第 1 章  緒論 

1.1  研究背景及目的意義
近年來(lái)，我國(guó)電力系統(tǒng)迅猛發(fā)展，電網(wǎng)容量也變的越來(lái)越大，電壓等級(jí)越來(lái)越高，電網(wǎng)裝機(jī)容量增大，造成了系統(tǒng)短路時(shí)電流增大，事故時(shí)電壓波動(dòng)大，功率因數(shù)偏低等；同時(shí)，由于輸電線路距離和等級(jí)的不斷提高，線路中常會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率增大，末端電壓升高及工頻過(guò)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(wèn)題[1-3]。 目前，國(guó)外生產(chǎn)干式空心電抗器的廠家有歐洲的 ABB、德國(guó)的 BLOCK、波蘭的 HMP-FALEDY 和加拿大的尼爾貝克等等。我國(guó)自 1980 年左右引入進(jìn)來(lái)，受到了電力系統(tǒng)的廣泛歡迎，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有思源電氣、北京電力設(shè)備總廠、上海晶鑫電工等等，但是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)加工工藝有待進(jìn)一步提高[4-5]。 干式空心電抗器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，一般采用無(wú)油結(jié)構(gòu)，杜絕了油浸電抗器漏油等缺點(diǎn)。無(wú)鐵芯，不存在磁飽和，因而電感值的線性度好。采用機(jī)械強(qiáng)度較高的鋁質(zhì)星形架來(lái)減小渦流損耗，且可滿足線圈分?jǐn)?shù)匝要求。所有的導(dǎo)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(yùn)行可靠性。采用多層繞組并聯(lián)的筒形結(jié)構(gòu)，所有包封在電氣上是并聯(lián)的，每個(gè)包封用浸有環(huán)氧樹脂的長(zhǎng)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(jīng)高溫固化后，整體性、機(jī)械強(qiáng)度和耐受短時(shí)電流的沖擊力均有所改善，，且滿足產(chǎn)品動(dòng)、熱穩(wěn)定的要求。各包封之間由聚酯引撥條支撐形成通風(fēng)氣道，使空氣對(duì)流形成自然冷卻，自然風(fēng)冷的散熱方式性能較好。每個(gè)包封中有若干個(gè)并聯(lián)連接的線圈，每層線圈又由單股或多股小截面圓導(dǎo)線平行繞制，導(dǎo)線通常是直徑為 2mm~4mm 的圓鋁導(dǎo)線或銅導(dǎo)線，可使渦流損耗和漏磁損耗明顯減少。每根導(dǎo)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(jìn)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(qiáng)度[6-7]。干式空心電抗器結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。 
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
吉林電力科學(xué)研究者敖明發(fā)表了關(guān)于《戶外干式空心電抗器表面樹枝狀放電試驗(yàn)的研究》，采用針板電極系統(tǒng)對(duì)環(huán)氧樹脂和玻璃絲纖維復(fù)合材料進(jìn)行了電熱老化擊穿試驗(yàn)，提出了環(huán)氧樹枝和玻璃絲復(fù)合材料的電擊穿機(jī)理，從而引申到電抗器表面樹枝狀放電研究。他通過(guò)對(duì) 2 個(gè)生產(chǎn)廠家根據(jù)各自的生產(chǎn)工藝和原材料制造的電抗器模型施加 12k V 的交流電壓，經(jīng)計(jì)算，相當(dāng)于匝電壓364V，此匝電壓相當(dāng)于產(chǎn)品工作電壓的 3-4 倍，自配電導(dǎo)率為 395 ??mm 污液，再按一定周期向模型噴射，為檢測(cè)每個(gè)過(guò)程的局部放電電壓，經(jīng)過(guò)噴射自配污液 2min，自然干燥 30min 一個(gè)周期后進(jìn)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(fù)合材料在局部放電下不斷破壞而產(chǎn)生擊穿通道，是電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用的結(jié)果，電應(yīng)力破壞是引起機(jī)械應(yīng)力破壞的前提，機(jī)械應(yīng)力又促進(jìn)電腐蝕的發(fā)展[15]。 倪雪峰等人對(duì)干式空心電抗器表面發(fā)電原因進(jìn)行了探究并提出了解決方法，總結(jié)出空心電抗器外絕緣主要存在 4 個(gè)方面的問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)制作、加工工藝、漏磁通及漏電起痕。他們當(dāng)時(shí)認(rèn)為局部過(guò)熱和絕緣氣泡等缺陷無(wú)從著手，所以僅僅對(duì)生產(chǎn)制造問(wèn)題提出解決方案，對(duì)微裂痕、粉化、裂化等現(xiàn)象處理后重新涂抹漆漬，對(duì)漏磁通消除彌合環(huán)路等。 2011 年法國(guó)北部里爾大學(xué) S.Savin 等人對(duì)雙股線圈匝間局部放電初始電壓進(jìn)行了研究，他們對(duì)線圈在 280℃下進(jìn)了持續(xù) 24 小時(shí)十個(gè)周期的加速熱老化后對(duì)絕緣性能進(jìn)行檢測(cè)，老化過(guò)程遵循阿列紐斯法則和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在每個(gè)老化周期后對(duì)線匝進(jìn)行局部放電試驗(yàn)。局部放電實(shí)驗(yàn)裝置包括電源電路、一個(gè)耦合電容、測(cè)試樣品和耦合裝置。通過(guò)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(guò)快速示波器直觀的檢測(cè)局部放電初始電壓值，另外用一個(gè)分流電阻測(cè)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]。 
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第 2 章  試驗(yàn)平臺(tái)組建 

