操作沖擊電壓及其疊加工頻電應(yīng)力下油紙絕緣尖端放電及燃弧特性研究

吳經(jīng)鋒， 王文森， 丁 彬， 張 璐， 韓彥華， 李 祎， 李斯盟

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119）

0 引 言

隨著我國特高壓工程的不斷發(fā)展，對變壓器與并聯(lián)電抗器等關(guān)鍵設(shè)備的絕緣性能提出更高要求[1-5]，特別是在投切暫態(tài)過程中，由操作沖擊電壓及其疊加工頻的電應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣事故頻發(fā)，其中最為典型的案例是百萬伏并聯(lián)電抗器投運時乙炔超標，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)放電現(xiàn)象，油紙絕緣性能受到影響，為設(shè)備的穩(wěn)態(tài)運行留下安全隱患[6-9]。因此，研究操作沖擊電壓及其疊加工頻電應(yīng)力下油紙絕緣的放電特性具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對油紙絕緣在雷電沖擊電壓下的擊穿特性做了大量研究，包括標準雷電沖擊電壓與振蕩型雷電沖擊電壓下的擊穿特性對比[10]、電極類型對擊穿特性的影響[11]、振蕩頻率對擊穿特性的影響[12]等，獲得了不同雷電沖擊電壓形式下的油紙絕緣伏秒特性與擊穿概率分布，初步揭示了雷電沖擊電壓下的絕緣擊穿機理。相比于雷電沖擊電壓，操作沖擊電壓作用下的油紙絕緣放電特性研究鮮有報道[13]，而短時間作用的雷電沖擊電壓下的研究成果難以適用，特別是操作沖擊電壓所引發(fā)的連續(xù)局部放電（簡稱局放）與擊穿重燃弧等特殊放電現(xiàn)象值得深入研究。此外，雖然國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展復(fù)雜穩(wěn)態(tài)電應(yīng)力（交直流復(fù)合電應(yīng)力[14-15]、高頻交流電應(yīng)力[16]、高頻方波電應(yīng)力[17]等）環(huán)境下油紙絕緣放電特性與機理的研究，但操作沖擊電壓疊加工頻電應(yīng)力下的油紙絕緣放電特性研究仍是空白[18]。

本文搭建沖擊疊加工頻電應(yīng)力下油紙絕緣放電特性實驗平臺，研究操作沖擊電壓及其疊加工頻電應(yīng)力下5種油紙絕緣系統(tǒng)常見尖端缺陷的放電特性與燃弧規(guī)律，對擊穿過程進行階段劃分并分析各階段的放電特征，在考慮工頻疊加電應(yīng)力環(huán)境下探究沖擊電壓發(fā)生相位對放電特性的影響，以期為油浸式電力設(shè)備在操作暫態(tài)環(huán)境下的絕緣設(shè)計與狀態(tài)評估提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗回路

操作沖擊電壓下油紙絕緣放電實驗平臺與沖擊疊加工頻電應(yīng)力下油紙絕緣放電實驗平臺分別如圖1與圖2所示，主要包含100 kV沖擊電壓發(fā)生回路、球隙觸發(fā)控制回路、100 kV/10 kVA工頻交流實驗系統(tǒng)、測量裝置以及保護元件。

圖1 沖擊電壓實驗平臺Fig.1 Impulse voltage experiment platform

圖2 疊加電壓實驗平臺Fig.2 Superimposed voltage experimental platform

利用倍壓電路為主電容C1（9.69 μF）充電，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻，設(shè)置Rf=176 kΩ，Rt=400 kΩ，使沖擊電壓發(fā)生器輸出標準操作沖擊電壓波形（250/2 500 μs），g1為放電觸發(fā)球隙，g2為隔離球隙，避免工頻電應(yīng)力入侵沖擊回路，C2表示試品，R1（1 MΩ）與R2（5 kΩ）為限流保護電阻。兩個分壓器的比例均為1 000∶1，分壓器1用于檢測試品端所施加電壓的變化；分壓器2為球隙同步裝置提供工頻交流相位。為減少回路局放，實驗元器件均用屏蔽線連接，接點均用銅箔包裹，所有實驗均在高性能屏蔽室中開展，環(huán)境噪聲小于5 pC，局部放電實驗回路符合IEC 60270:2015規(guī)定[19]。

