徐黃寬 張 黎 Bilal Iqbal Ayubi 鄒 亮 王 冠
基于改進(jìn)變分模態(tài)分解去噪的高頻電應(yīng)力下聚酰亞胺局部放電溫-頻特性研究
徐黃寬 張 黎 Bilal Iqbal Ayubi 鄒 亮 王 冠
(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250061)
局部放電是導(dǎo)致高頻電力變壓器中聚酰亞胺(PI)絕緣劣化的重要原因。為研究高頻電壓下聚酰亞胺局部放電機(jī)理,探索溫度、頻率因素對(duì)局部放電特性的影響,建立了高頻局部放電測(cè)試平臺(tái)。針對(duì)使用脈沖電流傳感器采集局部放電信號(hào)容易受噪聲干擾的問(wèn)題,采用變分模態(tài)分解(VMD)對(duì)局部放電原始信號(hào)進(jìn)行去噪。其中,針對(duì)VMD難以自適應(yīng)選取分解參數(shù)的問(wèn)題,使用平衡優(yōu)化器(EO)算法獲得最優(yōu)模態(tài)分解個(gè)數(shù)與懲罰因子。實(shí)驗(yàn)獲取了25~100℃四個(gè)溫度點(diǎn)與10~50kHz五個(gè)頻率點(diǎn)下的聚酰亞胺局部放電情況,并分析其變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度越大放電起始電壓越小,而頻率與局部放電起始電壓無(wú)關(guān);最大放電幅值、總放電幅值和單周波平均放電次數(shù)與溫度、頻率呈正相關(guān);頻率越高,溫度對(duì)局部放電特征量的影響越大,而溫度越高,頻率對(duì)局部放電特征量的影響也更為顯著,兩者呈現(xiàn)一種耦合促進(jìn)關(guān)系。
局部放電 平衡優(yōu)化器 變分模態(tài)分解 溫度 頻率 聚酰亞胺
當(dāng)前能源與電力系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出可再生分布式電源大量接入、大型交-直流電網(wǎng)互聯(lián)以及電力電子裝備廣泛應(yīng)用等新的特征。電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)是一種新型電力輸變電裝備,因其兩側(cè)電壓、電流可控,可任意調(diào)節(jié)功率因數(shù),改善電能質(zhì)量的特點(diǎn),具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。高頻電力變壓器(High Frequency Power Transformer, HFPT)是PET的核心組件,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換。聚酰亞胺(Polyimide, PI)具有良好的耐高溫、耐輻射特性及優(yōu)異的介電性能,被廣泛地應(yīng)用在HFPT的匝間絕緣和對(duì)地絕緣中。聚酰亞胺在HFPT中的工作環(huán)境非常惡劣,通常需要承受10kHz以上的高頻電壓[2];同時(shí),高頻電壓下趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)更為顯著,鐵耗、銅耗、介質(zhì)損耗、開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)大于工頻情況,使HFPT正常工作溫升遠(yuǎn)大于普通變壓器[3-4],由此帶來(lái)的電-熱耦合應(yīng)力導(dǎo)致的局部放電(Partial Discharge, PD)是致使材料絕緣失效的主要因素。
由于局部放電檢測(cè)通常處于復(fù)雜的電磁環(huán)境下,實(shí)際采集到的局部放電信號(hào)包含著大量的混合噪聲,影響檢測(cè)效果[5]。目前采用的去噪方法中,小波變換可以用來(lái)濾除實(shí)驗(yàn)信號(hào)中的高斯白噪聲,但小波變換難以選擇合適的小波基函數(shù)和分解層數(shù)[5-6];經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)算法則存在嚴(yán)重的模態(tài)混疊和端點(diǎn)效應(yīng)[7];而變分模態(tài)分解(Variational Mode Decomposition, VMD)通過(guò)引入變分模型,構(gòu)造約束模型尋優(yōu)的方式將原始信號(hào)分解為多個(gè)單分量模態(tài)[8],可以有效地避免EMD方法中的模態(tài)混疊現(xiàn)象,但其懲罰因子和分解個(gè)數(shù)必須事先確定,這兩個(gè)參數(shù)選取不當(dāng)將嚴(yán)重影響VMD算法的分解效果。本文采用改進(jìn)的VMD算法分解PD信號(hào),利用平衡優(yōu)化器(Equilibrium Optimizer, EO)算法優(yōu)化分解個(gè)數(shù)與懲罰因子,并以峭度準(zhǔn)則確定有效分量,對(duì)重構(gòu)信號(hào)使用小波閾值去噪進(jìn)一步去除殘留的白噪聲。該去噪方法能有效地抑制PD信號(hào)中的混合噪聲,保留PD信號(hào)的完整性,有利于局部放電后續(xù)的研究。
