建模數(shù)據(jù)，板式電極油流入口和出口均為長(zhǎng)30mm，半徑17mm的不銹鋼管。中間油流動(dòng)部分箱體（除隔板與電極部分）為長(zhǎng)1060mm寬180mm高120mm的矩形。建模長(zhǎng)度共計(jì)總長(zhǎng)1220mm。端部緩沖部分約100mm，直極板部分1000mm，尾部出口

59、部分約100mm。</p><p>　　2.2.2 仿真及結(jié)果分析</p><p>　　對(duì)上述平板模型進(jìn)行建模及剖分，得到的三維仿真模型如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 板式電極三維構(gòu)造示意圖</p><p>　　進(jìn)行仿真時(shí)，中間點(diǎn)部分選取較大流速為0.6m/s，計(jì)算得到油流入口速度為1.43m/s，給定入口速度均勻分布，平

60、板電極利用fluent軟件得到仿真結(jié)果如圖2-12—圖2-21所示，選取不同二維平面的仿真結(jié)果以分析獲得極板內(nèi)的絕緣油三維流動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　圖 2-12 板式電極xy平面z=90mm處速度矢量圖</p><p>　　圖2-13 板式電極xy平面z=90mm處端部速度矢量圖</p><p>　　圖 2-14 板式電極xy平面z=90mm處出口處部速

61、度矢量圖</p><p>　　圖 2-15 板式電極yz平面x=89mm處速度分布</p><p>　　圖 2-16 板式電極yz平面x=100mm處速度分布</p><p>　　圖 2-17 板式電極yz平面x=1061mm處速度矢量圖</p><p>　　圖 2-18 板式電極yz平面x=1120mm處速度矢量圖</p>

62、;<p>　　圖 2-19 板式電極yz平面x=1140mm處速度矢量圖</p><p>　　圖 2-20 板式電極yz平面x=1159mm處速度矢量圖</p><p>　　圖 2-21 板式電極xz平面y=53.5mm處速度矢量圖</p><p>　　從得到的各仿真圖中可以觀察不同二維平面上的絕緣油流動(dòng)情況，具體的流動(dòng)情況如下：</p&

63、gt;<p>　?。?）圖2-13中入口速度均勻，隨著絕緣油的流動(dòng)進(jìn)入緩沖部分時(shí)速度呈現(xiàn)發(fā)散分布，在擋板處出現(xiàn)了兩個(gè)分支渦流，渦流方向相反。極板端部速度較大，隨絕緣油流動(dòng)速度的減小，xy面觀察極板端部速度分布不均勻。平板設(shè)計(jì)存在部分缺陷但觀察不明顯。</p><p>　?。?）圖2-14平板結(jié)束附近速度分布均勻，與試驗(yàn)要求相符，極板盡頭緩沖部分速度分布呈現(xiàn)由壁面向極板中間流動(dòng)。與中間油流在中心對(duì)稱部

64、分匯合流向出口，出口處速度在中心對(duì)稱位置向兩側(cè)速度遞減，速度梯度分布較大。</p><p>　?。?）圖2-15為顯示的平板入口前1mm的絕緣油流動(dòng)速度矢量分布。圖形對(duì)稱中間沿z方向分布極度不均勻，上下近油道間隙向壁側(cè)流動(dòng)，發(fā)散性大，四個(gè)角流速較小。</p><p>　?。?）圖2-16為絕緣油進(jìn)入極板端部的油流速度矢量圖，圖中板間速度分布極不均勻，不符合試驗(yàn)要求，圖中藍(lán)色緩沖區(qū)域有渦流產(chǎn)

65、生，遠(yuǎn)離中心的緩沖區(qū)域邊緣流速較大，由壁面中心向兩側(cè)流動(dòng)。</p><p>　?。?）圖2-17為距離極板末端1mm處速度矢量圖。從圖中可看出在極板結(jié)束末端出現(xiàn)了局部匯流，沿z軸規(guī)律的以小圓外部輪廓分布。緩沖區(qū)沒(méi)有油流流動(dòng)。</p><p>　?。?）圖2-18為板式電極尾部緩沖部分x=1120處的速度矢量圖，可以看出在此位置已經(jīng)形成明顯的漩渦。漩渦以極板所在位置對(duì)稱左上漩渦順時(shí)針繞流，右

