随着我国经济社会的发展,电力需求快速增长,电力系统的安全稳定运行及供电可靠性面临更严峻的挑战。变压器是电力系统中联结各区域电网、完成电能转换和传送的核心设备,冲击电压下变压器内部绝缘结构的电场特性和绝缘性能是变压器设计考核的关键环节,商业仿真软件是基于电容分压对绝缘结构的冲击电场分布进行分析计算,并结合许用场强取合理的安全裕度作为设计值,计算结果不仅无法将空间电荷对电场的畸变作用考虑在内,也缺乏测量手段的支撑和验证。目前已有多起变压器在运行中遭受雷击造成绝缘破坏或出厂前进行冲击例行试验时发生闪络故障的案例。因此,现有仿真计算方法不能满足变压器绝缘结构设计要求,非常有必要开展冲击电压下典型油纸绝缘结构的电场实测研究,为修改仿真方法提供依据。本文基于Kerr效应原理采用改进型单点光强直测法建立了冲击电压下油纸绝缘油中电场快速测量装置。从光束入射角、电气噪声、温度、光学器件非理想性和电场计算方法等5个方面对测量中的误差源进行了分析,通过对光路优化设计、抑制光电转换装置噪声水平以及光束入射窗口精细调节等措施,改善了测量效果,并在纯变压器油中用平板电极对装置进行了性能检验。结果表明,电场测量值与外施电场值具有较好的吻合度,测量装置的灵敏度达到3.49kV/mm,最大误差小于3.56%,不确定度为4.41%。对冲击电压下纯变压器油中的电场进行了实际测量,获得了空间电场及电荷分布特性,得到了金属电极、电压幅值和波前时间对空间电场及电荷特性的影响规律。利用黄铜、不锈钢和铝三种金属材料作为电极,对纯变压器油中冲击电场测量发现铝电极的电荷注入量最大,不锈钢次之,黄铜最少,铝电极比黄铜电极的电场畸变量增大了 19.25%,这是由不同电极中金属元素的功函数不同导致的。相同波前时间不同电压幅值的纵向比较表明,负电荷由阴极运动到阳极所需的时间为278ns,平均运动速度为1.1*10-3m2/(V·s);不同波前时间相同电压幅值的横向比较表明,负电荷达到相对稳定状态所需时间至少为2μs;随着波前时间的延长,实测电场峰值有所减小,波前时间40μs时间时比500ns时降低了 17.6%,是由于波前时间较长时注入电荷量较大、削弱作用较强。对变压器油中冲击电场的空间分布测量结果表明随着外施电场的变化极间电荷存在动态运动过程:电压初始阶段阳极和阴极附近产生的正、负电荷加强了油中电场;电压逐步上升,因为负电荷运动速率远大于正电荷,所以正电荷不动而负电荷向阳极运动,当运动到阳极附近时在屏蔽层的排斥作用下与中性分子结合逐渐积累,形成的负电荷层对外施电场起反向削弱作用;峰值过后,电压开始下降,随着正、负电荷注入量的减少以及中和作用,又恢复到阳极附近为正电荷、阴极附近为负电荷的初始状态,使油中电场略高于外施电场。通过对不同绝缘纸板和绝缘纸模型油中电场的实际测量,探索发现了绝缘纸板结构和绝缘纸层数对冲击电场特性和电荷特性的影响规律。试验证明纸板对电荷的运动有捕获作用。非对称纸板模型中,黄铜电极正负极性电场差异不大,而铝电极正负极性电场差异较大,这与黄铜和铝电荷注入方式不同有关。对称纸板模型中,由于纸板分别阻挡了上下电极所注入电荷的运动,不论铝、铜电极,油中电场与外施电场接近相等。绝缘纸对电荷具有阻挡作用,绝缘纸层数增加将导致电荷滞留在纸层之间,对油中电场起到一定增强作用,最大可增强5.4%。铝电极比铜电极需要更多层数的绝缘纸包覆,才能使油中电场达到相同效果,是因为铝电极比铜电极的电荷注入量更大。通过对不同水分油纸绝缘结构油中电场的实际测量,发现随油纸水分由低到高,实测电场峰值下降了 11.2%。通过对比试验进一步证明了油中水分对电场削弱起主导作用,纸中水分对电场几乎没有影响。这是因为纸中水分被亲水基团强烈束缚无法自由移动,也难以电离,而变压器油中的水分子在高电场下容易电离形成H+和OH-,从而增加了油中的载流子,在两极附近形成的空间电荷场反作用于外施电场,起削弱作用。提出了冲击变压器油中电荷注入和运动模型,解释了油中正、负电荷的来源,用平均自由程估算了负电荷运动时间,与试验结果有较好的吻合,最后考虑绝缘纸和水分影响对模型进行了完善。