基于电介质响应法的油纸绝缘微水扩散特性研究

摘要

变压器是电力系统的核心设备，其内绝缘主要由油纸复合电介质组成，油纸绝缘的水分含量、老化状态将严重影响变压器的使用寿命。
　　本文采用物理模型构建、理论分析、实验验证研究了水分在油纸绝缘中的扩散特性、影响因素及其介电响应，对于理解水分在油纸绝缘中的扩散过程及电介质响应法在评估变压器油纸绝缘水分含量的应用有重要意义。
　　研究了油纸绝缘介电响应特性的物理过程。建立了油纸绝缘微观偶极子团、偶极子团簇介观物理模型，引入随机统计模型解释其介电弛豫过程，得到了关于油纸绝缘弛豫随机等待时间及其弛豫率的等价弛豫函数。根据概率论极限理论和条件期望建立了油纸绝缘物理模型，该模型服从lévy分布和广义正弦分布的组合概率分布，推导得到普适的HN经验方程。根据油纸绝缘复合电介质弛豫随机等待时间和弛豫率的概率分布，可以从HN经验方程得到油纸绝缘复合电介质弛豫率的概率密度函数的解析表达式。
　　将HN介电弛豫模型用于研究油纸绝缘频域介电谱特性，定量分析了水分含量、温度及绝缘纸聚合度对油纸绝缘频域介电谱的影响。采用复分析理论和几何方法得到了HN介电弛豫模型实部、虚部与其模型参数的解析式。分别测试了五组不同水分含量、温度及聚合度油纸绝缘试样的频域介电谱，采用HN介电弛豫模型对介电频谱进行了计算拟合，并分析了水分含量、温度及聚合度对HN介电弛豫模型参数的影响。结果表明:弛豫时间常数与水分含量、温度、聚合度分别满足对数线性关系、Arrhenius方程及线性关系;高频介电常数及其与静态介电常数之差随着水分含量、温度、聚合度的增加而增大;形状参数β随着水分、温度的增加而增大，随着聚合度增大而下将;形状参数α的值均落于0.7-0.9之间。
　　研究了绝缘纸聚合度对油纸绝缘水分平衡的影响。试验测试了绝缘纸在空气中、油纸绝缘体系中水分平衡过程。
　　结果表明，相同空气湿度下，绝缘纸聚合度越低，其吸附的水分含量越高;油纸绝缘中，绝缘油中水分含量相同时，绝缘纸聚合度越低，水分向绝缘纸中迁移速率越快，其稳态水分含量越低。绝缘纸老化所发生纤维素微观特性的变化表明空气中老化绝缘纸无定形区增大，聚合度降低，附着在绝缘纸孔隙中的亲水性杂质导致其吸水性增加;油纸绝缘中，老化绝缘纸的无定形区孔隙、纤维素内的孔隙由于绝缘油分子的进入导致间接吸附水的减少，亲水性杂质溶解于油中，比表面积的下降导致亲水基团的减少使得吸附水分的含量降低。最后，实验所得曲线与类Oommen曲线类比，聚合度对油纸绝缘水分平衡的影响可以认为在横坐标方向对类Oommen曲线的平移。
　　研究了水分在不均匀老化油纸绝缘扩散至稳态时的频域介电谱。采用分布阻抗的方法建立了油纸绝缘频域介电模型;测试了不同聚合度绝缘纸含有相同水分含量及不同稳态水分含量的频域介电谱，测试结果表明:复介电常数实部、虚部及介质损耗随水分含量的增大而增大，随聚合度下降而增大;并且，通过对比分析绝缘纸中水分含量对频域介电谱的影响要远远大于聚合度对频域介电谱的影响。测试了由5种含有不同稳态水分含量的不同聚合度绝缘纸叠加试样的频域介电谱，并根据分布阻抗介电模型计算了该试样的频域介电谱，测试结果与计算结果除在低频区有较小误差外，其余频段基本吻合，表明分布阻抗介电模型有效。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 变压器在电力系统及牵引供电系统中的服役现状

1．2 变压器油纸绝缘老化因素及现行诊断方法

1．3 电介质响应法国内外研究现状

1．3．1 水分对油纸绝缘介电响应的影响及基于介电响应的水分评估

1．3．2 老化对油纸绝缘介电响应的影响及基于介电响应的老化评估

1．3．3 介电响应测试方法改进、影响因素及误差修正

1．4 介电响应理论研究进展及数值模型改进

1．4．1 介电响应理论简介及研究进展

1．4．2 介电响应数值模型简介

1．5 论文主要研究内容

第2章 基于随机统计理论的油纸绝缘HN弛豫方程研究

2．1 油纸绝缘介电弛豫物理模型

2．2 概率论极限理论

2．3 弛豫率的概率表示

2．4 本章小结

第3章 基于HN介电弛豫模的油纸绝缘状态评估

3．1 HN介电弛豫模型分析

3．2 老化试验

3．3 试验结果分析

3．3．1 水分含量对油纸绝缘频域介电谱的影响

3．3．2 温度对油纸绝缘频域介电谱的影响

3．3．3 绝缘纸聚合度对油纸绝缘频域介电谱的影响

3．4 试验条件对HN介电弛豫模型参数影响

3．4．1 试验条件对弛豫时间常数τ的影响

3．4．2 试验条件对和对εs-ε∞和ε∞影响

3．4．3 试验条件对形状参数α，β的影响

3．4．4 对HN介电弛豫模型的进一步讨论

3．5 本章小结

第4章 纤维素老化对油纸绝缘水分扩散特性的影响机理

4．1 试验

4．1．1 试验材料预处理

4．1．2 油纸水分含量测定

4．2 试验结果分析

4．2．1 未浸油绝缘纸中水分含量分析

4．2．2 绝缘纸中水分含量暂态曲线

4．2．3 油纸水分平衡稳态曲线

4．3 讨论

4．3．1 纤维材料的吸湿机理

4．3．2 实验结果的讨论

4．3．3 与类Oommen曲线的类比

4．4 本章小结

第5章 不均匀老化油纸绝缘稳态水分分布的频域介电谱

5．1 基于分布阻抗的油纸绝缘介电响应模型

5．2 离散式油纸绝缘不均匀老化试验

5．3 油纸绝缘不均匀老化及水分分布试验结果分析

5．4 不均匀老化油纸绝缘复介电常数的数值计算及试验验证

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果