1、本科毕业论文（20 届）复合电场下换流变压器油流带电的测量所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文-I-复合电场作用下换流变压器油流带电的测量摘要特高压直流输电因其特有的优点而得到了广泛的应用，换流变压器作为特高压直流输电的核心设备，其稳定性影响了整个直流输电系统的安全可靠。相对于普通的电力变压器，换流变压器的工作状况更为复杂，除了要承受交流电压、操作过电压以及雷电冲击过电压以外，还要承受直流电压、交直流叠加电压和极性反转电压的作用。在这些电压的作用下，换流变压器内部电场分布、绝缘材料击穿特性、空间电荷的积累与分布、绝
2、缘油油流带电都与普通的电力变压器存在很大的差异，并导致换流变压器的异常放电和击穿。本文主要针对换流变压器内部油流带电问题进行了相关实验研究，主要研究内容包括: 对实验采用的两种电极内部的绝缘油流动情况进行了仿真，得到了实验电极内部的绝缘油流动速度矢量分布情况；对交直流实验电路的输出电压进行了仿真，得到输出电压的波形；研究了直流情况下绝缘油流速、温度、电场幅值以及介质损耗因数对油流带电的影响以及不同直流分量下交直流叠加电压对油流带电的影响；最后研究了极性反转电压情况下绝缘油流速、电场幅值改变对冲流电流的影响。该研究获得的数据和规律可为换流变压器绝缘的设计，高压直流输电设备制造和实验以及电网的安全
3、运行提供指导和参考。关键词 油流带电；换流变压器；交直流叠加电压；油纸绝缘哈尔滨理工大学学士学位论文-II-The Measurement of Oil-flow Electrification under The Superimposed AC- DC Voltage in The Converter TransformerAbstractUHVDC transmission is widely used because of its unique advantages. Converter transformer, as the core equipment of HVDC transmi
4、ssion, Its reliability directly affect the safe operation of the whole system. Relative to the power transformer, 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 D
5、C voltage, superimposed AC-DC voltage and polarity reversal voltage. Under the influence of these voltages, there are considerable differences in the characteristics of electric field between a converter transformer and a power transformer in inner electric fields distribution, breakdown characteris
6、tics of insulation material, space charges accumulation and distribution, oil-flow electrification. All of these may cause abnormal discharge and breakdown of the converter transformer.This article mainly do some research on the oil-flow electrification characteristics and breakdown characteristics
7、of converter transformer, According to the 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 another simulation is done and the res
