交直流復(fù)合場針板模型局部放電發(fā)展過程中相位分布的特點

王 瓊，齊 波，陳 波

(1．內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020;2．新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，華北電力大學(xué)，北京102206)

交直流復(fù)合場針板模型局部放電發(fā)展過程中相位分布的特點

王 瓊1，齊 波2，陳 波1

(1．內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020;2．新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，華北電力大學(xué)，北京102206)

換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中整流和逆變環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。換流變閥側(cè)繞組所處電場環(huán)境復(fù)雜、相應(yīng)絕緣要求嚴(yán)苛，且其在工程應(yīng)用中故障率較高;所以，通過對復(fù)合電場局部放電發(fā)展過程中絕緣介質(zhì)劣化嚴(yán)重程度的研究，可為換流變壓器的故障診斷提供依據(jù)。本文以放電發(fā)展過程中放電譜圖在各個統(tǒng)計時間段內(nèi)所呈現(xiàn)出的相位特征作為絕緣介質(zhì)劣化程度的外在表征，從能量轉(zhuǎn)化的角度建立數(shù)學(xué)模型，定性解釋放電譜圖中所呈現(xiàn)的相位分布特點及其與絕緣介質(zhì)劣化程度之間的關(guān)系。本文認(rèn)為，相位分布可以作為研究交直流復(fù)合電場中局放發(fā)展過程中絕緣劣化程度的特征量之一，放電相位的分布與絕緣介質(zhì)劣化程度之間存在對應(yīng)關(guān)系;試品在局放發(fā)展過程中，因其在不同劣化程度下的等效阻抗不同，所以在外施交、直流電壓共同作用下呈現(xiàn)出了不同的阻抗特點，這是放電相位分布發(fā)生改變的原因。

復(fù)合電場;針板模型;局部放電;局放發(fā)展過程;相位分布;數(shù)學(xué)建模

1 引言

在直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器起著不可替代的重要作用，其運(yùn)行工況直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。在換流變眾多故障中，因介質(zhì)絕緣劣化未及時發(fā)現(xiàn)所引發(fā)的故障屢見不鮮。相較于電力變壓器繞組的工作電壓環(huán)境，換流變壓器的閥側(cè)繞組還承受著直流電壓、交直流混合電壓和潮流翻轉(zhuǎn)時的極性反轉(zhuǎn)電壓。作為換流變的主絕緣介質(zhì)的變壓器油和層壓紙板，由于油和紙板介電常數(shù)之比(約為1∶2)和電阻率之比(約為1∶100)相差較大，所以在按介電常數(shù)分布的交流電場中和按電阻率分布的直流電場中，油紙復(fù)合絕緣介質(zhì)的電場分布存在很大差異［1］?；陔妶龇植嫉牟町悾瑸榧骖櫠?，換流變的閥側(cè)繞組相應(yīng)的絕緣要求更為嚴(yán)峻［2-4］。

近年來，國內(nèi)外對于油紙復(fù)合絕緣在直流電壓作用下、交直流電壓共同作用下的研究逐漸增多。但是，研究內(nèi)容多集中于在特高頻、寬帶脈沖電流等測量手段下，不同放電模型間放電波形時頻域的差異比較，或某一特定模型下交流或直流電壓作用下的起始放電、擊穿或閃絡(luò)特性［5-14］。對于交直流復(fù)合電場中從局部放電發(fā)生、發(fā)展直至擊穿或閃絡(luò)整個發(fā)展過程特點的研究偏少［15］。通過對整個放電發(fā)展過程的研究，提取放電發(fā)展過程中有效的特征量以表征絕緣介質(zhì)的劣化程度，可為實際工程應(yīng)用中換流變的故障診斷提供可用的發(fā)展規(guī)律，以尋求絕緣劣化的初步判據(jù)。

絕緣介質(zhì)劣化的過程是逐步發(fā)展的過程，此過程中介質(zhì)絕緣強(qiáng)度逐漸削弱直至最終失效;所以，在絕緣逐漸失效的過程中，絕緣試品有效絕緣部分的等效阻抗也隨劣化過程發(fā)生變化，這種變化致使局放發(fā)展過程中所提取特征量也伴隨發(fā)生變化。在文獻(xiàn)［15］的基礎(chǔ)上，本文改變外施電壓的施壓方式，在恒壓條件下研究交直流復(fù)合場下針板模型局部放電的整個發(fā)展過程，除進(jìn)一步驗證文獻(xiàn)［15］中針板模型放電相位分布的特點外，新增了對擊穿時刻放電相位特點的解釋，以補(bǔ)充、完善原有模型。文中以各統(tǒng)計時間段內(nèi)脈沖電流信號的平均放電量和放電次數(shù)作為絕緣介質(zhì)劣化程度的外在表征，從外施電源提供能量角度建立數(shù)學(xué)模型定性解釋放電次數(shù)、平均放電量的特點，與試品等效阻抗、外施電壓種類之間的關(guān)系。

