SF6氣體中絕緣材料高頻沿面放電特性的實驗研究

張 巖，李 琳，丁 杰，趙義焜，張國強

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206；2.中國科學院電工研究所，北京 100190)

1 引言

高頻變壓器是電力電子變壓器中的核心元件，具有體積小、質量輕等特點，在能源傳遞效率上優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應用前景[1,2]。目前高頻變壓器多采用空氣-固體絕緣結構，與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，高頻變壓器運行工況復雜，長期運行在高頻率、高幅值、上升時間短的非正弦電壓波形下。絕緣材料承受著高頻率的電應力沖擊，容易導致絕緣性能下降甚至過早失效[3-5]。而SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣性能以及不燃不爆的安全優(yōu)勢，被廣泛應用于高電壓設備的絕緣，采用SF6氣體作為高頻變壓器的絕緣材料與冷卻媒介，可解決高頻變壓器存在的絕緣劣化的缺陷。研究表明，沿面閃絡的電場強度遠小于相同工況下的氣隙擊穿場強，更容易造成絕緣損壞，大幅降低設備的絕緣壽命[6-8]。因此，在SF6環(huán)境中開展絕緣材料的高頻沿面放電特性研究，對氣體填充式高頻變壓器的絕緣結構設計具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者針對SF6氣體中固體絕緣材料在工頻、直流、納秒脈沖等電應力下的沿面放電特性進行了大量研究，結果表明電極形狀、氣體成分和壓強、材料的介電常數(shù)和表面處理對沿面放電特性存在不同程度的影響[9-12]。劉海峰、王濤等人對比了SF6及N2在不同均勻度電場和不同氣壓下環(huán)氧樹脂的沿面閃絡特性，發(fā)現(xiàn)SF6中環(huán)氧樹脂的沿面閃絡電壓隨氣體壓強變化更大，對電場的均勻度更敏感[13]。謝慶、劉熊等人設計了不同氣壓下沿面閃絡新型實驗平臺，研究了SF6中環(huán)氧樹脂納秒脈沖沿面閃絡特性，并分析了沿面閃絡前后材料表面理化特性，發(fā)現(xiàn)納秒脈沖下閃絡電壓隨著SF6氣壓的增大而升高，且SF6在閃絡過程中發(fā)生分解并與材料發(fā)生化學反應[14]。針對高頻電應力下絕緣材料的沿面放電特性方面，現(xiàn)有研究大多圍繞頻率對材料表面老化特性、發(fā)展路徑、發(fā)生機理的影響進行展開。張開放等人研究了高頻電應力下聚酰亞胺薄膜(PolyImide, PI)沿面放電發(fā)展過程以及絕緣表面的物化特性變化，發(fā)現(xiàn)沿面放電極性效應明顯，且高頻沿面閃絡對絕緣材料的破化較大[15]。劉濤、韓帥等人測試了在10～40 kHz正弦電壓下的沿面放電起始、閃絡電壓以及絕緣材料壽命，發(fā)現(xiàn)電壓頻率的升高導致沿面閃絡電壓的降低和絕緣壽命的縮短，并分析了沿面放電的發(fā)展演化過程[16]。趙義焜等人在1～20 kHz方波下對四種匝間絕緣材料進行沿面放電實驗，利用Weibull統(tǒng)計方法分析了放電間距對放電電壓的影響，分析了閃絡電壓隨頻率的變化規(guī)律[17]。

由于目前沿面放電的研究多集中于工頻/納秒脈沖和空氣/絕緣油等實驗環(huán)境的相互組合，SF6氣體中絕緣材料在高頻方波下沿面放電特性的研究仍然空白，難以為氣體填充式高頻變壓器的絕緣設計提供參考。本文搭建了氣-固沿面放電實驗平臺，用于研究高頻方波下SF6環(huán)境中絕緣薄膜的沿面放電特性。在高頻方波電壓下對聚酯薄膜(PolyEsTer, PET)、聚酰亞胺薄膜進行沿面放電實驗，研究頻率和氣體壓強對閃絡電壓的影響，基于二次電子發(fā)射崩模型分析了SF6中與空氣中高頻閃絡規(guī)律的不同，基于沿面閃絡實驗數(shù)據(jù)擬合出SF6中閃絡電壓的估算方法，為SF6氣體填充式高頻變壓器的絕緣設計提供理論依據(jù)。

