学术简报｜高频正弦电应力下气-固绝缘沿面放电现象及特征分析

会议通知｜EITRT 2019

参会注册

长按识别左侧二维码，登录报名网站（先注册网站会员，然后提交报名信息）

会议微信号

摘要

山东大学电气工程学院、国网山东省电力公司经济技术研究院的研究人员张开放、张黎、李宗蔚、赵彤、邹亮，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文指出，沿面放电是高频变压器中常见的一种故障类型。为研究气-固绝缘在高频正弦电应力下的沿面放电现象及特征，搭建了针-板电极高频沿面放电实验平台。采用恒压法开展实验，获得了不同阶段的放电发展形态、放电特征参量、放电谱图和表面损伤状况。

研究结果表明：沿面放电表现出很强的极性效应，正半周期放电次数和放电幅值均大于负半周期；高频电应力下聚酰亚胺沿面放电发展经过电晕放电-流注放电-沿面闪络，没有火花放电现象，且沿面闪络对薄膜的破坏远大于工频电应力；绝缘表面伴随着凸起和“晶状固体”生成，畸变电场结构，影响放电发展，导致在放电的不同阶段，放电幅值、次数、相位谱图均呈现出特定的变化规律。

高频电力变压器（High Frequency Power Transformer, HFPT）也称固态变压器，在电压变换和能源传递方面优势明显，具有广阔的应用前景。为保证设备小型化和工作高效率，高频变压器绝缘结构多采用空气-固体绝缘材料。HFPT工况复杂，体积小，使得HFPT电磁耦合度高，趋肤效应明显，高频绝缘易于过早失效。

由于沿面闪络场强远小于相同间隙的气隙击穿场强，导致HFPT尖端放电缺陷处更容易发生沿面放电，造成绝缘损坏和过早失效，因此有必要开展高频电应力下气-固绝缘沿面放电研究，对提高HFPT的运行可靠性具有重要意义。

国内外学者对工频、直流、交直流复合等电应力下绝缘介质分界面的沿面闪络发展过程进行了大量研究。现有研究表明，放电特征参数的变化可以反映材料的绝缘状况。

• 有学者研究了工频电压下的沿面放电过程，发现工频电压出现沿面电树枝现象，这是由于电晕导致的发光和二次电子崩以及纸板的脱水和碳化产生的。

• 有学者研究了真空和大气条件下，直流电压作用时的环氧树脂绝缘沿面闪络特性及其闪络电压变化规律。

• 有学者研究了交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电现象，与纯交流和纯直流单独作用时有明显不同。

• 有学者分别研究了变频调速牵引电机使用的方波电压和工频电压作用下，表面放电对聚酰亚胺薄膜和油纸绝缘材料的电气损伤特性。

• 有学者研究了纳秒脉冲下的绝缘沿面闪络特征，表明重复脉冲的闪络场强与单脉冲作用时有明显区别。另外空间电荷积聚与耗散对沿面放电有显著影响。

以往对于沿面放电的研究多为工频、交直流复合电压和脉冲方波（10kHz以下）等电压波形，针对的是油浸式变压器或变频调速牵引电机的绝缘沿面放电缺陷，鲜有针对高频电力变压器气-固绝缘沿面放电问题的研究。高频电力变压器工作电压波形具有频率高（10kHz以上）、幅值大、上升时间短等特点，其沿面放电现象及特征不同于工频变压器和变频调速牵引电机。高频正弦电应力下气-固绝缘的沿面放电现象及特征尚需深入研究。

针对上述问题，本文设计了针-板电极高频沿面放电实验平台，研究了高频正弦电应力下气-固绝缘（空气-聚酰亚胺）的沿面放电现象及特征，给出高频沿面放电发展形态并与工频电压作对比，分析了不同损伤阶段的放电次数、幅值和相位分布变化规律，对不同损伤阶段的聚酰亚胺薄膜进行扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）与能谱（Energy Dispersive Spectrdmeter,EDS）测试，并结合绝缘表面形貌变化，阐释了高频电压对绝缘沿面放电的影响机理，为高频变压器绝缘结构设计和绝缘状态的在线监测提供理论依据和工程指导。

图1  沿面放电实验平台示意图

图3  高频沿面放电发展过程

图14  高频沿面放电发展

总结

本文研究了高频电应力下气-固绝缘沿面放电现象、沿面放电发展过程中放电特征量的变化规律以及绝缘表面形貌的物化特性和微区成分变化，分析了空间电荷与表面形貌对沿面放电发展的影响，得出以下结论：

• 1）高频沿面放电发展后期，放电从流注等离子体通道直接演变成直线型的沿面闪络，并没有出现工频下的火花放电现象，并且高频沿面闪络对绝缘材料的破坏远大于工频电压。

• 2）高频沿面放电在极性反转处出现的放电次数最多，放电量大，对绝缘的破坏更严重。高频沿面放电正半周期的放电次数和放电幅值都明显大于负半周期。同时随着损伤程度的加深，放电幅值和放电次数均呈现增大趋势。

• 3）高频沿面放电绝缘材料在高能粒子轰击和高温作用下，表面会产生凸起、裂纹等物理缺陷；同时有机分子链内的化学键断裂分解，聚合物基体活性增高，易发生氧化反应生成晶莹状的固体颗粒。这些物化缺陷，使表面可脱陷的电荷数量增多，导致放电次数增大。