毕业论文-复合电场作用下换流变压器油流带电的测量

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - PAGE II -哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目：复合电场下换流变压器油流带电的测量 院、 系： 电气与电子工程学院 (高压) 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012年 06 哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE III-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

2、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

3、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

4、the core equipment of HVDC transmission, 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 a

5、nd operate-over voltage but also DC 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 d

6、istribution, breakdown characteristics 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 characteris

7、tics and breakdown characteristics 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 ano

8、ther simulation is done and the result 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

9、. Finally, the different dc component of superimposed 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

10、can be referred to the insulation design of converter transformer and the HVDC apparatus testing.Keywords oil-flow electrification; converter transformer; superimposed AC- DC voltage; oil-paper combination insulation;PAGE II- - PAGE V-目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLI

11、NK l _Toc327898194 第1章 绪论 PAGEREF _Toc327898194 h 1 HYPERLINK l _Toc327898195 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc327898195 h 1 HYPERLINK l _Toc327898196 1.2 油流带电机理 PAGEREF _Toc327898196 h 3 HYPERLINK l _Toc327898197 1.3 国内外关于变压器油流带电的研究情况 PAGEREF _Toc327898197 h 4 HYPERLINK l _Toc327898198 1.4 本课题研究内容 PAGEREF _Toc

12、327898198 h 6 HYPERLINK l _Toc327898199 第2章 实验电极及油流分布仿真 PAGEREF _Toc327898199 h 7 HYPERLINK l _Toc327898200 2.1 圆柱电极与仿真结果 PAGEREF _Toc327898200 h 7 HYPERLINK l _Toc327898201 2.1.1 圆柱电极模型 PAGEREF _Toc327898201 h 7 HYPERLINK l _Toc327898202 2.1.2 仿真及结果分析 PAGEREF _Toc327898202 h 8 HYPERLINK l _Toc32789

13、8203 2.2板式电极与仿真结果 PAGEREF _Toc327898203 h 12 HYPERLINK l _Toc327898204 2.2.1平板式电极模型 PAGEREF _Toc327898204 h 12 HYPERLINK l _Toc327898205 2.2.2 仿真及结果分析 PAGEREF _Toc327898205 h 13 HYPERLINK l _Toc327898206 2.2.3板式电极改进 PAGEREF _Toc327898206 h 20 HYPERLINK l _Toc327898207 2.3本章小结 PAGEREF _Toc327898207 h

14、 21 HYPERLINK l _Toc327898208 第3章 油流带电试验系统 PAGEREF _Toc327898208 h 22 HYPERLINK l _Toc327898209 3.1油流带电试验平台 PAGEREF _Toc327898209 h 22 HYPERLINK l _Toc327898210 3.1.1 缓冲罐 PAGEREF _Toc327898210 h 23 HYPERLINK l _Toc327898211 3.1.2制冷设备 PAGEREF _Toc327898211 h 23 HYPERLINK l _Toc327898212 3.1.3加热设备 PAG

15、EREF _Toc327898212 h 24 HYPERLINK l _Toc327898213 3.1.4 滤油设备 PAGEREF _Toc327898213 h 24 HYPERLINK l _Toc327898214 3.1.5松弛箱 PAGEREF _Toc327898214 h 24 HYPERLINK l _Toc327898215 3.1.6 电荷测量箱 PAGEREF _Toc327898215 h 25 HYPERLINK l _Toc327898216 3.2试验用高压电源 PAGEREF _Toc327898216 h 25 HYPERLINK l _Toc32789

16、8217 3.3 交直流叠加试验电路及电路可实现性仿真 PAGEREF _Toc327898217 h 25 HYPERLINK l _Toc327898218 第4章 油流带电试验及结果分析 PAGEREF _Toc327898218 h 30 HYPERLINK l _Toc327898219 4.1 正、负极性直流电压作用下的油流带电 PAGEREF _Toc327898219 h 30 HYPERLINK l _Toc327898220 4.2交、直流电场叠加实验 PAGEREF _Toc327898220 h 34 HYPERLINK l _Toc327898221 4.3极性反转下

