第 1 章  緒論 

1.1  研究背景及目的意義
近年來，我國電力系統(tǒng)迅猛發(fā)展，電網容量也變的越來越大，電壓等級越來越高，電網裝機容量增大，造成了系統(tǒng)短路時電流增大，事故時電壓波動大，功率因數(shù)偏低等；同時，由于輸電線路距離和等級的不斷提高，線路中常會出現(xiàn)無功功率增大，末端電壓升高及工頻過電壓等現(xiàn)象。在系統(tǒng)上安裝干式空心電抗器可有效解決上訴問題[1-3]。 目前，國外生產干式空心電抗器的廠家有歐洲的 ABB、德國的 BLOCK、波蘭的 HMP-FALEDY 和加拿大的尼爾貝克等等。我國自 1980 年左右引入進來，受到了電力系統(tǒng)的廣泛歡迎，國內主要生產廠家有思源電氣、北京電力設備總廠、上海晶鑫電工等等，但是國內產品生產加工工藝有待進一步提高[4-5]。 干式空心電抗器體積小、重量輕、結構簡單、維護方便，一般采用無油結構，杜絕了油浸電抗器漏油等缺點。無鐵芯，不存在磁飽和，因而電感值的線性度好。采用機械強度較高的鋁質星形架來減小渦流損耗，且可滿足線圈分數(shù)匝要求。所有的導線引出線全部用氬弧焊焊接在星形接線臂上，不用螺釘連接可提高運行可靠性。采用多層繞組并聯(lián)的筒形結構，所有包封在電氣上是并聯(lián)的，每個包封用浸有環(huán)氧樹脂的長玻璃纖維包繞，包封表面涂有特制的絕緣漆以起到抗紫外線和抗老化的作用。包封經高溫固化后，整體性、機械強度和耐受短時電流的沖擊力均有所改善，，且滿足產品動、熱穩(wěn)定的要求。各包封之間由聚酯引撥條支撐形成通風氣道，使空氣對流形成自然冷卻，自然風冷的散熱方式性能較好。每個包封中有若干個并聯(lián)連接的線圈，每層線圈又由單股或多股小截面圓導線平行繞制，導線通常是直徑為 2mm~4mm 的圓鋁導線或銅導線，可使渦流損耗和漏磁損耗明顯減少。每根導線表面都用多層絕緣性能良好的聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜進行疊繞包裹，聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜作匝絕緣大大提高了匝間絕緣強度[6-7]。干式空心電抗器結構如圖 1-1 所示。 
...........

1.2 國內外研究現(xiàn)狀
吉林電力科學研究者敖明發(fā)表了關于《戶外干式空心電抗器表面樹枝狀放電試驗的研究》，采用針板電極系統(tǒng)對環(huán)氧樹脂和玻璃絲纖維復合材料進行了電熱老化擊穿試驗，提出了環(huán)氧樹枝和玻璃絲復合材料的電擊穿機理，從而引申到電抗器表面樹枝狀放電研究。他通過對 2 個生產廠家根據各自的生產工藝和原材料制造的電抗器模型施加 12k V 的交流電壓，經計算，相當于匝電壓364V，此匝電壓相當于產品工作電壓的 3-4 倍，自配電導率為 395 ??mm 污液，再按一定周期向模型噴射，為檢測每個過程的局部放電電壓，經過噴射自配污液 2min，自然干燥 30min 一個周期后進行。研究指出電抗器的沿面放電是由于環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合材料在局部放電下不斷破壞而產生擊穿通道，是電應力和機械應力共同作用的結果，電應力破壞是引起機械應力破壞的前提，機械應力又促進電腐蝕的發(fā)展[15]。 倪雪峰等人對干式空心電抗器表面發(fā)電原因進行了探究并提出了解決方法，總結出空心電抗器外絕緣主要存在 4 個方面的問題，包括設計制作、加工工藝、漏磁通及漏電起痕。他們當時認為局部過熱和絕緣氣泡等缺陷無從著手，所以僅僅對生產制造問題提出解決方案，對微裂痕、粉化、裂化等現(xiàn)象處理后重新涂抹漆漬，對漏磁通消除彌合環(huán)路等。 2011 年法國北部里爾大學 S.Savin 等人對雙股線圈匝間局部放電初始電壓進行了研究，他們對線圈在 280℃下進了持續(xù) 24 小時十個周期的加速熱老化后對絕緣性能進行檢測，老化過程遵循阿列紐斯法則和相關標準進行。在每個老化周期后對線匝進行局部放電試驗。局部放電實驗裝置包括電源電路、一個耦合電容、測試樣品和耦合裝置。通過電源電路提供波形幅值，在由低頻發(fā)生器提供穩(wěn)定的頻率，通過快速示波器直觀的檢測局部放電初始電壓值，另外用一個分流電阻測試局部放電電流。研究表明隨著熱老化周期的增加，局部放電初始電壓有些許降低，但是樣品的擊穿數(shù)量在增加[16]。 
.........