2 復(fù)合場下局部放電發(fā)展過程研究方法及其特點

2.1 實驗平臺與實驗方法

實驗回路及各設(shè)備參數(shù)如圖1所示。實驗采用針板模型，如圖2所示，針電極加工頻交流電壓，板電極加負(fù)極性直流電壓。紙板為100mm×100mm ×3mm層壓紙板，紙板上、下表面分別與針、板電極緊密接觸。實驗利用局部放電檢測儀獲取常規(guī)脈沖電流信號，通過數(shù)據(jù)采集裝置和軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時存儲。實驗過程中外施交流電壓(幅值)和負(fù)極性直流電壓按1∶1加壓，以起始放電時刻作為實驗統(tǒng)計起始點，此后恒定電壓直至試品擊穿。

數(shù)據(jù)處理時，以60min作為統(tǒng)計時間單位，分別統(tǒng)計各時間段內(nèi)放電平均幅值和放電次數(shù)相位柱狀譜圖;本次實驗歷時334min，共計六個統(tǒng)計時間段。

圖1 實驗回路等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of experiment circuit

圖2 實驗用針板模型Fig.2 Needle-plate model in experiment

2.2 發(fā)展過程中放電特征量的特點

根據(jù)數(shù)據(jù)處理后各統(tǒng)計時間段譜圖所呈現(xiàn)的分布特征可以發(fā)現(xiàn):前三統(tǒng)計時間段相應(yīng)譜圖的形貌特征相近，第四和第五統(tǒng)計時間段譜圖亦有此特點;所以圖3和圖4只展示各統(tǒng)計時間段內(nèi)典型的放電平均幅值相位柱狀譜圖(Vave－o)和放電次數(shù)相位柱狀譜圖(N－o)，即第1、5、6時間段的相應(yīng)譜圖。

2.2.1 發(fā)展過程中平均放電量的特點

通過Vave－o譜圖可以清晰地看到各相位放電量的平均水平。如圖3所示。

圖3 統(tǒng)計時間段內(nèi)典型Vave－o譜圖Fig.3 Vave－ospectrum of typical stages

(1)前五時間段的Vave－o譜圖中，正半周波內(nèi)放電平均幅值均呈現(xiàn)增長趨勢，而負(fù)半周波因放電次數(shù)較少而分布趨勢不甚明顯;最后一個統(tǒng)計時間段內(nèi)，正、負(fù)半周波內(nèi)各相位放電量相當(dāng)，出現(xiàn)中間相位放電次數(shù)略高于兩邊。

(2)前五個統(tǒng)計時間段內(nèi)，正半周波內(nèi)的平均放電量高于負(fù)半周波;最后一個統(tǒng)計時間段內(nèi)放電量相當(dāng)。

(3)前五個放電時間段內(nèi)放電量集中于500～2000pC，而最后一個統(tǒng)計時間段內(nèi)放電量為300～500pC，放電量明顯減小(試驗標(biāo)定為100pC對應(yīng)1V)。

2.2.2 發(fā)展過程中放電次數(shù)的特點

圖4為各統(tǒng)計時間段內(nèi)典型N－o，圖5為各統(tǒng)計時間段放電次數(shù)折線圖。放電具有如下特點:

圖4 統(tǒng)計時間段內(nèi)典型N－o譜圖Fig．4 N－ospectrum of typical stages

(1)放電相位主要集中于正半周波45°～90°和負(fù)半周波225°～270°。

(2)放電集中區(qū)域的中心相位帶較兩側(cè)放電次數(shù)多(各統(tǒng)計時間段內(nèi)正半周波放電集中區(qū)域存在某一較易放電的相位:后期試驗證明為試驗大廳弧光燈固定相位干擾)，放電相位區(qū)域的包絡(luò)線近似于正弦波，此趨勢伴隨放電發(fā)展越來越明顯;相比正半周波，在前三時間統(tǒng)計段內(nèi)負(fù)半周波放電相位分散，而后逐漸集中，最終也顯現(xiàn)出了正弦包絡(luò)線的特點。