17、油流带电实验 PAGEREF _Toc327898221 h 38 HYPERLINK l _Toc327898222 4.3.1 冲流电流值与电压幅值关系 PAGEREF _Toc327898222 h 38 HYPERLINK l _Toc327898223 4.3.2. 冲流电流值与流速的关系 PAGEREF _Toc327898223 h 40 HYPERLINK l _Toc327898224 结论 PAGEREF _Toc327898224 h 42 HYPERLINK l _Toc327898225 致谢 PAGEREF _Toc327898225 h 44 HYPERLINK

18、l _Toc327898226 参考文献 PAGEREF _Toc327898226 h 45 HYPERLINK l _Toc327898227 附录1 英文翻译 PAGEREF _Toc327898227 h 47 HYPERLINK l _Toc327898228 附录2 英文原文 PAGEREF _Toc327898228 h 52- PAGE 10 - PAGE 56 -绪论课题背景众所周知，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

19、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

20、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

21、、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，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

22、失败的真正原因迄今仍未被充分认识。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

23、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

24、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

25、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

26、强迫导向油循环风冷(oil direction air flow，ODAF)作为其冷却方式，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。油流带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

27、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

28、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

29、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。 （a） 油静止 (b) 油流动 图1-1 绝缘油流动对偶电层离子作用 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 世纪5060 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

30、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

31、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 Cha

32、rger) 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、国产设备实行运行考核时间的不断增长，进一步暴露出一些问题。从1989年起，相继在不同地区、不同厂家的500kV电力变压器上发生事故。根据事故的调查，事故点都在线圈底部，靠近油流动速度最高的部位；另外，变压器线圈底部导油管上的游离碳痕迹都说明了存在“油流带电”的问题。因此，油流带电的研究工作也日益受到重视，500kV电力变压器中油流带电问题在1990年7月的连云港全国变压器、互感器工作会议上被列为制造部门要认真加以研究的最主要课题之一。我国一些高校和电力试验部门都研究过变压器油流带电问题,

33、 其中哈尔滨电工学院在国内率先开展了一系列油流带电的试验研究，原电力部电力科学研究院采用“过滤式”带电度测试置国产变压器油的带电度及有关静电带电性能进行了试验研究，并对BTA在抑制油流带电方面的作用以及检测变压器中油流静电的试验方法进行了探讨；华北电力大学采用改进型的圆盘系统、圆筒式油流带电模型和循环管道式模型就油流流速、温度、湿度、电导率、杂质及添加剂等因素对油流起电的影响进行了试验研究，清华大学进行了超高压变压器油流静电带电的计算模型及实验研究17 。在变压器油流带电领域，应该说取得了一些研究成果，主要表现为在油流带电的机理和影响因素的认识上以及所提出的众多的研究油流带电的手段、方法和针对

34、油流带电所采取的对策等方面。但对于变压器油流带电的研究还很不成熟，无论是基于油流带电机理的基础研究，还是基于油流带电抑制的研究，都远不能令人满意18-20。应该说目前的工作还停留在实验室研究阶段，离实际应用有相当的差距，今后还需在形成规范化、系统化的油流带电研究方法和抑制对策方面加强研究，促进其工程化、实用化。国内近年来也陆续发生超高压变压器油流带电事故，但在这方面的研究仍旧很少，各项工作还刚刚起步，与国外相比有很大的差距，应该在借鉴国外研究成果的基础上，尽快地、深入地进行超高压变压器油流带电问题的研究。整体上，现代换流变压器在结构设计上借鉴了很多防止油流带电的成功经验，例如：阀侧绕组大量采用

35、绝缘角环在一定程度上对油流起到了导向作用，客观上有利于降低油流速度和改善冷却效果等21。因此，尚未见到目前运行的换流变压器中存在油流带电问题的报道，但不能据此否定其存在的可能性。在800kV 特高压直流输电工程的实施中，高端换流变压器的容量增大、阀侧绕组绝缘加厚，将可能导致其对冷却能力需求的增加，在油道设计、油流速度选择等方面与以往有所不同，因此，在换流变压器的设计、制造和运行中应深入地分析和关注油流带电问题22。随着电压的升高油流带电问题愈见显著，油流带电现象逐渐受到重视。到目前为止，虽然在在变压器领域虽然取得了一些研究成果，但是仍存在着明显的局限性，主要有以下几点：（1） 对于油流带电的机