第 2 章  試驗平臺組建 

2.1 試驗模型制作
匝間絕緣擊穿試驗需要非常大的樣本個數(shù)，如果制作電抗器作為試樣，研究成本非常高。僅對匝間絕緣進行擊穿試驗研究，制作一段匝間絕緣結構就能滿足要求，本文針對這種試驗模型進行了設計。 試樣材料選用較主流廠商(北京電力設備總廠)繞制干式空心電抗器所用膜包圓鋁導線，參考干式空心電抗器制造規(guī)范，選用了三種常用絕緣導線制作匝間線圈模型[20-21]。鋁線的外絕緣為 2/3 疊繞，具體型號及其結構如表 2-1 所示：從工廠用大捆鋁線上剪下長度相等的若干段鋁線，取兩根相同長度(420mm) 直導線構成相鄰匝，兩個線匝在中部有一段緊貼的部分(長度200mm)，這與實際干式空心電抗器中匝間絕緣情況基本一致[22]。首先利用成型模板使鋁線兩端成 30 度角相背彎曲并行，同時用絕緣扎帶緊固線匝，并在導線彎曲處用絕緣膠帶緊緊纏繞，加強彎曲處絕緣（彎曲處曲率半徑較小、且可能產生微小氣隙，因此防止在尺寸擊穿，影響數(shù)據準確性）。樣品幾何尺寸如圖 2-1 所示。 按照絕緣薄膜 50k V/mm 擊穿場強及均勻電場核算，參照表 2-1 中的絕緣厚度，三種絕緣導線做成的匝間絕緣樣品擊穿電壓峰值分別為 21.2k V、21.2k V 和 29.7k V，最高試驗電壓接近 30k V。為了防止線匝樣品的端部發(fā)生異常放電，每根導線的端部采用直徑為 25mm 的銅棒均勻電場。每 5 個試樣樣品并聯(lián)為一組，間隔 50mm，導線端部分別嵌于對應銅棒通孔處并用內頂絲夾緊。銅棒兩端通過聚四氟絕緣板固定，起支撐和絕緣作用，同時也為后續(xù)的老化試驗奠定基礎。銅棒分別與高壓電極和接地電極相連接，兩端又設計加工了防電暈球，放置在銅棒端部，同時起到均勻電場和緊固作用。匝間絕緣樣品實物照片如圖 2-3 所示，其中近端銅棒為高壓電極，連接樣品的一根絕緣導線，遠端兩根銅棒為地電極，連接樣品的另一跟導線。
...........

2.2 高頻脈沖振蕩試驗設備研制

對于 35k V 電壓等級及以下的干式空心電抗器，國際標準 IEC60076-6-2007、國家標準 GB1094.6-2011、行業(yè)標準 JB/T5346-1998 都容許采用高頻脈沖振蕩電壓試驗取代感應電壓試驗和雷電沖擊試驗。國家標準 GB1094.6-2011《電力變壓器 第 6 部分：電抗器》規(guī)定的干式空心電抗器匝間過電壓原理圖如下圖 2-5 所示。在試驗時，首先利用直流源對充電電容充電，當電壓達到一定值時，球隙擊穿放電，此時在電容與試品線圈形成一定頻率的阻尼振蕩，當振蕩放電電流衰減到零，電弧熄滅，電容又再次重新充電，達到一定電壓時球隙擊穿放電，過程不斷重復[26-28]。國家標準要求試驗持續(xù)時間為 1min，每次放電的初始峰值應為 2 倍(戶內設備)或 233.1倍(戶外設備)GB1094.3 中表 2 和表 3 給出的額定短時感應或外施耐壓試驗電壓(r.m.s)。響應頻率是繞組電感和充電電容的函數(shù)，一般在 100k Hz 及以下，應包含不少于 3000 個要求幅值的過電壓。試驗電壓波前包含多個高頻振蕩，波前時間遠遠小于雷電沖擊的波前時間[29-31]。 評判繞組匝間絕緣是否完好的常用方法是波形比較法。在電抗器的兩端分別施加兩次電壓，一次是標定電壓，一次是試驗電壓，比較兩次所加電壓得出總電壓波形或總電流波形，通過觀測過零點的變化和衰減速度的快慢來判斷絕緣是否完好。若電抗器有匝間短路的故障發(fā)生，在試驗時也會伴隨著刺激性氣味、噪音、煙霧或者火花放電等等現(xiàn)象，以上這些也都可以作為判斷匝間絕緣是否完好的依據[32-33]。 

..........