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?br /> 匝間絕緣擊穿試驗(yàn)需要非常大的樣本個(gè)數(shù)，如果制作電抗器作為試樣，研究成本非常高。僅對(duì)匝間絕緣進(jìn)行擊穿試驗(yàn)研究，制作一段匝間絕緣結(jié)構(gòu)就能滿足要求，本文針對(duì)這種試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了設(shè)計(jì)。 試樣材料選用較主流廠商(北京電力設(shè)備總廠)繞制干式空心電抗器所用膜包圓鋁導(dǎo)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(dǎo)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(hào)及其結(jié)構(gòu)如表 2-1 所示：從工廠用大捆鋁線上剪下長(zhǎng)度相等的若干段鋁線，取兩根相同長(zhǎng)度(420mm) 直導(dǎo)線構(gòu)成相鄰匝，兩個(gè)線匝在中部有一段緊貼的部分(長(zhǎng)度200mm)，這與實(shí)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(shí)用絕緣扎帶緊固線匝，并在導(dǎo)線彎曲處用絕緣膠帶緊緊纏繞，加強(qiáng)彎曲處絕緣（彎曲處曲率半徑較小、且可能產(chǎn)生微小氣隙，因此防止在尺寸擊穿，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(chǎng)強(qiáng)及均勻電場(chǎng)核算，參照表 2-1 中的絕緣厚度，三種絕緣導(dǎo)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(yàn)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(dǎo)線的端部采用直徑為 25mm 的銅棒均勻電場(chǎng)。每 5 個(gè)試樣樣品并聯(lián)為一組，間隔 50mm，導(dǎo)線端部分別嵌于對(duì)應(yīng)銅棒通孔處并用內(nèi)頂絲夾緊。銅棒兩端通過(guò)聚四氟絕緣板固定，起支撐和絕緣作用，同時(shí)也為后續(xù)的老化試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。銅棒分別與高壓電極和接地電極相連接，兩端又設(shè)計(jì)加工了防電暈球，放置在銅棒端部，同時(shí)起到均勻電場(chǎng)和緊固作用。匝間絕緣樣品實(shí)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(dǎo)線，遠(yuǎn)端兩根銅棒為地電極，連接樣品的另一跟導(dǎo)線。
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2.2 高頻脈沖振蕩試驗(yàn)設(shè)備研制