36、理并未达到一个统一的、深刻的认识，这也是该领域的研究处于停滞不前的根本原因；（2） 没有形成一套完整的用于分析变压器油流静电带电问题的理论和计算手段23；（3） 没有获得一套系统、规范化的可用于界定变压器静电特性的值得广泛推荐的测试方法、过程和参数24； （4） 没有总结出一套系统的、成文的预防变压器静电放电的措施和手段同时这些局限性也正是继续研究油流带电问题的动力和方向，人们正在以上诸方面进行着不懈的努力。综合各国的研究工作大体可分为两类：一类研究工作侧重于机理和影响因素的研究，即在实验室模拟油流静电现象，这是早期工作的研究重点，目前在这方面投人的精力渐少25；另一类则从运行维护的需要分析故

37、障变压器实例，运用理论计算和实测相结合的办法，找出故障的部位、成因等，并积极设法诊断上述故障，提出可行的技术措施，力求减轻这类故障的危害程度。这也是当前的研究重点和趋势26。本课题研究内容由于变压器容量和电压等级的不断增大，加上绝缘结构设计的紧凑化，变压器内部的油流带电问题更显突出。根据变压器的运行需要，本文针对变压器油流带电问题做了以下研究：首先，本文对油流带电实验平台所采用的圆柱式和平板式两种实验电极内的油流状态进行了仿真，得到了两种电极内部的绝缘油速度分布矢量图。其次，为确定交直流实验选用系统的可行性，本文对不同直流分量的交、直流叠加电压进行了输出电压波形仿真。再次，针对绝缘油流速、电场

38、幅值、温度及介质损耗因数对油流带电的影响，进行了正、负极性直流电压作用下的油流带电实验，获得实验数据并进行了分析。最后，对交、直流叠加电压及极性反转电压下的油流带电进行了研究，获得了规律性结论。随着人们对油流带电现象及其危害的逐步认识和深入研究，油流带电的测试与监测成为分析油流带电现象的重要手段之一。本文以换流变压器内油流带电作为主要研究内容获得的实验结果，可为保证变压器的安全、可靠运行提供依据。 第2章 实验电极及油流分布仿真本文在对复合电场作用下换流变压器内部油流带电特性研究时，选用了两种实验电极，分别为圆柱式实验电极和平板式实验电极。为了分析变压器油在以上两种电极内油流速度分布情况，采用

39、了fluent软件对油流状态进行了仿真。2.1 圆柱电极与仿真结果2.1.1 圆柱电极模型本文所采用的圆柱电极结构如图2-1所示。1外电极；2内电极；3绝缘纸；4油进口；5油出口图2-1 圆柱式电极结构根据装配图获得建模数据，外电极采用不锈钢制成，外半径为18mm，长度为1132mm。内电极从左至右分为六个半径不同部分，其半径、长度及材料分别：为半径18mm，长度20mm，材料为聚四氟；半径9mm，长度45mm，材料不锈钢；半径12.5mm，长度1000mm，材料不锈钢；半径13.5mm，长度5mm，材料不锈钢；半径10mm，长度42mm，材料不锈钢；半径18mm，长度20mm，材料为聚四氟。

40、油流入口管道为半径17mm，长度80mm，材料不锈钢。油流出口管道为半径13.5mm，长度80mm，2.1.2 仿真及结果分析对上述圆柱模型进行建模及剖分，得到的三维仿真模型如图2-2所示。 图 2-2 圆柱式试验电极建模三维图进行仿真时，中间点部分选取较大流速为0.6m/s,计算得到油流入口速度为0.348m/s，给定入口速度均匀分布，得到圆柱电极利用fluent软件得到仿真结果如图2-3图2-9所示，选取不同二维平面的仿真结果以分析获得极板内的绝缘油三维流动状态。图 2-3 圆柱式电极xz平面的整体速度矢量图图 2-4 圆柱式电极xz平面近入口处的速度矢量图图 2-5 圆柱式电极xz平面x

41、为 500mm600mm处速度矢量图图 2-6 圆柱式电极xz平面近出口处的速度矢量图图 2-7 圆柱式电极xy平面近入口端速度矢量图图 2-8 圆柱式电极yz平面x=37mm处速度矢量图图 2-9 圆柱式电极yz平面x=1075mm处速度矢量图从得到的各仿真图中可以观察不同二维平面上的绝缘油流动情况，具体的流动情况如下：（1）在图2-4中端部入口速度均匀，随着绝缘油的流动近壁侧的速度降低，中间流速逐渐增大。当遇到横向x轴管壁阻挡进入主油路入口时，速度呈现不均匀，出现了速度较大的黄色区域，在x截面变化处上下管壁形成涡流，并且上管壁的流动速度较大并逐渐减小，下管壁流动速度较小并逐渐增大。而在主流

42、道最左端的速度很小。（2）图2-5为xz平面x为500mm600mm处，上下管壁速度几乎相同，近壁侧速度较小，中间速度较大，管中间速度与近壁侧的速度相差较小近似可以看成等速，其速度矢量代表了主管道中的流速情况。（3）图2-6中在接近出口处x方向速度仍相对均匀，在截面变小时速度增大，在出口处速度呈现不均匀，在出口的油道中，刚出口时在左侧壁形成了明显的涡流，近壁侧速度小，中间速度较大。随着绝缘油流动速度相对均匀。下壁近出口处速度较小。（4）图2-7截面较小处速度分布不均匀，近内壁侧速度较大，近外壁侧速度较小。截面变化速度发生变化。（5）图2-8为在入口直径处的yz平面图，与图2-4结合观察入口速度

43、分布，入口速度均匀，随绝缘油流动近壁侧速度减小，中间速度增大。在遇到x方向主油道时，速度变化明显，近入口处速度大，对侧速度小。（6）图2-9为出口x=1075mm处得速度矢量图。与图2-6结合解释绝缘油流出出口情况。主油道圆环截面近外侧壁速度大且分布不均，近出口处速度较大；近内壁侧速度小分布相对均匀。蓝色部分显示有明显的涡流。随着绝缘油流动速度逐渐均匀。整体油流流动情况解释：绝缘油从侧入口流入电油流带电箱，在进入带电箱时受到电极端头的阻碍，在此处形成绕流，同时由于带电箱端部为密封结构，没有油流出口存在，因此此处绝缘油基本不参与循环流动。结合仿真结果可以看到绝缘油进入带电箱后向右流动，液体内部压

44、力为左高右低，由于流动方向存在90的转折，将在入口处产生涡流。并且由于油流在进入带电箱后直接由于惯性冲向入口异侧，导致在油流入口附近与入口同侧的部分绝缘油流速较低。随着绝缘油继续向前流动，由于圆周向流动的存在将导致管道截面上的流速趋向于均匀分布，据图可知在带电箱1/5处内外两侧绝缘油流速基本相同。在带电箱出口处，由于流动方向的改变使得在出口侧管产生漩涡，而带电箱尾部的绝缘油依然因为其处于流径以外而基本不参与油流循环。此外，在带电箱的端部和尾部，内电极直径的变化会导致流动状态的突变。2.2板式电极与仿真结果2.2.1平板式电极模型本文所采用的平板式电极结构如图2-10所示。1上四氟衬板； 2 带

45、电箱上盖；3带电箱上沿；4带电箱侧短板；5端头四氟衬板；6配套法兰端头；7下四氟衬板；8带电箱下底；9带电箱长侧板；10不带孔衬板；11引出线；12带孔衬板；13引出线密封件；14引出线紧固件；15电极板；16电极定位件；17聚四氟隔板；18油流入口；19油流出口图2-10 板式电极装配图根据装配图获得建模数据，板式电极油流入口和出口均为长30mm，半径17mm的不锈钢管。中间油流动部分箱体（除隔板与电极部分）为长1060mm宽180mm高120mm的矩形。建模长度共计总长1220mm。端部缓冲部分约100mm，直极板部分1000mm，尾部出口部分约100mm2.2.2 仿真及结果分析 对上述

46、平板模型进行建模及剖分，得到的三维仿真模型如图2-11所示。图2-11 板式电极三维构造示意图进行仿真时，中间点部分选取较大流速为0.6m/s，计算得到油流入口速度为1.43m/s，给定入口速度均匀分布，平板电极利用fluent软件得到仿真结果如图2-12图2-21所示，选取不同二维平面的仿真结果以分析获得极板内的绝缘油三维流动状态图 2-12 板式电极xy平面z=90mm处速度矢量图图2-13 板式电极xy平面z=90mm处端部速度矢量图 图 2-14 板式电极xy平面z=90mm处出口处部速度矢量图图 2-15 板式电极yz平面x=89mm处速度分布图 2-16 板式电极yz平面x=100

47、mm处速度分布图 2-17 板式电极yz平面x=1061mm处速度矢量图图 2-18 板式电极yz平面x=1120mm处速度矢量图图 2-19 板式电极yz平面x=1140mm处速度矢量图图 2-20 板式电极yz平面x=1159mm处速度矢量图图 2-21 板式电极xz平面y=53.5mm处速度矢量图从得到的各仿真图中可以观察不同二维平面上的绝缘油流动情况，具体的流动情况如下：（1）图2-13中入口速度均匀，随着绝缘油的流动进入缓冲部分时速度呈现发散分布，在挡板处出现了两个分支涡流，涡流方向相反。极板端部速度较大，随绝缘油流动速度的减小，xy面观察极板端部速度分布不均匀。平板设计存在部分缺陷

48、但观察不明显。（2）图2-14平板结束附近速度分布均匀，与试验要求相符，极板尽头缓冲部分速度分布呈现由壁面向极板中间流动。与中间油流在中心对称部分汇合流向出口，出口处速度在中心对称位置向两侧速度递减，速度梯度分布较大。（3）图2-15为显示的平板入口前1mm的绝缘油流动速度矢量分布。图形对称中间沿z方向分布极度不均匀，上下近油道间隙向壁侧流动，发散性大，四个角流速较小。（4）图2-16为绝缘油进入极板端部的油流速度矢量图，图中板间速度分布极不均匀，不符合试验要求，图中蓝色缓冲区域有涡流产生，远离中心的缓冲区域边缘流速较大，由壁面中心向两侧流动。（5）图2-17为距离极板末端1mm处速度矢量图。

49、从图中可看出在极板结束末端出现了局部汇流，沿z轴规律的以小圆外部轮廓分布。缓冲区没有油流流动。（6）图2-18为板式电极尾部缓冲部分x=1120处的速度矢量图，可以看出在此位置已经形成明显的漩涡。漩涡以极板所在位置对称左上漩涡顺时针绕流，右上漩涡逆时针绕流，在中间位置汇合向中间极板位置流动。中间极板位置速度矢量最大向x方向流动，上下靠近壁侧也有较大的流速。（7）图2-19中中间极板位置速度矢量减小，涡流出现相交部分，涡流扩大，但涡流方向仍保持不变。（8）图2-20可以看出此图为圆柱出口前1mm处得速度矢量图。可以看出极板中间的速度矢量很小，由极板中间向上下两侧流动流向壁面，与图2-12结合，可

50、以说明为什么壁面有流体回流的现象。另外流体在中间圆柱出口位置有明显汇流，形成流速较大的圆区域，汇集流向出口。（9）图2-21为板式电极中间极板部分的速度矢量显示。在入口处速度较大，与入口处对应流速随流动流速逐渐较小，可以看到与入口方向一致的极板部分绝缘油流速要大于边侧油流速度，且速度相差较大。出口截面有较大速度，与图2-12结合可解释，实验结果符合要求。其中实验设计要求速度分布均匀。但从此图可以看出在试验极板中速度分布不均现象明显并未达到设计要求。需要进一步的进行修改极板已达到试验标准。整体油流流动情况解释：对于板式电极结构，入口管内的油流在进入带电箱后遇到突扩，因此入口四周产生漩涡，并且油流

51、在进入带电箱后呈发散状。在进入极板前由于挡块的存在会在带电箱上部和下部导致漩涡，在进入极板后由于流动截面突然缩小，会导致油流流速提高。极板间绝缘油流动有一定不均匀性，随着绝缘油流动不均匀性降低，但是仍存在不均匀问题。在极板出口处，由于流径的突扩使得在带电箱尾端出现漩涡，但是由于极板上部和下部空间属于半密封结构，该漩涡基本不涉及极板上部和下部的绝缘油，在油流出口处，由于流径的突缩会导致流速迅速增加，此处是否会产生局部漩涡取决于整体的绝缘油循环流速。2.2.3板式电极改进根据得到的仿真结果可以看到实验电极中的油流状态，在板式电极中，可以看到在平板电极中出现速度不均匀的状况，整个平板电极不能满足实验

52、要求。如果实验需要进一步提升绝缘油流速，速度流场将更加不均匀，其结果将给实验带来很大误差，导致测量不准确。为解决绝缘油速度这一问题提出了修改意见，在电极距离左侧平板50mm处增加半径为25mm的圆柱结构使得入口处集中的高速流被拦截绕流使局部速度得到快速降低达到速度均匀的目的。电极修改后仿真得到的极板间速度矢量图如图2-22与修正前图2-11对比可看到，采取修正方法之后很好的改善了绝缘油的速度分布，极板内速度近似可以看成均匀分布，速度分布得到了很好的调整。可见实验仿真对实际的实验设计具有指导意义。图 2-22 修正后板式电极xz平面y=53.5mm处速度矢量图2.3本章小结本章主要对油流带电实验

53、平台采用的圆柱式电极和平板式电极内的绝缘油流动状况用fluent软件进行了仿真，通过仿真得到了两种电极中油流速度矢量分布，对所获得的二维仿真结果进行了分析，进而通过不同平面的二维图分析两种电极中绝缘油的三维流动状况。在平板电极的仿真结果中发现，设计的平板电极内部速度呈现不均匀现象，为实现速度的均匀分布本文提出了修改意见，经仿真后观察其绝缘油流动速度不均状况得到了良好的改善，仿真结果对电极的进一步修改有指导作用。第3章 油流带电试验系统3.1油流带电试验平台为研究复合电场作用下换流变压器的油流带电的情况，在实验搭建的油流带电试验平台如下图所示。 ( a ) 结构图( b ) 实物图 图3-1油流

54、带电试验平台3.1.1 缓冲罐 缓冲箱承担的功能比较多，实验需要抽真空，故在缓冲箱上部设置真空泵对接口，并设置了真空表、压力表以供真空度监测使用。同时，在系统各部分也对应的做了密封处理。循环时由试验箱或油流测量箱流出的变压器油经加热或制冷换热片送入缓冲箱，加热或制冷时，通过箱内的温度传感器检测箱内油温度，并反馈给加热制冷装置实现温度控制缓冲箱容积约为500L使加热或制冷后的变压器油充分混合，是使油温稳定在设定温度上。并且缓冲罐接地可以有利于油中电荷松弛，对油流带电中经过测量箱的油中残余电荷进行释放。3.1.2制冷设备当测低温情况下的各项参数对变压器的油流带电的影响时，则需要对变压器油进行降温，

55、本实验所采取的制冷设备如下图所示。设备只有在设置温度比变压器油实际温度低的情况下才能进行自动制冷；反之，当变压器油温高于系统制冷设置时则不进行制冷，制冷设备不工作。制冷温度可以调节灵敏至0.1图 3-2 实验制冷设备 3.1.3加热设备在油流带电的测量中为实现不同温度各不同实验参数对油流带电的影响同样需要加热设备，油道中的变压器油通过流过不同阀门控制的油道来实现对变压器油加热和冷却的选择。本实验选用的加热设备如下图所示。其加热温度精确到1，通过观察实际待测点的油温显示来实现图 3-3 实验加热设备3.1.4 滤油设备设备运行一段时间后，由于油不断的冲刷纸板，会产生少量杂质混入油中；而且，试样被

56、击穿时会部分碳化，产生少量的炭粒和其他杂质；再者，更换试样时会有空气和水分混入油中，这些因素都会降低油的绝缘性能。在系统运行一定的时间后，要进行必要的过滤。以减少杂质等因素对实验的影响。3.1.5在油的循环流动过程中，油流未达到测量箱之前，在前段循环路线变压器油流动与油壁之间已经因油流带电产生部分电荷。如果不能消除这部分电荷则会对测量箱中电荷的测量产生影响，不能准确测量油流带电产生的电荷。松弛箱的作用就是捕捉前段循环过程所产生的电荷，达到减少误差准确测量的目的。3.1.6 电荷测量箱变压器油经过带电箱带电后直接流入测量箱，测量箱两端均通过四氟垫与整个试验系统其他部分绝缘，内部由不锈钢丝缠绕成与

57、测量箱内壁相同的尺寸填充整个测量箱内部。由于采用高目数不锈钢丝网，流入测量箱的油中电荷可以分被捕捉并通过测量箱的电流引出端释放出去，形成泄漏电流。理论上泄漏电流数值上与要测量的冲流电流相等，该电流非常小为nA级，如此微小电流测量必须排除外界环境的干扰，测量箱外部安装了金属屏蔽层。3.2试验用高压电源为了研究换流变压器内油、纸绝缘结构在复合电场作用下的油流带电情况，分别进行了正负极性直流电压、交流叠加直流电压和极性反转电压下油流带电的实验研究，根据换流变压器阀侧绕组所承受的电压分析及实验室的研究需要，本文选用的各实验用的高压电源具体指标如下：（1）正负极性直流实验电源1.调压范围：060kV2.

58、纹波范围：小于0.5%（2）交流叠加直流实验电源1.交流分量幅值：0200kV连续可调2.直流分量幅值：0200kV连续可调3.直流分量比例：50100%（3）极性反转实验电源1.反转时间：小于2s2.正负极性电压时电压纹波范围：小于0.5%3.3 交直流叠加试验电路及电路可实现性仿真为实现对变压器交直流叠加电压下油流带电的分析，采用以下试验电路图3-4以实现交直流叠加。为了验证试验系统的有效性，利用PSPICE电路仿真软件对电路进行了仿真，仿真各器件参数如图3-5T5、T6调压器；T2、T4升压变压器；C3C8高压电容；D1D7高压硅堆； R1、R3、R4保护电阻；R2试品等效电阻；C2试品

59、等效电容；C1隔直电容。 图 3-4 交流叠加直流实验电路图 3-5 orcad仿真电路图实验中，为测量交直流叠加电压情况下不同直流分量对油流带电产生的影响，实验选取直流分量分别为50%、67%、84%和100%时进行试验，仿真选取实验最高电压情况下，即18kV电压进行仿真，得到以下数据。0V 0V Time0s20ms40ms60ms80ms100ms120ms140ms160ms180ms200ms220ms240ms260ms280ms300msV(C2:2)-10KV10KV20KV图 3-6 直流分量50%加压00.3秒电压情况 Time Time5.00s5.01s5.02s5.0

60、3s5.04s5.05s5.06s5.07s5.08s5.09s5.10sV(C2:2)-10KV0V10KV20KV图3-7 直流分量50%加压55.1秒电压情况8KV Time0s20ms40ms60ms80ms8KV Time0s20ms40ms60ms80ms100ms120ms140ms160ms180ms200ms220ms240ms260ms280ms300msV(C2:2)0V4KV12KV16KV Time5.00s5.01s5.02s5.03s5.04s5.05s5.06s5.07s5.08s Time5.00s5.01s5.02s5.03s5.04s5.05s5.06s5