研究表明,溫度、頻率等影響因子對(duì)絕緣的局部放電有很大影響。劉思華等發(fā)現(xiàn)電源頻率更高時(shí),局部放電起始電壓顯著降低,放電相位更寬,而單位周期內(nèi)的平均放電幅值與放電次數(shù)先增后降,在20kHz達(dá)到極大值[9]。A. Cavallini等研究發(fā)現(xiàn),局部放電幅值隨頻率的增加而減小[10]。徐躍等研究了1~10kHz下的聚酰亞胺薄膜局部放電,發(fā)現(xiàn)頻率增加導(dǎo)致放電殘余電荷不易擴(kuò)散,放電次數(shù)增多,高頻情況下,溫度升高使得局部放電顯著增強(qiáng)[11]。韓帥等模擬了固態(tài)變壓器中高頻正弦電壓下聚酰亞胺絕緣的局部放電,發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高,最大放電幅值、平均放電幅值與放電次數(shù)都顯著增大[12]。羅楊等研究了連續(xù)方波脈沖下的聚酰亞胺局部放電特性,發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)溫度增加,放電幅值與放電次數(shù)均會(huì)減小[13]?,F(xiàn)有研究成果均是在不同高頻電壓參數(shù)下對(duì)絕緣材料高頻放電特性進(jìn)行的分析與表征,學(xué)者們針對(duì)溫度、頻率對(duì)絕緣材料高頻放電特性的影響給出了不同甚至截然相反的結(jié)論。因此,針對(duì)溫度、頻率及二者間可能存在的耦合協(xié)同作用對(duì)局部放電的影響機(jī)理仍需深入研究。本文設(shè)計(jì)了高頻電-熱聯(lián)合局部放電測(cè)試平臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究了25~100℃四個(gè)溫度點(diǎn)與10~50kHz五個(gè)頻率點(diǎn)下的聚酰亞胺局部放電情況,使用EO-VMD去噪算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,統(tǒng)計(jì)了局部放電起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage, PDIV)、最大放電幅值、放電次數(shù)等特征量,分析了溫度、頻率及二者的耦合協(xié)同作用對(duì)高頻電應(yīng)力下聚酰亞胺局部放電的影響機(jī)理。
選擇杜邦公司的75μm聚酰亞胺薄膜作為試樣。高頻局部放電測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。其中,高頻高壓電源可以輸出峰-峰值為0~20kV、頻率為5~50kHz的高頻正弦電壓,通過(guò)調(diào)頻單元檔位可實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。由于球-板電極之間存在稍不均勻電場(chǎng),兼有法向和切向電場(chǎng)分量,選擇球-板電極模擬HFPT中PI所承受的實(shí)際電場(chǎng),其尺寸參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60243—1:2013《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第一部分:工頻下試驗(yàn)》,其中,球電極直徑為20mm,板電極厚為10mm、直徑為75mm。基于高頻電應(yīng)力下PD信號(hào)寬頻帶、低幅值的特點(diǎn),選擇測(cè)量帶寬10kHz~100MHz的ETS—93686型脈沖電流傳感器采集PD信號(hào)。采用泰克MDO3024四通道示波器同時(shí)采集高頻正弦信號(hào)和局部放電信號(hào),并將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中保存。
圖1 高頻局部放電測(cè)試平臺(tái)
選擇25℃、50℃、75℃、100℃四個(gè)溫度點(diǎn)與10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz五個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先,設(shè)定恒溫老化箱加熱溫度,升溫至設(shè)定值后在該溫度穩(wěn)定持續(xù)30min。參考工頻下局部放電短時(shí)快速升壓方法,選取200V/s作為升壓速度,在不同溫度、頻率條件下施加電壓至初次產(chǎn)生重復(fù)性放電脈沖,觀察并記錄此時(shí)電壓幅值即局部放電起始電壓。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),同一溫度不同頻率下的PDIV大致相同,室溫下10~50kHz實(shí)驗(yàn)中PDIV均為1.30kV左右。不同溫度下PDIV略有差異,總體隨溫度增大而降低。不同溫度、頻率條件下局放起始電壓見(jiàn)表1。
表1 不同溫度、頻率條件下局部放電起始電壓
Tab.1 PDIV under different temperatures and frequencies
選擇PDIV的1.5~2倍作為不同實(shí)驗(yàn)條件下的局部放電測(cè)試電壓[14],保持每次實(shí)驗(yàn)在2.5kV恒電壓條件下進(jìn)行,每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)。使用上述PD數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)記錄局部放電的幅值與相位。為避免電極在高溫下發(fā)生氧化或熔融產(chǎn)生表面雜質(zhì),影響電極表面光滑度并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,放電實(shí)驗(yàn)后應(yīng)使用酒精擦拭電極表面[15]。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,脈沖電流傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)中會(huì)存在大量噪聲信號(hào),包括外部空間電磁干擾、測(cè)量?jī)x器電源線引入電磁干擾、接地線干擾等,因此直接使用原始數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確獲得局部放電的特征量,而使用EO-VMD與小波閾值函數(shù)聯(lián)合的去噪算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電信號(hào)的良好濾波效果。