66、上漩渦逆時(shí)針繞流，在中間位置匯合向中間極板位置流動(dòng)。中間極板位置速度矢量最大向x方向流動(dòng)，上下靠近壁側(cè)也有較大的流速。</p><p>　?。?）圖2-19中中間極板位置速度矢量減小，渦流出現(xiàn)相交部分，渦流擴(kuò)大，但渦流方向仍保持不變。</p><p>　　（8）圖2-20可以看出此圖為圓柱出口前1mm處得速度矢量圖。可以看出極板中間的速度矢量很小，由極板中間向上下兩側(cè)流動(dòng)流向壁面，與圖2-

67、12結(jié)合，可以說(shuō)明為什么壁面有流體回流的現(xiàn)象。另外流體在中間圓柱出口位置有明顯匯流，形成流速較大的圓區(qū)域，匯集流向出口。</p><p>　?。?）圖2-21為板式電極中間極板部分的速度矢量顯示。在入口處速度較大，與入口處對(duì)應(yīng)流速隨流動(dòng)流速逐漸較小，可以看到與入口方向一致的極板部分絕緣油流速要大于邊側(cè)油流速度，且速度相差較大。出口截面有較大速度，與圖2-12結(jié)合可解釋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合要求。其中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求速度分布均

68、勻。但從此圖可以看出在試驗(yàn)極板中速度分布不均現(xiàn)象明顯并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。需要進(jìn)一步的進(jìn)行修改極板已達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　整體油流流動(dòng)情況解釋：對(duì)于板式電極結(jié)構(gòu)，入口管內(nèi)的油流在進(jìn)入帶電箱后遇到突擴(kuò)，因此入口四周產(chǎn)生漩渦，并且油流在進(jìn)入帶電箱后呈發(fā)散狀。在進(jìn)入極板前由于擋塊的存在會(huì)在帶電箱上部和下部導(dǎo)致漩渦，在進(jìn)入極板后由于流動(dòng)截面突然縮小，會(huì)導(dǎo)致油流流速提高。極板間絕緣油流動(dòng)有一定不均勻性，隨著絕緣油

69、流動(dòng)不均勻性降低，但是仍存在不均勻問(wèn)題。在極板出口處，由于流徑的突擴(kuò)使得在帶電箱尾端出現(xiàn)漩渦，但是由于極板上部和下部空間屬于半密封結(jié)構(gòu)，該漩渦基本不涉及極板上部和下部的絕緣油，在油流出口處，由于流徑的突縮會(huì)導(dǎo)致流速迅速增加，此處是否會(huì)產(chǎn)生局部漩渦取決于整體的絕緣油循環(huán)流速。</p><p>　　2.2.3板式電極改進(jìn)</p><p>　　根據(jù)得到的仿真結(jié)果可以看到實(shí)驗(yàn)電極中的油流狀態(tài)，在板

70、式電極中，可以看到在平板電極中出現(xiàn)速度不均勻的狀況，整個(gè)平板電極不能滿足實(shí)驗(yàn)要求。如果實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)一步提升絕緣油流速，速度流場(chǎng)將更加不均勻，其結(jié)果將給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大誤差，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。為解決絕緣油速度這一問(wèn)題提出了修改意見(jiàn)，在電極距離左側(cè)平板50mm處增加半徑為25mm的圓柱結(jié)構(gòu)使得入口處集中的高速流被攔截繞流使局部速度得到快速降低達(dá)到速度均勻的目的。電極修改后仿真得到的極板間速度矢量圖如圖2-22與修正前圖2-11對(duì)比可看到，采取修正方

71、法之后很好的改善了絕緣油的速度分布，極板內(nèi)速度近似可以看成均勻分布，速度分布得到了很好的調(diào)整?？梢?jiàn)實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。</p><p>　　圖 2-22 修正后板式電極xz平面y=53.5mm處速度矢量圖</p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)油流帶電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的圓柱式電極和平板式

