溫-頻耦合效應(yīng)對(duì)高頻固態(tài)變壓器絕緣 局部放電特性的影響

韓 帥 李慶民 劉偉杰 魯 旭 王高勇 魏曉光

（1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250061 2.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華北電力大學(xué) 北京 102206 3.高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華北電力大學(xué) 北京 102206 4.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院 北京 102200）

1 引言

固態(tài)變壓器（solid state transformer）又稱電力電子變壓器，是一種新型智能輸變電裝備，它可實(shí)現(xiàn)電能的靈活傳輸，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與供電可靠性[1,2]。大容量固態(tài)變壓器工作在高頻（10kHz 以上）正弦模式下，其電壓波形具有上升時(shí)間短、幅值大、頻率高的特點(diǎn)[3]；另一方面，高頻下鐵磁材料的磁滯損耗增大，且導(dǎo)線集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)更為顯著，使得材料的損耗密度比工頻大大增加[4]，正常工況時(shí)設(shè)備的局部溫升可達(dá)160℃，遠(yuǎn)高于工頻正弦模式的電力設(shè)備[5,6]，由此形成的強(qiáng)溫-頻耦合效應(yīng)致使高頻絕緣易于過早失效。

研究表明，有機(jī)絕緣材料局部放電引起的不可逆破壞作用，是導(dǎo)致絕緣過早失效的主要原因，而溫度、頻率等影響因子對(duì)絕緣局部放電都有很大影響[7]。G.C.Montanari 研究了PWM 波形下的絕緣局部放電情況，通過對(duì)空間電荷的測(cè)試，認(rèn)為空間陷阱深度和陷阱流動(dòng)性對(duì)局放起始電壓、重復(fù)率和幅值影響較大，放電特征參量受波形極性和空間電荷積累的影響顯著[8]。在工頻正弦模式下，李成榕教授等研究了溫度對(duì)油紙絕緣沿面局部放電的影響，認(rèn)為高溫下的平均放電幅值要大于低溫，對(duì)絕緣的破壞作用更強(qiáng)[9]。在連續(xù)方波模式下，吳廣寧教授的研究指出，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，絕緣局部放電幅值及放電次數(shù)會(huì)逐漸降低[10]。

以往的研究結(jié)果表明，不同電壓波形和溫度模式下的局部放電特性差異較大，其實(shí)驗(yàn)溫度、頻率范圍以及作用電壓形式與大容量固態(tài)變壓器的工況有所不同[11]，頻率、溫度及其耦合作用對(duì)絕緣局部放電的交互影響機(jī)理尚需深入研究。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了高頻電熱聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同頻率和溫度下研究了固態(tài)變壓器中氣-固絕緣系統(tǒng)（聚酰亞胺，空氣）的局部放電特性，并對(duì)起始放電電壓、放電次數(shù)和放電幅值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而闡釋了溫-頻耦合效應(yīng)對(duì)高頻絕緣局部放電的影響機(jī)理，可為高頻變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及試樣預(yù)處理

建立的電熱聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示。高頻高壓源可輸出峰-峰值0～30kV、頻率10～50kHz 的正弦電壓波形，用以模擬高頻固態(tài)變壓器匝間絕緣的電應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)采用兼具切向和法向分量的不銹鋼球板電極（Φ20），以模擬高頻變壓器氣-固絕緣系統(tǒng)實(shí)際電場(chǎng)分布特性?？紤]到高頻電壓下局放信號(hào)寬頻帶、低幅值與高重復(fù)率的特點(diǎn)，采用ETS-93686高頻脈沖電流傳感器（HFCT）測(cè)量PD 信號(hào)，其帶寬為300kHz～50MHz。

圖1 電熱聯(lián)合局部放電測(cè)量系統(tǒng) Fig.1 The electrical-thermal test rig for PD measurement