高壓球隙同步觸發(fā)裝置可實現(xiàn)交流電壓任意相位疊加操作沖擊電壓的功能，且相位誤差小于0.5%。局放信號采集裝置如圖3所示，由DPO4104 B型皮爾森線圈（模擬帶寬為1 GHz，采樣率為5 GS/s，靈敏度為1 mV）與數(shù)字示波器（工作頻帶為50 Hz～10 MHz，靈敏度為1 V/A）組成。

圖3 信號采集裝置Fig.3 Signal acquisition device

1.2 油紙試樣及缺陷模型

采用針板電極形式模擬極不均勻電場環(huán)境，共構(gòu)建5種尖端缺陷：純油隙缺陷、紙板絕緣缺陷、油紙復(fù)合絕緣缺陷、強垂直分量沿面缺陷與弱垂直分量沿面缺陷，缺陷模型的具體布置方式與尺寸如圖4所示。

圖4 缺陷模型布置方式與尺寸Fig.4 Defect model layout and size

板電極與條形電極材質(zhì)為黃銅，針電極材質(zhì)為鎢，其尖端曲率半徑約為100 μm。針電極接高壓，板電極與條形電極接地。實驗用油為25#克拉瑪依變壓器油，紙板為魏德曼生產(chǎn)的厚度分別為1 mm與0.5 mm的紙板且被裁剪成7 cm×7 cm的正方形，紙板在110℃、50 Pa的條件下烘干48 h，然后在80℃、50 Pa的條件下浸油24 h[20-23]。

1.3 實驗方法

在操作沖擊電壓下的放電實驗中，施加的電應(yīng)力幅值為各模型對應(yīng)的50%擊穿概率電壓，如表1所示。操作沖擊疊加工頻電壓下的放電實驗中，沖擊電壓分量幅值仍為各模型的50%擊穿概率電壓（U50），工頻分量幅值為各模型的局放起始電壓（UPDIV），如表1所示。疊加相位選取90°、180°、270°，分別研究工頻正峰值、過零點、負峰值處疊加操作沖擊電壓下的油紙絕緣尖端缺陷放電特性。

表1 5種缺陷模型的局放起始電壓與50%擊穿概率電壓Tab.1 Partial discharge inception voltage and 50%breakdown probability voltage of five defect models

實驗中，獲取放電作用下的操作沖擊電壓信號（后文統(tǒng)稱電壓信號）與放電引發(fā)的回路脈沖電流信號（后文統(tǒng)稱放電信號），5種缺陷的不同工況各采集50組放電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 擊穿燃弧特性分析

2.1 操作沖擊電壓下的擊穿燃弧特性

絕緣擊穿狀態(tài)下的操作沖擊電壓波形如圖5所示。其中，在操作沖擊電壓起始時刻測得的脈沖信號為實驗回路球隙放電引起的干擾信號。

由圖5(a)可知，操作沖擊電壓下純油隙缺陷的擊穿現(xiàn)象可描述如下：首次擊穿之前通常會發(fā)生至少一次局放，局放產(chǎn)生的流注并未發(fā)展成貫通的放電通道，但其形成的殘余電荷使擊穿更容易發(fā)生；擊穿一旦發(fā)生，沖擊電壓信號幾乎跌落為零，此時油隙中形成持續(xù)電?。ㄆ骄掷m(xù)時間為1.2 ms），此過程中由于電弧的不穩(wěn)定演變，仍會在外回路引起微弱的放電脈沖信號；當電弧兩端電壓不足以維持其發(fā)展時，電弧逐漸熄滅，操作沖擊電壓幅值逐漸回升，在經(jīng)歷一段熄弧時間后（平均熄弧時間為0.9 ms），發(fā)生二次擊穿，甚至出現(xiàn)更多的重復(fù)擊穿，但實驗發(fā)現(xiàn)純油隙缺陷的重復(fù)擊穿次數(shù)不超過4次。

圖5 5種模型擊穿狀態(tài)下的操作沖擊電壓波形Fig.5 Switching impulse voltage waveform under breakdown state of five models