8、ult is obtained. Moreover, this paper have a study on the influence factor of the oil-flow electrification，such as oil flow velocity, temperature, field amplitude and dielectric dissipation factor. Put out the accumulation factors and the regulations of its changes. Finally, the different dc compone
9、nt of superimposed 哈尔滨理工大学学士学位论文-III-AC-DC voltage have influence on the oil-flow electrification is turn out. And summarize the regulations. Finally, the article have a research on how the insulation oil flow velocity、electric field amplitude influence the current of oil.The study can be referred t
10、o the insulation design of converter transformer and the HVDC apparatus testing.Keywords oil-flow electrification; converter transformer; superimposedAC- DC voltage; oil-paper combination insulation;哈尔滨理工大学学士学位论文-IV-目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 油流带电机理 .31.3 国内外关于变压器油流带电的研究情况 .41.4 本课题
11、研究内容 .6第 2 章 实验电极及油流分布仿真 .72.1 圆柱电极与仿真结果 .72.1.1 圆柱电极模型 .72.1.2 仿真及结果分析 .82.2 板式电极与仿真结果 .122.2.1 平板式电极模型 .122.2.2 仿真及结果分析 .132.2.3 板式电极改进 .202.3 本章小结 .21第 3 章 油流带电试验系统 .223.1 油流带电试验平台 .223.1.1 缓冲罐 .233.1.2 制冷设备 .233.1.3 加热设备 .243.1.4 滤油设备 .243.1.5 松弛箱 .243.1.6 电荷测量箱 .253.2 试验用高压电源 .253.3 交直流叠加试验电路及电
12、路可实现性仿真 .25第 4 章 油流带电试验及结果分析 .304.1 正、负极性直流电压作用下的油流带电 .304.2 交、直流电场叠加实验 .344.3 极性反转下油流带电实验 .384.3.1 冲流电流值与电压幅值关系 .384.3.2. 冲流电流值与流速的关系 .40结论 .42哈尔滨理工大学学士学位论文-V-致谢 .44参考文献 .45附录 1 英文翻译 .47附录 2 英文原文 .52哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景众所周知，变压器油在变压器油箱中起着良好的绝缘和散热作用。在低压变压器中，变压器的冷却是靠油层上下的温差形成的对流效果，将热量带给散
13、热器，再靠空气把器壁的热量带到大气中，从而使变压器的油温维持在一定的额定值。此时由于变压器油流速度较低，不存在油流带电的现象。但是，随着超高压、大容量变压器产品的制造和应用，以及实现变压器体积小型化的要求，在变压器的绝缘结构、冷却条件、防潮管理等方面相应引进并采取了一些新的技术措施，从而使变压器油流带电现象日趋明显化。由于大容量变压器电压等级和的损耗较高，自然冷却已不能满足散热要求，因此对强迫油循环冷却的使用越来越多，要求也越来越高。高强度的绝缘油在干燥的油道中循环流动时，其流速比自然循环时高很多。在强迫油循环冷却的变压器中, 变压器油起着充当冷却介质和绝缘介质的双重作用。随着变压器的电压等级
