多隔板氣固復(fù)合絕緣工頻擊穿特性研究

張培濱,廖欽豐,王毅龍,鄭躍勝

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

中高壓電氣設(shè)備中常用空氣作為絕緣介質(zhì)，為了提高空氣間隙的絕緣性能，復(fù)合絕緣技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。其中最簡(jiǎn)便的方法是在空氣間隙中引入絕緣隔板組成氣固復(fù)合絕緣，這種方法也稱(chēng)之為屏障效應(yīng)[1]。在我國(guó)已經(jīng)應(yīng)用在35kV空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜和氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)中[2-3]。此外在高鐵和動(dòng)車(chē)車(chē)頂?shù)母邏弘娖飨鋬?nèi)，為了避免高壓母線和接地金屬層之間的氣體擊穿，也是采用這種復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)[4]。屏障效應(yīng)也可應(yīng)用于氮?dú)獾拳h(huán)保型氣體介質(zhì)中，比如采用低溫氮?dú)?CGN2)作為冷卻絕緣介質(zhì)的電阻型超導(dǎo)故障限流器(R-SFCL)和高溫超導(dǎo)(HTS)變壓器[5-6]。

為了提高采用這種氣固復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的電力設(shè)備供電可靠性，在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)需要獲得擊穿特性與各影響因素之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。研究人員得到電極結(jié)構(gòu)、間隙開(kāi)距會(huì)影響隔板作用效果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)聚合物隔板相比纖維素隔板在改善擊穿特性上更具有優(yōu)勢(shì)[7]。此外隔板表面污穢情況[8]、隔板位置[9]和隔板尺寸[10]等因素也會(huì)影響復(fù)合絕緣的擊穿電壓。目前大量研究集中在單層隔板上，針對(duì)引入多層隔板的氣固復(fù)合絕緣方式研究非常少。文獻(xiàn)[11]研究發(fā)現(xiàn)引入雙層隔板相比單層隔板對(duì)擊穿電壓的提升程度更高，氣固復(fù)合絕緣擊穿電壓主要取決于離高壓電極最近的隔板的空間位置，若再增加隔板的數(shù)量，擊穿電壓變化幅度不大。但現(xiàn)有的文獻(xiàn)隔板的布置方式都為同向插入，且只關(guān)注單一因素對(duì)擊穿電壓的影響。

擊穿路徑是衡量擊穿電壓大小的重要因素。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為棒-板電極結(jié)構(gòu)下，擊穿路徑主要分為兩類(lèi)，在高壓極與隔板之間電弧或沿著最短路徑或沿著隔板表面路徑發(fā)展，在隔板與接地極之間總是沿著最短路徑發(fā)展。文獻(xiàn)[13]在球-球電極中引入隔板，研究了四種工頻擊穿電壓預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)考慮分段路徑的模型較為精確。然而這些假定的路徑并不是實(shí)際觀測(cè)到的，因此復(fù)合絕緣放電規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)觀測(cè)實(shí)際的擊穿路徑來(lái)研究多隔板氣固復(fù)合絕緣工頻擊穿特性?；诋愊虿迦氲姆绞皆O(shè)置了雙層隔板和三層隔板，比較隔板水平位置、豎直尺寸、材料對(duì)擊穿電壓的影響。通過(guò)攝像儀捕捉實(shí)際擊穿路徑進(jìn)行圖像分析，研究氣固復(fù)合絕緣放電規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析擊穿路徑的長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，得到擊穿路徑與擊穿電壓的關(guān)系。最后結(jié)合仿真計(jì)算不同隔板條件下的電場(chǎng)分布，討論電場(chǎng)分布變化對(duì)工頻擊穿電壓的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

搭建的氣固復(fù)合絕緣工頻耐壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)變壓器型號(hào)為YDTW-200/200，頻率為50Hz，變壓器的輸出端經(jīng)保護(hù)電阻與高壓電極相連，高、低壓電極分別采用曲率半徑為0.5cm的不銹鋼棒電極和曲率半徑為2cm的不銹鋼球電極。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，高、低壓端用支柱絕緣子隔離，且低壓端可靠接地，間隙距離d固定為8cm。隔板材料為聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、云母，隔板厚度均為0.3cm，隔板大小選取40cm×18cm、40cm×20cm、40cm×22cm。為了捕捉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的擊穿路徑，在隔板的正前方放置一臺(tái)攝像儀，攝像儀鏡頭距離隔板中心水平距離為70～90cm，分辨率為1280×960，幀率為25幀。