VMD是一種非遞歸、準(zhǔn)正交的自適應(yīng)模態(tài)分解算法,它需要構(gòu)建一個(gè)變分模式分解模型,在模型框架中不斷迭代,獲得使各模態(tài)分量估計(jì)帶寬之和最小的最優(yōu)解[16],最后將原始信號(hào)分解為一系列有限帶寬的本征模態(tài)函數(shù)(Band-limited Intrinsic Mode Function, BIMF)。各模態(tài)分量彼此相互獨(dú)立,有效抑制了EMD算法存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象。
VMD將輸入信號(hào)()分解為個(gè)模態(tài)函數(shù)u(),=1, 2,…,。構(gòu)建的約束變分模型為
式中,ω為各固有模態(tài)分量對(duì)應(yīng)的中心頻率;()為單位脈沖函數(shù)。
在模型框架中求解式(1)的最優(yōu)解,引入拉格朗日乘法算子()使約束變分問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束變分問(wèn)題,則擴(kuò)展的拉格朗日表達(dá)式為
使用交替方向乘子算法(Alternate Direction Meth-odof Multipliers, ADMM)迭代求取增廣拉格朗日函數(shù)的“鞍點(diǎn)”,即為原約束變分問(wèn)題的最優(yōu)解。
平衡優(yōu)化器是一種基于質(zhì)量平衡方程啟發(fā)的優(yōu)化算法,即控制體積內(nèi)輸入、輸出和產(chǎn)生的質(zhì)量守恒[17]。首先根據(jù)預(yù)設(shè)的粒子數(shù)和維數(shù)在搜索空間中隨機(jī)均勻構(gòu)造初始種群,即
式中,min和max分別為待優(yōu)化變量的最小值和最大值;r為[0, 1]之間的隨機(jī)數(shù);為種群數(shù)。
指數(shù)項(xiàng)系數(shù)用于平衡算法的探索和開(kāi)發(fā)。其中,時(shí)間定義為迭代函數(shù),隨著迭代次數(shù)的增加而減少。產(chǎn)生率通過(guò)改進(jìn)開(kāi)發(fā)階段提供精確解。
其中
式中,1,2,為[0, 1]之間的隨機(jī)數(shù);G為產(chǎn)生概率,用于控制探索和開(kāi)發(fā)能力,在G=0.5時(shí),探索和開(kāi)發(fā)能力達(dá)到平衡;0為初值,受產(chǎn)生概率G控制;為使用產(chǎn)生項(xiàng)更新?tīng)顟B(tài)的粒子;eq為平衡池eq,pool中隨機(jī)一項(xiàng)。
經(jīng)過(guò)對(duì)質(zhì)量平衡方程的改進(jìn)與抽象處理,EO算法的更新規(guī)則為
式中,為單位體積。
VMD算法分解效果受分解個(gè)數(shù)和懲罰因子的影響。選取不當(dāng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)過(guò)分解和欠分解;懲罰因子影響VMD分解得到的BIMF的帶寬。因此,需根據(jù)PD信號(hào)特點(diǎn)合理選擇分解參數(shù)。為了更好地保留PD脈沖信號(hào),去除干擾信號(hào),使用EO算法優(yōu)化不同實(shí)驗(yàn)條件下的懲罰因子。
在尋優(yōu)過(guò)程中,EO的適應(yīng)度函數(shù)需要能充分體現(xiàn)PD信號(hào)在VMD分解下的特點(diǎn),通過(guò)對(duì)比適應(yīng)度函數(shù)值的大小進(jìn)行濃度更新。若獲得的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function, IMF)分量中含有大量噪聲,此時(shí)該分量稀疏性較弱,包絡(luò)熵較大;若IMF分量中主要包含放電脈沖信號(hào),此時(shí)該分量稀疏性較強(qiáng),包絡(luò)熵較小。因此,包絡(luò)熵越小說(shuō)明分量包含的PD放電信號(hào)越多,也說(shuō)明信號(hào)分解得更充分[18],本文使用最小包絡(luò)熵作為EO算法的目標(biāo)函數(shù)。
由于不同溫度、頻率下的局部放電信號(hào)可能具有不同特點(diǎn),多次實(shí)驗(yàn)下環(huán)境噪聲干擾也有較大差異,因此需要使用EO算法對(duì)每一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行VMD的參數(shù)優(yōu)化。具體優(yōu)化流程如下:
初始化EO算法參數(shù),隨機(jī)生成個(gè)初始粒子,其中VMD分解個(gè)數(shù)為1~10之間的整數(shù),懲罰因子范圍為100~7 000;以初始粒子進(jìn)行VMD分解,獲得最小包絡(luò)熵作為適應(yīng)度值;評(píng)價(jià)適應(yīng)度值,選出最優(yōu)四項(xiàng)與四者算數(shù)平均值作為候選解,構(gòu)建平衡池;進(jìn)行濃度更新,判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù);最終獲得VMD分解最優(yōu)參數(shù)與。聯(lián)合EO-VMD與小波閾值函數(shù)的去噪流程如圖2所示。
圖2 聯(lián)合EO-VMD與小波閾值函數(shù)的去噪流程
對(duì)VMD分解后的模態(tài)分量進(jìn)行信號(hào)重構(gòu),重構(gòu)前需要舍棄噪聲較多而放電信息較少的分量。峭度可以反映波形的尖峰度[8],因此分量的選取依據(jù)峭度準(zhǔn)則,其計(jì)算方法為
式中,為信號(hào)幅值的算術(shù)平均值;(-)4為四階數(shù)學(xué)期望;為標(biāo)準(zhǔn)差。由于PD信號(hào)是一種瞬時(shí)、突變的信號(hào),其峭度值往往遠(yuǎn)大于3。因此,舍棄峭度值小于3的分量以去除窄帶干擾信號(hào),依據(jù)剩余分量進(jìn)行放電信號(hào)重構(gòu)。由于白噪聲時(shí)域幅值較小,選取的有效分量中仍有白噪聲殘留,為更好地保留PD信號(hào)特征,本文采用小波閾值去噪進(jìn)一步去除重構(gòu)信號(hào)中的殘留噪聲。
通過(guò)搭建的高頻局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取局部放電信號(hào),以恒溫箱溫度為25℃、電源頻率為50kHz、幅值為2.5kV的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,其原始信號(hào)波形和經(jīng)小波去噪的信號(hào)波形分別如圖3和圖4所示。可以看出,實(shí)驗(yàn)噪聲并非單純的高斯白噪聲,僅對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值去噪的情況并不理想。
圖4 小波去噪后局部放電信號(hào)
使用EO-VMD算法對(duì)局部放電信號(hào)的去噪過(guò)程如下:設(shè)定EO算法中粒子數(shù)為20,最大迭代次數(shù)為50,獲取該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下VMD算法最優(yōu)參數(shù)。優(yōu)化得到的最優(yōu)懲罰因子取值為4 976,分解個(gè)數(shù)取值為5,此時(shí)信號(hào)最小包絡(luò)熵為0.926 9。分解后的五個(gè)模態(tài)分量如圖5所示。
計(jì)算VMD分解后的各IMF分量的峭度值,其結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,IMF2、IMF3的峭度值遠(yuǎn)大于其余三個(gè)模態(tài)。由于通常選擇峭度值大于3的分量為有效分量,此時(shí)剔除的噪聲分量?jī)H有IMF1,而IMF4、IMF5則包含了大量白噪聲與部分放電分量。因此,提取IMF2、IMF3、IMF4、IMF5進(jìn)行信號(hào)重構(gòu),重構(gòu)后的信號(hào)如圖6所示。由圖6可見(jiàn),信號(hào)重構(gòu)后仍有白噪聲殘留。
圖5 VMD分解模態(tài)分量
表2 各模態(tài)分量峭度值
Tab.2 Kurtosis value of each modal component
圖6 重構(gòu)信號(hào)
為了去除殘留高斯白噪聲的干擾,調(diào)用Matlab中自帶的sym8小波基函數(shù)對(duì)重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行八層分解去噪,最終得到的去噪后的局部放電信號(hào)如圖7所示。
圖7 去噪后最終得到的局部放電信號(hào)
對(duì)比圖4與圖7的波形可以看出,EO-VMD與小波閾值函數(shù)相結(jié)合的去噪方式可以濾除大部分的實(shí)驗(yàn)噪聲。
保持幅值2.5kV不變,進(jìn)行25~100℃,10~50kHz下的局部放電實(shí)驗(yàn),繪制局部放電相位分布(Phase Resolved Partial Discharge, PRPD)譜圖。溫度一定時(shí),不同頻率下的局部放電形態(tài)如圖8所示。其中,放電點(diǎn)的相對(duì)密集程度由點(diǎn)的不同顏色表征,紅色代表該譜圖中的放電最密區(qū)域,深藍(lán)色代表放電最稀疏區(qū)域。
可以看出,隨著頻率增大,放電現(xiàn)象越來(lái)越劇烈,最大放電幅值與總放電次數(shù)均呈上升趨勢(shì)。單周波中,局部放電現(xiàn)象主要集中于正/負(fù)半波的上升沿,下降沿與峰值處只存在少量放電。低頻條件下,放電出現(xiàn)“分簇”形態(tài),即出現(xiàn)多個(gè)不同峰值的放電簇;頻率升高,放電相位增大,且放電“分簇”現(xiàn)象減弱。所有頻率段的放電均存在“分層”現(xiàn)象,即大量小幅值的放電分布在較寬的相位區(qū)間中,而幅值較高的放電則集中在較小的相位區(qū)間內(nèi);頻率較低時(shí),放電的分層現(xiàn)象比頻率高時(shí)更為明顯,且放電相位的分布與高頻率下相比更為集中。
頻率為30kHz時(shí),不同溫度下的局部放電形態(tài)如圖9所示??梢钥闯?,溫度對(duì)局部放電形態(tài)的影響與頻率類似,低溫條件下,放電相位分布較為集中且出現(xiàn)“分簇”形態(tài);隨著溫度不斷上升,放電幅值逐漸增大,放電次數(shù)增多且呈現(xiàn)彌散狀,但放電區(qū)間仍主要處于正負(fù)半軸上升沿。此時(shí),放電的“分簇”與“分層”現(xiàn)象逐漸削弱。
統(tǒng)計(jì)25~100℃、10~50kHz下的局部放電特征量,不同溫度下頻率對(duì)最大放電幅值的影響如圖10所示。分析可知,最大放電幅值隨溫度升高而增大,且高頻下溫度對(duì)最大放電幅值的影響更為顯著,50kHz下溫度與最大放電幅值接近線性關(guān)系??傮w而言,最大放電幅值隨頻率增大而增大;不同溫度下,10~50kHz頻段內(nèi)最大放電幅值上升量大致相同,均為35mV左右;溫度達(dá)到100℃時(shí),頻率對(duì)最大放電幅值的影響接近線性關(guān)系,如圖10所示。
圖10 不同溫度下頻率對(duì)最大放電幅值的影響
不同溫度下頻率對(duì)單周波平均放電次數(shù)的影響如圖11所示??梢园l(fā)現(xiàn),單周波平均放電次數(shù)隨溫度升高而增大,但10kHz和20kHz情況下,溫度升高對(duì)平均放電次數(shù)的增加不明顯;30~50kHz時(shí),溫度對(duì)平均放電次數(shù)的影響顯著增強(qiáng),與文獻(xiàn)[11]在1kHz下規(guī)律一致,分析認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)用聚酰亞胺薄膜厚度不同造成的差異。隨頻率升高,不同溫度下局部放電的平均放電次數(shù)均呈上升趨勢(shì);溫度越高則頻率對(duì)平均放電次數(shù)的影響越大,曲線越陡峭,100℃時(shí)50kHz下的平均放電次數(shù)是10kHz下的15.2倍。總體上,不同頻率下平均放電次數(shù)隨溫度增大而增加;高頻下溫度對(duì)平均放電次數(shù)的影響大于低頻情況。
圖11 不同溫度下頻率對(duì)單周波平均放電次數(shù)的影響
不同溫度下頻率對(duì)總放電幅值和平均放電幅值的影響分別如圖12和圖13所示,其變化規(guī)律與放電次數(shù)類似。總放電幅值隨溫度升高而增大,且頻率越大溫度影響越顯著:總放電幅值隨頻率增大而增大;在低溫下,總放電幅值-頻率曲線較為平緩,在100℃時(shí)急劇上升。而對(duì)于平均放電幅值,高溫、高頻條件下放電“分層”現(xiàn)象削弱,導(dǎo)致大量較低幅值的放電點(diǎn)彌散在較寬的相位區(qū)間中,使得平均幅值沒(méi)有呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律性,但總體而言,溫度上升時(shí)平均放電幅值呈增大趨勢(shì),如圖13所示。頻率對(duì)平均放電幅值的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[9]部分一致,其試樣處理溫度為80℃,觀測(cè)得到的20kHz平均放電幅值拐點(diǎn)與圖13中75℃時(shí)的拐點(diǎn)一致。然而由于文獻(xiàn)[9]并沒(méi)有使用其他溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)頻率也只包含10kHz、20kHz、30kHz,因此并未體現(xiàn)出圖13中其他曲線的變化規(guī)律。
圖12 不同溫度下頻率對(duì)總放電幅值的影響
圖13 不同溫度下頻率對(duì)平均放電幅值的影響
從放電的各個(gè)特征量來(lái)看,溫度升高與頻率增大均會(huì)導(dǎo)致高頻正弦電壓下的局部放電更為劇烈。高頻下溫度對(duì)局部放電特征量的影響較低頻情況更為明顯,而高溫下頻率對(duì)局部放電特征量的影響也顯著大于低溫情況,兩者呈現(xiàn)一種耦合促進(jìn)關(guān)系。但其中,平均放電幅值受放電形態(tài)改變的影響,隨著頻率升高并未呈現(xiàn)明顯變化,僅隨溫度升高有大致上升趨勢(shì)。
氣固絕緣中,由于介電常數(shù)的差異,氣隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚酰亞胺薄膜上的電場(chǎng)強(qiáng)度;又因?yàn)榭諝獾膿舸﹫?chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)大于聚酰亞胺薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng),局部放電主要發(fā)生在球形電極與聚酰亞胺薄膜接觸表面的氣隙。為便于分析頻率、溫度及二者的耦合協(xié)同作用對(duì)高頻電應(yīng)力下聚酰亞胺局部放電的影響機(jī)理,將球-板電極間的稍不均勻電場(chǎng)假設(shè)為均勻電場(chǎng),使用微等效電路模型并聯(lián)構(gòu)成整個(gè)放電氣隙,如圖14所示[12,19]。圖中,1、1分別為聚酰亞胺絕緣等效電容和電阻,2、2分別為氣隙等效電容和電阻,3為等離子體電阻,4為絕緣介質(zhì)表面電阻。
圖14 放電氣隙微等效電路模型
氣隙擊穿時(shí),大量電離產(chǎn)生的異極性電荷被球電極吸收,剩余的大量同極性電荷附著在聚酰亞胺薄膜表層,形成表面電荷。此時(shí)氣隙表面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)將嚴(yán)重影響電荷的積聚和耗散現(xiàn)象,其耗散規(guī)律[20]為
式中,(0)為放電發(fā)生后的表面電荷數(shù)量;為電荷消散的時(shí)間常數(shù),越小則電荷耗散速度越快,表示為
式中,0為真空介電常數(shù);為氣隙尺寸;s為聚酰亞胺薄膜的表面電導(dǎo)率。等待有效電子出現(xiàn)時(shí)間與有效電子激發(fā)概率有關(guān)[21],表示為
式中,0為光電離常數(shù);為脫陷功函數(shù);為玻耳茲曼常數(shù);為溫度;為基本電荷;i為瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)。
反映至微等效電路中,氣隙電容、電阻將并聯(lián)等離子體電阻3與絕緣介質(zhì)表面電阻4。此時(shí),氣隙電壓2可以表示為
式中,為球-板電極上的外加電壓;1為絕緣介質(zhì)上的電壓;為流過(guò)絕緣等效電阻1的電流。
3.3.1 放電“分簇”現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理分析
隨著氣隙電壓2不斷上升,當(dāng)氣隙電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí),氣隙發(fā)生擊穿。此時(shí),由于等離子體電阻3、絕緣介質(zhì)表面電阻4的存在,1中的殘留電荷持續(xù)衰減,但由于外施電壓的高頻特性,部分注入的空間電荷留駐在聚酰亞胺非晶區(qū)的深層陷阱中,電荷耗散速度小于電荷注入速度[21],使得介質(zhì)電壓1仍維持在較大值。當(dāng)外施電壓過(guò)零時(shí),殘留的介質(zhì)電壓1作用在氣隙上,一旦使得氣隙電場(chǎng)強(qiáng)度大于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng),就可以使得氣隙發(fā)生反向擊穿,因此在電源電壓極小時(shí)便產(chǎn)生放電簇。但由于實(shí)際氣隙為稍不均勻電場(chǎng),殘留的介質(zhì)電壓1往往只能使得部分電場(chǎng)強(qiáng)度較高的區(qū)域反向擊穿;對(duì)于較弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域,需要外施電壓過(guò)零后的進(jìn)一步增大使得電場(chǎng)強(qiáng)度大于介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)才能發(fā)生擊穿,因此產(chǎn)生有一定相位間隔的放電“分簇”現(xiàn)象,如圖8a所示。圖8a中,第一簇放電相位集中分布在電壓極性反轉(zhuǎn)后10°~30°之間,第二簇放電則集中分布于極性反轉(zhuǎn)后35°~45°之間,且幅值明顯小于第一簇放電。
3.3.2 放電“分簇”現(xiàn)象隨溫度、頻率變化機(jī)理分析
由于頻率增大對(duì)介質(zhì)表面電導(dǎo)率無(wú)影響,電荷消散時(shí)間常數(shù)也基本不變。而隨著外施電壓頻率升高,電壓下降速度與電荷耗散速度差距增大,導(dǎo)致電壓過(guò)零時(shí)殘留的表面電荷較低頻情況更多,介質(zhì)殘留電場(chǎng)強(qiáng)度更大。因此,頻率增大時(shí)表面電荷增多,由式(11)可知,有效電子出現(xiàn)概率增大,反向放電現(xiàn)象更容易發(fā)生。且由于電源電壓周期減小,該放電簇在相位譜圖中延展更大,放電相位更寬。同時(shí),由于殘留介質(zhì)電壓增大,更多的弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域無(wú)需等待外施電壓增大也會(huì)發(fā)生反向擊穿,使得低頻情況下出現(xiàn)的第二簇放電更早到來(lái)。因此,兩簇放電在高頻情況下往往重合,導(dǎo)致放電“分簇”現(xiàn)象消失,如圖8所示。
而隨著溫度升高,介質(zhì)表面電導(dǎo)率增大[12],反映至微等效電路中即絕緣介質(zhì)表面電阻4減小,使得氣隙放電電流增大,放電微粒在材料表面的轉(zhuǎn)移速度加快。這會(huì)導(dǎo)致切向的放電分量增大,放電向弱電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域發(fā)展,也會(huì)導(dǎo)致放電“分簇”現(xiàn)象消失,如圖9所示。
3.3.3 放電“分層”現(xiàn)象隨溫度、頻率變化機(jī)理分析
由于實(shí)際氣隙為稍不均勻電場(chǎng),強(qiáng)、弱電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域放電幅值具有較大差異,由此產(chǎn)生了放電“分層”現(xiàn)象。溫度升高時(shí),載流子具有更高能量,更容易克服電極金屬的逸出功,因此會(huì)發(fā)射更多的熱電子,氣隙的空間電荷注入量增多[22];同時(shí),由于溫升帶來(lái)的表面電導(dǎo)率增大,放電向切向發(fā)展,兩者共同加強(qiáng)了弱電場(chǎng)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度。這使得弱電場(chǎng)區(qū)域也出現(xiàn)一些大幅值的放電,因此“分層”現(xiàn)象減弱,如圖9所示。
瞬時(shí)增加的電場(chǎng)會(huì)誘發(fā)電子崩,頻率增大時(shí),單位時(shí)間內(nèi)電壓極性翻轉(zhuǎn)次數(shù)增加,電子崩產(chǎn)生放電的電離數(shù)也呈正比例上升,同樣也會(huì)帶來(lái)更大的累積破壞作用。因此,頻率提高與溫度增加同樣會(huì)增大氣隙的切向電場(chǎng),使得放電向弱電場(chǎng)區(qū)發(fā)展,同樣會(huì)使得“分層”現(xiàn)象減弱,如圖8所示。
3.3.4 局部放電起始電壓機(jī)理分析
同樣是由于稍不均勻電場(chǎng)的特點(diǎn),氣隙的初次放電一定發(fā)生于球電極與介質(zhì)接觸點(diǎn)附近的強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域。此時(shí)電場(chǎng)主要為法向分量,切向場(chǎng)強(qiáng)較小且對(duì)初次放電影響可以忽略。隨溫度升高,絕緣介質(zhì)的體電導(dǎo)率下降,且由式(11)可知,溫度增大時(shí)有效電子激發(fā)概率增大,因此溫度升高降低了局部放電起始電壓。而由于初次放電前并無(wú)空間電荷的留駐現(xiàn)象,初次擊穿電壓幾乎完全取決于外施電壓幅值,而與電荷耗散速度和外施電壓頻率無(wú)關(guān)[23],如表1中的結(jié)果所示。
3.3.5 局部放電特征量機(jī)理分析
溫度升高和頻率增大均會(huì)導(dǎo)致放電幅值、放電次數(shù)增加。首先,溫度升高時(shí)介質(zhì)體電導(dǎo)率增大,而體電導(dǎo)率與放電重復(fù)率成正比[20],最終使得絕緣的局部放電次數(shù)增加。另外,頻率的提高會(huì)提高單位時(shí)間內(nèi)空間電荷注入-抽出的次數(shù),幅值不變時(shí),頻率增大也將導(dǎo)致電壓上升率提高,并由于等效電容的存在而產(chǎn)生更大的位移電流。較大的位移電流使電極與絕緣介質(zhì)的局部溫升嚴(yán)重,進(jìn)一步提高單位時(shí)間局部放電量和放電次數(shù)。溫度、頻率提高均會(huì)導(dǎo)致熱電離更劇烈,生成的熱電子增多;材料受到熱電子反復(fù)沖擊,帶來(lái)的極化效應(yīng)、疲勞效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng),引起更大的介質(zhì)損耗,同時(shí)導(dǎo)致介質(zhì)溫度上升,進(jìn)一步增大了熱電離劇烈程度。因此,高頻下溫度對(duì)局部放電特征量的影響更大,而高溫下頻率對(duì)局部放電特征量的影響也更為顯著,兩者呈現(xiàn)出一種耦合促進(jìn)關(guān)系。
本文搭建了高頻正弦電壓下聚酰亞胺氣固絕緣實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)25~100℃四個(gè)溫度點(diǎn)與10~50kHz五個(gè)頻率點(diǎn)下的局部放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),獲取了溫度、頻率對(duì)聚酰亞胺局部放電的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:
1)通過(guò)EO算法實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同溫度、頻率下局部放電信號(hào)的VMD參數(shù)優(yōu)化,進(jìn)行了局部放電信號(hào)的自適應(yīng)去噪處理。
2)溫度、頻率與局部放電的特征量,如最大放電幅值、總放電幅值與放電次數(shù)均呈正相關(guān);同時(shí)隨溫度升高或頻率增大,放電的“分簇”與“分層”現(xiàn)象逐漸減弱。溫度越高,頻率對(duì)局部放電特征量的影響越大;頻率越高,溫度對(duì)局部放電特征量的影響也越大,兩者呈耦合促進(jìn)關(guān)系。
3)分析了溫-頻協(xié)同作用的影響機(jī)理。高頻高溫時(shí)氣固界面的切向電場(chǎng)增強(qiáng),放電向弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域發(fā)展,因此放電的“分簇”與“分層”現(xiàn)象逐漸減弱。頻率升高會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)空間電荷注入-抽出的次數(shù)上升,位移電流增大而局部溫升增大;溫度升高會(huì)導(dǎo)致載流子更容易克服逸出功,造成更多的熱電子發(fā)射。因此,在高頻正弦電壓下,溫度與頻率兩者對(duì)局部放電呈現(xiàn)一種耦合促進(jìn)關(guān)系。
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Study on Temperature-Frequency Partial Discharge Characteristics of Polyimide under High Frequency Electrical Stress Based on Improved Variational Modal Decomposition Denoising
Xu Huangkuan Zhang Li Bilal Iqbal Ayubi Zou Liang Wang Guan
(School of Electrical Engineering Shandong University Jinan 250061 China)
Partial discharge (PD) is a significant reason for the deterioration of polyimide (PI) insulation in high-frequency power transformers (HFPT). In order to study the partial discharge mechanism of polyimide under high-frequency voltage and explore the influence of temperature and frequency on the partial discharge characteristics, a high frequency partial discharge test platform was established. Spherical plate electrode was selected to simulate the actual electric field distribution of polyimide in HFPT, and ETS-93686 high-frequency pulse current sensor was used to collect PD signal. Teck MDO3024 oscilloscope was used to simultaneously collect high-frequency sinusoidal signal and partial discharge signal.
Four temperatures (25℃, 50℃, 75℃, 100℃) and five frequencies (10kHz, 20kHz, 30kHz, 40kHz, 50kHz) were selected for the experiment. The partial discharge inception voltage (PDIV) was recorded at a boosting speed of 200V/s. The test selected 1.5~2 times of PDIV as the partial discharge test voltage, which means keeping each experiment at a constant voltage of 2.5kV.