對(duì)于 35k V 電壓等級(jí)及以下的干式空心電抗器，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC60076-6-2007、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1094.6-2011、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB/T5346-1998 都容許采用高頻脈沖振蕩電壓試驗(yàn)取代感應(yīng)電壓試驗(yàn)和雷電沖擊試驗(yàn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 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(guò)電壓原理圖如下圖 2-5 所示。在試驗(yàn)時(shí)，首先利用直流源對(duì)充電電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，球隙擊穿放電，此時(shí)在電容與試品線圈形成一定頻率的阻尼振蕩，當(dāng)振蕩放電電流衰減到零，電弧熄滅，電容又再次重新充電，達(dá)到一定電壓時(shí)球隙擊穿放電，過(guò)程不斷重復(fù)[26-28]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為 1min，每次放電的初始峰值應(yīng)為 2 倍(戶內(nèi)設(shè)備)或 233.1倍(戶外設(shè)備)GB1094.3 中表 2 和表 3 給出的額定短時(shí)感應(yīng)或外施耐壓試驗(yàn)電壓(r.m.s)。響應(yīng)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(yīng)包含不少于 3000 個(gè)要求幅值的過(guò)電壓。試驗(yàn)電壓波前包含多個(gè)高頻振蕩，波前時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷電沖擊的波前時(shí)間[29-31]。 評(píng)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(biāo)定電壓，一次是試驗(yàn)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(guò)觀測(cè)過(guò)零點(diǎn)的變化和衰減速度的快慢來(lái)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(yàn)時(shí)也會(huì)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(jù)[32-33]。 

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第 3 章  熱老化匝間絕緣的擊穿特性 ...... 20 
3.1 熱老化試驗(yàn)方案 ...... 20 
3.1.1 熱老化試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析 ...... 24 
3.4 本章小結(jié) .......... 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(yàn)結(jié)果 .......... 31 
4.2.1 氣隙缺陷樣品試驗(yàn)結(jié)果 ........... 31 
4.2.2 絕緣破損缺陷樣品試驗(yàn)結(jié)果 ........... 33 
4.3 破損絕緣壽命評(píng)定 .......... 33 
4.3.1 試驗(yàn)方法 ........... 33 
4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果 ........... 34 
4.3.3 結(jié)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(jié) .......... 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(duì)這一缺陷對(duì)匝間絕緣性能的影響進(jìn)行評(píng)估。開裂產(chǎn)生的主要原因是運(yùn)輸和安裝過(guò)程外部應(yīng)力作用以及運(yùn)行過(guò)程內(nèi)部應(yīng)力的作用。運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)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(dòng)力，尤其是投切過(guò)程形成的暫態(tài)電動(dòng)力。匝間開裂后，匝間絕緣電壓分布會(huì)產(chǎn)生變化，氣隙處會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)電場(chǎng)。而且，開裂電抗器容易受到潮氣、雨水和臟污的侵襲，進(jìn)一步造成匝間絕緣性能下降。一臺(tái)開裂的串聯(lián)電抗器照片如圖 4-1 所示。不嚴(yán)重的匝間絕緣開裂是在兩線匝間構(gòu)成縫隙，如果開裂造成包繞在鋁導(dǎo)線的匝間絕緣破裂，會(huì)形成嚴(yán)重的開裂缺陷。本文通過(guò)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(dǎo)線微變形，升溫固化一小時(shí)后撤除插板，此時(shí)，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(shí)物如圖 4-2 所示。 固化前，用壁紙刀破壞一根絕緣導(dǎo)體的匝間絕緣薄膜。制作樣品時(shí)，被破壞處正對(duì)另一根絕緣，從而形成單側(cè)破損匝間絕緣。用小刀破壞兩根導(dǎo)體的匝間絕緣，制作樣品時(shí)兩處破損絕緣相鄰，形成雙側(cè)破損匝間絕緣。單側(cè)破損匝間絕緣實(shí)物如圖 4-3 所示。 
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結(jié)論 

本文設(shè)計(jì)了匝間絕緣模型，組建了脈沖振蕩高壓試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)不同絕緣類型、不同老化程度和不同開裂程度匝間絕緣進(jìn)行了擊穿電壓試驗(yàn)研究，同時(shí)監(jiān)測(cè)了局部放電電壓水平，掃描了表面形貌和開裂絕緣壽命評(píng)定，得到以下結(jié)論： 
1．本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電路合理，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)勝任試驗(yàn)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(duì)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)度越高越嚴(yán)重。電抗器運(yùn)行過(guò)程應(yīng)該完善工藝，避免開裂發(fā)生，適當(dāng)增加絕緣厚度也可以降低氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)度。運(yùn)行過(guò)程應(yīng)該避免出現(xiàn)高幅值過(guò)電壓。 
4．綜合局部放電監(jiān)測(cè)結(jié)果、絕緣表面形貌和壽命評(píng)估結(jié)果，匝間絕緣擊穿是局部放電產(chǎn)生、發(fā)展一直到擊穿的過(guò)程。有必要改善絕緣工藝，減小局部放電量。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：106434