山东大学Bilal Iqbal Ayubi、张黎等：高频电应力下聚酰亚胺沿面放电演化特性

沿面放电是导致高频电力变压器中聚酰亚胺（PI）绝缘失效的重要原因之一。为研究高频电压下聚酰亚胺的沿面放电演化特性，山东大学电气工程学院先进电工材料与前沿技术团队使用 COMSOL Multiphysics软件为实验装置建立了二维自洽等离子体仿真模型，通过耦合等离子体化学反应、粒子输运方程和泊松方程分析了高频电应力下的沿面放电发展过程；同时建立了一个简化模型，可以使用简化模型获得空间电荷密度。通过仿真模拟得到了实验上无法获取的微观参数，揭示了沿面放电的演变过程。

研究背景

电力电子变压器作为一种新型电力输变电装备，因其两侧电压、电流可控，可任意调节功率因数，改善电能质量的特点，具有非常广阔的应用前景；而高频电力变压器是其核心组件，负责实现电压等级变换。

聚酰亚胺具有良好的耐高温、耐辐射特性及优异的介电性能，被广泛地应用在高频电力变压器的匝间绝缘和对地绝缘中。由于高频变压器的高功率密度、高效率和快速动态性，会出现一些相应的现象，例如施加电压脉冲的高重复频率、快速极性反转及相当高的热应力。

高频电力变压器绝缘系统在极高的频率和温度下运行，具有很大的安全风险。由此带来的沿面放电会导致绝缘的劣化和过早失效，因此研究沿面放电对于构建高频电力变压器的高频绝缘结构至关重要。

论文所解决的问题及意义

由于研究聚酰亚胺击穿后的表面电荷效应需要具有微米空间分辨率和纳秒时间分辨率的非侵入式诊断方法，对大气压下等离子体表面的相互作用进行微观分析极其困难。现有的针对聚酰亚胺高频电场下的沿面放电机理及其微观研究还没有准确的描述。

论文方法及创新点

（1）二维等离子体自洽仿真模型

创建了二维等离子体自洽仿真模型，该模型采用自适应网格细化进行简单高效的仿真。将针电极结构视为一种几何结构，流注沿着电介质表面由该几何结构进入气体中。通过实验和计算机模拟相结合的方法揭示了聚酰亚胺在高频电应力下的表面闪络机理。仿真模拟和相机所拍摄的沿面放电发展过程如图1所示。

图1

高频电应力下沿面放电发展过程可以划分为四个阶段。在每个阶段，电子密度都表现出线性化特征，176×10^-6s时电子密度达到1.1×1019m^-3，放电次数达到3610次。本研究通过PRPD分析，发现在正半周期内放电次数和放电幅度较大。

比较工频与高频下沿面放电特性可以发现，工频电应力下无火花放电，高频电应力下的表面闪络损伤比工频更严重。工频下的沿面放电呈树枝状。在电压频率为50Hz时，最大放电幅值为0.013V，放电次数为2180，放电仅出现在正半周期的上升沿和下降沿，在负半周期内没有放电信号。

频率增加至30kHz时，高频下PI沿面放电轨迹近似为线性，从第一阶段到最后阶段，放电幅值从0.009V增加到0.015V，最后阶段记录的放电总数为3610。高频电压下，正半周期的下降沿没有放电现象，而在负半周期的上升沿和下降沿都存在放电。

图2

（2）简化模型

基于电场和带电载流子上流经的电流守恒建立了简化模型。简化模型是非自洽的，以带电载载流子流经的维持电流一定为前提，其几何形状与等离子体模型一致。使用简化模型与自洽等离子体模型研究空间电荷分布，如图3所示。

图3

对于自洽等离子体模型，在y方向上取与绝缘介质表面平行的0.2 mm截面线，在放电发展的各个阶段，空间电荷都主要分布在放电通道的前端。针电极尖端附近的强电场导致了电离现象，空间电荷呈现正极性，流注产生前电离产生的正离子也会在电场的作用下移动到针电极上。在第一阶段针尖附近的正电荷增加，而第一阶段后，针尖附近的空间电荷将逐渐减少。

在最后阶段，离针电极较远处的空间电荷密度值明显增加，并且当等离子体通道穿透两极时，绝缘表面附近的空间电荷密度达到最大。简化模型中电极处的电场计算采用皮克定律，不包括源项。简化模型与自洽等离子体模型的空间电荷密度分布高度相似，但皮克定律计算所得的电场强度较小，这是两种模型所得空间电荷分布有差异的主要原因。

结论

本文介绍了一种二维流体动力学等离子体模拟模型，用于研究高频正弦电压引起的聚酰亚胺（PI）沿面放电；通过寻找实验上无法获得的微观参数来揭示沿面放电的演变过程。

（1）高频电应力下沿面放电发展过程可以划分为四个阶段。在每个阶段，电子密度都表现出线性化特征，在176×10^-6s时电子密度达到1.1×10¹⁹ m^-3，放电次数达到3610次。本研究通过PRPD分析，发现在正半周期内放电次数和放电幅度较大。工频电应力下无火花放电，高频电应力下的表面闪络损伤比工频更严重。

（2）在高频电应力下，PI薄膜的沿面放电非常严重。电子密度与温度随着外加电压幅度和频率的升高而升高，正负离子密度与电子密度分布趋势相似。

（3）可以使用简化模型获得空间电荷密度，所得结果与自洽等离子体模型所得空间电荷密度基本一致。

（4）随着沿面放电过程的发展，反应速率受电场的影响逐渐增加，在放电最后阶段，反应速率总和可达1200mol/(m³·s)，其分布趋势与电子分布相似。这表明背景气体中的化学反应正确。

（5）使用简化模型进行分析较为灵活方便，可用于工程应用，该方法的发展前景较好，可以为表面闪络的研究开辟新的途径。

团队介绍

山东大学电气工程学院先进电工材料与前沿技术团队，团队依托山东省特高压输变电技术与装备重点实验室、山东大学电气工程学院高电压与绝缘技术研究所，主要的研究领域包括高电压绝缘诊断技术、电力设备状态在线监测、高压测试技术、高压复合绝缘放电特性、劣化机理及绝缘评估等。近年来，该团队承担了多项国家级、省部级以及电网企业的研究项目。

Bilal Iqbal Ayubi

博士研究生，研究方向为高频高压绝缘放电。

张黎

副教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、电力系统电磁兼容。

邹亮

教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术。

本文编自2023年第5期《电工技术学报》，论文标题为“高频电应力下聚酰亚胺沿面放电演化特性”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

Bilal Iqbal Ayubi, 张黎, 徐黄宽, 范晨露, 邹亮. 高频电应力下聚酰亚胺沿面放电演化特性[J]. 电工技术学报, 2023, 38(5): 1177-1189. Bilal Iqbal Ayubi, Zhang Li, Xu Huangkuan, Fan Chenlu, Zou Liang. Evolution Characteristics of Surface Discharge along Polyimide under High-Frequency Electric Stress. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(5): 1177-1189.