由圖5(b)～(e)可知，含有絕緣紙板的尖端缺陷模型在操作沖擊電壓作用下的擊穿現(xiàn)象（首次擊穿及其之后的發(fā)展過程）可分解為3個階段：高頻重燃弧階段（A1）、穩(wěn)定燃弧階段（A2）、電壓恢復(fù)前的重燃弧階段（A3）。首次擊穿之后伴隨的高頻重燃弧表明擊穿通道初期極不穩(wěn)定，其原因是：①放電通道初始碳化程度不足（電阻較大），當外施功率不足時出現(xiàn)類火花放電，而無法形成穩(wěn)定電弧；②外電路電感作用引起的諧振使電弧電流出現(xiàn)過零點。當擊穿穩(wěn)定后進入A2階段，放電通道的電阻作用使缺陷仍承受極低的殘余電壓，隨著沖擊電壓的幅值不斷降低，當其不足以維持穩(wěn)定電弧時，又會轉(zhuǎn)為類火花放電，經(jīng)歷一定的重燃弧現(xiàn)象后電弧徹底熄滅，這一階段電弧重燃的主要原因是穩(wěn)定放電之后產(chǎn)生的殘余電荷的影響。

對于油紙復(fù)合絕緣缺陷，其擊穿模式可分為兩類：①連貫式擊穿（圖5(c)），即油隙擊穿與紙板擊穿連貫緊密，一氣呵成，首次擊穿時電壓直接跌落為零；②非連貫式擊穿（圖6），即油隙先擊穿，隨后紙板擊穿，在整體擊穿（電壓跌落為零）之前，電壓幅值存在提前降低的現(xiàn)象，說明此時油隙中已經(jīng)產(chǎn)生了較強烈的放電現(xiàn)象。其中，34組實驗結(jié)果為連貫式擊穿，占比為68%，因此可判定連貫式擊穿為主要擊穿模式。

圖6 油紙復(fù)合絕緣缺陷在特殊擊穿狀態(tài)下的操作沖擊電壓波形Fig. 6 Switching impulse voltage waveform under special breakdown condition of oil-pressboard composite insulation defect

為量化分析擊穿后的燃弧規(guī)律，提取如下燃弧特征：A1、A2與A3的持續(xù)時間占比（PA1、PA2、PA3），表示各階段在整個燃弧發(fā)展過程中的時長比例；A1、A3平均電壓恢復(fù)幅值占比（PA1rave、PA3rave），表示A1、A3中由多次不完全熄弧引起的電壓恢復(fù)的平均幅值占50%擊穿概率電壓幅值的比例；A2殘余電壓（PA2r），表示A2中持續(xù)燃弧過程缺陷端口的平均電壓幅值占50%擊穿概率電壓幅值的比例；A1、A3重燃弧頻率（FA1a、FA3a），表示A1、A3中單位時間內(nèi)出現(xiàn)重燃弧的平均次數(shù)（頻次/ms）。操作沖擊電壓下不同缺陷重燃弧區(qū)存在的特征量如圖7所示。

由圖7(a)時間類特征量可知：紙板缺陷擊穿過程中重燃弧現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)，而復(fù)合缺陷中穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)。再對比純油隙的擊穿現(xiàn)象不難發(fā)現(xiàn)，復(fù)合缺陷內(nèi)部擊穿通道（電?。O不穩(wěn)定，紙板缺陷更早進入A3階段，且PA3更大，約為復(fù)合絕緣缺陷的2倍，表明紙板內(nèi)放電通道占比越大，電弧越不易維持穩(wěn)定，這與紙內(nèi)放電通道的不均勻電阻分布和電荷分布有關(guān)。沿面缺陷閃絡(luò)過程中穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)，且無論在A1階段還是A3階段，弱垂直分量下的重燃弧現(xiàn)象時長占比更小，約為強垂直分量的7/10，閃絡(luò)現(xiàn)象與純油隙擊穿現(xiàn)象相似。相比于紙板內(nèi)部擊穿類缺陷，沿面缺陷閃絡(luò)過程具有更顯著的穩(wěn)定燃弧階段。

圖7 操作沖擊電壓下不同缺陷重燃弧區(qū)存在的特征量Fig.7 Characteristic quantities of different defect rekindle arc regions under switching impulse voltage