14、和容量的提高, 绝缘结构愈趋紧凑化, 介质绝缘性能普遍提高, 油流速度亦在增加, 其副作用是加剧了油与固体绝缘表面的电荷分离, 并且削弱了油中游离电荷的泄放能力, 使得绝缘油流过油道时，就会在油纸界面上产生电荷，进而形成油道中局部电荷的积累，即出现有油流带电现象。这种积累达到一定程度，在油中产生悬浮云状的直流势差，将产生闪络放电，从而破坏油道的绝缘性能，降低绝缘结构的绝缘强度，从而使超高压变压器油流带电问题成为影响电网安全、稳定运行的关键因素之一。自 1978 年的国际大电网会议 (CIGRE) 上, 日本的T.Takagi 等人提出油流带电问题已成为 500kV 大容量变压器安全运行的威胁因
15、素以来，这个问题已引起了各国电力部门和变压器行业的广泛关注1。其后，日本、美国、法国、瑞典和英国等很多国家投入了大量的人力、物力进行这方面的研究，并取得了不少成果，特别是提出了许多计算变压器绝缘结构中油流带电量的模型，借助这些模型可预测变压器中油流带电的严重部位及其严重程度，为改进变压器的绝缘结构，减轻或避免油流带电造成的危害提供理论指导。并且系统研究了流速、温度、湿度、交直流电场和绝缘结构表面状态等主要因素对油流带电的影响，研制开发了众多用于静电特性分析的实验装置，如小型静电电荷测试仪、库特电荷发生器和绝对电荷密度传感器等，全尺寸模型变压器上油流带电的实验研究和理论计算也已展开 2-5。然而
16、，由于变压器油道结构复杂，各影响因素的随机性强且相互作用，油流带电造成变压器运行失败的真正原因迄今仍未被充哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -分认识。超高压直流输电因为其特有的优点而成为了各国家研究的热点，尤其我国超高压直流输电由于其特有的优点，越来越广泛的得到应用。这些优点包括：不须考虑稳定问题；线路故障恢复能力较强；调节作用利于交流系统的稳定；减少互联交流系统的短路容量；超过一定距离建设投资更经济等。换流变压器是直流输电系统中必不可少的重要设备 1。作为直流输电的重要设备，其工况特殊。换流变压器的阀侧绕组耐受的电压并不是单独的交流，还有直流电压分量的作用，所以换流变压器绕组承受的是直流叠加
17、交流复合电场的作用。换流变压器和普通电力变压器虽有不同，但内部绝缘设计仍借鉴了电力变压器，采用油纸复合绝缘结构。换流变压器运行时承受交流叠加直流电压，工作时承受交直流叠加电场在交流电压作用下电场呈容性分布，场强与材料的介电常数成反比。由于变压器油的介电常数约为绝缘纸板的一半，所以变压器油承担的场强大于绝缘纸板承担的场强，大部分交流电压由变压器油承受，绝缘纸板主要是分割和支撑变压器油道 6。在直流电压分量作用时，电场与材料的电导率成反比，在绝缘中呈阻性分布。电压加载时间、电场强度、温度及湿度均会对材料的电导率造成影响，通常绝缘纸板与变压器油的电导率之比大概是1:101:500，电压绝大部分由绝缘
18、纸板承受。在整流站，用换流变压器将交流系统和直流系统隔离，通过换流装置将交流网络的电能转换为高压直流电能，利用高压直流输电线路传输；在逆变站，通过换流装置将直流电能转换为交流电能，再通过换流变压器送到交流电网，从而实现交流输电网络与高压直流输电网络的联络 7。它可以提供相位差 30的 12 脉波交流电压，降低交流侧谐波电流；作为交流系统和直流系统的电气隔离， 提供阀的换相电抗；通过换流变压器可以在较大范围内调节交流电压， 以使直流系统运行在最优的状态等。换流变压器的投资在换流站中占有很大的比例，换流变压器的可靠安全运行是直流输电系统可靠安全运行的基础。因此对换流变压器提供完善的保护功能对直流输
19、电系统的安全稳定可靠运行显得尤为重要。鉴于高压、特高压直流工程的输送功率相对较大，换流变压器与普通电力变压器相比，绝缘结构更加紧凑、复杂。对于换流变压器，由于其工况的特殊性，油流带电情况更为严重。这是因为直流电场会加剧油流带电，而换流变压器运行时耐受的电压含有直流分量，造成换流变压器的油流带电情况比普通变压器要严重。这样油流带电造成绝缘纸板上堆积了比普通变压器上更多的负电荷，产生的直流电场更强，当极性反转时会与翻转后的外加电场叠加，使得油中场强增加有可能会超过其击穿场强，发生击穿事故，造成严重损失。我国现有换流变压器的制造中大多数采用了 ABB 或 SIEMENS 公司的技术，其中 ABB 公
20、司的技术中多采用强迫油循环风冷(oil force air flow，OFAF)的冷却方式；而 SIEMENS 公司的技术中常以强迫导向油循环风冷(oil direction air flow，ODAF)作为其哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -冷却方式，油流带电问题相对突出。虽然目前国内的换流变压器尚未有因油流带电引发的绝缘损坏事故，但随着特高压直流工程的建设和运行，工程用换流变压器的运行条件更为苛刻，为确保其供电可靠性，必须及时、深入地开展换流变压器油流带电问题的理论和试验研究，以使在换流变压器的设计、制造、操作、运行和维护中针对如何减少或预防油流带电问题提供必要的参考依据。1.2 油流带