2 SF6氣體中的高頻絕緣實驗平臺

2.1 實驗平臺的搭建

SF6氣體中沿面放電實驗平臺由高頻高壓電源、高壓探頭、示波器、放電電極以及密閉腔體五部分組成，實驗平臺如圖1所示。為模擬高頻變壓器匝間絕緣的實際工況，使用由中科院電工所研制的一臺型號為AIYS-20 kV/100 mA的雙極性高頻方波電源作為實驗電源，其可輸出幅值0～40 kV、頻率1～20 kHz的高頻方波信號，高頻電源內(nèi)部串聯(lián)240 kΩ的保護電阻，以防止閃絡瞬間電流過大，損壞設備。高頻高壓電源具體參數(shù)見表1。采用Tektronix P6015A型高壓探頭測量閃絡電壓，可測范圍為0～40 kV，分壓比為1∶1 000，高壓探頭連接于高頻電源與高壓電極之間。測量電壓信號進入Tektronix3034型示波器的數(shù)據(jù)通道，用于觀察實驗波形和記錄電壓值。

圖1 高頻沿面放電實驗平臺

表1 高頻方波電源參數(shù)

為了模擬變壓器內(nèi)部最為常見的稍不均勻電場，參照現(xiàn)有標準和相關研究[9,11,17]，設計出指型電極作為放電電極，結構圖與實物圖如圖2所示。指型電極選用不銹鋼作為電極材料，電極前端曲率半徑為10 mm，中間切割出寬為4 mm的內(nèi)槽，內(nèi)槽下側有緊固螺栓，用于固定墊板與樣片。實驗時，將待測薄膜固定在2 mm厚的環(huán)氧樹脂板上并居中放置在電極的槽內(nèi)，通過調節(jié)緊固螺栓將待測材料與指型電極平面保持緊密接觸。電極放置于聚四氟乙烯支架上，支架帶有滑軌，可以保證電極間距在0～20 mm之間調節(jié)。

圖2 放電電極示意圖

2.2 待測材料的選取

SF6氣體絕緣高頻變壓器通常采用氣膜組合絕緣，即由薄膜材料包覆在導線表面，與SF6氣體組成氣膜絕緣結構。薄膜通常采用耐熱等級較高的聚酯薄膜或者聚酰亞胺薄膜，一方面，這些薄膜作為匝間絕緣材料，承擔變壓器的縱絕緣；另一方面，與SF6氣體組成氣膜絕緣系統(tǒng)，承擔高頻變壓器的主絕緣。因此，本文選用上述兩種應用相對廣泛的匝間絕緣材料作為待測對象，將PET薄膜和PI薄膜的厚度分別選定為0.2 mm與0.125 mm，表2為兩種絕緣薄膜電氣性能參數(shù)[18]。

表2 絕緣材料電氣性能

實驗前，將薄膜裁剪成表面積為50 mm×50 mm的樣品，放入超聲波清洗機中清洗，確保薄膜表面干凈無污穢，樣品清洗干凈后，再將其放在干燥箱中干燥1 h，確保薄膜表面無水分，將其放置于樣品袋中保存以備用。

2.3 加壓方法

根據(jù)實驗需求，將所需材料固定在電極間，并放置于腔體內(nèi)部；利用真空泵將腔體內(nèi)部抽至真空，再充入所需壓強的SF6氣體。當氣壓滿足實驗需求后，關閉所有閥門，按要求連接好電路后，進行放電實驗。

實驗采用勻速升壓法，升壓速率為500 V/s，當材料表面發(fā)生閃絡時，高頻電壓電源的保護裝置動作跳閘，通過示波器記錄閃絡發(fā)生前的電壓幅值。根據(jù)國家標準[19]，每種工況下的閃絡進行5次以上，取所有實驗數(shù)據(jù)的中值作為該工況下的閃絡電壓；如果某一個實驗結果偏離中值15%以上，則另作5次實驗，然后將10次實驗數(shù)據(jù)的中值作為該工況下的閃絡電壓。閃絡會對材料表面微觀結構造成不可逆的改變[11]，為了保證實驗的準確性和有效性，每次閃絡后都需要重新更換樣品。