由圖7(b)幅值類特征量可知：除了弱垂直分量沿面缺陷外，其余缺陷的PA3rave均比PA1rave大，是PA1rave的1.2～1.8倍，但由圖5可知恢復(fù)電壓最大值往往出現(xiàn)在A1階段。PA1rave、PA2r、PA3rave在紙板缺陷、復(fù)合缺陷、強垂直分量沿面缺陷、弱垂直分量沿面缺陷中依次減小，由此可知，與油紙復(fù)合模型相比，紙板模型內(nèi)部劣化通道中需更高的電壓以激發(fā)二次擊穿，與弱垂直分量相比，強垂直分量下需要更高的電壓以激發(fā)沿面二次閃絡(luò)，這是由于模型內(nèi)部劣化通道二次擊穿與PA3rave相關(guān)，在電壓恢復(fù)速度一定時，恢復(fù)電壓幅值越高，說明絕緣恢復(fù)速度越快，二次擊穿所需電壓越高。對比不同模型的PA2r可知，與紙板模型相比，油紙復(fù)合模型內(nèi)放電通道電阻大于油中放電通道，與弱垂直分量相比，強垂直分量下的沿面放電通道電阻更大，這是由于回路中電阻是恒定的，燃弧通道內(nèi)電阻與分到的電壓呈正相關(guān)，因此PA2r越大，通道電阻越大。

由圖7(c)頻次類特征量可知：在A1與A3階段，復(fù)合絕緣缺陷中出現(xiàn)重燃弧的頻次更高，這中由于復(fù)合絕緣缺陷的恢復(fù)電壓幅值較低，每次不完全熄弧持續(xù)的時間較短，會出現(xiàn)更多次數(shù)的重燃現(xiàn)象。相比于弱垂直分量情況，強垂直分量沿面缺陷的重燃現(xiàn)象更加劇烈，其中恢復(fù)電壓幅值與重燃頻次約為弱垂直分量的2.00倍與1.25倍。此外，無論是恢復(fù)電壓幅值還是重燃頻次，均表明紙板內(nèi)部放電通道比沿面放電通道更易產(chǎn)生重燃弧現(xiàn)象。

對上述實驗現(xiàn)象的討論如下：

（1）內(nèi)部擊穿類模型間的對比

圖8為內(nèi)部擊穿類模型的放電示意圖。針尖電極置于變壓器油中，且變壓器油的電氣強度遠小于油浸紙板，因此放電總是始于油中流注。從圖8可以看出，對于油紙復(fù)合絕緣而言，油中流注貫通針電極與紙面間的整個油隙，并在油紙界面注入大量同極性電荷，同時在注入點附近畸變電場并誘發(fā)紙板內(nèi)部的電樹枝放電通道，最終導(dǎo)致?lián)舸?；對于純紙板絕緣而言，針電極附近的微油隙最先產(chǎn)生電暈并形成短流注轟擊紙面，從而引發(fā)紙板內(nèi)部放電，這也是擊穿點往往在針電極邊緣處的原因。

圖8 內(nèi)部擊穿類模型的放電示意圖Fig.8 Schematic diagram of discharge in internal breakdown type model

模型擊穿后便進入A1階段，此時紙板內(nèi)部放電通道由碳化通道部分（由電流燒蝕引起）與油腔/氣腔部分（由纖維素斷裂及紙板產(chǎn)氣引起）組成，放電通道整體電阻仍然較大但碳化部分電阻較低（即電阻分布不均勻），導(dǎo)致?lián)舸╇娏鞯颓姨蓟恢梅謮旱?，容易在此處產(chǎn)生斷弧。油紙復(fù)合絕緣中，強烈的油隙流注在油紙界面注入大量同極性電荷，加強紙板內(nèi)部電場[24]，使之即便出現(xiàn)斷弧，也會在較低的恢復(fù)電壓下快速重燃，因此油紙復(fù)合絕緣對應(yīng)的PA1rave較低，而FA1a較高；相比之下，紙板絕緣中的針電極邊緣短流注所注入的界面同極性電荷反而均勻了針尖附近的電場，使得電弧重燃需要更高的電壓，同時高電壓的建立需要更長的時間，因此紙板絕緣的PA1rave較高，而FA1a較低。紙板內(nèi)部通道完全碳化（形成低電阻通道）所需的時間（即A1階段的持續(xù)時間）與重復(fù)放電的頻次和放電電壓的乘積有關(guān)（近似總放電能量），對比上述兩類模型的U50×PA1rave×FA1a不難發(fā)現(xiàn)，紙板模型的這一數(shù)值略高于油紙復(fù)合模型，因此紙板模型的PA1略小于復(fù)合絕緣模型。此外，PA1與紙板厚度無關(guān)是因為擊穿之后的放電通道已經(jīng)貫穿絕緣，其隨后的進一步劣化并未有從上到下的發(fā)展趨勢，而是整個通道同時劣化。

放電通道完全碳化后便可形成穩(wěn)定的電弧，進入A2階段。PA2r本質(zhì)上反映了模型燃弧電阻與回路電阻的比值，而紙板厚度在一定程度上決定了紙內(nèi)放電通道長度，即影響了放電主通道總電阻，因此紙板模型的PA2r幾乎是復(fù)合絕緣模型的2倍。此外，在A2階段的穩(wěn)定燃弧過程中，油中電弧電離產(chǎn)生的大量電荷有助于進一步維持電弧發(fā)展，因此油紙復(fù)合絕緣的PA2更大，甚至占據(jù)主導(dǎo)。

當外施電壓幅值下降到不足以維持穩(wěn)定放電時，將進入A3階段。由于復(fù)合絕緣模型更晚進入A3階段，導(dǎo)致其PA3rave與PA3較紙板模型更低，但同樣由于界面電荷作用，使其FA3a更高。

（2）沿面閃絡(luò)類模型間的對比

圖9為沿面閃絡(luò)類模型的放電示意圖。沿面缺陷模型中，時間類特征、幅值類特征、頻次類特征均表明電場強垂直分量條件下具有更明顯的重燃弧現(xiàn)象，而弱垂直分量條件下具有更明顯的穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象。

圖9 沿面閃絡(luò)類模型的放電示意圖Fig.9 Schematic diagram of discharge along the surface flashover type model

從圖9可以看出，具有強垂直分量的沿面模型中，當發(fā)生閃絡(luò)形成沿面電弧后，大量的空間電荷會在電場強垂直分量作用下積累于油紙界面，形成遷移率較慢的陷阱電荷（特別是在針尖附近），一方面均勻了針尖處的電場，另一方面抑制了后續(xù)沿面流注的發(fā)展[25]，不僅使沿面電弧容易熄滅，也使重燃弧所需的電壓更高（即PA1rave更高）。而在弱垂直分量的沿面模型中，沿面電弧產(chǎn)生的自由電荷難以被紙板陷阱捕獲，因此，自由電荷一方面更容易轟擊紙板形成二次電子（未受到陷阱電荷的阻礙作用），另一方面有助于電弧續(xù)流，導(dǎo)致其電弧不易熄滅，所以PA1與FA1a均較小。

強垂直分量作用下的沿面流注在A1階段雖然難以持續(xù)，但界面陷阱電荷的注入與抽離仍然會對界面絕緣造成損傷，使其進入A2階段。然而，同樣是因為界面陷阱電荷的阻礙作用，使其A2階段的持續(xù)時間較短（即PA2較小），更為迅速地進入A3階段，同時也增大了油紙界面等效電阻，使其PA2r更大。

弱垂直分量作用下的沿面電弧更容易續(xù)流，因此會更晚地進入A3階段，導(dǎo)致其PA3rave與PA3更小，同時由于不易斷弧而使其FA3a更小。

（3）沿面閃絡(luò)類模型與內(nèi)部擊穿類模型對比

相比于內(nèi)部擊穿類模型，沿面閃絡(luò)類模型的重燃弧現(xiàn)象更不明顯（電弧更加穩(wěn)定），體現(xiàn)在PA1、PA3、PA1rave、PA3rave、FA1a、FA3a更低，而PA2更高。分析其可能的原因如下：①紙板內(nèi)部擊穿產(chǎn)生的氣泡容易切斷放電通路；②紙板內(nèi)部電樹通道比沿面流注通道更難維持，當電弧斷開電壓恢復(fù)時，電樹通道中難以及時電離產(chǎn)生新的電荷，且陷阱電荷（電子與空穴）通過能級躍遷的方式形成的續(xù)流難以維持，而在沿面放電過程中，電壓恢復(fù)后可在油中電離產(chǎn)生大量電荷以維持等離子體放電通道，因此沿面模型的燃弧更加穩(wěn)定。

2.2 疊加相位對擊穿燃弧特性的影響

在操作沖擊疊加工頻電應(yīng)力實驗中，紙板絕緣缺陷與油紙復(fù)合絕緣缺陷均未發(fā)生擊穿，因此僅分析其余3種缺陷模型的擊穿現(xiàn)象與燃弧規(guī)律，其余3種模型的擊穿電壓波形如圖10所示。其中，操作沖擊電壓起始時刻測得的脈沖信號仍為球隙放電干擾信號。