21、电机理当变压器油静止时，绝缘油与固体绝缘材料接触，由于固体绝缘材料表面存在空隙，对电荷有一定的吸附作用，由于固体绝缘材料不同则吸附的电荷极性也不相同，在变压器中的中性分子会因为这种吸附作用而发生电荷转移，固体绝缘材料所容易吸附的电荷排列在固体绝缘材料的表面，因为电荷转移而产生的极性相反的电荷排列在外，形成双电层（偶电层） 。此时，绝缘油仍显电中性。当绝缘油流动，油流动时产生的剪切力大于中性分子的化学键能时，将导致双电层分离，双电层外层电荷随绝缘油的流动而发生运动，形成冲流电流，即油流带电。电荷会随着绝缘油的流动而运动到变压器的各个部分。油中电荷可能部分积聚形成电位大于绝缘油的击穿场强时，会导致
22、局部放电的产生，局部放电产生的气体进一步电离加强局部放电的产生。而固体表面的电荷则吸附在固相表面，如果固体表面对地绝缘则会形成对地电位，固体绝缘如果接地，则会形成泄露电流。而现在我们所采用的变压器多以绝缘纸作为固体绝缘起到绝缘与支撑的作用。变压器绝缘纸中含有纤维素和木质素，它们都带有羟基(OH)。此外，木质素还带有醛基(COH)和羧基(COOH) 。氧原子具有大的电负性，吸引与其结合的氢原子中的电子，使氢原子带正电。这样，当绝缘油与绝缘纸相接触时，绝缘纸表面的正电荷就吸引油中的负电荷。在表面形成固定层，而油中的负离子被固定层吸引。靠近负电荷层形成一层称为附着层的正电荷层。这种由固定层和附着层形
23、成的偶电层结构（见图 1a） 。当油开始流动时，构成附着层的离子被油流带走，形成冲流电流。这样，偶电层中正负电荷失去平衡。即正负电荷由相互吸引状态变成分离状态(见图 lb)。在这种状况下，附着在管壁的离子由于失去了构成附着层的离子的吸引而从束缚态变成自由态。若管壁对地不绝缘则管壁上的电荷将向地流动。形成所谓的泄漏电流；若对地绝缘，管壁上的电荷逐渐积累，形成对地电位，称为表面电位 8。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -（a） 油静止 (b) 油流动图 1-1 绝缘油流动对偶电层离子作用 1.3 国内外关于变压器油流带电的研究情况油流带电理论方面的研究最早是在石化及燃料工业领域开展起来的。20
24、世纪 50 60 年代，Cooper、Klinkenberg 及 Koszman & Gavis 等对工业管道中的油流起电进行了初步探讨 9-10。从 70 年代后期至今，美国、日本、法国、瑞典、波兰等很多国家对变压器中的油流带电问题进行了大量的研究工作，并取得了初步成果，日本的东芝、三菱等厂家利用各种模型，包括多台实尺寸超高压变压器模型，从实际测量、理论分析、材料选择和静电抑制等方面分别进行了有重点的实验研究。研究课题包括：测定变压器油流速、油流量与静电带电的关系；固体绝缘表面平整度对带电量的影响；变压器油经过过滤、加热、脱气并注入变压器的工艺过程对油流带电的影响，以及变压器的电气性能参数对
25、油流带电的影响等 11-12。美国、法国等国对反映变压器油在给定条件下产生静电带电能力即变压器油的静电带电趋势进行了深入的研究。研究项目包括：新旧变压器油的电荷密度的测定；电荷密度与油温度、光线照射、微量杂质的关系等。波兰等国对油流带电与油老化指标之间的关系进行了一些研究工作。伦塞勒工学院( Rensselaer Polytechnic Institute, RPI) 的NelsonJ. K 等人侧重于通过实验分析绝缘材料、变压器内部结构及其尺寸等对油流带电的影响，认为同等外部条件下壳式变压器比芯式变压器油流带电更为严重，油纸绝缘界面的电荷沉积、油中电荷的积累以及油的流动均可导致绝缘结构的电场畸变，并可使绝缘的击穿电场强度降低 10-13。麻省理工学院( Massachusetts Institute o f Technology, MIT)的 Zahn M. 等人偏重于用薄纸管模型和富有特色的库特荷电器(Couette Charger) 模拟和分析油流带电的物化过程 14-16。近年来，随着我国投运的 500kV 电力变压器数量的增加、国产设备实