實(shí)驗(yàn)采用厚度125μm 聚酰亞胺薄膜，由芳香族均苯四甲酸二酐和4,4’——二氨基二苯醚在極性溶劑中經(jīng)縮聚、成膜、環(huán)化而成，其介質(zhì)損耗因數(shù)小于1.0×10-3，長期耐熱溫度大于220℃。為避免污穢和微水對(duì)電極與試品介電性能的影響，減少測(cè)量結(jié)果分散性，實(shí)驗(yàn)前對(duì)被測(cè)試品進(jìn)行酒精清洗，并在60℃烘箱中熱處理24h。同時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)前后對(duì)電極表面拋光處理，以保證其清潔度。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)固態(tài)變壓器實(shí)際工況，選擇其正常工作溫度80℃和120℃，以及鐵心/低壓繞組附近最高溫度160℃，作為實(shí)驗(yàn)溫度范圍，選擇常溫30℃作為對(duì)比測(cè)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)頻率選擇10kHz、20kHz、30kHz、40kHz 和50kHz 共5 個(gè)測(cè)試段。在實(shí)驗(yàn)中，先將加熱箱體加熱至設(shè)定溫度，穩(wěn)定30min 后開始施加電壓。參照工頻局放的實(shí)驗(yàn)方法，先采用快速升壓法升壓至局部放電產(chǎn)生，觀察并記錄局部放電起始電壓，局部放電的測(cè)試選擇1.5～2 倍的局放起始電壓[12]——2.5kV 恒壓進(jìn)行，直至試樣擊穿，此時(shí)記錄試樣的壽命。由局放數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄局部放電脈沖的幅值和相位。為保證高頻下示波器波形的采樣率，兼顧存貯深度和處理速度，選取200/600 個(gè)周波進(jìn)行局部放電特征量的統(tǒng)計(jì)分析。

2.3 局部放電信號(hào)提取方法

由脈沖電流傳感器測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，因存在環(huán)境噪聲、電源內(nèi)部噪聲及接地線干擾等，無法直接準(zhǔn)確體現(xiàn)局部放電特征，為此采用以下處理方式：調(diào)用Matlab 小波工具箱中的sym8 小波基函數(shù)，對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行8 層分解，對(duì)分解得到的每層小波系數(shù)設(shè)定閾值，去除局部放電信號(hào)中的噪聲分量；然后對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行開窗處理，取一個(gè)窗口中的放電電壓最大值作為一次完整放電；最后根據(jù)“雙極性是局部放電，單極性的是干擾”的處理原則，對(duì)單極性數(shù)據(jù)進(jìn)行置零處理，得到最終的局部放電處理數(shù)據(jù)[13]。降噪后局部放電信號(hào)能量與降噪前的比值為93.56%，在保存較大信號(hào)剩余量的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)較好的濾波效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同頻率下局部放電形態(tài)

當(dāng)溫度一定時(shí)，通過對(duì)不同頻率下的局部放電相位-幅值統(tǒng)計(jì)（見圖2）可以看出，高頻正弦電壓下的局放形態(tài)與工頻和脈沖下[11,14]相比存在較大差異。在10～50kHz 頻率范圍內(nèi)，常溫下最大放電幅值隨頻率升高呈降低趨勢(shì)，總放電次數(shù)也隨之減少。對(duì)于單個(gè)正弦波形，局部放電脈沖主要集中在正/負(fù)半波的快速上升或下降沿，波形峰值處只有少量放電，而其他部分基本沒有放電。當(dāng)溫度較低時(shí)，大部分頻率段可觀測(cè)到放電相位的“分簇”形態(tài)，第一簇放電相位集中于電壓極性反轉(zhuǎn)后30°以內(nèi)，第二簇放電相位較為分散，分布在 30°～90°和210°～270°之間，兩簇放電各擁有一個(gè)峰值。對(duì)于多次實(shí)驗(yàn)放電譜圖沒有明顯差異，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的現(xiàn)象具有一致性。

圖2 常溫下局部放電特性 Fig.2 PD patterns at room temperature

在高溫時(shí)（見圖3），放電“分簇”現(xiàn)象僅在高頻段略有體現(xiàn)，而更多體現(xiàn)為“分層”現(xiàn)象，即小放電次數(shù)急劇增加，集中分布在坐標(biāo)軸附近，大幅值放電較為稀疏，最大放電相位相比低溫時(shí)略微后移，在電壓正負(fù)半周的分布分別為 20°～70°和180°～270°。隨著頻率升高，放電幅值和次數(shù)依然呈明顯下降趨勢(shì)。同時(shí)，正負(fù)半周放電形態(tài)的差異也更加明顯，正半周放電幅值略高于負(fù)半周。

圖3 160℃時(shí)局部放電特性 Fig.3 PD patterns at 160℃

3.2 溫度對(duì)不同頻率下局部放電特性影響

針對(duì)5 個(gè)頻率、4 個(gè)溫度下的高頻絕緣放電特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)：常溫下最大放電幅值差別較小，10～30kHz 頻段內(nèi)的最大幅值基本相同，都在0.45V 以下，同溫度下40～50kHz 頻段內(nèi)的幅值最??；當(dāng)溫度升高后，10kHz 試樣上升幅值遠(yuǎn)高于其他試樣，其他頻率下試樣放電特性呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)；在120℃時(shí)20～50kHz 頻段內(nèi)的放電幅值再次達(dá)到相近狀態(tài)，而當(dāng)溫度達(dá)到 160℃后，20～30kHz 試樣升至與10kHz 接近水平，幅值約為40～50kHz 下的2～3 倍，如圖4 所示。

