頻變電應(yīng)力下高頻電力變壓器絕緣沿面放電形態(tài)及發(fā)展過程

劉　濤　韓　帥　李慶民　魯　旭　黃旭煒

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))　北京　102206 2.中國電力科學(xué)研究院　北京　100192　3.國網(wǎng)北京市電力公司石景山供電公司　北京　100043 4.北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室(華北電力大學(xué))　北京　102206)

?

頻變電應(yīng)力下高頻電力變壓器絕緣沿面放電形態(tài)及發(fā)展過程

劉濤1韓帥2李慶民1魯旭3黃旭煒4

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))北京102206 2.中國電力科學(xué)研究院北京1001923.國網(wǎng)北京市電力公司石景山供電公司北京100043 4.北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室(華北電力大學(xué))北京102206)

沿面放電是導(dǎo)致絕緣失效的主要原因之一。為研究高頻電力變壓器絕緣在頻變電應(yīng)力下的沿面放電形態(tài)及發(fā)展過程，搭建了高頻沿面放電實驗平臺。首先在10～40 kHz正弦電壓下，測試了不同頻率下的沿面放電起始、閃絡(luò)電壓及沿面壽命，然后采用恒壓法開展沿面放電實驗，記錄了放電起始、發(fā)展至閃絡(luò)的整個過程，獲得了不同階段的放電特征參量和放電相位譜圖，并結(jié)合二次電子發(fā)射雪崩模型和陷阱理論，對沿面放電的發(fā)展演化過程進(jìn)行了分析。實驗及分析結(jié)果表明，電壓頻率的升高會導(dǎo)致沿面閃絡(luò)電壓的降低和沿面壽命的縮短；高頻下聚酰亞胺的沿面放電形態(tài)為直線型，在放電的不同階段，放電幅值、次數(shù)、相位譜圖及其統(tǒng)計量均呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律，可作為沿面放電發(fā)展程度的評估指標(biāo)；絕緣表面電荷分布和陷阱參數(shù)對沿面放電特性有重要影響，是進(jìn)一步揭示沿面閃絡(luò)機理的關(guān)鍵。

高頻電力變壓器高頻正弦電壓頻變電應(yīng)力沿面放電放電形態(tài)

0　引言

高頻電力變壓器又稱電力電子變壓器，是一種新型智能輸變電裝備，可實現(xiàn)電能的靈活傳輸，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與供電可靠性[1，2]。與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，高頻電力變壓器承受的電壓波形具有上升時間短、頻率高(10 kHz以上)的特點，為保證設(shè)備小型化和工作高效率，一般采用干式，即氣-固絕緣結(jié)構(gòu)[3，4]。

高頻設(shè)備的絕緣損壞一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的問題[5-7]，由于沿面閃絡(luò)場強遠(yuǎn)低于相同間隙的體擊穿場強，更易造成絕緣損壞和過早失效，因此開展沿面放電的相關(guān)研究對高頻絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。沿面放電發(fā)展過程受材料表面特性影響較大，與材料表面層以及電極和材料界面層的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[8，9]。在工頻電壓下的沿面放電發(fā)展過程中，伴隨著電暈導(dǎo)致的發(fā)光和二次電子崩以及紙板的脫水和碳化，會產(chǎn)生樹枝狀爬電痕跡，即沿面電樹枝現(xiàn)象[10，11]。若所加電壓幅值達(dá)不到一定程度，則不會出現(xiàn)沿面爬電現(xiàn)象，而是在高壓電極處發(fā)生持續(xù)的電暈放電，最終導(dǎo)致絕緣的縱向熱擊穿[12]。文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)在高頻連續(xù)方波電壓下，隨著表面放電的發(fā)展，平均放電量和放電次數(shù)均先降低后升高。文獻(xiàn)[14，15]針對納秒脈沖下的絕緣沿面閃絡(luò)研究表明，重復(fù)脈沖下與單脈沖下的閃絡(luò)場強有明顯區(qū)別，另外溫度、絕緣材料類型和表面粗糙度等因素也會對沿面閃絡(luò)場強造成影響[16]。