圖1 氣固復(fù)合絕緣工頻耐壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，基于異向插入的布置方式設(shè)置了雙層隔板和三層隔板如圖2所示。隔板在間距中的水平位置a取1cm、2cm和3cm，隔板邊緣偏離電極軸心的豎直尺寸c取2cm、4cm和6cm，其中三層隔板第二層隔板處于空氣間隙正中間，距高壓棒電極的水平距離固定為4cm。

圖2 異向插入的兩種布置方式

實(shí)驗(yàn)共計(jì)31組，在每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，用無(wú)水乙醇清潔擦拭隔板和不銹鋼電極，并靜置一段時(shí)間等待酒精揮發(fā)，以此排除表面雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)，工頻變壓器以50%的速率(2kV/s)升高電壓，當(dāng)間隙發(fā)生擊穿時(shí)，記錄此時(shí)的擊穿電壓值。間隔1分鐘后再進(jìn)行下一次擊穿實(shí)驗(yàn)，每組擊穿實(shí)驗(yàn)重復(fù)20次，取20次擊穿電壓有效值的算術(shù)平均值作為該組實(shí)驗(yàn)的擊穿電壓。每組實(shí)驗(yàn)后使用離子吹風(fēng)機(jī)去除棒-球間隙和隔板表面的剩余電荷，再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度、濕度、大氣壓等大氣條件由TR-73U溫濕度氣壓計(jì)記錄，最后將所有的實(shí)驗(yàn)電壓修正至標(biāo)準(zhǔn)狀況下進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 多隔板氣固復(fù)合絕緣擊穿電壓

雙層隔板布置方式不同PVC隔板水平位置和豎直尺寸下的擊穿電壓如圖3所示。由圖3可得，不同情況下引入雙層隔板都能提升間隙擊穿電壓，且當(dāng)雙層隔板處于c=6cm，a=1cm的情況下，擊穿電壓達(dá)到最大值96.75kV。隔板豎直尺寸越大，擊穿電壓越高；調(diào)整隔板水平位置時(shí)，隔板離電極越近時(shí)，擊穿電壓越高，但擊穿電壓波動(dòng)幅度較小，在同一隔板尺寸下，不同水平位置擊穿電壓最大差值僅為6.97kV。此外當(dāng)隔板豎直尺寸c=2cm時(shí)，出現(xiàn)特殊情況，即隔板離電極越遠(yuǎn)時(shí)，擊穿電壓反而越高。雙層隔板水平位置對(duì)擊穿電壓的影響不如雙層隔板豎直尺寸的影響來(lái)得顯著。

圖3 雙層隔板不同水平位置和豎直尺寸的擊穿電壓

三層隔板布置方式不同PVC隔板水平位置和豎直尺寸下的擊穿電壓如圖4所示。由圖4可得，引入三層隔板相比雙層隔板進(jìn)一步提升了間隙擊穿電壓，在c=6cm，a=1cm的情況下，擊穿電壓達(dá)到最大值116.94kV，比雙層隔板提高了20.19kV。擊穿電壓與隔板水平位置和豎直尺寸近似呈線性關(guān)系，即隔板的水平位置離電極越近，隔板豎直尺寸越大，擊穿電壓越高。

圖4 三層隔板不同水平位置和豎直尺寸的擊穿電壓

除了隔板水平位置和豎直尺寸等空間參數(shù)外，在交流電壓下不同材料隔板因?yàn)榻殡姵?shù)的不同，也會(huì)影響復(fù)合絕緣擊穿電壓的大小，因此針對(duì)聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)和云母這三種工業(yè)常用的隔板展開(kāi)研究。圖5為雙層隔板(c=6cm)不同材料下的擊穿電壓，當(dāng)隔板水平位置a=1cm和a=2cm時(shí)，云母板的擊穿電壓最高，PVC次之，PTFE最低，但當(dāng)a=3cm時(shí)，PVC板的擊穿電壓達(dá)到最高，云母板反而最低。

