油纸绝缘白斑的生长与局部放电特性研究

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电力变压器是电网中的关键设备,其可靠运行与电力系统的安全密切相关。作为大型电力变压器的主绝缘材料,油纸绝缘的电气性能关系着设备的安全运行。“白斑”是放电在纸板表面形成的一种特殊的白色损伤痕迹,本质是较大的放电能量或高温导致的气体产生与膨胀,并在纸板孔隙内形成的气体通道。虽然都是放电损伤痕迹,且均会造成绝缘性能的下降,但白斑与常见的黑色碳化痕迹最大区别在于,由于绝缘油的重新浸渍,白斑损伤痕迹具有自恢复性,其形貌会在一定时间后逐渐消失,即使通过吊罩检修也难以准确探查到。因此,有必要研究白斑生长的影响因素和形貌变化规律,以及局部放电特征参量与白斑生长状态的相关关系,从而探索能够有效预警白斑缺陷的手段和方法。本文首先在实验室中通过放电损伤试验,模拟了油纸绝缘白斑的生成过程,获取了不同形貌白斑的样品,并通过研究白斑形貌图像的数字化方法,实现了白斑状态和发展规律的量化表达,研究了纸板水分含量和电场强度等因素对白斑的引发、生长和消失特性的影响规律,以及白斑产生前后油纸绝缘的电气性能的变化;随后,通过研究白斑演化过程中局部放电特性及特征参量的变化规律,分析了放电机理及不同生长类型出现的原因,探索了能够表征白斑的引发和发展程度的特征量;最后,通过局放特征量对白斑的生长状态评估方法进行了探索。取得的主要研究结论如下:(1)研究得到了白斑生长形貌的量化发展规律与水分、场强等因素对白斑的影响规律。结果表明:纸板水分含量越高,白斑的引发电压越低;纸板含水量为1%与2%时白斑的生长面积与速度较大,白斑在高场强下生长速度较快。白斑的产生会降低纸板的工频击穿强度。白斑形成后若停止加压,虽然其会由于绝缘油重新浸渍而逐渐消失,但纸板的绝缘性能短时间内无法完全恢复。(2)对比了不同类型白斑的局放特性的差异和产生原因,研究得到了表征白斑生长过程的特征量。结果表明:白斑生长过程主要分为两类,放电形貌与局放特性一一对应,类型I白斑的放电特性依次呈现为高能量密集放电、低能量放电、小幅值密集放电,类型II白斑依次呈现为高能量放电、低能量稀疏放电。针尖最大场强Emax是否达到阈值是白斑能否持续发展的关键,也是导致生长类型不同的原因。两种白斑生长类型中放电重复率N的差异较大,且能较好地表征白斑发展严重程度,放电功率P与白斑面积S具有较好的相关性。白斑的引发标志是平均视在放电量Qave、最大视在放电量Qmax、放电重复率N、放电功率P、正负脉冲数之比r和累积放电能量E出现不同程度的突变。(3)根据局部放电特征量,探索得到了白斑生长状态的评估方法。结果表明:以平均视在放电量Qave、最大视在放电量Qmax、放电重复率N、放电功率P、正负脉冲数之比r和累积放电能量E为特征量,使用层次聚类法和K均值聚类法验证了阶段划分方式的合理性,使用分类学习器实现了对白斑生长状态的准确识别,使用人工神经网络实现了对白斑生长面积的准确估计。
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