(3)圖5所示的放電次數(shù)折線圖中，放電次數(shù)在前五個時間段內(nèi)增長平穩(wěn)，最后一個統(tǒng)計時間段內(nèi)放電次數(shù)出現(xiàn)激增。

圖5 放電次數(shù)折線圖Fig．5 Discharge frequency curve

3 模型建立與相位分布解釋

3.1 試品等效阻抗估算

根據(jù)變壓器油和紙板在室溫下的電阻率和介電常數(shù)，由式(1)估算得試品等效阻抗ZX=RX//jXX為MΩ級，由圖1所示的實驗回路等效電路可知，外施交流電壓U·ac和直流Udc相當(dāng)于直接作用于試品。絕緣介質(zhì)未被破壞時，紙板的等效電阻和電抗記為R0和X0。

其中，紙板室溫下的電阻率和相對介電常數(shù)分別為ρpaper=1014Ω·m，εpaper=4．5，ε0=8．85×10－12F/m; Z0為未被破壞紙板等效阻抗;d為紙板厚度;S為紙板橫截面積;f=50Hz。

試驗時紙板浸于油中，假設(shè)紙板因放電出現(xiàn)缺陷，則缺陷將瞬間被變壓器油填充，針、板電極之間的油紙絕緣介質(zhì)的絕緣性能減弱［16］。

由圖6可知［18］:其中，ZX為被破壞紙板的總體等效阻抗;Z'paper為紙板被破壞后被破壞部分紙板的等效阻抗;Z'oil為填充紙板缺陷處空隙變壓器油的等效阻抗;Zpaper為紙板未被破壞部分的等效阻抗。

圖6 缺陷試品等效阻抗Fig．6 Equivalent impedance of defected samples

特別地:

(1)當(dāng)紙板破壞不嚴(yán)重時，Z'paper和 Z'oil相對Zpaper較小，即缺陷部分等值阻抗對于試品整體阻抗的影響較小，所以缺陷阻抗?jié)M足:

即，交流電壓作用下試品等效阻抗可視為容性電抗。

(2)當(dāng)紙板破壞嚴(yán)重時，試驗用變壓器油和紙板的介電常數(shù)及電阻率滿足不等式 ρoil/ρpaper＜＜即同等規(guī)格(缺陷部分)的紙板換成變壓器油，絕緣強(qiáng)度減弱，同時等效電阻減小更快。結(jié)合式(3)可知等效電阻RX的減小速度較快。所以，伴隨著試品被破壞程度的增加，試品等效電阻和等效電抗的差值減小;絕緣介質(zhì)劣化到一定程度后，試品等效阻抗ZX=RX//－jXX≠－jXX，即交流電壓作用下試品等效阻抗不可再視為容性電抗。

3.2 建立放電模型

根據(jù)估算，可得任意時刻T時交、直流電源提供的功率P(T)和任意時間段(T－ΔT，T)內(nèi)交、直流電源提供的電能W(T)為:

當(dāng)T時刻放電滿足W(T)≥Wmin(Ecr，ΔT)時，θ=ωT－2kπ(k=0，1，2．．．，θ∈(0°，360°))處發(fā)生放電。其中，T－ΔT為上一次放電對應(yīng)的放電時間;和φ分別為絕緣介質(zhì)等效阻抗ZX的模和阻抗角;Um為外施交流電壓幅值，也是外施直流電壓值;Wmin(Ecr，ΔT)為當(dāng)前絕緣強(qiáng)度下形成滿足放電條件的過程中所積聚的最小電能，其中Wmin(Ecr，ΔT)是一個與試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)、該模型預(yù)放電場強(qiáng)大小和形成該放電環(huán)境的時間等息息相關(guān)的量值。

下面分情況討論:

(1)當(dāng)紙板破壞不嚴(yán)重時，由式(4)～式(6)可得:

代入R0=3×1013Ω，X0=2．4×107Ω得:

其中，W0(T)為紙板破壞程度較小時，外施電源在(T－ΔT，T)時間內(nèi)提供的電能之和。

式(8)中當(dāng)試品破壞不嚴(yán)重時，試品的等效電阻值遠(yuǎn)大于等效電抗值，直流電源提供的能量對總能量的貢獻(xiàn)很小。所以，結(jié)合上述積分函數(shù)的特點:相位分布主要表現(xiàn)為交流電源的周期性正弦特點——前五個時期的N－o譜圖放電集中于正、負(fù)半周波45°～90°和225°～270°;Vave－o譜圖中正半周波45°～90°區(qū)間內(nèi)的平均放電量呈增長趨勢。

