局部放電作用下變壓器匝間油紙絕緣加速劣化規(guī)律

程養(yǎng)春 魏金清 李成榕 榮智海 王廣真 馬振麗

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局部放電作用下變壓器匝間油紙絕緣加速劣化規(guī)律

程養(yǎng)春1魏金清1李成榕2榮智海1王廣真1馬振麗1

（1. 華北電力大學高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206 2. 華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室 北京 102206）

為研究變壓器內油紙絕緣材料局部放電作用下劣化缺陷的發(fā)展規(guī)律及其與局部放電特征量的關聯(lián)性，構建了匝間局部放電模型，進行了多組不同加壓時間長度的恒壓試驗，并記錄了試驗過程中的局部放電信號。利用匝間絕緣紙帶可層層拆解的結構特點，獲得了匝間絕緣在加速電劣化下炭化通道發(fā)展的統(tǒng)計性規(guī)律。研究結果表明，恒壓加速電劣化作用下匝間油紙絕緣局部放電缺陷即炭化通道沿宏觀電場的縱向發(fā)展過程呈現(xiàn)增長、停滯和擊穿三個基本階段；脈沖重復率和脈沖1s內總放電量可以宏觀地表征匝間油紙絕緣電劣化缺陷的發(fā)展狀況，為油紙絕緣局部放電嚴重程度階段性的準確劃分提供參考依據(jù)。

變壓器 油紙絕緣 局部放電 加速電劣化 炭化通道 發(fā)展規(guī)律

0 引言

油浸紙絕緣是目前電力變壓器中最廣泛使用的絕緣材料，其在制造、運輸、裝配和運行過程中不可避免地產生各種缺陷，例如氣隙、尖刺和雜質 等[1]。變壓器發(fā)生絕緣故障的主要原因是絕緣缺陷處的長期局部放電而引發(fā)的絕緣劣化，并最終導致絕緣的失效和擊穿。

近20多年來，研究學者們針對局部放電引發(fā)固體介質電劣化的機理以及以局部放電信號特征反映固體絕緣劣化狀態(tài)進行了大量研究。1986年，T. Okamoto在對環(huán)氧樹脂材料內缺陷發(fā)展研究的基礎上發(fā)現(xiàn)了局放信號-散點圖的偏斜度與電樹枝的發(fā)展具有密切的關聯(lián)性[2]。1990年，M. Hikita研究了氣隙缺陷中的氣壓和氣體組分對其局放特性的影響。結果表明，氣壓對局放沒有顯著影響，而隨著氣隙內氧氣的消耗，當氧氣含量低于一定值時，局放的譜圖特征將會發(fā)生變化[3]。1993年，L. A. dissado用放電破壞模型來描述樹枝生長過程，將放電通道看作導體或認為其內部場強為一常數(shù)求得整體的電場分布，并認為樹枝生長由放電破壞量所決定[4]。1995年，G. C. Montanari提出了基于電樹枝長度或放電量密度的絕緣電老化壽命模型[5]。1998年，R. Bozzo研究表明，局部放電脈沖幅值的Weibull分布參數(shù)與氣隙以及電樹枝通道內的局部放電有著密切的聯(lián)系，以此獲得了電樹枝引發(fā)的先兆表征[6]。1999年，西安交通大學的吳鍇根據(jù)細長氣管與聚合物中電樹枝呈現(xiàn)一致的翼形或者三角形的局放譜圖特點，建立了電樹枝放電的物理模型，揭示了電樹枝放電譜圖的形成機理，并指出電樹枝中放電趨于由針電極尖端引發(fā)并沿樹枝管傳播[7]。2012年，A. Cavallini在交聯(lián)聚乙烯氣隙缺陷模型的試驗基礎上，依據(jù)局放統(tǒng)計特征量的變化趨勢對絕緣劣化程度進行了階段性劃分，并指出可以用walfa（放電重復率×放電幅值）來表征絕緣電劣化缺陷的發(fā)展速度[1]。國內其他學者在相關方面也進行大量的研究[8-13]。綜合來看，各學者所獲得的結果不盡相同，關于局放信號特征量的選取以及局放機理的解釋暫未形成統(tǒng)一的定論。

