高频电应力下气－固绝缘沿面放电研究

王超

（贵阳电力设计院有限公司 贵州贵阳 550000 ）

摘要：高频电力变压器只有向大容量，高可靠性和高电压等级发展，才能发挥出其巨大的利用价值。虽然聚酞亚胺具备良好的电气性能，但随着电压等级的提高，空气一聚酞亚胺绝缘结构也面临许多技术难题。高频电力变压器承受的电压频率高，上升时间短，幅值大等特点，其本身承受电应力环境恶劣，外加上其结构紧凑，电磁藕合严重，极易发生局部放电和沿面闪络。现有研究发现，局部放电对有机绝缘材料造成不可逆转的破坏，是致使材料绝缘失效的主要因素。而沿面闪络场强远小于间隙相等时的气隙击穿场强，导致高频电力变压器尖端放电缺陷处更容易发生沿面放电，也对绝缘也造成严重危害。高频电力变压器与常规油浸式变压器绝缘结构和运行工况相差较大，现阶段工频正弦电应力下的绝缘研究与设计方法以不适应高频电力变压器强电磁祸合的绝缘结构。为推动高频电力变压器向大容量、高可靠性和高电压等级发展，亟需针对高频电力变压器运行工况，对其绝缘特性进行研究。

关键词：高频电应力；气－固绝缘；沿面放电；

1. 引言

现有研究发现，局部放电对有机绝缘材料造成不可逆转的破坏，是致使材料绝缘失效的主要因素。而沿面闪络场强远小于间隙相等时的气隙击穿场强，导致高频电力变压器尖端放电缺陷处更容易发生沿面放电，也对绝缘也造成严重危害。高频电力变压器与常规油浸式变压器绝缘结构和运行工况相差较大，现阶段工频正弦电应力下的绝缘研究与设计方法以不适应高频电力变压器强电磁耦合的绝缘结构。为推动高频电力变压器向大容量、高可靠性和高电压等级发展，亟需针对高频电力变压器运行工况，对其绝缘特性进行研究。高频电力变压器只有向大容量，高可靠性和高电压等级发展，才能发挥出其巨大的利用价值。虽然聚酰亚胺具备良好的电气性能，但随着电压等级的提高，空气－聚酰亚胺绝缘结构也面临许多技术难题。高频电力变压器承受的电压频率高，上升时间短，幅值大等特点，其本身承受电应力环境恶劣，外加上其结构紧凑，电磁耦合严重，极易发生局部放电和沿面闪络。现有研究发现，局部放电对有机绝缘材料造成不可逆转的破坏，是致使材料绝缘失效的主要因素。而沿面闪络场强远小于间隙相等时的气隙击穿场强，导致高频电力变压器尖端放电缺陷处更容易发生沿面放电，也对绝缘也造成严重危害。高频电力变压器与常规油浸式变压器绝缘结构和运行工况相差较大，现阶段工频正弦电应力下的绝缘研究与设计方法以不适应高频电力变压器强电磁耦合的绝缘结构。为推动高频电力变压器向大容量、高可靠性和高电压等级发展，亟需针对高频电力变压器运行工况，对其绝缘特性进行研究。

上述所述，高频电力变压器作为柔性直流电网和分布式发电的关键装备，具有广阔应用前景，针对其绝缘问题进行创新研宄，揭示高频正弦电应力下气－固绝缘放电特性与机理，获得局部放电和沿面放电特征参量随放电发展的变化规律，结合微观测量技术研究沿面放电发展过程和缺陷演化规律，从微观层面揭示高频正弦电应力对气－固绝缘的放电机理。