72、電極內(nèi)的絕緣油流動(dòng)狀況用fluent軟件進(jìn)行了仿真，通過(guò)仿真得到了兩種電極中油流速度矢量分布，對(duì)所獲得的二維仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，進(jìn)而通過(guò)不同平面的二維圖分析兩種電極中絕緣油的三維流動(dòng)狀況。在平板電極的仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的平板電極內(nèi)部速度呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)速度的均勻分布本文提出了修改意見(jiàn)，經(jīng)仿真后觀察其絕緣油流動(dòng)速度不均狀況得到了良好的改善，仿真結(jié)果對(duì)電極的進(jìn)一步修改有指導(dǎo)作用。</p><p>　　第3章

73、油流帶電試驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　3.1油流帶電試驗(yàn)平臺(tái)</p><p>　　為研究復(fù)合電場(chǎng)作用下?lián)Q流變壓器的油流帶電的情況，在實(shí)驗(yàn)搭建的油流帶電試驗(yàn)平臺(tái)如下圖所示。</p><p>　　( a ) 結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　( b ) 實(shí)物圖</b></p><p>　　圖3-1

74、油流帶電試驗(yàn)平臺(tái)</p><p><b>　　3.1.1 緩沖罐</b></p><p>　　緩沖箱承擔(dān)的功能比較多，實(shí)驗(yàn)需要抽真空，故在緩沖箱上部設(shè)置真空泵對(duì)接口，并設(shè)置了真空表、壓力表以供真空度監(jiān)測(cè)使用。同時(shí)，在系統(tǒng)各部分也對(duì)應(yīng)的做了密封處理。循環(huán)時(shí)由試驗(yàn)箱或油流測(cè)量箱流出的變壓器油經(jīng)加熱或制冷換熱片送入緩沖箱，加熱或制冷時(shí)，通過(guò)箱內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)箱內(nèi)油溫度，并

75、反饋給加熱制冷裝置實(shí)現(xiàn)溫度控制緩沖箱容積約為500L使加熱或制冷后的變壓器油充分混合，是使油溫穩(wěn)定在設(shè)定溫度上。并且緩沖罐接地可以有利于油中電荷松弛，對(duì)油流帶電中經(jīng)過(guò)測(cè)量箱的油中殘余電荷進(jìn)行釋放。</p><p><b>　　3.1.2制冷設(shè)備</b></p><p>　　當(dāng)測(cè)低溫情況下的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)變壓器的油流帶電的影響時(shí)，則需要對(duì)變壓器油進(jìn)行降溫，本實(shí)驗(yàn)所采取的制冷

76、設(shè)備如下圖所示。設(shè)備只有在設(shè)置溫度比變壓器油實(shí)際溫度低的情況下才能進(jìn)行自動(dòng)制冷；反之，當(dāng)變壓器油溫高于系統(tǒng)制冷設(shè)置時(shí)則不進(jìn)行制冷，制冷設(shè)備不工作。制冷溫度可以調(diào)節(jié)靈敏至0.1℃。充分滿足實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)實(shí)際點(diǎn)的溫度顯示實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的不斷調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖 3-2 實(shí)驗(yàn)制冷設(shè)備 </p><p><b>　　3.1.3加熱設(shè)備</b></p>&

77、lt;p>　　在油流帶電的測(cè)量中為實(shí)現(xiàn)不同溫度各不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)油流帶電的影響同樣需要加熱設(shè)備，油道中的變壓器油通過(guò)流過(guò)不同閥門控制的油道來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油加熱和冷卻的選擇。本實(shí)驗(yàn)選用的加熱設(shè)備如下圖所示。其加熱溫度精確到1℃，通過(guò)觀察實(shí)際待測(cè)點(diǎn)的油溫顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)將油溫調(diào)整到指定值。</p><p>　　圖 3-3 實(shí)驗(yàn)加熱設(shè)備</p><p>　　3.1.4 濾油設(shè)備</p>