由圖10可知，純油隙缺陷模型的擊穿燃弧過程依舊無法劃分階段，且與單純操作沖擊電壓作用下類似：①在穩(wěn)定燃弧過程中外電路上檢測到較大的脈沖信號，推測是由電弧電流不穩(wěn)定引起的；②在燃弧過程中有可能出現(xiàn)少次數(shù)的電弧不完全熄滅且重燃現(xiàn)象，疊加電應(yīng)力下的重燃現(xiàn)象不超過2次，且容易出現(xiàn)在90°疊加情況下，其原因是在180°與270°疊加后的電應(yīng)力幅值較低，油隙電弧一旦開始熄滅便不易再次重燃。沿面缺陷模型在閃絡(luò)后出現(xiàn)的燃弧過程同樣分為高頻重燃弧階段、穩(wěn)定燃弧階段、電壓恢復(fù)前的重燃階段。

圖10 疊加工頻電應(yīng)力下3種模型的擊穿電壓波形Fig.10 Breakdown voltage waveforms of three models under superimposed power frequency electrical stress

此外，疊加沖擊電壓所引起的放電完全恢復(fù)后工頻電應(yīng)力仍然受到較強的畸變作用，但工頻電壓的畸變并未引起新的擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。疊加工頻電應(yīng)力下不同缺陷重燃弧區(qū)存在的特征量如表2所示。由表2可知，疊加電應(yīng)力作用下沿面缺陷閃絡(luò)過程的特征量規(guī)律與單純操作沖擊電壓下的一致，這里不再贅述，只分析疊加相位對特征量的影響規(guī)律。

表2 疊加工頻電應(yīng)力下不同缺陷重燃弧區(qū)存在的特征量Tab.2 Characteristic quantities of different defect rekindle arc regions under superimposed power frequency electrical stress

A1階段：隨疊加相位的增大，無論是強垂直分量情況還是弱垂直分量情況，PA1rave與FA1a均減小10%～25%，但兩類模型的PA1卻分別減小和增大。對于強垂直分量情況，隨疊加相位的增大，閃絡(luò)時刻由工頻作用積累的瞬態(tài)界面電荷逐漸減少（在270°甚至積累了與過電壓極性相反的界面電荷），因此隨相位的增大，界面電荷對電弧的阻礙作用減弱，電弧不易熄滅（FA1a較?。┗蛟谳^低的電壓下恢復(fù)（PA1rave較?。腋菀走M入穩(wěn)定階段（PA1較?。４送?，隨疊加相位的增大，閃絡(luò)時刻的疊加電壓逐漸降低，閃絡(luò)形成的沿面流注頭部在較弱的背景電場下不易擴散而較為集中，因此電弧更容易產(chǎn)生或維持（相比高背景電場下的流注頭部更為擴散，增加了其等效曲率半徑，反而不利于流注的發(fā)展），這也是弱垂直分量條件下PA1rave與FA1a均減小的可能原因，但其PA1增大的原因及機理有待進一步研究。

A2階段：隨疊加相位的增大，無論是強垂直分量情況還是弱垂直分量情況，PA2均增大10%左右，但PA2r幾乎不變。其可能的原因是高幅值電壓下穩(wěn)定電弧的電荷（流注）擴散范圍更大（電場更加均勻），其放電通道中的強場電離反而需要更高的電壓維持，A2階段外回路幾乎占據(jù)所有分壓，使電弧端口電壓極低，故而導(dǎo)致高幅值電壓下（疊加相位靠前）更容易熄弧進入A3階段。當然，高幅值電壓下的電弧熱效應(yīng)（熱電離）更強烈，有利于維持電弧，但考慮到暫態(tài)擊穿過程的持續(xù)時間，認為電弧熱效應(yīng)的差異并未充分體現(xiàn)。

A3階段：隨疊加相位的增加，無論是強垂直分量情況還是弱垂直分量情況，PA3、PA3rave與FA3a均減小5%～25%。低幅值下的沿面流注電荷密度較低，當電壓降低后，流注容易消散，因此電弧容易熄滅，且熄滅后因外施電壓較低而不易重燃（即使可以重燃，也需要經(jīng)歷較長的流注發(fā)展時間），故而使PA3、PA3rave與FA3a均減小。