以往對于沿面放電的研究多為工頻/納秒脈沖和真空/油紙絕緣等條件的相互組合，鮮有針對高頻電力變壓器氣-固絕緣的沿面放電問題以及頻率對沿面放電發(fā)展過程影響的研究，制約了高頻電力變壓器的大容量化發(fā)展?？紤]到不同環(huán)境和電壓波形下不同材料的沿面放電特性及發(fā)展機理不盡相同以及高頻電力變壓器運行工況的特殊性，本文以尖端沿面放電故障為例，設(shè)計了高頻沿面放電實驗和測量系統(tǒng)，對空氣-聚酰亞胺界面在不同電壓頻率、不同沿面放電發(fā)展階段下的放電特性及放電形態(tài)進(jìn)行了研究，并基于二次電子發(fā)射雪崩模型和陷阱理論，揭示了沿面放電的發(fā)展演化過程。本文研究結(jié)果可為高頻電力變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效的指導(dǎo)，并為其絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測提供理論依據(jù)。

1　實驗方法

1.1實驗平臺

高頻沿面放電實驗平臺如圖1所示。高頻高壓源可輸出峰-峰值0～30 kV、頻率10～50 kHz的正弦電壓。目前用于模擬高頻電力變壓器匝間切向電應(yīng)力的沿面放電模型主要有針-板[17，18]和針-棒[19，20]兩種模型。針-板模型中存在較強的法向電場分量，其引起的絕緣內(nèi)部局部放電信號會干擾沿面放電信號的測量，同時易導(dǎo)致法向擊穿。而針-棒模型則可通過調(diào)整針電極傾斜角度及針-棒間距離來調(diào)整切向和法向電場分布。因此，本文采用針-棒電極結(jié)構(gòu)。為保證絕緣表面有足夠的沿面切向電場分量，調(diào)整針電極與試樣角度為15°。同時，綜合考慮沿面放電距離對沿面放電起始電壓和放電發(fā)展速度的影響，針電極與棒電極間的距離取2 cm。

圖1　沿面放電實驗平臺示意圖Fig.1　Schematic diagram for surface discharge test

鑒于高頻電壓下局部放電信號具有頻帶寬、幅值低與重復(fù)率高的特點，選擇ETS-93686型高頻脈沖電流傳感器采集放電信號，其測量帶寬可達(dá)300 kHz～100 MHz。實驗采用厚度為250 μm的聚酰亞胺(Polyimide，PI)薄膜，將其放置在5 cm厚的環(huán)氧樹脂板上。為避免微水分和污穢對試樣介電性能的影響，減少測量結(jié)果的離散性，實驗前用無水酒精對試樣進(jìn)行清洗，并置于60 ℃干燥箱中熱處理24 h。

1.2實驗流程

首先分別在10 kHz、20 kHz、30 kHz和40 kHz四種不同電壓頻率下，采用200 V/s快速升壓法升壓至局部放電產(chǎn)生和沿面閃絡(luò)形成，記錄沿面放電起始電壓及沿面閃絡(luò)電壓，每種電壓頻率下開展5次實驗。隨后綜合比較不同頻率下的沿面放電起始電壓和閃絡(luò)電壓值，確定后續(xù)沿面放電恒壓實驗電壓值(峰值11 kV，既能保證沿面放電持續(xù)發(fā)展，同時放電發(fā)展速度不會過快)。在此電壓下持續(xù)加壓直至試樣表面發(fā)生閃絡(luò)，記錄不同電壓頻率下的試樣壽命。恒壓實驗期間，通過放電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄放電脈沖的幅值、次數(shù)和相位等信息，并采用攝像機近距離拍攝沿面放電發(fā)展過程。

在沿面閃絡(luò)瞬間，高壓針電極處電壓驟降至零，棒電極接地線中流過脈沖閃絡(luò)電流，如圖2所示。同時PI試樣表面發(fā)生劇烈燃燒現(xiàn)象，如圖3所示。

圖2　沿面閃絡(luò)瞬間電壓與電流波形Fig.2　Instantaneous voltage and current waveforms of surface flashover

圖3　沿面閃絡(luò)瞬間燃燒現(xiàn)象Fig.3　Instantaneous combustion phenomenon of surface flashover

2　實驗結(jié)果

2.1頻率對起始放電電壓、閃絡(luò)電壓和壽命的影響

不同頻率下的沿面放電起始電壓和閃絡(luò)電壓如圖4所示?？芍烹娖鹗茧妷夯静皇茈妷侯l率的影響；而沿面閃絡(luò)電壓隨著頻率的升高明顯降低，當(dāng)電壓頻率由10 kHz升高至40 kHz時，沿面閃絡(luò)電壓由18.4 kV降至16.1 kV。

圖4　沿面放電起始電壓和閃絡(luò)電壓隨頻率變化情況Fig.4　Surface discharge inception and flashover voltage versus frequency