以上關于固體絕緣電劣化的研究大多針對環(huán)氧樹脂、聚乙烯等聚合物材料，而涉及變壓器油紙絕緣內部放電的研究，國外文獻鮮見報道。國內重慶大學廖瑞金、楊麗君等人基于油浸紙板氣隙放電模型，研究了放電發(fā)展過程中傳統(tǒng)放電圖譜和指紋特征參量的變化情況，采用因子分析手段提取了新的放電特征指紋用于放電嚴重程度的評估，并對局部放電損傷油浸紙板過程中紙板的微觀結構及其與電氣性能的關系進行了分析，取得了一定的成果[14,15]。西安交通大學李彥明、李軍浩等人同樣基于油浸紙板氣隙放電模型，依據(jù)放電不同階段PRPD譜圖的變化趨勢，采用計算機模擬研究了電劣化過程中氣隙內部物理參數(shù)的變化規(guī)律[16]。但是以上的研究均未涉及到絕緣內部因局部放電而引發(fā)電劣化缺陷的發(fā)展速度問題，所提出的嚴重程度評估或者階段性劃分缺乏相應的物理機理。

國內外對絕緣紙板內部電樹枝或炭化通道形成機理及發(fā)展特性的研究較少，究其原因很大程度上是由于絕緣紙板材料的不透明導致難以借助設備有效地觀測和記錄放電通道的演變過程。本文在實驗室中構建匝間電極局部放電模型，進行了多組不同加壓時段的恒壓試驗，利用匝間電極的結構特點，對試驗后試品包扎的絕緣紙帶進行層層的拆解，觀察并分析絕緣層的炭化痕跡形貌特征，獲得了匝間絕緣炭化通道發(fā)展的統(tǒng)計性規(guī)律，理論分析了炭化通道的發(fā)展機理，并提出了可以利用局放信號特征量表征炭化通道沿宏觀電場方向的發(fā)展趨勢。

1 試驗平臺及研究方法

1.1 試驗平臺

試驗研究平臺由兩部分組成：局部放電模擬系統(tǒng)和局部放電檢測系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 試驗平臺

圖中，試驗變壓器為120kV無暈變壓器，在120kV下放電量不大于5pC。高壓引線經過無暈處理。在50kV最高試驗電壓下，整個加壓系統(tǒng)的背景干擾不大于10pC。局部放電測量使用DST—4型局部放電測試儀，檢測頻帶為40～80kHz，采用并聯(lián)測試回路。局部放電信號經局放儀測量和處理后，在示波器中進行顯示和數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)經由USB接口傳入計算機，在計算機中進行數(shù)據(jù)存儲和分析。

1.2 電極模型

本文選用變壓器廠繞制的繞組線匝制成匝間放電試驗模型。繞組線匝由扁銅導線以及包扎的絕緣紙層構成。根據(jù)繞組不同電壓等級的要求，可采用不同厚度的匝絕緣層。本文試驗中采用的繞組線匝規(guī)格為：扁銅導線寬11.25mm，厚1.25mm，兩邊絕緣層總厚度2.45mm。匝間放電電極模型的尺寸結構如圖2所示，該電極模型被稱為pig-tail模 型[17,18]。試驗前，匝間電極試樣均置于105℃、氣壓小于100Pa的狀態(tài)下加熱并真空抽氣24h以上，然后真空注油，電極試品在油中靜置24h以上。經過上述處理后，匝間電極絕緣內部的水分和氣體被析出，達到真實變壓器內部絕緣水分和氣體含量要求。

圖2 pig-tail匝間電極模型結構

1.3 試驗加壓方式

緩慢升高電壓直至出現(xiàn)穩(wěn)定的局部放電信號。由于匝間電極間的電場近似均勻電場，且未人為設置絕緣缺陷，因而起始放電電壓一般可達到50kV左右。此時放電較為劇烈，在起始放電電壓下維持10s待產生初始缺陷后，按2kV/5s的速度將電壓降至40kV并保持恒定。此后分別進行10min、30min、60min、90min、120min和180min 6個加壓時間長度的試驗，同一個時間長度包含多個試品。試驗中施加的40kV恒定電壓強場加速了匝間絕緣的局部放電劣化速度，因此可在較短的時間內獲取大量的試驗樣本，獲得絕緣缺陷發(fā)展規(guī)律的統(tǒng)計性結果。20次試驗的起始放電電壓分布如圖3所示。平均起始放電電壓為50.3kV，波動均在8%以內，表明各試品的初始絕緣狀態(tài)基本一致，滿足試驗要求。

圖3 起始放電電壓分布情況

2 炭化通道發(fā)展規(guī)律

2.1 匝間絕緣炭痕情況

施加固定時長的40kV恒壓試驗后，匝間絕緣電劣化下形成的絕緣表層炭化痕跡情況如圖4所示。炭痕主要分布在匝間電極的棱邊位置，且不同放電點處炭化痕跡的形貌和規(guī)模各異。將高壓和接地電極的炭痕依照試驗時電極擺放的位置一一對應起來就構成了各放電通道的整體形態(tài)。記錄各放電點位置后，對電極試品包扎的絕緣紙帶進行逐層拆解，直至觀察不到炭痕為止。拆解下來的絕緣紙帶如圖5所示。將各放電點處高壓電極和接地電極炭化痕跡所滲透的絕緣紙帶層數(shù)求和來表征各炭化通道的長度。借助光學顯微鏡可進一步觀察并拍攝絕緣紙帶表面炭化痕跡的形貌特征。

圖4 試驗后匝間電極表面炭痕

圖5 拆解下來的絕緣紙帶

表1中顯示的是一個典型的試品炭化通道中各層絕緣紙帶表面炭化痕跡的形貌圖像。該試品的炭化通道共滲透了9層絕緣紙帶，其中高壓電極上的紙帶3層，接地電極上的紙帶6層。將紙帶由外層至內層編號并觀察絕緣紙帶上的炭痕。炭痕的面積大致逐層減小，炭痕的顏色深度也逐層減弱。層與層之間炭痕的形貌沒有統(tǒng)一的特征，表現(xiàn)出較強的隨機性。

表1 絕緣紙帶表面炭化痕跡（放大100倍）

2.2 炭化通道的發(fā)展趨勢

針對單次試驗多放電點多炭化通道的特點，引入了最大層數(shù)炭化通道來表征匝間絕緣缺陷電劣化的嚴重程度。對比試驗過程中觀察記錄的各主要放電點起始時間以及試驗后統(tǒng)計的各炭化通道層數(shù)，發(fā)現(xiàn)以下普遍規(guī)律：不論是未擊穿試品具有最大層數(shù)炭化通道的放電點還是被擊穿試品的擊穿點，都是在試驗初期階段形成的。因此，若對未擊穿試驗的試品繼續(xù)施加電壓，則其中具有最大層數(shù)炭化通道的放電點很可能演變成最后的擊穿點。根據(jù)以上的分析，使用最大層數(shù)炭化通道來表征當前加壓時間段內絕緣缺陷電劣化的嚴重程度是合理的。各試品最大層數(shù)炭化通道的絕緣紙帶層數(shù)統(tǒng)計結果見表2。以30min加壓時間段為例，該時間段內共進行了4次試驗，各試品最大層數(shù)炭化通道分別為11、8、7和6層。

表2 各試品滲透層數(shù)最多的炭化通道統(tǒng)計

最大層數(shù)炭化通道隨加壓時間的變化發(fā)展趨勢如圖6所示。盡管同一加壓時間段內各試樣中獲得的最大層數(shù)炭化通道具有分散性以及不同加壓時間段的數(shù)據(jù)存在著交叉現(xiàn)象，但從整體的變化趨勢中可以看出明顯的規(guī)律性。由圖6中最大層數(shù)炭化通道的平均值隨加壓時間變化趨勢可以得出，炭化通道沿宏觀電場方向的發(fā)展經歷了增長和停滯兩個基本階段。加壓時間從0～60min為第一階段，該階段內炭化通道呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，增長的速率隨試驗時間的延伸而減??；60min之后至臨界擊穿前為第二階段，該階段一般可持續(xù)較長時間，且炭化通道層數(shù)無明顯增大趨勢。該階段炭化通道沿宏觀電場方向的發(fā)展進入停滯期，轉而向更易形成放電的絕緣紙帶層間的橫向發(fā)展。

圖6 炭化通道隨加壓時間的發(fā)展趨勢

實際上一次完整的、從開始加壓至最后擊穿的試驗，還應包括擊穿過程即匝間絕緣完全貫穿的第三階段。在已進行的20次未擊穿的試驗中，獲得的最大炭化通道絕緣紙帶層數(shù)為18層，是總絕緣紙帶層數(shù)的50%，表明在40kV恒壓條件下，有半數(shù)甚至半數(shù)以上的絕緣紙帶是瞬間被貫穿的。由于擊穿時間極短，按照本試驗方法無法獲取此過程中炭化通道的發(fā)展變化規(guī)律，且聯(lián)系現(xiàn)場實際中對于變壓器預警預測的需求，本文重點討論第一和第二階段。

以上分析的炭化通道發(fā)展的階段性與文獻[9]中描述的XLPE電纜絕緣內生成電樹枝發(fā)展過程的階段性基本相符：XLPE電纜絕緣中會生成枝狀、叢林狀和混合狀三類電樹枝，并且在電樹枝發(fā)展過程會呈現(xiàn)非常清晰的三個基本階段，即引發(fā)階段、滯長階段和迅速發(fā)展階段。再結合表1中呈現(xiàn)的炭化痕跡的簇狀特征以及文獻[9]中關于XLPE電纜絕緣中叢林狀電樹枝的生長規(guī)律，可以得出以下結論：匝間油紙絕緣炭化通道沿宏觀電場的發(fā)展趨勢與交聯(lián)聚氯乙烯電纜絕緣中叢林狀電樹枝的生長規(guī)律較為相似。

2.3 炭化通道發(fā)展規(guī)律的數(shù)學模型

圖6中最大層數(shù)炭化通道的平均值隨加壓時間變化趨勢曲線在60min出現(xiàn)了轉折點，而實際中炭化通道的發(fā)展應為連續(xù)的單調曲線。這是由于炭化通道的發(fā)展具有隨機性，統(tǒng)計性的結果與真實情況難免存在偏差。為建立更為合理的炭化通道發(fā)展的數(shù)學模型，結合炭化通道發(fā)展的階段性特征，對加壓時間和最大層數(shù)炭化通道平均值分別求取對數(shù)，以ln為橫坐標，ln為縱坐標繪制散點并作線性擬合如圖7所示。擬合的函數(shù)表達式為

式（1）是在本文試驗特定條件下得到的炭化通道發(fā)展的數(shù)學表達式。將式中的數(shù)值替換為變量可推導出炭化通道發(fā)展的通用數(shù)學表達式為

文獻[5]提出交流電壓下復合絕緣材料中生成的電樹枝的生長規(guī)律可以表示為

式中，為電樹枝的長度；3是關于外加電場（或電壓）的函數(shù)；為電樹枝的分形維數(shù)（樹枝樹為1.7，灌木樹為2.5）；為加壓時間。

對比式（2）和式（3），暫不考慮各對應變量的物理意義，可以發(fā)現(xiàn)兩者是一致的，進一步驗證了上文中提到的匝間油紙絕緣炭化通道的發(fā)展與XLPE電纜絕緣中叢林狀電樹枝的生長規(guī)律較為相似的這一結論。

利用同樣的試驗方法，將匝間絕緣紙帶總層數(shù)減少6層并施加同樣40kV恒壓進行第2批次的附加試驗。多次試驗結果統(tǒng)計的炭化通道發(fā)展趨勢如圖8所示，圖9為對相應變量求對數(shù)后的線性擬合。結果可進一步驗證了式（2）在匝間絕緣結構電劣化缺陷發(fā)展規(guī)律研究中的適用性。得到炭化通道發(fā)展的數(shù)學表達式為

圖9 lnL′和lnt的線性擬合

2.4 炭化通道形成的試驗現(xiàn)象分析

縱觀局部放電劣化絕緣領域的研究，學者們普遍采用CIGRE Method氣隙缺陷模型和尖板結構電極模型進行局放研究。荷蘭的Morshuis在文獻[19]中總結了氣隙缺陷模型所普遍認可的局部放電劣化過程，指出氣隙中的局放引起了氣隙表面介質電導率和粗糙度的變化，并生成例如晶體的固體產物。而晶體尖端的局部強場促進了局放的發(fā)展，電樹枝開始引發(fā)。此后局放的電劣化過程與尖板結構電極模型較為類似。

對比本文構建的匝間電極放電模型，雖未人為設置氣隙絕緣缺陷或者尖刺電極結構，而是外施高壓強電場，使得匝間電極油膜間隙的絕緣薄弱處首先發(fā)生局部放電，產生初始缺陷。放電產生的帶電粒子轟擊絕緣紙層并產生熱量，造成絕緣紙帶纖維素分子鏈的斷裂和熱裂解，形成炭化痕跡。這一階段，炭痕的形成使得局部電場集中，促進了局放和炭化通道的發(fā)展。

隨著放電深入至絕緣內層，不斷擴大的導電或半導電的炭化通道均勻化了局部強場，阻止了其沿外加宏觀電場的進一步發(fā)展而轉向更易形成放電的各絕緣紙帶層間的橫向擴展。

隨著炭化通道面積不斷擴大，由于有效絕緣距離的減小，施加在剩余絕緣層上的電場增強，經歷一段時間之后，絕緣擊穿。

3 局部放電統(tǒng)計特征分析

3.1 局部放電發(fā)展趨勢分析

為了獲取能夠真實反映匝間絕緣加速電劣化過程中絕緣缺陷發(fā)展狀態(tài)在局部放電信號上的表征，試驗過程中利用局放檢測儀進行局放信號的測量。由于存在多個放電點現(xiàn)象，采集到的局放信號亦為多個放電點局放信號的疊加。疊加后的局放信號與單一放電點情況是否具有一致的發(fā)展變化趨勢，這是之后作統(tǒng)計分析所關心的問題。因此，以下先以某次單一放電缺陷試驗（即試驗中只出現(xiàn)了一個放電點）為例分析電劣化缺陷發(fā)展過程中局放信號特征量和統(tǒng)計譜圖的變化趨勢。

該試驗進行了90min。局放放電特征量隨加壓時間的變化趨勢如圖10所示。脈沖重復率、脈沖放電量最大值、脈沖放電量平均值和脈沖1s放電量分別為單位時間內（每秒內）的脈沖個數(shù)、脈沖視在放電量最大值、脈沖視在放電量平均值以及脈沖視在放電量總和，且每隔10min取1s的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計對象，繪制各特征量隨加壓時間的變化趨勢圖。由圖10可以看出，脈沖重復率在70min之前逐漸增大，70min之后有微弱的減小趨勢；脈沖放電量最大值呈現(xiàn)波浪形變化，無明顯趨勢特征；脈沖放電量平均值在60 min之前逐漸減小，60min之后有微弱的增大趨勢；脈沖1s放電量在60min之前雖有一定幅值的波動，但整體趨勢是逐漸增大，60min之后趨于恒定。

圖10 局部放電特征量隨加壓時間的變化趨勢

結合炭化通道發(fā)展過程分析局部放電特征量隨加壓時間變化趨勢的可能原因。匝間電極油間隙的局部放電引發(fā)炭化通道之后，不斷擴大的炭化通道增大了放電區(qū)域，向絕緣內部抽取和注入更多的電荷，表現(xiàn)為脈沖重復率的增大。不斷擴大的炭化通道同時也使得局部電場均勻化，表現(xiàn)為小放電幅值脈沖的增多，脈沖放電量平均值減小。一段時間后，電場均勻化效應使局部強場削弱至一定值時，脈沖重復率趨于平緩甚至減小。此時炭化通道沿宏觀電場方向的發(fā)展出現(xiàn)停滯，轉向更易聚集氣泡的層間發(fā)展，增加了局部放電特征量變化的隨機性，例如脈沖放電量最大值的變化趨勢。脈沖1s放電量的變化趨勢是放電區(qū)域增大和局部強場均勻化效應的博弈過程，表現(xiàn)為脈沖1s放電量隨加壓時間的變化具有一定幅值的波動。

3.2 局部放電相位統(tǒng)計譜圖分析

試驗過程中各加壓時間段內-散點圖的變化如圖11所示。將局放信號的放電相位幅值序列（，）以散點的方式繪制在二維-平面內，即可得到-散點圖。由圖4可以看出，放電相位分布由初始時刻的0°～90°和180°～270°逐漸向0°和180°附近擴展延伸，至90min時刻放電相位分布為-30°～90°和150°～270°。從30min開始，正負半周放電幅值小但放電密集區(qū)域的形狀逐漸呈現(xiàn)“△”形，并與上方幅值大但放電稀疏的窄帶狀分布構成倒立的大頭釘狀散點圖?！啊鳌毙螀^(qū)域中，正半周幅值大放電較為稀疏，負半周幅值小放電較為密集。

試驗過程中各時間段內三維譜圖的變化如圖12所示。三維譜圖反映了單位時間內，發(fā)生在一定相位窗內具有一定放電量的局放脈沖數(shù)目，即放電重復頻率隨相位和放電量的分布特性。其中已對脈沖幅值進行了全過程最大值歸一化處理。

4 局放特征量表征絕緣缺陷的發(fā)展

圖13顯示了4次120min多放電點試驗的脈沖重復率隨加壓時間的變化趨勢。4次試驗的脈沖重復率在前60min逐漸增大，60min之后除第4次試驗外，整體上都呈現(xiàn)微弱增大的趨勢。而第4次試驗的脈沖重復率在60min之后有微弱減小的趨勢，這與上文分析的單一放電點試驗的脈沖重復率變化趨勢相一致。結果表明，多放電點試驗檢測到的局放信號雖然是多放電信號某種關系的疊加值，但其宏觀特征量脈沖重復率變化趨勢與單一放電點的情況是一致的。參照對炭化通道的分析處理方式，同樣求取同一試驗時間段脈沖重復率的平均值作為統(tǒng)計性結果。

圖13 120min各試驗脈沖重復率的變化趨勢

分別繪制30min、60min、90min和120min加壓時間段各試驗的平均脈沖重復率隨試驗時間的變化趨勢如圖14所示。由圖14可以看出，雖然同等試品和試驗條件下放電通道個數(shù)及特征的差異導致了局放特征量脈沖重復率在幅值上的差異，但脈沖重復率隨試驗時間的發(fā)展變化具有比較統(tǒng)一的階段性趨勢。

圖14 不同加壓時間試驗的脈沖重復率變化趨勢

以120min加壓時間段的平均脈沖重復率為例，參照上文對炭化通道發(fā)展規(guī)律的冪函數(shù)擬合，同樣對脈沖重復率隨試驗時間變化規(guī)律作冪函數(shù)擬合。轉化為對脈沖重復率和時間分別求對數(shù)即ln和ln的線性擬合如圖15所示。線性擬合求得參數(shù)為=0.271 6，7.220 5。進一步求得擬合的冪函數(shù)為

即擬合得到的冪函數(shù)與式（2）一樣均為橫拋上凸的冪函數(shù)，表明脈沖重復率與炭化通道具有相同的發(fā)展變化趨勢。

圖15 lnN和lnt的線性擬合

利用同樣的方法，對局放信號的脈沖1s放電量進行分析處理，得到120min各試驗脈沖1s放電量隨試驗時間的變化趨勢、不同加壓時間試驗的1s放電量趨勢和對脈沖1s放電量及時間分別求對數(shù)后的線性擬合分別如圖16、圖17和圖18所示。并求得擬合的冪函數(shù)表達式為

圖17 不同加壓時間試驗的脈沖1s放電量變化趨勢

圖18 lnq和lnt的線性擬合

試驗表明脈沖1s放電量與炭化通道也具有相同的發(fā)展變化趨勢。

5 結論

（1）恒壓加速電劣化作用下匝間油紙絕緣局部放電缺陷即炭化通道沿宏觀電場的縱向發(fā)展呈現(xiàn)增長、停滯和擊穿三個基本階段，這與交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料中叢林狀電樹枝的生長規(guī)律較為類似。

（2）匝間油紙絕緣電劣化缺陷發(fā)展過程中局部放電的脈沖重復率和脈沖1s放電量與炭化通道的縱向發(fā)展呈現(xiàn)一致的變化趨勢，且均可較好地擬合為橫拋上凸的冪函數(shù)。因此脈沖重復率和脈沖1s放電量可以宏觀表征匝間油紙絕緣電劣化缺陷的發(fā)展狀況，為油紙絕緣局部放電嚴重程度階段的準確劃分提供參考依據(jù)。

[1] Wang Le, Cavallini A, Montanari G C, et al. Evo- lution of PD patterns in polyethylene insulation cavities under AC voltage[J]. IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, 19(2): 533-542.

[2] Okamoto T. Novel partial discharge measurement computer-aided measurement systems[J]. IEEE Trans- actions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1986, 21(6): 1015-1019.

[3] Hikita M. Measurements of partial discharges by computer and analysis of partial discharge distri- bution by the Mote Carlo method[J]. IEEE Trans- action on Dielectrics and Electrical Insulation, 1990, 25(3): 453-468.

[4] Dissado L A, Sweeney P. Physical model for break- down structures in solid dielectrics[J]. Physical Review B, 1993, 48(22): 16261-16268.

[5] Montanari G C. Aging and life models for insulation systems based on PD detection[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4): 667-675.

[6] Bozzo R, Gemme C, Guastavino C, et al. Aging diagnosis of insulation systems by PD measurements extraction of partial discharge features in electrical treeing[J]. IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation, 1998, 5(1): 118-124.

[7] Wu Kai, Suzuoki Y, Mizutani T, et al. A novel physical model for partial discharge in narrow channels[J]. IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(2): 181-190.

[8] 陳向榮, 徐陽, 王猛, 等. 高溫下110kV交聯(lián)聚乙烯電纜電樹枝生長及局部放電特性[J]. 高電壓技術, 2012, 38(3): 645-654.

Chen Xiangrong, Xu Yang, Wang Meng, et al. Pro- pagation and partial discharge characteristics of electricaltrees in 110kV XLPE cable insulation at high temper- ature[J].High Voltage Engineering, 2012, 38(3): 645-654.

[9] 鄭曉泉, Chen G, Davies A E. 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中的雙結構電樹枝特性及其形態(tài)發(fā)展規(guī)律[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(3): 79-85.

Zheng Xiaoquan, Chen G, Davies A E. Characteristic and development law of a double structure electrical tree in XLPE cable insulation[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(3): 79-85.

[10] 陳小林, 成永紅, 謝小軍, 等. XLPE絕緣電老化中局放特性試驗研究[J]. 高電壓技術, 2006, 32(4): 22-24.

Chen Xiaolin, Cheng Yonghong, Xie Xiaojun, et al. Experimental study on partial discharge in XLPE insulation during electrical aging[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(4): 22-24.