(2)結(jié)合圖3～圖5，最后一個時間段內(nèi)放電次數(shù)的驟增表明試品絕緣劣化程度加劇，相應(yīng)絕緣強(qiáng)度減弱，所以更容易發(fā)生放電，放電所需的最小能量Wmin減小，相應(yīng)出現(xiàn)了放電次數(shù)增多、放電相位帶擴(kuò)寬、放電量急劇減小的現(xiàn)象。絕緣劣化程度加深，試品等效阻抗在交流電壓作用下，ZX不可再視為容性阻抗，而是由之前的容性電抗逐漸向容性阻抗過渡;同時，試品等效電阻和電抗值減小，但由于電阻和電抗減小速度不同，所以相角φ隨之發(fā)生變化，以至最后一個時間段內(nèi)，Vave－o不再呈現(xiàn)前五個階段的增長特點。

同時，由于等效電阻的減小速度快于等效電抗的減小速度，所以由式(6)中直流電壓提供給試品的電能在交直流電源的總電能中的比重較之前五個時間段增加，即U2m/RX的增大速度快于如下:

式中箭頭個數(shù)表示變化程度;由于直流電壓無相位之分，所以在一個周期內(nèi)各個相位受到直流電源能量貢獻(xiàn)的機(jī)會均等。

綜合上述因素，可知最后一個時間段內(nèi):

(1)正是由于試品劣化程度加劇相應(yīng)絕緣強(qiáng)度大大減弱，放電所需的最小能量 Wmin減小，積累Wmin所需的時間縮短，所以最后一個統(tǒng)計時間段內(nèi)放電量明顯減小，放電次數(shù)明顯增加，放電相位拓寬。

(2)試品等效電阻的減小，使得直流電壓為放電發(fā)生提供的能量比重加大，而直流電壓在全相位帶內(nèi)為各相位提供的放電機(jī)會均等，所以，最后一個統(tǒng)計時間段內(nèi)各個放電相位之間平均放電量的大小差異與前五個時間段交流電壓所致的增長特點明顯不同。

4 結(jié)論

結(jié)合試驗現(xiàn)象和定性數(shù)學(xué)建模解釋，得出如下結(jié)論:

(1)放電發(fā)展過程中譜圖相位分布特點可以作為判定放電嚴(yán)重程度的參考特征量之一:復(fù)合場針板模型局放發(fā)展過程中，前五時間段和最后一時間段譜圖所呈現(xiàn)出的明顯變化——油紙絕緣介質(zhì)破壞嚴(yán)重時，放電相位帶拓寬、放電次數(shù)驟增、各相位平均放電量減小。

(2)整個局放發(fā)展過程中，油紙絕緣介質(zhì)試品等效阻抗的變化致使復(fù)合電場中交、直流電壓在放電過程中所占的作用比重不同，這直接影響著放電相位分布的形貌特征。

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Phase distribution in evolution of partial discharge in needle-plate model under combined AC-DC electric field

WANG Qiong1，QI Bo2，CHEN Bo1

(1．Inner Monogolia Electric Power Science＆Research Institute，Huhhot 010020，China;2．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Converter transformer is the key equipment of rectification and inversion in DC transmission system and its operational status directly affects the safety and reliability of the system．The valve side winding of converter transformer is working under complex voltages，so the failure rate caused by its insulation deterioration lies high．Therefore，investigating the evolution of partial discharge(PD)under combined AC-DC voltage has become a method of giving information about the insulation level of deterioration in converter transformer，which can be used as the basis for fault diagnosis of the converter transformer．In this paper，during the PD process，the characteristics of discharge spectrum in statistical time period are taken as the external presentation of insulation deterioration，and a mathematical model，which is capable of explaining the relationship between phase distribution characteristic and the insulation deterioration level，is built based on the energy conversion．The conclusions in the paper are:phase distribution can also be used as one characteristic quantity in the assessment of insulation deterioration level of PD，and a certain relationship exists between them;during the PD evolution，the test sample shows different impedance under combined AC and DC voltages，because at different insulation deterioration level，the equivalent impedance is not the same，and that is the reason for the charges of the discharge phase distribution．

combined AC-DC electric field;needle-plate model;partial discharge;PD evolution;phase distribution;mathematical model

TM854

A

1003-3076(2014)07-0043-06

2012-12-26

王 瓊(1986-)，女(蒙古族)，內(nèi)蒙古籍，工程師，碩士，研究方向為電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷;齊 波(1980-)，男，北京籍，講師，博士，研究方向為高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷。