强电-热耦合应力下高频变压器绝缘局部放电特性与损伤机理研究

摘要

高频变压器作为一种高度可控的新型智能输变电设备，在未来输电领域尤其是柔性直流输电方面具有广阔的应用前景。但由于高频变压器复杂苛刻的运行工况，其聚酰亚胺(Polyimide，PI)绝缘在长期强电-热耦合应力作用下容易产生放电、过热等缺陷以致绝缘失效，严重威胁其运行可靠性。在目前已有的研究中，关于强电-热耦合应力对高频绝缘局部放电特性影响及绝缘损伤微观机理尚不明晰。因此有必要根据高频变压器的实际运行工况，研究高频正弦电压下PI绝缘的局部放电特性及热应力下的微观裂解机理，揭示强电-热耦合应力对高频绝缘特性的作用机制。
　　本文建立了用于模拟频变电-热复合应力的高频电压下电热联合实验平台。采用宽带脉冲电流传感器进行泄漏电流测量，基于LabView平台的局部放电数据采集系统控制示波器将所测数据实时传递到计算机进行存储。采用小波阈值滤波法和相位开窗取点法提取局部放电信号，引入平均放电次数、平均放电幅值及ψ-q-n放电密度谱图表征高频电压下的局部放电特性。
　　利用所建实验平台研究了不同频率和温度下的局部放电特性，通过对不同工况下放电数据与放电形态进行统计分析，发现在高频正弦电压下，局部放电主要发生在正/负半周的快速上升/下降沿处，波形峰值处只有少量放电，而其它相位基本没有放电产生;当温度一定时，在10kHz-40kHz频率范围内，随着频率的升高，平均放电次数、平均放电幅值和最大放电幅值均呈下降趋势;当频率一定时，在30℃-160℃温度范围内，随着温度的升高，平均放电次数、平均放电幅值均呈增加趋势，且温度对高频下局部放电特征量的影响程度大于低频;频率主要通过改变空气间隙中的残余电压来影响局部放电参量;温度则通过改变初始热电子发射概率和空间电荷的耗散行为来影响局部放电特性。
　　本文还引入基于ReaxFF(Reactive force field)的反应分子动力学仿真手段，研究了高频致热效应对PI绝缘裂解过程的微观作用机制。发现PI分子初始断键类型均为酰亚胺环上C-N键，而连接两苯环的C-N键断裂是PI分子主链断裂的主要原因;CO2和CN是PI高温裂解的主要产物，同时也会生成H2O、CO、H2等小分子产物;CO2的产生需要酰亚胺环中的1个C-N键断裂，且(-CFO)-O-C-）结构有助于CO2的生成;CN的形成则需要酰亚胺环中2个C-N键接连断裂及苯环发生脱碳反应。通过上述分析，本文从原子层面揭示了PI绝缘在高频致热作用下的劣化损伤机理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 高频绝缘局部放电特性方面

1．2．2 高频绝缘微观损伤机理方面

1．3 本文主要研究内容

第2章 强电-热耦合应力下局部放电测量系统

2．1 电热联合实验平台

2．2 放电数据采集和提取方法

2．2．1 放电数据采集

2．2．2 小波阈值去噪

2．2．3 相位开窗取点

2．3 局部放电特性表征方法

2．4 本章小结

第3章 强电-热耦合应力下高频绝缘的局部放电特性

3．1 实验方案

3．2 不同电-热耦合应力下的局部放电特性

3．2．1 频率对局部放电特性的影响

3．2．2 温度对局部放电特性的影响

3．3 频率与温度对局部放电特性的影响机理

3．3．1 频率对局部放电特性的影响机理

3．3．2 温度对局部放电特性的影响机理

3．4 强电-热耦合应力对绝缘表面微观形貌的影响

3．4．1 温度对表面形貌的影响

3．4．2 击穿点的表面形貌

3．5 本章小结

第4章 高频绝缘热裂解过程的反应分子动力学模拟

4．1 仿真体系的构建与参数优化

4．1．1 ReaxFF反应力场

4．1．2 PI分子仿真模型构建

4．1．3 PI裂解模拟细节

4．2 高频绝缘劣化过程

4．2．1 高频绝缘初始裂解规律

4．2．2 高频绝缘裂解产物规律

4．3 高频绝缘主要产物生成路径

4．4 聚酰亚胺裂解的动力学分析

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