2. 沿面放电发展过程

高频30kHz电应力下，得到PI薄膜沿面放电发展过程。根据电晕大小和PI薄膜表面变化情况，将沿面放电发展过程分为4个阶段。第1阶段放电刚开始，在针尖处电场强度最高，该处发生强烈电离，出现蓝色电晕，产生的等离子体电晕不断撞击针电极附PI表面，并伴有“嗤嗤”声响。第2阶段电晕放电发生一段时间后，电晕面积扩大，PI薄膜表面出现“箭头”状白斑，研究发现这个白斑是因为带电粒子的轰击使材料发生碳化导致的。第３阶段可以看到白斑头部面积扩大，白斑延长并慢慢地向地电极处扩展，白斑也由“箭头”状发展成为“槌形”，这是由于高能带电粒子持续侵蚀PI薄膜绝缘表面。第４阶段白斑区域到达地电极，针尖到地电极的垂直线上出现了细长的等离子体放电通道，然后出现贯穿性的明亮的电弧，发生沿面闪络。

实验室经过大量沿面闪络实验，发现所有的高频沿面闪络通道针电极到板电极的中心垂线上出现一条明亮的电弧。高频沿面闪络通道与工频、直流和脉冲电压作用时不同。华北电力大学研宄了环氧树脂在真空和大气下的沿面闪络特性，发现大气中直流电压下沿面闪络通道随机性比真空中小，真空沿面闪络通道随机出现在电极中心位置击穿和偏离中心位置击穿；脉冲电压下沿面闪络通道随机性较大，电弧在电极中心线两边随机出现，电弧发展成没有规律的折线，并且闪络通道越来越远离中心线；工频沿面放电后期出现多次的“树枝状”的火花放电。

3. 沿面放电特性研究

室温条件下，采用恒压法对PI薄膜施加频率为30kHz，幅值分别为8kV、9kＶ和10kＶ等不同电压幅值的高频正弦电应力，统计分析后得到的沿面放电相位－幅值统计谱图。该放电统计谱图是从开始加压直至沿面闪络整个过程中采集到的放电脉冲幅值的叠加。

放电谱图在正负半周期表现出显著差异，正半周期放电次数和放电幅值都要明显大于负半周期。放电主要发生在每个正负半周期的电压上升阶段，而每个正负半周期的电压下降阶段基本没有放电脉冲的产生，同时在极性反转处，出现较大幅值的放电脉冲。

外加电压８kV时，正半周期放电次数是负半周期放电次数4.6倍，并且随着外加电压幅值的升高，这种差异更加显著。同时正半周期的最大放电幅值和平均放电幅值也都大于负半周期，另外２种外加电压下的加速沿面放电统计也能得到同样结论。

外加电压8kV时放电次数二维相位分布图，可以发现在极性反转处即相位在0°和180°发生的放电次数明显高于其他相位的放电次数，极性反转附近发生放电的概率最大，对外加电压9kＶ和10kＶ的放电次数二维相位分布也得出相同现象。综合相位－幅值统计谱图，可以得到在极性反转处发生放电的概率大，放电的幅值较大，对绝缘表面造成的损伤最严重。

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。

4. 结束语

相同放电距离时，沿面闪络场强要小于纯气隙的击穿场强。高频电力变压器由于体积小，结构紧凑，电磁耦合度高，所以其尖端放电缺陷处（尤其是撑条和垫块）比正常油纸绝缘结构承受更加严重电场，更易发生沿面闪络。本章研究高频正弦电应力下气－固绝缘的沿面放电现象及特征，总结了高频沿面放电发展形态，分析了不同损伤阶段沿面放电特征量的变化规律，并研究了聚酰亚胺薄膜表面微观物化特征变化，对提高HFPT的运行可靠性提供理论依据和工程指导。

参考文献

1. 李佑淮，肖登明，王延安，等.高频变压器分布参数对逆变电源性能的影响[J].电力电子技术，2008, 42(09): 37-44.

2. 薛伟，郑丽君，高云广，等.电力电子变压器中高频变压器的设计方法[J].电测与仪表2015, 52(23): 117-121.

3. 兰征，涂春，鸣肖凡，等.电力电子变压器对交直流混合微网功率控制的研究[J].电工技术学报，2015, 30(23): 50-57.

4. 林海丹，刘熊，梁义明等.绝缘材料沿面闪络发展特性的研究进展[J].绝缘材料，2015