第 3 章  熱老化匝間絕緣的擊穿特性 ...... 20 
3.1 熱老化試驗方案 ...... 20 
3.1.1 熱老化試驗原理 ....... 20 
3.1.2 匝間絕緣樣品熱老化方法 ....... 22 
3.2 電壓施加方法 .......... 23 
3.3 試驗結果及分析 ...... 24 
3.4 本章小結 .......... 29 
第 4 章  開裂缺陷匝間絕緣的擊穿特性 .......... 30 
4.1 開裂缺陷的模擬 ...... 30 
4.2 擊穿電壓試驗結果 .......... 31 
4.2.1 氣隙缺陷樣品試驗結果 ........... 31 
4.2.2 絕緣破損缺陷樣品試驗結果 ........... 33 
4.3 破損絕緣壽命評定 .......... 33 
4.3.1 試驗方法 ........... 33 
4.3.2 試驗結果 ........... 34 
4.3.3 結果分析方法 ........... 35 
4.3.4 壽命曲線 ........... 38 
4.4 開裂絕緣擊穿特性的討論 ...... 40 
4.5 本章小結 .......... 42 

第 4 章  開裂缺陷匝間絕緣的擊穿特性 

4.1 開裂缺陷的模擬 
開裂是干式空心電抗器常見的一種故障形式，有必要針對這一缺陷對匝間絕緣性能的影響進行評估。開裂產生的主要原因是運輸和安裝過程外部應力作用以及運行過程內部應力的作用。運行過程中內部應力主要包括電抗器溫度變化造成熱脹冷縮形成的伸縮力，以及電動力，尤其是投切過程形成的暫態(tài)電動力。匝間開裂后，匝間絕緣電壓分布會產生變化，氣隙處會出現(xiàn)強電場。而且，開裂電抗器容易受到潮氣、雨水和臟污的侵襲，進一步造成匝間絕緣性能下降。一臺開裂的串聯(lián)電抗器照片如圖 4-1 所示。不嚴重的匝間絕緣開裂是在兩線匝間構成縫隙，如果開裂造成包繞在鋁導線的匝間絕緣破裂，會形成嚴重的開裂缺陷。本文通過人為模擬的方式制作了匝間絕緣缺陷。 固化前，樣品匝間放置固定厚度的插板，插板兩端用扎帶勒緊，形成絕緣導線微變形，升溫固化一小時后撤除插板，此時，環(huán)氧膠液凝固，形成匝間氣隙缺陷，繼續(xù)升溫完成固化。這種氣隙成楔形，最大間距分別為 0.5mm、1mm、1.5mm、2mm，實物如圖 4-2 所示。 固化前，用壁紙刀破壞一根絕緣導體的匝間絕緣薄膜。制作樣品時，被破壞處正對另一根絕緣，從而形成單側破損匝間絕緣。用小刀破壞兩根導體的匝間絕緣，制作樣品時兩處破損絕緣相鄰，形成雙側破損匝間絕緣。單側破損匝間絕緣實物如圖 4-3 所示。 
..........

結論 

本文設計了匝間絕緣模型，組建了脈沖振蕩高壓試驗設備，對不同絕緣類型、不同老化程度和不同開裂程度匝間絕緣進行了擊穿電壓試驗研究，同時監(jiān)測了局部放電電壓水平，掃描了表面形貌和開裂絕緣壽命評定，得到以下結論： 
1．本文設計的試驗電路合理，搭建的試驗平臺勝任試驗研究工作。 
2．熱老化迅速降低聚丙烯薄膜的絕緣特性，造成匝間絕緣擊穿電壓迅速降低。對聚脂薄膜和聚酰亞胺薄膜的影響較小，擊穿電壓基本不隨老化時間變化。干式空心電抗器中杜絕使用聚丙烯薄膜。 
3．開裂絕緣的擊穿電壓迅速下降，電場強度越高越嚴重。電抗器運行過程應該完善工藝，避免開裂發(fā)生，適當增加絕緣厚度也可以降低氣隙的電場強度。運行過程應該避免出現(xiàn)高幅值過電壓。 
4．綜合局部放電監(jiān)測結果、絕緣表面形貌和壽命評估結果，匝間絕緣擊穿是局部放電產生、發(fā)展一直到擊穿的過程。有必要改善絕緣工藝，減小局部放電量。  
.........
參考文獻(略)

本文編號：106434