3 實驗結果

3.1 不同頻率下的沿面放電電壓分析

為探究SF6氣體環(huán)境中絕緣材料在高頻激勵下沿面放電的發(fā)展過程，分析閃絡電壓隨頻率的變化規(guī)律，將電極間距設置為3 mm，在1 kHz、5 kHz、10 kHz、15 kHz以及20 kHz頻率下開展沿面放電實驗。PET薄膜與PI薄膜在0.1 MPa的SF6環(huán)境中閃絡電壓隨頻率的變化趨勢如圖3、圖4所示。

圖3 不同頻率下PET薄膜的沿面閃絡特性

圖4 不同頻率下PI薄膜的沿面閃絡特性

在高頻方波電壓下，SF6環(huán)境中的兩種匝間絕緣材料的閃絡電壓都基本不受電壓頻率的影響。兩種材料的閃絡電壓較為接近，總體上看，PI薄膜的閃絡電壓要略高于PET薄膜的閃絡電壓，約高出6.03%，并且相較于PI薄膜，同種工況下的PET薄膜的閃絡電壓要更為分散。

圖5為實驗中兩種材料的電場分布圖，從圖中可以看出，實驗中兩種材料都處于稍不均勻電場中，電場分布規(guī)律基本相同，但由于兩種材料介電常數(shù)的差異，PET薄膜的最大電場強度要高于PI薄膜，這可以作為解釋兩種材料在相同工況下閃絡電壓不同的一個原因。同時，絕緣材料表面的粗糙度、形貌等存在的差異性也是影響閃絡電壓的重要因素。

圖5 兩種薄膜材料的場強分布圖

3.2 不同氣壓下的沿面閃絡電壓分析

為探究SF6氣體壓強對高頻沿面閃絡電壓的影響，將電極間距設置為3 mm，電壓頻率設置為10 kHz，考慮SF6變壓器的實際應用場景與實驗條件限制，在氣體壓強為0.025～0.13 MPa的四種氣壓下開展沿面放電實驗。

之所以出現(xiàn)以文件落實文件的荒唐事，一方面是因為文件太多，在“上面千條線，下面一根針”的工作機制下，難免出現(xiàn)紕漏和懈怠，以形式主義應付形式主義；另一方面是個別黨員領導干部不擔當、不作為，沒有真正理解文件精神，進而敷衍塞責。

圖6為在頻率為10 kHz的雙極性方波電壓下，PET薄膜的沿面閃絡電壓隨氣壓變化的曲線圖。從圖6中可以看出，在0.025～0.13 MPa氣壓范圍內(nèi)，PET薄膜的沿面閃絡電壓基本上隨著氣體壓力的升高呈現(xiàn)線性增長。提高氣壓可有效減小電子碰撞過程中平均自由行程，進而削弱電離過程，阻礙電子崩的形成與發(fā)展，進而提高了閃絡電壓。

圖6 不同氣體壓強下PET薄膜的高頻沿面閃絡特性

為了將實驗數(shù)據(jù)應用到氣體填充式高頻變壓器的絕緣設計中，本文利用以上沿面擊穿數(shù)據(jù)進行了擬合，推導出適用于高頻方波電壓下SF6氣體中絕緣薄膜閃絡電壓的經(jīng)驗公式，為氣體填充式高頻變壓器的絕緣設計提供參考。影響閃絡電壓的關鍵因素包括：氣體成分、壓強、固體材料的介電常數(shù)、電極幾何形狀、電壓形式與極性等。其中氣體與固體絕緣的介電常數(shù)以及電極的幾何形狀決定了電場的絕緣利用系數(shù)η，即整個絕緣系統(tǒng)中平均場強Eav與最大場強Emax的比值。氣體成分不同，臨界擊穿場強不同。本文中SF6的臨界擊穿場強采用氣壓的指數(shù)函數(shù)形式表示，如下：

Ecrit=λ(αp)β

(1)

式中，p為氣體壓強；λ、α、β為系數(shù)，通過指數(shù)函數(shù)擬合的方式得到。因此SF6氣體中沿面閃絡的計算公式為：

Us=KηEcritd

(2)

式中，Us為閃絡電壓；K為系數(shù)；d為間隙間距。高頻方波下SF6氣體中沿面閃絡電壓計算式為：

Us=η×7.88×(10p)0.52×d

(3)