圖5 雙層隔板不同材料的擊穿電壓

對(duì)三層隔板布置方式(c=6cm)不同材料下進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)，擊穿電壓如圖6所示。由圖6可得，同雙層隔板類(lèi)似，當(dāng)隔板水平位置a=1cm時(shí)，云母板擊穿電壓最高，當(dāng)a=3cm時(shí)，云母板擊穿電壓最低。此外當(dāng)隔板水平位置a=2cm和a=3cm時(shí)，PVC板擊穿電壓最高。綜上所述，三種材料隔板均能有效地提高擊穿電壓，其中云母板受水平位置影響最為顯著，需要在合適的位置引入才能達(dá)到最佳耐壓水平，PVC板在不同位置下?lián)舸╇妷壕^大?？紤]隔板耐壓性能的改善效果，PVC板作為絕緣設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用的隔板材料。

圖6 三層隔板不同材料的擊穿電壓

3.2 多隔板氣固復(fù)合絕緣擊穿路徑

進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)時(shí)，用攝像儀捕捉完整的擊穿路徑。由于引入多層隔板使原本空氣間隙被分為多個(gè)間隙組合，完整的擊穿路徑也分為多段，因此提取分段路徑的圖像進(jìn)行歸類(lèi)分析。本文將分段路徑類(lèi)型分為兩類(lèi)，如圖7所示為雙層隔板擊穿路徑分類(lèi)示意圖，將完整的擊穿路徑分為L(zhǎng)1、L2、L3三段，按照分段路徑落在的區(qū)域劃分為紅色P1區(qū)域和藍(lán)色P2區(qū)域，把落在P1區(qū)域內(nèi)的路徑記為P1路徑，落在P2區(qū)域內(nèi)的路徑記為P2路徑。其中P1路徑定義為繞過(guò)隔板的最短路徑，P2路徑定義為沿著隔板表面所走的路徑。

雙層隔板布置方式下的實(shí)際擊穿路徑圖如圖8和圖9所示為，可以觀察到，實(shí)際放電通道曲折且有分支，這是因?yàn)樵诜烹娭魍ǖ栏浇怆娮拥男纬膳c發(fā)展帶有統(tǒng)計(jì)性。按照?qǐng)D7的分類(lèi)方法，圖8中L2段為P1路徑；圖9中L2段均為P2路徑，但路徑發(fā)展形式不太一樣，在圖9(a)中是沿著靠近高壓電極側(cè)隔板的表面?zhèn)鞑ィ趫D9(b)中沿著靠近接地極側(cè)隔板表面?zhèn)鞑ァ?/p>

圖7 雙層隔板路徑分類(lèi)示意圖

圖8 雙層隔板(c=4cm，a=2cm)路徑圖

圖9 雙層隔板(c=6cm，a=2cm)路徑圖

為了分析放電規(guī)律，統(tǒng)計(jì)每組實(shí)驗(yàn)連續(xù)20次擊穿的分段路徑類(lèi)型和出現(xiàn)概率。雙層隔板布置方式下不同PVC隔板水平位置和豎直尺寸對(duì)應(yīng)的分段路徑概率如圖10所示。從圖中可以得到，當(dāng)隔板豎直尺寸為2cm時(shí)，L1段和L3段，分段路徑基本呈現(xiàn)為P2路徑，但在L2段，分段路徑出現(xiàn)P1路徑的機(jī)率增大，概率最高可達(dá)到85%。當(dāng)隔板豎直尺寸較大時(shí)，不管隔板處于什么水平位置，P2路徑概率均超過(guò)50%。由此可見(jiàn)，隔板豎直尺寸是影響分段路徑概率變化的重要因素，P2路徑是放電過(guò)程中電弧最容易傳播的形式，即擊穿路徑大部分是沿著隔板表面發(fā)展。

圖10 雙層隔板布置方式下分段P2路徑概率

3.3 擊穿路徑與擊穿電壓的關(guān)系

擊穿電壓與擊穿路徑的類(lèi)型和長(zhǎng)度這兩個(gè)因素存在密切聯(lián)系。本節(jié)以三層PVC隔板為例，統(tǒng)計(jì)每組實(shí)驗(yàn)連續(xù)20次擊穿出現(xiàn)的完整擊穿路徑類(lèi)型及對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，如圖11所示為a=1cm時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢缘玫?，當(dāng)隔板處于同一位置和尺寸下，不同擊穿路徑類(lèi)型對(duì)應(yīng)的擊穿電壓近乎相等，且當(dāng)隔板豎直尺寸較小時(shí)，出現(xiàn)擊穿路徑類(lèi)型更多。