There are a lot of noise signals in the data measured by the pulse current sensor. Because it is difficult to adaptively select decomposition parameters of variational mode decomposition (VMD), equilibrium optimizer (EO) algorithm was used to obtain the optimal number of modal decompositionand the penalty factor. First, initialized the parameters of the EO algorithm and generatedinitial particles randomly. Limitedto an integer ranging from 1 to 10, and constrained the penalty factorranging from 100 to 7 000. Second, decomposed the initial particles by VMD, and obtained the minimum envelope entropy as the fitness value. Evaluated the fitness value, then selected the best four terms and the arithmetic mean value of these four terms as candidate solutions to build a balance pool. Updated the concentration to determine whether the maximum number of iterations has been reached. Finally, the optimal parameterandof VMD decomposition was obtained. The result of experimental data denoising shows that the EO-VMD algorithm proposed in this paper can remove the experimental noise very well.
The experimental results show that temperature and frequency have positive correlation with the characteristic quantity of partial discharge, such as the maximum discharge amplitude, the total discharge amplitude and the discharge times. At the same time, with the increase of temperature or frequency, the phenomenon of "clustering" and "delamination" of discharge decreases gradually. The influence of frequency on the characteristic quantity of PD is greater at high temperature, while the influence of temperature is greater at high frequency. These two variables have a coupling promoting relationship. In this paper, the mechanism of temperature-frequency synergy is analyzed. At high frequency and high temperature, the tangential electric field at the gas-solid interface increases, and the discharge develops to the weak electric field region. Therefore, the phenomenon of "clustering" and "delamination" of the discharge gradually weakens. High frequency will lead to the increasing times of space charge injection and extraction per unit time, which means the increase of displacement current and local temperature. High temperature will make it easier for carriers to overcome the work function and cause more hot electron emission. Therefore, under high-frequency sinusoidal voltage, temperature and frequency have a coupling promoting relationship to partial discharge.
Partial discharge, equilibrium optimizer, variational mode decomposition, temperature, frequency, polyimide
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221258
TM855
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52077127, 51929701)。
2022-06-29
2022-07-29
徐黃寬 男,1997年生,碩士研究生,研究方向?yàn)楦哳l高壓絕緣放電。E-mail:sduxhk@163.com
張 黎 男,1979年生,副教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)、電力系統(tǒng)電磁兼容。E-mail:zhleee@sdu.edu.cn(通信作者)
(編輯 李冰)