定義沿面放電起始時刻至沿面閃絡(luò)瞬間的整個時間段為絕緣沿面壽命，不同頻率下的沿面壽命見表1。當(dāng)采用11 kV進(jìn)行恒壓實驗時，10 kHz下試樣在10 h內(nèi)無法形成沿面閃絡(luò)，只在針電極處產(chǎn)生強烈電暈，最終導(dǎo)致絕緣縱向熱擊穿，如圖5所示。因而不對該頻率下的沿面放電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。頻率介于20～40 kHz時，均能夠形成沿面閃絡(luò)，且沿面壽命與電壓頻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1　不同頻率下的絕緣沿面壽命Tab.1　Insulation lifetime under different frequencies

圖5　PI薄膜縱向熱擊穿現(xiàn)象Fig.5　Vertical thermal breakdown phenomenon of PI film

2.2各頻率下不同階段的沿面放電特征參量

為詳細(xì)研究頻率對不同階段沿面放電特征參量的影響，分別取20 kHz、30 kHz和40 kHz三個頻率下絕緣壽命的10 %作為時間節(jié)點，每兩個節(jié)點間取100個典型周波的放電信號并統(tǒng)計平均放電幅值與單周期平均放電次數(shù)，得到的變化規(guī)律如圖6和圖7所示。

圖6　平均放電幅值隨時間變化規(guī)律Fig.6　Time evolution of mean discharge amplitude

圖7　平均放電次數(shù)隨時間變化規(guī)律Fig.7　Time evolution of mean discharge number

可以看出，在沿面放電起始階段，電壓頻率越高時平均放電幅值和次數(shù)反而越低，與其他頻率相比，20 kHz下具有更高的放電幅值和放電次數(shù)。放電發(fā)展程度達(dá)到30 %之前，放電幅值和次數(shù)增長較為平穩(wěn)。之后，各頻率下放電幅值繼續(xù)增加，40 kHz下平均幅值逐漸趕超30 kHz試樣；放電次數(shù)增加速度較前一階段有所提高，并在發(fā)展程度60%左右達(dá)到最大值(40 kHz時在70%位置處有最大值)。放電發(fā)展程度達(dá)

60%～70 %后，各頻率下平均放電幅值繼續(xù)保持增長，30 kHz和40 kHz下末期放電幅值超過20 kHz；與此同時，20 kHz和30 kHz下平均放電次數(shù)逐漸下降，40 kHz下放電次數(shù)基本保持不變。

根據(jù)上述放電幅值和次數(shù)的變化規(guī)律，可將發(fā)展程度0～30%、30%～70%、70%～100%三個階段分別作為沿面放電前期、中期和后期。從沿面放電起始到發(fā)展程度70%，平均放電幅值增長幅度達(dá)80%，且電壓頻率越高放電幅值增長越快(20 kHz、30kHz和40 kHz下分別為78.8%、80.7%和160%)，同時當(dāng)放電進(jìn)入后期(發(fā)展程度60%～70%后)時，平均放電次數(shù)會呈現(xiàn)出與前期和中期不同的變化趨勢(下降或不變)，這可作為沿面放電嚴(yán)重程度的評估指標(biāo)。

2.3各頻率下不同階段的沿面放電相位譜圖

分別取20 kHz、30 kHz和40 kHz下沿面放電發(fā)展前期、中期和后期每階段400組典型波形(各階段約包含3 000～5 000個放電脈沖)，繪制φ-q-n相位譜圖如圖8所示，放電密度由數(shù)據(jù)密集程度表示。

圖8　不同頻率和階段下沿面放電相位譜圖Fig.8　Phase resolved spectrum of surface discharge at different frequencies and stages

放電前期，各頻率下放電譜圖形態(tài)差異較小，隨著頻率升高，放電相位正半周5°～55°區(qū)域內(nèi)的放電密度有所增大，而330°～360°(-30°～0°)區(qū)域內(nèi)則有所減小。20 kHz時正半周放電幅值明顯大于負(fù)半周，隨著頻率升高，正、負(fù)半周放電幅值逐漸接近。正、負(fù)半周最大放電幅值隨頻率升高有所增大。在放電中期，隨著頻率升高，放電相位正半周330°～360°(-30°～0°)內(nèi)，放電重心逐漸上移，表明此相位區(qū)間內(nèi)大幅值放電增多。在放電后期，負(fù)半周放電譜圖呈現(xiàn)“多峰狀”，其中20 kHz下最明顯。因而，負(fù)半周多峰狀放電譜圖的出現(xiàn)可作為沿面放電后期絕緣失效前的表征信號。

2.4沿面放電相位譜圖統(tǒng)計參數(shù)

為進(jìn)一步定量分析圖8中的放電相位譜圖特征，對沿面放電發(fā)展過程進(jìn)行更準(zhǔn)確地階段劃分，并提取反映沿面放電嚴(yán)重程度的有效指標(biāo)，引入偏斜度Sk、峭度Ku和脈沖指標(biāo)IF三個統(tǒng)計參數(shù)。其中，偏斜度用于描述統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布的偏斜方向及程度；峭度可以表示隨機變量分布曲線峰值的尖銳程度；脈沖指標(biāo)為數(shù)據(jù)統(tǒng)計峰值與統(tǒng)計均值之比，反映了信號的峰值特性及受大幅值沖擊的程度。

分別統(tǒng)計了正、負(fù)半周放電次數(shù)的偏斜度、最大放電量峭度、放電次數(shù)峭度以及放電幅值的脈沖指標(biāo)隨放電發(fā)展程度的變化情況。由于部分指標(biāo)沒有明顯的規(guī)律性，對沿面放電發(fā)展階段的劃分和嚴(yán)重程度的評估無指導(dǎo)意義，因此本文只給出了規(guī)律性較強的三個統(tǒng)計參數(shù)的變化規(guī)律，即正半周放電次數(shù)偏斜度、負(fù)半周最大放電量峭度和放電幅值脈沖指標(biāo)，如圖9所示。

圖9　偏斜度、峭度、脈沖指標(biāo)隨放電發(fā)展程度變化曲線Fig.9　Variation of Sk，Ku，and IF versus discharge process

由圖9a可知，在放電發(fā)展程度50%前，不同頻率下正半周放電次數(shù)偏斜度Sk隨沿面放電的發(fā)展呈下降趨勢，雖然之后不同頻率間Sk的變化趨勢有差異，但在發(fā)展程度70%后都逐漸逼近到0.18～0.26范圍內(nèi)，具有較好的收斂特性。圖9b表明，在放電發(fā)展程度60%前，不同頻率下負(fù)半周最大放電量峭度Ku呈下降趨勢，且變化曲線較為平滑；而在之后的發(fā)展過程中Ku只有小幅波動，數(shù)值基本保持不變。由圖9c可看出，放電幅值脈沖指標(biāo)IF隨沿面放電的不斷發(fā)展而逐漸降低，且IF下降速度逐漸減小，在發(fā)展程度達(dá)70%后基本穩(wěn)定在某一較小數(shù)值。脈沖指標(biāo)的這一變化趨勢可用圖6來解釋，隨著沿面放電的發(fā)展，平均放電幅值不斷增加，相應(yīng)地導(dǎo)致脈沖指標(biāo)減小。沿面放電整個過程中，各頻率下脈沖指標(biāo)下降幅度均超過40%，且頻率越高下降幅度越大。

上述3個特征參數(shù)在放電發(fā)展程度60%～70%后(即放電后期)都呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律，與2.2節(jié)關(guān)于放電發(fā)展階段的劃分較為一致，說明了前述階段劃分的合理性。同時這些特征參數(shù)可作為沿面放電后期故障診斷及放電嚴(yán)重程度評估的指標(biāo)，但鑒于這些特征參數(shù)均為基于統(tǒng)計學(xué)的無量綱參量，無法直接揭示放電變化的物理意義，因此還需結(jié)合放電幅值、放電次數(shù)等傳統(tǒng)的放電特征參量，從而達(dá)到更好的放電發(fā)展程度評估效果。

3　討論

根據(jù)二次電子發(fā)射雪崩(Secondary Electron Emission Avalanche，SEEA)模型，沿面空氣間隙的擊穿包括以下過程：

1)由于針電極、空氣和絕緣表面的三結(jié)合點處場強非常大，導(dǎo)致空氣電離產(chǎn)生有效初始電子。初始電子在電場作用下獲得足夠能量并通過碰撞電離形成電子崩。

2)隨著電子崩的發(fā)展和崩頭電離程度的增強，電子崩頭部增大且增長速度加快，沿面放電進(jìn)入流注發(fā)展階段。此時電子崩中積累了大量的空間電荷，削弱了電子崩內(nèi)部電場，有助于正負(fù)電荷的復(fù)合過程。電荷復(fù)合過程中會發(fā)射出光子使空間光電離和絕緣表面光致電子發(fā)射作用大大加強，產(chǎn)生許多二次電子，同時流注頭部密集電荷使前方電場明顯增強，二次電子在運動過程中的碰撞電離更加強烈，結(jié)果是流注頭部電荷得到持續(xù)補充，流注不斷向前發(fā)展。

3)當(dāng)流注等離子體區(qū)延伸至接地棒電極時，形成貫通兩極的高導(dǎo)電通道，引起火花或電弧放電。由此可以看出，沿面放電發(fā)展速度取決于電子崩或流注中的電荷數(shù)目。

圖10為高速攝像機拍攝的沿面放電發(fā)展過程?？梢钥闯龈哳l下PI沿面放電軌跡近似為直線型，與油紙絕緣在工頻下的樹枝型沿面放電不同[9]，而比較符合文獻(xiàn)[21]中頻率對聚乙烯電樹老化特性影響規(guī)律的描述：電壓頻率較低時主要以樹枝型和叢狀型電樹為主，而隨著頻率的升高，電樹形態(tài)逐漸向樹干型和直擊型轉(zhuǎn)變。沿面放電形態(tài)與絕緣材料表面特性和施加的電壓及電場分布有關(guān)，PI的直線型沿面放電由以下幾方面因素導(dǎo)致：①與多孔纖維狀的絕緣紙不同，PI質(zhì)地緊湊，沒有明顯弱點區(qū)域，放電更易沿切向電場方向發(fā)展；②PI介電常數(shù)較大，對表面電荷的吸附能力較強，減小了流注頭部的體積，降低了分叉和橫向擴散的可能性；③高頻下絕緣介質(zhì)熱效應(yīng)和承受的疲勞沖擊更加劇烈，放電通道易沿著上一次的放電通道繼續(xù)向前發(fā)展；④采用針-棒電極結(jié)構(gòu)，切向電場在材料表面的分布比較集中，如圖11所示，電場分布與沿面放電形態(tài)有一定的相似性。

圖10　沿面放電發(fā)展過程Fig.10　Development of surface discharge

圖11　絕緣表面電場分布Fig.11　Electric field distribution on insulation surface

結(jié)合圖6、圖7所示平均放電幅值和次數(shù)的變化規(guī)律以及圖10所示沿面放電形態(tài)，進(jìn)一步分析沿面放電發(fā)展演化過程。

1)在放電前期，針電極處的場強使附近空氣發(fā)生強烈電離，產(chǎn)生的電暈等離子體不斷沖擊絕緣表面，局部高溫和電子轟擊作用使絕緣表面吸附的氣體和少量水分開始解吸附，出現(xiàn)箭頭狀白斑。白斑現(xiàn)象在以往的PI表面電荷測試研究中曾被發(fā)現(xiàn)過[22]，其實質(zhì)為一種由電-熱應(yīng)力造成的輕微碳化現(xiàn)象。隨著加壓時間的延長，等離子體通道(針電極末端線狀明亮發(fā)光區(qū)域)逐漸向棒電極發(fā)展，白斑面積也逐漸擴大。

隨著沿面放電的發(fā)展，當(dāng)?shù)入x子通道中的電荷積累到一定程度時，其對外電場的畸變作用變得不可忽略。絕緣表面電荷形成與外施電場方向相反的空間電荷電場，使間隙合成場強減小，對同半周期內(nèi)的后續(xù)放電起阻礙作用。絕緣表面電荷的耗散，即空間電荷反向電場Eres隨時間t的變化滿足[23]

(1)

式中，E(0)+為放電后瞬間的空間電荷電場；τ為電荷耗散時間常數(shù)，與絕緣表面電導(dǎo)及表面電容有關(guān)。隨著外施電場頻率的升高，表面電荷耗散時間t減小，電荷積聚程度加重，導(dǎo)致空間電荷反向電場增大，不利于放電的發(fā)生，這便是初始階段頻率越高而平均放電幅值和放電次數(shù)越小的原因。

值得注意的是，當(dāng)頻率低于10 kHz時，絕緣介質(zhì)的極化損耗和承受的疲勞沖擊相對較小，材料絕緣性能下降速度較慢，同時絕緣表面電荷有足夠的耗散時間，阻礙了二次電子崩的形成，因此沿面放電難以得到發(fā)展，最終在針尖處受強電暈作用導(dǎo)致絕緣的縱向熱擊穿。

2)在放電中期，隨著放電的發(fā)展，等離子體通道繼續(xù)向地電極延伸，白斑半徑也不斷擴大并呈現(xiàn)槌形。流注區(qū)域的增大和高能電子的不斷沖擊，使材料表面的陷阱密度和陷阱能級都有所增加，導(dǎo)致電荷附著效應(yīng)增強，流注頭部電荷減少，流注發(fā)展速度有所減緩。

被陷阱捕獲的電荷，在電場足夠大或光子、高能電子撞擊作用下會被釋放脫陷成為自由電荷。放電所需的有效初始電子主要由表面電荷脫陷產(chǎn)生，根據(jù)Richardson-Schottky定律，初始電子產(chǎn)生概率為[24]

(2)

式中，Nq(t)為t時刻絕緣表面可用于脫陷的電荷數(shù)；ψ為脫陷功函數(shù)，表征了電荷脫陷的難易程度，與陷阱能級正相關(guān)；E(t)、ν0、e、ε0、k、T分別為瞬時電場強度、光電離常數(shù)、基本電荷、真空介電常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)和絕對溫度。

由式(2)可知，初始電子產(chǎn)生概率隨脫陷功函數(shù)，即陷阱能級的增大而減小。被淺陷阱捕獲的電荷易受激發(fā)而脫陷，滿足放電對初始電子的要求，所以陷阱密度的增加有助于提高放電次數(shù)。被深陷阱捕獲的電荷，需要在更高場強下才能被激發(fā)脫陷，所以陷阱能級的增加會使放電幅值增大。因此，隨著沿面放電的發(fā)展，陷阱密度和能級增大，各頻率下的放電次數(shù)和幅值均繼續(xù)增長，但白斑面積增加到一定程度后基本不再變化，陷阱密度也基本不再增加，放電次數(shù)在中期結(jié)束時出現(xiàn)最大值。

電壓頻率越高，絕緣材料極化損耗導(dǎo)致的溫升和材料承受的疲勞沖擊越大，其絕緣性能下降越快，有利于陷阱的產(chǎn)生和陷阱能級的增大，使放電次數(shù)和幅值提高。另一方面，頻率升高使表面電荷耗散時間減少，空間電荷積聚對沿面放電產(chǎn)生抑制作用。隨著沿面放電的發(fā)展，材料表面陷阱密度和能級不斷增大，其對放電特性的影響也越來越大，相比之下電荷耗散時間的影響作用會有所減小，導(dǎo)致放電中期及后期與放電初期不同，放電幅值與電壓頻率不再呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3)在放電后期，白斑半徑停止擴大，其端部先于等離子體通道到達(dá)地電極且顏色不斷加深，隨著等離子體通道進(jìn)一步向地電極延伸，前方電場強度不斷加強，沿面放電發(fā)展速度加快。當(dāng)?shù)入x子體通道與地電極間的距離減小到一定程度時，瞬間發(fā)生沿面閃絡(luò)。在該放電發(fā)展階段，高能電子沖擊使陷阱能級繼續(xù)增加，電荷脫陷需要更多的能量，即電荷脫陷的難度增大，使20 kHz和30 kHz下平均放電次數(shù)下降。隨著陷阱能級的增加，放電幅值繼續(xù)增大。

雖然在沿面放電發(fā)展的大部分階段，40 kHz下的平均放電次數(shù)和平均放電幅值較20 kHz低，但由于頻率升高使相同時間內(nèi)的周波數(shù)線性增加，單位時間內(nèi)放電次數(shù)倍增。同時高頻下絕緣材料的熱效應(yīng)也更加嚴(yán)重，因此對絕緣的損傷加劇，使高頻下的沿面絕緣壽命明顯縮短。此外，頻率的升高有利于表面電荷的積聚和電子崩的形成，導(dǎo)致閃絡(luò)電壓隨電壓頻率的升高而降低，但頻率對沿面放電起始電壓無影響。

4　結(jié)論

本文根據(jù)高頻電力變壓器運行工況，設(shè)計了高頻氣-固絕緣沿面放電實驗平臺，重點研究了不同頻率和階段下的沿面放電特性及其發(fā)展演化過程，得到以下結(jié)論：

1)電壓頻率對沿面放電起始電壓基本無影響，但隨著頻率的升高，沿面閃絡(luò)電壓逐漸降低，絕緣沿面壽命明顯縮短。頻率低于10 kHz時，沿面放電無法持續(xù)發(fā)展，受強烈電暈作用會在針電極處發(fā)生縱向熱擊穿。

2)隨著沿面放電的發(fā)展，平均放電幅值持續(xù)增大，單周期內(nèi)平均放電次數(shù)先增大后減?。辉诜烹姾笃?，平均放電次數(shù)、放電相位譜圖、正半周放電次數(shù)偏斜度、負(fù)半周最大放電量峭度及放電幅值脈沖指標(biāo)均呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律，可作為沿面放電發(fā)展程度的評估指標(biāo)。

3)高頻下PI沿面放電形態(tài)為直線型，這與PI試樣表面特性、介電常數(shù)、電壓頻率、沿面電場分布等因素有關(guān)。結(jié)合二次電子發(fā)射雪崩模型、陷阱理論以及沿面放電形態(tài)的變化，分析了沿面放電的發(fā)展演化過程，并對放電特征參量的變化規(guī)律做出了解釋。

4)絕緣表面電荷分布和陷阱參數(shù)對沿面放電特性有重要影響，是進(jìn)一步揭示沿面放電發(fā)展過程和閃絡(luò)機理的關(guān)鍵所在，應(yīng)作為后續(xù)的重點研究內(nèi)容。

[1]毛承雄，范澍，王丹，等.電力電子變壓器的理論及其應(yīng)用(I)[J].高電壓技術(shù)，2003，29(10)：4-6.

Mao Chengxiong，F(xiàn)an Shu，Wang Dan，et al.Theory of power electric transformer and its applications (I)[J].High Voltage Engineering，2003，29(10)：4-6.

[2]蘭征，涂春鳴，肖凡，等.電力電子變壓器對交直流混合微網(wǎng)功率控制的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30(23)：50-57.

Lan Zheng，Tu Chunming，Xiao Fan，et al.The power control of power electronic transformers in hybrid AC-DC microgrid[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(23)：50-57.

[3]Qin H，Kimball J W.Solid-state transformer architecture using AC-AC dual-active-bridge converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(9)：3720-3730.

[4]Lothar H.An actively cooled high power，high frequency transformer with high insulation capability[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Dallas，TX,2002：352-357.

[5]韓帥，李慶民，劉偉杰，等.溫-頻耦合效應(yīng)對高頻固態(tài)變壓器絕緣局部放電特性的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30(2)：204-210.

Han Shuai，Li Qingmin，Liu Weijie，et al.Impacts of coupled temperature-frequency effects on partial discharge characteristics of high frequency solid state transformer insulation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(2)：204-210.

[6]羅楊，吳廣寧，劉繼午，等.局部放電作用對變頻電機匝間納米復(fù)合絕緣的損傷機理研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29(6)：303-310.

Luo Yang，Wu Guangning，Liu Jiwu，et al.Study on PD damage mechanism of nano-composite used as turn insulation in inverter-fed traction motors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(6)：303-310.

[7]周利軍，劉繼午，劉洋，等.方波脈沖電壓下溫度對聚酰亞胺薄膜電氣絕緣特性的影響[J].高電壓技術(shù)，2015，41(2)：396-402.

Zhou Lijun，Liu Jiwu，Liu Yang，et al.Effect of temperature on the electrical properties of polyimide films under square impulse voltage[J].High Voltage Engineering，2015，41(2)：396-402.

[8]孟曉波，梅紅偉，陳昌龍，等.絕緣介質(zhì)表面流注發(fā)展特性的機理研究[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33(22)：155-165.

Meng Xiaobo，Mei Hongwei，Chen Changlong，et al.Research on characteristics of streamer propagation along insulation surfaces[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(22)：155-165.

[9]Yi Xiao，Wang Zhongdong.The influence of solid surface on the propagation of creepage discharge in insulating liquids[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2015，22(1)：303-312.

[10]王偉，薛陽，程養(yǎng)春，等.變壓器油紙絕緣沿面放電程度的診斷[J].高電壓技術(shù)，2011，37(7)：1713-1718.

Wang Wei，Xue Yang，Cheng Yangchun，et al.Diagnosis of severity degree for power transformer oil-pressboard insulation surface discharge[J].High Voltage Engineering，2011，37(7)：1713-1718.

[11]Zainuddin H，Mitchinson P M，Lewin P L.Investigation on the surface discharge phenomenon at the oil-pressboard interface[C]//IEEE International Conference on Dielectric Liquids (ICDL)，Trondheim，2011：1-4.

[12]Mitchinson P M，Lewin P L，Strawbridge B D，et al.Tracking and surface discharge at the oil-pressboard interface[J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2010，26(2)：35-41.

[13]羅楊，吳廣寧，劉繼午，等.表面放電對聚酰亞胺薄膜材料的電氣損傷特性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33(25)：187-195.

Luo Yang，Wu Guangning，Liu Jiwu，et al.Electrical damage characteristics of polyimide film caused by surface discharge[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(25)：187-195.

[14]Chen Yu，Cheng Yonghong，Wu Kai，et al.Flashover characteristic of epoxy composites filled with different micro-inorganic oxide particles under nanosecond pulse in vacuum[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2009，37(1)：195-203.

[15]Tang Junping，Qiu Aici，Li Yang，et al.Process of surface flashover in vacuum under nanosecond pulse[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2010，38(1)：53-58.

[16]劉熊，林海丹，梁義明，等.空氣中微秒脈沖沿面放電對環(huán)氧樹脂表面特性影響研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30(13)：158-165.

Liu Xiong，Lin Haidan，Liang Yiming，et al.Effect of atmospheric-pressure microsecond pulsed discharges on epoxy resin surface[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(13)：158-165.

[17]Dervos C，Bourkas P D，Kayafas E A，et al.Enhanced partial discharges due to temperature increase in the combined system of a solid-liquid dielectric[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1990，25(3)：469-474.

[18]Yang Jiaxiang，Chi Xiaochun，Ding Lijian，et al.Creeping discharge performance of oil-paper insulation with streaming electrification[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1997，4(6)：780-784.

[19]Mitchinson P M，Lewin P L，Chen G，et al.A new approach to the study of surface discharge on the oil-pressboard interface[C]//IEEE International Conference on Dielectric Liquids (ICDL)，Chasseneuil，2008：1-4.

[20]Zainuddin H，Lewin P L，Mitchinson P M.Partial discharge characteristics of surface tracking on oil-impregnated pressboard under AC voltages[C]//IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD)，Bologna，2013：1016-1019.

[21]周遠(yuǎn)翔，聶瓊，邢曉亮，等.頻率對高密度聚乙烯電樹老化特性的影響[J].高電壓技術(shù)，2008，34(2)：220-224.

Zhou Yuanxiang，Nie Qiong，Xing Xiaoliang，et al.Effect of frequency on electrical treeing characteristics of high-density polyethylene[J].High Voltage Engineering，2008，34(2)：220-224.

[22]孫志，王暄，韓柏，等.聚酰亞胺薄膜表面電荷的開爾文力顯微鏡研究[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34(12)：1957-1964.

Sun Zhi，Wang Xuan，Han Bai，et al.Research on surface charges of polyimide films by the Kelvin force microscope[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(12)：1957-1964.

[23]Gutfleisch F，Niemeyer L.Measurement and simulation of PD in epoxy voids[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2(5)：729-743.

[24]Niemeyer L.A generalized approach to partial discharge modeling[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2(4)：510-528.

Patterns and Development of the Surface Discharge of High Frequency Power Transformer Insulation Under Frequency-Dependent Electric Stress

Liu Tao1Han Shuai2Li Qingmin1Lu Xu3Huang Xuwei4

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.China Electric Power Research InstituteBeijing100192China 3.State Grid Beijing Shijingshan Electric Power Supply CompanyBeijing100043China 4.Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMCNorth China Electric Power UniversityBeijing102206China)

Surface discharge is one of the main causes of insulation failures.In order to investigate the patterns of surface discharge and its evolution process in high frequency power transformers，an experimental platform with high frequency voltage source was built.First，the surface discharge inception voltage，the flashover voltage，and the insulation life were tested under sinusoidal voltage of different frequencies from 10 kHz to 40 kHz.Then，with the constant sinusoidal voltage value，surface discharge tests were conducted to observe the entire evolution process of the surface discharge including its initiation，development，and the ultimate flashover,along with the characteristic parameters and phase resolved spectra at different discharging stages. At last，the evolution process was analyzed based on the secondary electron emission avalanche model and the trap theory.Experimental results and analyses indicate that:the surface flashover voltage and the insulation life will be decreased with the increase of the voltage frequency；the surface discharge of polyimide film approximately develops in a straight line under high frequency；the discharge amplitude，discharge number，phase resolved spectrum，and corresponding statistical parameters show specific variation trend at different evolutionary stages，which can utilized as the evaluation index of the development degree for surface discharge； the charge distribution and the trap parameters on the insulation surface are the key issues to reveal the inherent mechanism of surface flashover，since they have important effects on surface discharge characteristics.

High frequency power transformer，high frequency sinusoidal voltage，frequency-dependent electric stress，surface discharge，discharge pattern

國家自然科學(xué)基金(51477051,51628701)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2016XS08)資助項目。

2015-07-12改稿日期2016-05-03

TM215

劉濤男，1990年生，博士研究生，研究方向為高頻絕緣及放電物理。

E-mail：ltxingyu@126.com

李慶民男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)、放電物理等。

E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn(通信作者)