圖11 雙層隔板擊穿路徑類(lèi)型及擊穿電壓

為了進(jìn)一步研究路徑與擊穿電壓的關(guān)系，對(duì)不同隔板位置和尺寸下出現(xiàn)概率最大擊穿路徑的幾何長(zhǎng)度及其擊穿電壓進(jìn)行擬合分析。從圖12可以得到隔板處于同一位置下，線性擬合效果好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95以上。路徑長(zhǎng)度與其擊穿電壓呈線性關(guān)系，即引入的隔板尺寸越大，擊穿路徑距離延長(zhǎng)，導(dǎo)致?lián)舸╇妷涸礁?。但不同隔板位置下，幾何長(zhǎng)度差別不大的路徑對(duì)應(yīng)的擊穿電壓可能偏差很大，這與電場(chǎng)分布變化有關(guān)。

圖12 三層隔板擊穿路徑長(zhǎng)度及擊穿電壓

4 電場(chǎng)仿真分析

多層隔板通過(guò)與空氣形成多層絕緣來(lái)調(diào)節(jié)電場(chǎng)和電勢(shì)分布，從而影響擊穿電壓。以三層PVC隔板為例，研究引入隔板后空氣間隙電場(chǎng)分布的變化，通過(guò)Altair公司提供的FLUX有限元仿真軟件建立簡(jiǎn)化的靜電場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，如圖13所示，由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各絕緣支撐部件對(duì)電場(chǎng)分布幾乎沒(méi)有影響，因此在仿真計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

圖13 仿真模型

由圖13可知，氣固復(fù)合絕緣電場(chǎng)主要集中分布在高壓棒電極和接地球電極附近，場(chǎng)強(qiáng)由電極向間隙中間逐漸減小，隔板在間隙中的位置會(huì)改變電場(chǎng)分布。一般用不均勻系數(shù)f來(lái)表示電場(chǎng)分布的不均勻程度，計(jì)算公式如下：

f=Emax/(U/d)

(1)

式中：Emax表示整個(gè)多隔板氣固復(fù)合絕緣空氣域的最大電場(chǎng)強(qiáng)度；U為棒電極施加的高電壓值；d為棒-球電極間距。

三層隔板下不同隔板水平位置和豎直尺寸處電場(chǎng)不均勻系數(shù)f分布如圖14所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)不均勻系數(shù)f大于4，為極不均勻電場(chǎng)。電場(chǎng)不均勻系數(shù)受隔板水平位置影響較為顯著，即隔板距離電極越近，電場(chǎng)不均勻系數(shù)f越大。結(jié)合圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在同一尺寸下改變隔板水平位置，電場(chǎng)不均勻系數(shù)f的變化趨勢(shì)同擊穿電壓的變化趨勢(shì)一致。發(fā)現(xiàn)這些情況下路徑長(zhǎng)度偏差不大，這說(shuō)明在隔板尺寸一樣的條件下，不同隔板位置對(duì)絕緣擊穿電壓的影響主要取決于電場(chǎng)的分布。

圖14 三層隔板不同水平位置和豎直尺寸

5 結(jié)論

針對(duì)在空氣間隙中引入多層隔板對(duì)耐壓水平的改善效果。本文研究發(fā)現(xiàn)雙層隔板和三層隔板都對(duì)擊穿電壓起到了提升作用，且三層隔板的提升效果更為顯著。合理地設(shè)置隔板尺寸、位置和材料可以使屏障效應(yīng)達(dá)到最優(yōu)。實(shí)際擊穿路徑大部分是沿著隔板表面?zhèn)鞑?，利用隔板調(diào)控的擊穿路徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，擊穿電壓越高，隔板位置對(duì)擊穿電壓的影響主要取決于電場(chǎng)的分布。通過(guò)引入多隔板氣固復(fù)合絕緣的方式來(lái)提高空氣間隙的絕緣性能，可以為電力設(shè)備結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。