78、;<p>　　設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，由于油不斷的沖刷紙板，會(huì)產(chǎn)生少量雜質(zhì)混入油中；而且，試樣被擊穿時(shí)會(huì)部分碳化，產(chǎn)生少量的炭粒和其他雜質(zhì)；再者，更換試樣時(shí)會(huì)有空氣和水分混入油中，這些因素都會(huì)降低油的絕緣性能。在系統(tǒng)運(yùn)行一定的時(shí)間后，要進(jìn)行必要的過(guò)濾。以減少雜質(zhì)等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。</p><p><b>　　3.1.5松弛箱</b></p><p>　　在

79、油的循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中，油流未達(dá)到測(cè)量箱之前，在前段循環(huán)路線變壓器油流動(dòng)與油壁之間已經(jīng)因油流帶電產(chǎn)生部分電荷。如果不能消除這部分電荷則會(huì)對(duì)測(cè)量箱中電荷的測(cè)量產(chǎn)生影響，不能準(zhǔn)確測(cè)量油流帶電產(chǎn)生的電荷。松弛箱的作用就是捕捉前段循環(huán)過(guò)程所產(chǎn)生的電荷，達(dá)到減少誤差準(zhǔn)確測(cè)量的目的。</p><p>　　3.1.6 電荷測(cè)量箱</p><p>　　變壓器油經(jīng)過(guò)帶電箱帶電后直接流入測(cè)量箱，測(cè)量箱兩端均通過(guò)四

80、氟墊與整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)其他部分絕緣，內(nèi)部由不銹鋼絲纏繞成與測(cè)量箱內(nèi)壁相同的尺寸填充整個(gè)測(cè)量箱內(nèi)部。由于采用高目數(shù)不銹鋼絲網(wǎng)，流入測(cè)量箱的油中電荷可以分被捕捉并通過(guò)測(cè)量箱的電流引出端釋放出去，形成泄漏電流。理論上泄漏電流數(shù)值上與要測(cè)量的沖流電流相等，該電流非常小為nA級(jí)，如此微小電流測(cè)量必須排除外界環(huán)境的干擾，測(cè)量箱外部安裝了金屬屏蔽層。</p><p>　　3.2試驗(yàn)用高壓電源</p><p>

81、;　　為了研究換流變壓器內(nèi)油、紙絕緣結(jié)構(gòu)在復(fù)合電場(chǎng)作用下的油流帶電情況，分別進(jìn)行了正負(fù)極性直流電壓、交流疊加直流電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓下油流帶電的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)換流變壓器閥側(cè)繞組所承受的電壓分析及實(shí)驗(yàn)室的研究需要，本文選用的各實(shí)驗(yàn)用的高壓電源具體指標(biāo)如下：</p><p>　?。?）正負(fù)極性直流實(shí)驗(yàn)電源</p><p>　　1.調(diào)壓范圍：0～60kV</p><p>　

82、　2.紋波范圍：小于0.5%</p><p>　?。?）交流疊加直流實(shí)驗(yàn)電源</p><p>　　1.交流分量幅值：0～200kV連續(xù)可調(diào)</p><p>　　2.直流分量幅值：0～200kV連續(xù)可調(diào)</p><p>　　3.直流分量比例：50～100%</p><p>　　（3）極性反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)電源</p>

83、<p>　　1.反轉(zhuǎn)時(shí)間：小于2s</p><p>　　2.正負(fù)極性電壓時(shí)電壓紋波范圍：小于0.5%</p><p>　　3.3 交直流疊加試驗(yàn)電路及電路可實(shí)現(xiàn)性仿真</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器交直流疊加電壓下油流帶電的分析，采用以下試驗(yàn)電路圖3-4以實(shí)現(xiàn)交直流疊加。為了驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，利用PSPICE電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，仿真各器

84、件參數(shù)如圖3-5</p><p>　　T5、T6—調(diào)壓器；T2、T4—升壓變壓器；C3～C8—高壓電容；D1～D7—高壓硅堆；</p><p>　　R1、R3、R4—保護(hù)電阻；R2—試品等效電阻；C2—試品等效電容；C1—隔直電容。</p><p>　　圖 3-4 交流疊加直流實(shí)驗(yàn)電路</p><p>　　圖 3-5 orcad仿真電