(4)

測量值與計算值如圖7所示。

圖7 閃絡電壓的實驗值與計算值的比較

3.3 SF6與空氣中高頻沿面放電規(guī)律的差異

文獻[17，20]通過搭建氣-固高頻沿面閃絡實驗平臺，研究空氣中不同絕緣材料在高頻下的沿面閃絡放電特性。研究表明，隨著高頻方波電壓頻率的升高，絕緣材料閃絡電壓明顯下降，如圖8所示。

圖8 空氣中PET薄膜閃絡電壓隨頻率變化情況

通過對比圖3與圖8可以看出，當薄膜周圍氣體環(huán)境不同時，電壓頻率對絕緣材料沿面放電特性的影響存在明顯差異。下面從絕緣材料沿面放電物理機理的角度對SF6中與空氣中沿面放電規(guī)律的差異性進行深入分析。

發(fā)生在絕緣材料表面的沿面閃絡擊穿通?？煞譃槿N形式：電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿。電擊穿是指帶電質點在電場作用下運動并逐漸加速，與其他分子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生更多的帶電質點產(chǎn)生電子崩，電子崩逐漸向前發(fā)展直至擊穿；熱擊穿是指在電場作用下介質內(nèi)部產(chǎn)生損耗，當發(fā)熱量小于散熱量時，介質溫度上升，最終導致絕緣材料碳化、分解等；電化學擊穿是由于材料內(nèi)部長時間局部放電導致介質劣化，最終導致介質的擊穿。PET薄膜、PI薄膜在高頻電應力下發(fā)生沿面閃絡，放電過程中伴隨著強烈的聲、光、熱等現(xiàn)象發(fā)生，導致材料表面發(fā)生嚴重燒蝕，并且隨著電壓頻率的升高，材料表面的燒蝕現(xiàn)象越發(fā)顯著，如圖9所示。

圖9 閃絡后介質表面燒蝕現(xiàn)象

根據(jù)二次電子發(fā)射雪崩(Secondary Electron Emission Avalanche, SEEA)模型，沿面間隙的閃絡過程可描述為：當電極上施加高電壓時，由于介質表面、氣體、陰極三者結合處(Cathode Triple Junction , CTJ)電場強度最高，由場致發(fā)射形成了初始電子。初始電子在電場中加速并轟擊絕緣材料表面，轟擊的能量引起原子發(fā)生電離并產(chǎn)生了二次電子。二次電子在電場中獲得能量并再次碰撞介質表面引發(fā)新一輪的電離，該過程的持續(xù)發(fā)展形成二次電子雪崩，隨著電子雪崩的發(fā)展最終導致閃絡的發(fā)生。根據(jù)文獻[17，20]的研究結果，頻率的提升加速了空氣中二次電子雪崩的發(fā)展過程，使得閃絡電壓大幅下降。而SF6氣體與空氣對電子的吸附能力具有明顯差異，SF6分子對于低能電子有較大的吸附截面，即具有良好的電負性。所以閃絡發(fā)展過程中，當初始電子轟擊介質表面產(chǎn)生二次電子后，電子與SF6分子結合形成負離子，這一過程阻礙了二次電子雪崩的形成，使得頻率的提升無法加速二次電子雪崩的發(fā)展。因此SF6氣體中沿面閃絡電壓與電壓頻率沒有明顯的相關性。

4 結論

本文結合SF6氣體填充式高頻變壓器實際運行工況，設計了氣-固沿面放電實驗平臺，重點研究了電壓頻率以及氣體壓強對絕緣材料閃絡電壓的影響，結合二次電子發(fā)射崩模型分析SF6中與空氣中高頻閃絡規(guī)律的不同，得到以下結論：

(1)與空氣中絕緣薄膜沿面放電特性不同，在雙極性高頻方波的作用下，隨著電壓頻率的增加，處于SF6氣體中的絕緣薄膜的閃絡電壓幾乎不變。

(2)隨著SF6氣體壓強的增大，絕緣材料的閃絡電壓呈線性增大趨勢。

(3)根據(jù)沿面閃絡實驗數(shù)據(jù)擬合出SF6中閃絡電壓的工程計算公式，對SF6氣體填充高頻變壓器的絕緣設計有重要參考價值。