[11] 王洪新, 張水平, 程樹康, 等. XLPE電樹老化過程中的局放特性[J]. 高電壓技術, 2003, 29(6): 19-21.

Wang Hongxin, Zhang Shuiping, Cheng Shukang, et al. Study on PD characteristics in the course of electrical tree aging in XLPE[J]. High Voltage Engineering, 2003, 29(6): 19-21.

[12] 賀景亮. 交聯(lián)聚乙烯絕緣中樹狀放電的試驗研究[J]. 中國電機工程學報, 1996, 16(1): 46-49.

He Jingliang. An experimental study of electrical treeing in polythylene[J]. Proceedings of the CSEE, 1996, 16(1): 46-49.

[13] 常文治, 李成榕, 蘇錡, 等. 電纜接頭尖刺缺陷局部放電發(fā)展過程的研究[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(7): 192-201.

Chang Wenzhi, Li Chengrong, Su Qi, et al. Study on development of partial discharges at the defect caused by needle damage to a cable joint[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 192-201.

[14] Liao Ruijin, Yang Lijun, Li Jian, et al. Aging condition assessment of transformer oil-paper insulation model based on partial discharge analysis[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(1): 303-311.

[15] 嚴家明, 廖瑞金, 楊麗君, 等. 局部放電作用下油浸絕緣紙的微觀結構及電氣性能[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(19): 114-121.

Yan Jiaming, Liao Ruijin, Yang Lijun, et al. Microstrure and electrical performance of oil-immersedinsulation paper under partial discharge[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(19): 114-121.

[16] 李軍浩, 司文榮, 李彥明, 等. 油紙絕緣內部氣隙缺陷電劣化過程中局部放電的測量與模擬[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(31): 128-134.

Li Junhao, Si Wenrong, Li Yanming, et al. Measurement and simulation of partial discharge in disc-void of oil-pressboard insulation with electrical degradation process[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(31): 128-134.

[17] Rudranna N, Rajan J S. Modeling of copper sulphide migration in paper oil insulation of transformers[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, 19(5): 1642-1649.

[18] Rudranna N, Krishnan V, Rajan J S, et al. Application of FEM for understanding the electric field distribution in copper sulphide contaminated paper-oil insulation of power transformer[C]. Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Australia, 2009: 73-76.

[19] Morshuis. Degradation of solid dielectrics due to internal partial discharge: some throughts on progress made and where to go now[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(5): 905-913.

Development Rules of Accelerated Degradation of Oil-Paper Insulation between Turns in Transformer Windings Induced by Partial Discharge

112111

（1. Beijing Key Laboratory of High Voltage and Electromagnetic Compatibility North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China）

Tests based on the inter-turn partial discharge model are conducted to study the development rules of oil-paper insulation material defects generated by partial discharge in power transformers and its possible correlation with the characteristics of partial discharge. The constant voltage is adopted in this series of tests. High voltage is applied on the inter-turn electrode specimens with different time length in different groups of tests. Real-time detection is conducted to record conventional impulse current signals from partial discharge. After tests, insulation tapes were stripped from inter-turn electrodes lay by layer. In this way, the statistical laws about the development rules of the carbon channels generated by accelerated degradation between turns are acquired. The results show that the development of the carbon channels generated by accelerated degradation under a high constant voltage can be divided into three basic stages: growth, stagnation, and breakdown. The pulse repetition rate and the summation of pulse amplitude per second can reflect the insulate degradation development state of the inter-turn oil paper system. Based on these results, the severity of partial discharge in the oil-paper insulation can be assessed accurately.

Transformer, oil-paper insulation, partial discharge, accelerated degradation, carbon channels, development rule

TM835

程養(yǎng)春 男，1974年生，博士，教授，研究方向為高電壓電氣設備在線監(jiān)測、故障診斷與狀態(tài)評估，新型傳感器及其應用和高電壓測量技術。

魏金清 男，1989年生，碩士研究生，研究方向為高壓電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷。

2013-06-20 改稿日期 2013-08-07

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）（2009CB724508）資助項目。