85、路圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中，為測(cè)量交直流疊加電壓情況下不同直流分量對(duì)油流帶電產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)選取直流分量分別為50%、67%、84%和100%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，仿真選取實(shí)驗(yàn)最高電壓情況下，即18kV電壓進(jìn)行仿真，得到以下數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖 3-6 直流分量50%加壓0–0.3秒電壓情況</p><p>　　圖3-7 直流分量50%加壓5–5.1秒電壓

86、情況</p><p>　　圖 3-8 直流分量67%加壓0–0.3秒電壓情況</p><p>　　圖 3-9 直流分量67%加壓5–5.1秒電壓情況</p><p>　　圖 3-10 直流分量84%加壓0–0.3秒電壓情況</p><p>　　圖 3-11 直流分量84%加壓5–5.1秒電壓情況</p><p>

87、;　　由以上仿真結(jié)果可以看到，從時(shí)間為零開(kāi)始的各仿真圖中，加壓過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)渡過(guò)程，時(shí)間過(guò)渡的長(zhǎng)短因?yàn)楦髦绷鞣至堪俜謹(jǐn)?shù)的不同而不同，直流分量越大其過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)，是因?yàn)橹绷麟妷旱慕⑿枰ㄟ^(guò)給電容進(jìn)行充電，直流分量越大充電時(shí)間越長(zhǎng)，過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)（即開(kāi)始時(shí)間5秒以后的各圖），交直流電源共同作用，設(shè)交流電壓的幅值為A，直流電壓幅值為B，則交流電壓幅值波動(dòng)范圍約為B～2A+B,其中直流分量為A+B，交流分量為A。從以上各圖可以看出各電壓穩(wěn)

88、態(tài)最大值約為規(guī)定的18kV。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)交直流疊加，且輸出波形、頻率均較為理想，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。</p><p>　　第4章 油流帶電試驗(yàn)及結(jié)果分析 </p><p>　　4.1 正、負(fù)極性直流電壓作用下的油流帶電</p><p>　　不同溫度、不同流速及不同油質(zhì)情況下，圓柱電極模型在正、負(fù)直流電壓作用下的油流帶電試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4-1圖4-6所示。</p&

89、gt;<p>　　圖 4-1 50℃正極性直流電場(chǎng)作用下不同流速下沖流電流與電場(chǎng)幅值關(guān)系（tanδ低）</p><p>　　圖 4-2 80℃正極性直流電場(chǎng)作用下不同流速下沖流電流與電場(chǎng)幅值關(guān)系（tanδ低）</p><p>　　圖 4-3 50℃正極性直流電場(chǎng)作用下不同流速下沖流電流與電場(chǎng)幅值關(guān)系（tanδ高）</p><p>　　圖 4

90、-4 50℃負(fù)極性直流電場(chǎng)作用下不同流速下沖流電流與電場(chǎng)幅值關(guān)系（tanδ低）</p><p>　　圖 4-5 80℃負(fù)極性直流電場(chǎng)作用下不同流速下沖流電流與電場(chǎng)幅值關(guān)系（tanδ低）</p><p>　　圖 4-6 50℃負(fù)極性直流電場(chǎng)作用下不同流速下沖流電流與電場(chǎng)幅值關(guān)系（tanδ高）</p><p>　　正、負(fù)極性直流電壓作用下研究不同溫度、不同流速及

91、不同油質(zhì)情況對(duì)油流帶電的影響，得到由圖4-1至圖4-6所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到的以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：</p><p>　?。?）隨著流速越大，油流的帶電度越大。是因?yàn)樵诹魉僭龃髸r(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的剪切力，促使偶電層的分離，從而增加油流的帶電度。</p><p>　?。?）從圖4-1和圖4-4中可以看到，其它的影響因素不變的情況下，在正負(fù)極性直流電場(chǎng)中當(dāng)施加的電場(chǎng)幅值增加時(shí)，油流帶電度增大。圖4-1及圖

92、4-4中在低流速時(shí)出現(xiàn)不同是因?yàn)檩^低流速時(shí)絕緣油在電場(chǎng)中存在的時(shí)間較長(zhǎng)，在高電場(chǎng)幅值作用下單位場(chǎng)強(qiáng)下離子遷移的速率增加，會(huì)使電荷穿越絕緣油到達(dá)絕緣紙界面處進(jìn)行中和，從而使低流速中高電場(chǎng)幅值時(shí)油流帶電度降低。在較高流速下由于絕緣油在電場(chǎng)中存在時(shí)間縮短不足以使電荷穿越絕緣油到達(dá)界面所以帶電度增大。 </p><p>　?。?）圖4-1和圖4-2、圖4-4和圖4-5進(jìn)行對(duì)比可知，在溫度上升時(shí)，不同流速不同電壓作

93、用下的油流帶電度明顯提高。是因?yàn)橛蜏厣呤菇^緣油的粘度降低，使離子遷移受到的阻力降低，使得沖流電流明顯變大。80℃與50℃在相同流速下，油流帶電度變化趨勢(shì)隨外施電壓的變化情況不同。在較低電壓下油流帶電度隨外施電壓的增大而有所提升，當(dāng)達(dá)到峰值之后隨外施電壓的增大而降低。且不同流速情況下的峰值不同，是在此溫度下決定了絕緣油的粘度，是由油流速度和外施電壓共同作用決定的。如50℃較低流速時(shí)相同，同時(shí)亦可以推測(cè)如果增大實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的最大電壓值，在

94、50℃時(shí)亦會(huì)出現(xiàn)80℃時(shí)的絕緣油帶電趨勢(shì)。</p><p>　?。?）從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知提高介質(zhì)損耗因數(shù)，使得絕緣油帶電度顯著提高，同一流速下也會(huì)出現(xiàn)不同的峰值，這如以上解釋一樣，是流速和電場(chǎng)幅值的共同作用結(jié)果。</p><p>　　4.2交、直流電場(chǎng)疊加實(shí)驗(yàn)</p><p>　　換流變壓器內(nèi)部工作狀況復(fù)雜，其內(nèi)部電場(chǎng)存在交、直流電場(chǎng)并存的情況，為研究交直流疊加不同

95、直流分量對(duì)油流帶電的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4-7—4-12。</p><p>　　圖4-7 50℃直流分量50%</p><p>　　圖4-8 50℃直流分量67%</p><p>　　圖 4-9 50℃直流分量84%</p><p>　　圖 4-10 80℃直流分量50%</p><p>　　

96、圖 4-11 80℃直流分量67%</p><p>　　圖 4-12 80℃直流分量84% </p><p>　　從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下規(guī)律性結(jié)論：</p><p>　　（1）在50℃情況下隨著交直流復(fù)合電場(chǎng)中直流分量的增加，絕緣油的帶電度隨之增加，在直流分量較大時(shí)在低流速會(huì)出現(xiàn)反常情況，是因?yàn)樵诩哟笾绷鞣至恳院?，離子在直流電場(chǎng)分量作用下能夠穿越絕緣油在界

97、面附近發(fā)生中和，導(dǎo)致帶電度呈下降趨勢(shì)。</p><p>　?。?）在80℃時(shí)，加大直流分量其作用結(jié)果表現(xiàn)為各曲線中各不同流速油流帶電度峰值的轉(zhuǎn)移。其原因是在此溫度下絕緣油油粘度降低。在較低直流分量下，由于流速、溫度和電場(chǎng)的作用均能使絕緣油帶電度出現(xiàn)最大值，在直流分量不斷增大的過(guò)程中，增大的直流分量會(huì)促使絕緣油中離子穿越絕緣油在界面處中和，峰值之后直流分量越大導(dǎo)致油的帶電度越小，使絕緣油帶電度峰值前移。</p

98、><p>　　4.3極性反轉(zhuǎn)下油流帶電實(shí)驗(yàn)</p><p>　　4.3.1 沖流電流值與電壓幅值關(guān)系</p><p>　　圖 4-13 反轉(zhuǎn)電壓幅值為6kV時(shí)的沖流電流值(60℃，0.6m/s)</p><p>　　圖 4-14反轉(zhuǎn)電壓幅值為12kV時(shí)的沖流電流值(60℃，0.6m/s)</p><p>　　圖 4-15反

99、轉(zhuǎn)電壓幅值為18kV時(shí)的沖流電流值(60℃，0.6m/s)</p><p>　　不同反轉(zhuǎn)電壓幅值下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-13至圖4-15所示。第一次極性反轉(zhuǎn)發(fā)生在60s時(shí)，為正極性直流高壓反轉(zhuǎn)為負(fù)極性直流高壓。第二次極性反轉(zhuǎn)發(fā)生在360s時(shí)，為負(fù)極性直流高壓反轉(zhuǎn)為正極性直流高壓，兩次極性反轉(zhuǎn)時(shí)間均為2s。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用下油質(zhì)絕緣油流帶電具有以下特點(diǎn)：

100、</p><p>　?。?）如圖4-13所示，在直流高壓幅值較低時(shí)，外施加電壓從正極性反轉(zhuǎn)為負(fù)極性的瞬間，沖流電流值首先迅速降低，直至降到負(fù)極性，而后迅速提高，并在其后的300s內(nèi)趨于穩(wěn)定。在極性反轉(zhuǎn)時(shí)沖流電流的激增可以解釋為極性反轉(zhuǎn)時(shí)束縛于界面處的離子依次釋放所致。</p><p>　?。?）應(yīng)當(dāng)從直流電場(chǎng)下的界面處空間電荷效應(yīng)和油紙絕緣的油流帶電效應(yīng)兩方面進(jìn)行分析?？紤]到油紙兩種介質(zhì)電

101、導(dǎo)率的差異，在直流電場(chǎng)作用下油紙界面處存在空間電荷，如果沒(méi)有絕緣油的流動(dòng)效應(yīng)，此空間電荷將很難得以釋放。但是由于油流帶電導(dǎo)致的相間電荷轉(zhuǎn)移，使得空間電荷得以快速釋放。</p><p>　?。?）電場(chǎng)幅值越高，極性反轉(zhuǎn)時(shí)沖流電流的過(guò)沖也越大，這是因?yàn)樵诟唠妶?chǎng)下界面處束縛了更多的電荷所致。</p><p>　?。?）低電壓幅值下，極性反轉(zhuǎn)后的沖流電流在穩(wěn)定后較反轉(zhuǎn)前變化不大，甚至存在降低的趨勢(shì)

102、，而在高電壓幅值下，每一次極性反轉(zhuǎn)都會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)下沖流電流值提高。</p><p>　　4.3.2. 沖流電流值與流速的關(guān)系</p><p>　　圖 4-16 流速為0.2m/s時(shí)反轉(zhuǎn)電壓作用下的沖流電流值(60℃，15kV)</p><p>　　圖 4-17流速為0.4m/s時(shí)反轉(zhuǎn)電壓作用下的沖流電流值(60℃，15kV)</p><p>　

103、　圖4-18流速為0.6m/s時(shí)反轉(zhuǎn)電壓作用下的沖流電流值(60℃，15kV)</p><p>　　不同流速下極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用下沖流電流值如圖4-16至圖4-18所示，流速的提高導(dǎo)致各狀態(tài)下沖流電流值增加。各流速下極性反轉(zhuǎn)后沖流電流變化趨勢(shì)較為相近，但是低流速下負(fù)極性直流電壓作用下穩(wěn)態(tài)沖流電流低于正極性直流電壓作用下的穩(wěn)態(tài)沖流電流，并且低流速下第二次極性反轉(zhuǎn)后穩(wěn)態(tài)沖流電流較反轉(zhuǎn)前變化不是很大。</p>

104、<p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　油流帶電產(chǎn)生的電荷在變壓器內(nèi)部會(huì)發(fā)生遷移積聚等過(guò)程，電荷會(huì)畸變?cè)械碾妶?chǎng)，導(dǎo)致局部放電等問(wèn)題。換流變壓器相對(duì)普通變壓器其工作狀況更為復(fù)雜，因?yàn)閾Q流變壓器工作電壓中存在直流分量，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的油流帶電更為顯著。為研究換流變壓器內(nèi)部復(fù)合電場(chǎng)作用下?lián)Q流變壓器內(nèi)部的油流帶電特性，本文做了以下的工作：</p><p&

105、gt;　　1.針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的圓柱式及平板式實(shí)驗(yàn)電極進(jìn)行了電極內(nèi)部油流狀態(tài)的仿真，明確了電極內(nèi)部的油流速度矢量分布。通過(guò)仿真得到的各二維平面圖本文分析了兩種電極內(nèi)絕緣油的三維流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)平板電極進(jìn)行的仿真結(jié)果表示，實(shí)驗(yàn)所采用的平板電極不能滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，極板內(nèi)速度分布不均勻現(xiàn)象明顯。因此本文提出了相應(yīng)的修改意見(jiàn)，經(jīng)修改后板式實(shí)驗(yàn)電極極板內(nèi)油流速度不均勻得到了良好改善，就修改結(jié)果來(lái)看，效果比較理想，可以采納。</p>&

106、lt;p>　　2.進(jìn)行了交直流疊加電路的輸出電壓仿真，該電路實(shí)現(xiàn)了交流電壓與直流電壓的疊加，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的仿真輸出結(jié)果與實(shí)際的加壓情況進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了運(yùn)用此實(shí)驗(yàn)電路的可行性。并且由仿真結(jié)果分析了實(shí)驗(yàn)從加壓到電壓穩(wěn)定的漸變過(guò)程。</p><p>　　3.研究了正、負(fù)極性直流電壓作用下不同電場(chǎng)幅值、油流速、油溫及絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)等因素對(duì)換流變壓器油流帶電的影響。得到規(guī)律性結(jié)論：（1）絕緣油流速越大沖流電流越大。

107、（2）其它影響因素相同情況下，施加電場(chǎng)幅值越大，沖流電流越大。低流速情況下出現(xiàn)不同情況是由絕緣油流速和施加電場(chǎng)共同作用的結(jié)果。（3）溫度越高沖流電流越大。50℃與80℃沖流電流變化趨勢(shì)不同，是溫度與電場(chǎng)幅值共同作用的結(jié)果。（4）絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)越高沖流電流越大。</p><p>　　4.不同直流分量的交直流疊加電壓實(shí)驗(yàn)表明：在50℃情況下隨著交直流疊加電場(chǎng)中直流分量的增加沖流電流增加，低速下出現(xiàn)反常是因?yàn)榧哟蟮?/p>

108、直流分量能夠離子能夠穿越絕緣油在界面附近發(fā)生中和導(dǎo)致的；在80℃情況下，加大直流分量其作用結(jié)果表現(xiàn)為各曲線中各不同流速?zèng)_流電流峰值的轉(zhuǎn)移，是絕緣油粘度變化情況下，電場(chǎng)、流速及溫度等共同作用導(dǎo)致的。</p><p>　　5.進(jìn)行了極性反轉(zhuǎn)電壓下不同電壓幅值及不同流速對(duì)沖流電流影響的實(shí)驗(yàn)研究，得到規(guī)律性結(jié)論：（1）較低直流電壓幅值時(shí)，電壓從正極性反轉(zhuǎn)為負(fù)極性的瞬間，沖流電流值首先迅速降低，而后迅速提高，其后趨于穩(wěn)定。

109、（2）直流電場(chǎng)作用下由于油紙兩種介質(zhì)電導(dǎo)率的差異將產(chǎn)生空間電荷，油流帶電導(dǎo)致的相間電荷轉(zhuǎn)移使得空間電荷得以快速釋放。（3）高電場(chǎng)下界面處束縛了更多的電荷將導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)時(shí)沖流電流的過(guò)沖也越大。（4）低電壓幅值下極性反轉(zhuǎn)后的沖流電流在穩(wěn)定后較反轉(zhuǎn)前變化不大，甚至存在降低的趨勢(shì)，在高電壓幅值下，每一次極性反轉(zhuǎn)都會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)下沖流電流值提高。（5）流速的提高導(dǎo)致各狀態(tài)下沖流電流值增加。（6）低流速下負(fù)極性直流電壓作用下穩(wěn)態(tài)沖流電流低于正極性直流電