3 放電特性分析

3.1 操作沖擊電壓下放電特性分析

未發(fā)生擊穿或閃絡(luò)時，缺陷模型承受的操作沖擊電壓波形與放電脈沖信號如圖11所示，其中操作沖擊電壓起始時刻的脈沖仍為干擾信號。由圖11可知，操作沖擊電壓下的局部放電可能出現(xiàn)在波頭，也可能出現(xiàn)在波尾；可能僅發(fā)生一次放電，也可能出現(xiàn)放電序列。當放電幅值較大時，甚至?xí)诓僮麟妷盒盘柹席B加高頻脈沖，其位置與放電脈沖信號位置一致。

對于油紙復(fù)合絕緣缺陷，其局部放電模式可分為兩類：①油隙放電類（圖11(c)），即油隙并未完全擊穿，僅發(fā)生電暈或流注放電；②油隙擊穿類（圖12），即油隙完全擊穿但紙板并未擊穿，此時不僅能測得高頻的放電脈沖信號，也能觀測到操作沖擊電壓在放電時刻出現(xiàn)的微小電壓降落。

圖11 操作沖擊電壓下不同缺陷模型的局放波形Fig.11 PD waveforms of different defect models under switching impulse voltage

圖12 油紙復(fù)合絕緣缺陷模型的特殊局放波形Fig.12 Special PD waveform of oil-pressboard composite insulation defect model

為探尋操作沖擊電壓下不同缺陷模型的局放特性，提取如下特征量：平均放電幅值（Udave），表示單次沖擊作用下所產(chǎn)生全部放電的平均幅值；平均放電間隔（Tdave），表示單次沖擊作用下產(chǎn)生兩次放電的平均時間間隔；平均放電頻次（Fdave），表示單次沖擊作用下共產(chǎn)生放電的頻次；單次沖擊作用下波頭局放占比（Phd），表示單次沖擊作用下局放發(fā)生在波頭處的頻次占全部放電頻次的比例；單次沖擊作用下波尾局放占比（Ptd），表示單次沖擊作用下局放發(fā)生在波尾處的頻次占全部放電頻次的比例。不同缺陷的平均放電幅值與平均放電間隔如圖13所示，波頭波尾放電概率及放電頻次如表3所示。

圖13 不同缺陷的時間與幅值特征量Fig.13 Time and amplitude characteristic quantities of different defect

表3 不同缺陷的放電概率及頻次Tab.3 Discharge probability and frequency of different defect

由圖13與表3可知，不同模型的放電特性存在較大差異：純油隙模型的Udave與紙板絕緣模型幾乎相等，且Phd最大，但Tdave與Fdave分別約為紙板絕緣模型的2倍與11/20；紙板絕緣模型相比于油紙復(fù)合絕緣模型，前者的Udave與Tdave分別約為后者的2.15倍與2/5，且后者在波頭放電的概率較前者增大了9.5%，F(xiàn)dave約為前者的72%；在沿面模型中，強垂直分量下的Udave與Phd分別為弱垂直分量下的4.00倍與3.28倍，但弱垂直分量下的Tdave與Fdave分別約為強垂直分量下的4倍與2倍；將所有模型對比后發(fā)現(xiàn)，純油隙、紙板、油紙復(fù)合絕緣模型較沿面模型的Udave更大，且Fdave介于強垂直分量與弱垂直分量之間。

對各類模型在操作沖擊電壓下的局部放電特性規(guī)律及其機理進行簡單討論如下：

（1）內(nèi)部擊穿類模型的放電特性

純油隙模型、紙板模型、油紙復(fù)合模型在操作沖擊電壓下均呈現(xiàn)高幅值短間隔的放電模式。相比之下，紙板模型的放電幅值最高、間隔最短、放電頻次最大。純油隙模型與油紙復(fù)合模型中均以針尖處電暈放電或短流注放電為主（忽略圖12所示的特殊情況），而紙板模型中以針尖附近微油隙擊穿放電為主，擊穿后對油紙界面進行充電并注入大量電荷，因此放電量幅值更高，然而，由于微油隙流注放電及其轉(zhuǎn)變?yōu)榈念愌孛娣烹娋哂蟹较螂S機性（由電極表面粗糙狀態(tài)、紙面陷阱分布、放電發(fā)展隨機性等因素引起），需要經(jīng)歷多次不同方向的放電才能建立起穩(wěn)定的界面屏蔽電荷并阻礙微油隙中放電的發(fā)展，因此紙板模型中會在短時間內(nèi)出現(xiàn)多次高幅值放電。此外，同樣是以電暈放電或短流注放電為主的純油隙模型與油紙復(fù)合模型，其放電量差異較大，這是由于在較快的前沿電壓作用下，油隙因其相對介電常數(shù)小而更容易分壓，導(dǎo)致油紙復(fù)合絕緣中油隙分壓較高（針尖電場更強），電離產(chǎn)生的空間電荷擴散范圍更廣，均勻了針尖電場，反而不利于放電的發(fā)展（即使放電演變過程中電離產(chǎn)生的電荷量較少，放電幅值較低）。