圖4 溫度對(duì)不同頻率下最大放電幅值的影響 Fig.4 The impact of temperature on the maximum PD amplitude under different frequencies

實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)放電次數(shù)的影響如圖5 所示。不同溫度下 10kHz 試樣的放電次數(shù)依然最大，其次為20kHz 試樣；而自身變化幅度最大的是50kHz 試樣，160℃時(shí)的放電次數(shù)是常溫下的6.3 倍。高頻下放電次數(shù)隨溫度變化而穩(wěn)步上升。對(duì)于平均放電幅值，其曲線變化趨勢(shì)與最大幅值和放電次數(shù)變化規(guī)律基本類似，如圖6 所示。

圖5 溫度對(duì)不同頻率下總放電次數(shù)的影響 Fig.5 The impact of temperature on the PD times under different frequencies

圖6 溫度對(duì)不同頻率下平均放電幅值的影響 Fig.6 The impact of temperature on the mean PD amplitude under different frequencies

總體而言，溫度對(duì)高頻下局放特征量的影響大于低頻情況，但低頻下的放電幅值、放電次數(shù)和平均放電幅值在任何溫度下都高于高頻，隨著溫度升高，以上三種局部放電特征量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，高頻下特征參量在 120～160℃溫度范圍內(nèi)的上升逐漸緩慢。值得注意的是，不同溫度、頻率下的試樣局放起始電壓都在1.50kV 上下浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍為0.03kV，僅在高溫160℃時(shí)略微有所降低，基本不隨頻率變化而改變，如表1 所示。

表1 不同溫度和頻率下的局部放電起始電壓 Tab.1 PDIV under different temperatures and frequencies

4 討論

4.1 頻率對(duì)正弦電壓局部放電的影響機(jī)理

本實(shí)驗(yàn)研究所采用的球板電極簡(jiǎn)化模型與電場(chǎng)分布如圖7 所示，球板電極電場(chǎng)兼具縱向與切向分量，其放電主要發(fā)生在由試品與電極構(gòu)成的氣隙強(qiáng)場(chǎng)區(qū)中。為便于分析正弦模式下頻率和溫度對(duì)局部放電特性的影響，假設(shè)電場(chǎng)在短距離內(nèi)均勻分布，且電極表面等電位。采用局部放電微電路模型進(jìn)行等效，如圖8 所示，電極-絕緣介質(zhì)等效為介質(zhì)電容，電極-氣隙等效為氣隙電容，空間電場(chǎng)等效為極間電壓分布，空間電荷等效為電容電荷[15,16]。

圖7 試品與電極示意圖 Fig.7 Schematic diagram of the test sample and the electrodes with space vectors

整個(gè)電極-絕緣系統(tǒng)由n 個(gè)微電路模型并聯(lián)組成，Cg、Rg為氣隙等效電容和電阻，Cd、Rd為絕緣介質(zhì)等效電容和與氣隙串聯(lián)部分電阻。在圖中氣隙擊穿前，整個(gè)系統(tǒng)等效為阻擋介質(zhì)等效電容Cd和氣隙等效電容Cg串聯(lián)。在氣隙擊穿后，圖中開關(guān)閉合，Cg并聯(lián)上1 個(gè)隨時(shí)間變化的等離子體電阻Ra與介質(zhì)表面電阻Rs（沿面放電電阻）。

圖8 氣-固絕緣局放等效微電路模型 Fig.8 The equivalent microcircuit for partial discharge of the gas-solid insulation

顯然，氣隙電壓Ug可用式（1）表示

式中，Ua(t)和Ud(t) 分別是外加電壓和絕緣介質(zhì)上的電壓。

由于空氣的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于絕緣介質(zhì)，氣隙承擔(dān)的電場(chǎng)強(qiáng)度將遠(yuǎn)大于介質(zhì)所承擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)電壓到達(dá)氣隙擊穿電壓Ui后，氣隙將發(fā)生擊穿。氣隙初次擊穿后，Ug(t) 急劇下降，當(dāng)Ug(t) 下降到氣隙擊穿電壓Ui(t)以下時(shí)，則放電熄滅，而此時(shí)因介質(zhì)電容殘留電荷、介質(zhì)表面電阻Rg和等離子電阻Rs的存在，介質(zhì)電容電荷將繼續(xù)衰減，直至產(chǎn)生數(shù)值為Ures的殘余電壓，將阻礙極性反轉(zhuǎn)后的放電產(chǎn)生[17]。與此同時(shí)，電流Id迅速增大，放電電流給絕緣介質(zhì)充電，Cd上堆積的電荷及產(chǎn)生的Ud(t) 隨之迅速增大，Ud(t)最大值為Ua-Ures。在半個(gè)周期內(nèi)，從放電起始到達(dá)到Ures前的氣隙電壓Ug(t) 為

由于電荷的留駐效應(yīng)，當(dāng)電壓極性快速反轉(zhuǎn)時(shí)，部分注入的空間電荷仍然停留在聚酰亞胺非晶區(qū)的深層陷阱中，電荷注入量大于抽出量[18]，使得Ud(t)不能突變，仍處于較大值；當(dāng)電源電壓Ua(t)降至足夠低時(shí)，即半波結(jié)束后極性反轉(zhuǎn)時(shí)，僅通過Ud(t) - Ug(t)所產(chǎn)生的電壓，就可以使得氣隙反向擊穿，這就是當(dāng)極性剛翻轉(zhuǎn)時(shí)電源電壓雖然為0 但可發(fā)生放電的原因。同時(shí)，形成了如圖2 和圖3 所示的局部放電分簇現(xiàn)象，其第一簇放電緣于上述Ud(t)-Ug(t)疊加電壓產(chǎn)生；而處于弱場(chǎng)區(qū)的電極-絕緣距離較大，Cd遠(yuǎn)小于強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，其電壓Ud(t)-Ug(t) 可能無法達(dá)到反向擊穿電壓，此時(shí)需要電源電壓繼續(xù)上升，待Ua(t)+Ud(t)-Ug(t) 值達(dá)到氣隙擊穿電壓Ui，才能使放電產(chǎn)生。

當(dāng)頻率提高后，正弦電壓波形周期縮短，因時(shí)間常數(shù)τ 相對(duì)于高頻周期足夠大[16,19]，半個(gè)周期內(nèi)電荷衰減時(shí)間t 會(huì)變短，因而Ug(t) 在半個(gè)周期結(jié)束后會(huì)變大，導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)時(shí)Ua(t)+Ud(t)-Ug(t)會(huì)變小，所以放電幅值將有所減小。同時(shí)，由于正弦電壓波形存在上升沿和下降沿部分，頻率提高使得發(fā)生局放的上升/下降沿時(shí)間更加短暫，減小了Ug達(dá)到擊穿電壓Ui的幾率，使得兩簇放電的次數(shù)都有所減少。

4.2 溫度對(duì)局部放電特性的影響機(jī)理

為進(jìn)一步分析溫度對(duì)高頻絕緣局部放電的影響機(jī)理，本文測(cè)得聚酰亞胺材料表面及體電導(dǎo)率隨溫度的變化，如表2 所示。顯然，隨著溫度升高，聚酰亞胺絕緣的體電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率都有所下降。由圖8 可見，表面電導(dǎo)率增大即電阻Rs減小，使得氣隙放電回路Cg-Rs中的放電電流增大。實(shí)際上，表面電導(dǎo)率的增大，提高了放電電子和離子在材料表面的轉(zhuǎn)移速度[8]，增大了切向的放電分量，使得放電向弱場(chǎng)區(qū)發(fā)展，增加了小幅值放電的次數(shù)，擊穿點(diǎn)也更靠外（見圖10）。同時(shí)，溫度的升高使得載流子獲得足夠的動(dòng)能，易于克服逸出功的勢(shì)壘，因而提高了電極的熱電子發(fā)射率，增大了絕緣介質(zhì)和氣隙的空間電荷注入量[18]，容易產(chǎn)生大幅值的放電，即造成了圖3 所示的分層現(xiàn)象。另外，由于絕緣的體電導(dǎo)率與放電重復(fù)率成正比[15]，溫度的升高使體電導(dǎo)率升高，提高了單位時(shí)間內(nèi)絕緣的放電次數(shù)。因而，溫度的升高使得電極-絕緣系統(tǒng)的放電量和放電次數(shù)都有明顯提升。

表2 絕緣電阻率隨溫度變化 Tab.2 Temperature-dependency of the conductivity （單位：S/m）

由于負(fù)電荷（一般為自由電子）的遷移速度遠(yuǎn)高于正電荷的遷移速度，故在電壓為正極性時(shí)，短時(shí)間內(nèi)負(fù)電荷遷移速度較快，導(dǎo)致試品表面電荷密度σ 將大于負(fù)極性時(shí)的電荷密度[20]，使得電壓為正極性時(shí)的氣隙電場(chǎng)強(qiáng)度較大，因此在電壓正半周期上，出現(xiàn)較多的局部放電與較強(qiáng)的放電脈沖；而當(dāng)溫度升高且絕緣體電導(dǎo)率增大時(shí)，電荷遷移速度差異更大，使得這一效果變得更加明顯。

4.3 溫-頻協(xié)同作用對(duì)局部放電特性影響機(jī)理

圖9 聚酰亞胺薄膜放電區(qū)域與擊穿點(diǎn)比較 Fig.9 Comparison of the discharge area and breakdown point of PI under different temperatures and frequencies

由圖9 可以看出，頻率的提高也使得絕緣擊穿點(diǎn)外移；相對(duì)于低頻試樣，高頻試樣放電區(qū)域同樣 具有擴(kuò)散趨勢(shì)，說明頻率對(duì)切向電場(chǎng)的發(fā)展同樣具有顯著影響。這是因?yàn)樗矔r(shí)增加的電場(chǎng)使得聚酰亞胺中產(chǎn)生電子崩，而單位時(shí)間內(nèi)由雪崩產(chǎn)生放電的電離數(shù)與施加電壓的頻率成正比，每次放電都會(huì)在沿面路徑的一些點(diǎn)處引發(fā)雪崩，即在單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)雪崩區(qū)積累的破壞作用與施壓頻率成正比。頻率提高與溫度增加在切向電場(chǎng)中的作用效果相近[21]。

另外，頻率的提高使得單位時(shí)間內(nèi)空間電荷注入-抽出的次數(shù)增大，容易形成更多熱電子，材料受到熱電子沖擊過于頻繁，材料的極化、疲勞和熱效應(yīng)的綜合作用進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著電壓頻率的升高，極化引起的損耗增大，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部溫度上升；同時(shí)，由于絕緣試品的電容特性，頻率越高則產(chǎn)生的位移電流越大，提高了電極的功率密度，高頻強(qiáng)位移電流的沖擊使電極局部產(chǎn)熱量有所增加，在當(dāng)前溫度效應(yīng)的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步促進(jìn)局放量和放電次數(shù)的增加。緣于該溫-頻協(xié)同作用，溫度升高對(duì)高頻試樣放電特性的改變幅度較大，但不如頻變導(dǎo)致的空間電荷效應(yīng)對(duì)絕緣放電特性的作用明顯，具體表象如上節(jié)所述。

由于初次放電發(fā)生的位置一定是電極與介質(zhì)接觸點(diǎn)附近的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，起始放電的沿面分量很小，相比法向場(chǎng)強(qiáng)可以忽略，因而幾乎不受表面電導(dǎo)率的影響，溫度提升只是使得初始電子更容易激發(fā)，在較小程度上降低了局放起始電壓；由于初次放電前氣隙尚未擊穿過，絕緣介質(zhì)中沒有相反極性的空間電荷積累，因而氣隙初次擊穿電壓完全取決于電源電壓，此擊穿電壓為正弦波形上升沿處某一點(diǎn)，和頻率（波形的陡峭程度）無關(guān)，使得局放起始電壓基本不隨頻率而改變[8]。

5 結(jié)論

本文研究了高頻正弦模式下固態(tài)變壓器聚酰亞胺-空氣絕緣系統(tǒng)的局部放電特性，闡明了溫-頻耦合效應(yīng)對(duì)局部放電脈沖幅值、放電次數(shù)和平均放電幅值等特征參量的影響規(guī)律，并從放電的微電路等效模型及空間電荷積聚/耗散的角度對(duì)溫-頻耦合效應(yīng)的作用機(jī)理開展了探索研究。隨著溫度升高，局部放電次數(shù)、最大放電幅值、平均放電幅值都有所上升，而頻率的影響機(jī)制則與之相反。絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率的變化以及空間電荷的積聚和消散作用是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因。溫度升高使得絕緣表面和體電導(dǎo)率增大，同時(shí)提高了介質(zhì)空間電荷的注入量，提升了放電次數(shù)和幅值；頻率的提高直接影響到氣隙中空間電荷的殘留量，阻礙了極性反轉(zhuǎn)后放電脈沖的產(chǎn)生。另外，溫度和頻率在電熱混合場(chǎng)中具有協(xié)同作用，一定程度上促進(jìn)了局部放電的發(fā)生，但其作用效果不如空間電荷與電導(dǎo)率明顯。

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