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换流变压器是高压直流输电系统中的关键装备,其绝缘性能的安全可靠对直流输电系统的稳定运行至关重要。目前,换流变压器的绝缘设计和校核主要采用基于正负电荷等值迁移的电阻-电容模型(Resistivity-capacitance,RC),其计算过程仅考虑了油纸绝缘结构的界面极化电荷。针对直流电场下油纸绝缘结构的电场/电荷特性,相关学者的研究结果已阐明了 RC模型的计算失效性,即除界面极化电荷外,油纸界面存在其他形式产生的电荷,且正负电荷具有非等值迁移、积聚特性,并提出了离子迁移模型、双极性载流子注入模型等电场计算模型。但是,不同电场分析模型对于空间/界面电荷产生机制存在不同的机理解释,且其模型的有效性缺乏有效的试验验证。其次,现有的电场分析计算模型忽略了换流变压器实际大尺寸绝缘结构中绝缘介质非线性、各向异性及结构尺度效应带来的影响,难以形成统一、有效的电场分析计算模型。为了准确地测量油纸绝缘结构中的时空电场,本文基于Kerr电光效应在国际上首次研制了应用于油纸绝缘结构空间电场测量用的高精度32路光电探测器阵列,实现了油纸绝缘结构油中空间电场时空分布特性二维同步测量,其测量空间分辨率为1.4 mm2,电场测量灵敏度为0.15 kV/mm,测量准确度大于96.50%。通过对平板电极下不同绝缘纸板和绝缘纸模型油中电场/界面电荷的实际测量及理论计算,探索确认了直流电场下油纸界面电荷的产生机制。本文利用变压器纸板和电工绝缘纸的电阻率差异,配合单层变压器油隙合理构建了不同类型的油纸复合绝缘结构以获得外施电压梯度作用下(5kV～25kV)的大梯度油中场强值区间(0.03 kV/mm～5.01 kV/mm),测试结果表明,对于正极性界面电荷激发的复合电场,当油中场强较低时,界面电荷密度实测计算值与界面极化电荷密度近似一致;随着油中场强的增加(定义为“界面电荷偏离场强”,不同模型对应的场强值存在差异,最小约为1.74 kV/mm),界面电荷密度实测计算值逐渐大于RC模型计算值,且偏差逐渐增加,即出现了除界面极化电荷外其他形式界面电荷的产生。对于负极性界面电荷激发的复合电场下,由于正负电荷极性效应,不同模型下对应的“界面电荷偏离场强”最小约为1.40 kV/mm。在“界面电荷偏离场强”对应外施电压工况下,在对称绝缘纸包覆电极油纸复合结构中,油中场强较高(>1.74 kV/mm),界面总“净”电荷密度实测值与极化电荷密度计算值偏差最大可达1.43倍;而在非对称绝缘纸-绝缘纸板油纸复合结构中,随着高密度电工纸板(高电阻率介质)的引入,油中场强下降,界面总“净”电荷密度实测值与极化电荷计算值偏差明显下降。利用不同类型界面电荷产生机理分析模型对典型油纸绝缘结构内不同界面电荷量对界面总“净”电荷的权重进行了对比分析,随着外施电压的增加,界面极化电荷量在总“净”电荷量所占比例由66.30%降低至26.05%;场致分离电荷量在总“净”电荷量所占比例由25.95%增加至69.34%;对于双极性载流子注入电荷而言,随着外施电压的增加,载流子注入电荷量在总“净”电荷量所占比例基本保持不变,增幅较小,由4.61%增加至7.75%;证明了换流变压器绝缘结构实际运行工况下,当油中场强较低时油纸界面电荷以极化电荷为主;高场强下界面电荷以场致分离电荷为主。通过对变压器纸板关键介电参数随温度、水分等外界条件的变化,获得了纸板相对介电常数、体积电阻率参数非线性特性的数学表达;通过对直流电场下油纸绝缘结构油中空间电场时空分布的实际测量,发现了油纸复合绝缘结构油中空间电场分布不均匀特征,揭示了绝缘纸板各向异性对空间电场特性的影响机制。在平板电极、绝缘纸-绝缘纸板复合绝缘结构中,变压器油中不同位置空间电场强度最大偏差可达23.4%,不均匀系数最大可达1.19;随着外施电压的增加,油中场强的不均匀系数逐渐增加,最大增幅可达6.25%。通过对大张纸板不同位置试样的体积电阻率分散性测试,揭示了纸板体积电阻率各向异性是导致油中空间电场分布不均匀性的根本原因之一。基于纸板电阻率非线性和各向异性,对空间电场计算模型的关键参数进行修正和优化。通过对50/100/150mm三种尺度下油纸绝缘结构空间电场/界面电荷特性的实测研究发现,随着尺度的增加,油中空间电场实测值与RC计算值的偏差逐渐增加,最大增幅可达30.8%,其根源在于随着模型尺寸的增加,界面电荷总量逐渐增大,对油中空间电场影响作用更强,且大尺度绝缘结构放大了纸板各向异性,同样加剧了界面电荷对空间电场的畸变作用。根据实际换流变压器阀侧出线的同轴多油隙复合油纸绝缘结构特点,获得了中度尺寸模型下油纸绝缘同轴结果的空间电场、界面电荷特性,建立了多油隙界面电荷计算方法,提出了考虑绝缘结构尺度效应的油纸绝缘空间电场计算分析修正模型。从界面电荷的产生机制出发,结合绝缘纸板各向异性及尺度效应,对界面极化电荷和场致分离电荷产生、积聚模型及其空间电场计算模型进行了优化及修正,修正了直流电场下基于界面电荷行为特性的油纸绝缘结构空间电场计算模型,针对中尺度结构尺寸下换流变压器阀侧出线装置的等效模型,获得了油中空间电场强度的实测与计算对比,实测结果与理论计算结果最大偏差为4.41%。