針尖電暈（或短流注）類放電更容易發(fā)生在波頭，說明其放電時延較短。假設(shè)模型產(chǎn)生有效電子的概率相同（放電統(tǒng)計時延近似相等），那么電暈（或短流注）放電比微油隙流注放電具有更短的放電形成時延，在一定程度上說明其放電范圍更小或發(fā)展速度更快。

（2）沿面閃絡(luò)類模型的放電特性

相比于強垂直分量情況，弱垂直分量沿面模型在操作沖擊電壓下的局部放電呈現(xiàn)低幅值、多次數(shù)、長間隔的模式。低幅值是因為其放電過程中并未對油紙界面進行充電，注入電荷較少；多次數(shù)是因為沒有界面電荷屏蔽作用，可在較低電壓下（波尾）再次發(fā)生放電，長間隔則是由于在低電壓幅值下發(fā)生放電，需要經(jīng)歷更長的電荷消散時間。

弱垂直分量沿面模型的放電容易發(fā)生在波尾，是因為波尾持續(xù)時間長，為長間隔放電提供了條件；強垂直分量沿面模型的放電容易發(fā)生在波頭，是因為波頭電壓變化速度快，容易使電極與界面屏蔽電荷層之間形成新的電位差。

3.2 疊加電應(yīng)力下的局放特性

在分析操作沖擊電壓疊加工頻電應(yīng)力的局放數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)其波形與操作沖擊電壓下的波形相似，僅在相位發(fā)生改變后，其特征量的變化才較為明顯，故此處重點研究相位變化對局放產(chǎn)生的影響，各缺陷模型的放電特征量如表4～5所示。

由表4～5可知，疊加相位對放電特征量的影響規(guī)律如下：所有缺陷情況下隨著相位的增加，Udave與Fdave減小了12%～54%，Tdave增大了6%～199%，且Ptd增大了11.7%～41.9%。隨疊加相位的增大（90°～270°），電應(yīng)力幅值降低，導(dǎo)致針尖處的電場強度降低，其引發(fā)的放電不僅電荷量較低且發(fā)展速度更慢，因此Udave與Fdave減小（局部放電程度降低），且波尾出現(xiàn)放電的趨勢越來越明顯。

表4 不同缺陷放電階段的時間與幅值特征量Tab.4 Time and amplitude characteristic quantities of defects during different discharge stages

表5 不同缺陷放電階段的放電概率及頻次Tab.5 Discharge probability and frequency of defects during different discharge stages

然而，與擊穿（閃絡(luò)）時的情況不同，工頻電壓下產(chǎn)生的瞬時界面電荷并未對局部放電產(chǎn)生促進作用，其原因如下：局部放電過程中外施電壓并未因短路而跌落，相比于外施電壓產(chǎn)生的背景電場，界面電荷引起的電場畸變可忽略，因此局部放電程度的強弱主要取決于外施電壓幅值；而在擊穿閃絡(luò)過程中，外施電壓降低至電弧殘余電壓，回路電流成為維持電弧的關(guān)鍵，而界面電荷（瞬時內(nèi)）對電弧續(xù)流的貢獻不可忽略。

4 結(jié) 論

本文探究了極不均勻電場中5種典型油紙絕緣缺陷模型在操作沖擊電應(yīng)力及其疊加工頻電應(yīng)力下的放電特性燃弧規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

（1）操作沖擊電壓下純油隙尖端缺陷擊穿后，其燃弧階段仍會激發(fā)高頻放電脈沖信號，并有一定概率出現(xiàn)不超過兩次的電弧重燃現(xiàn)象；含有紙板的缺陷模型擊穿后的燃弧過程可分為高頻重燃弧階段、穩(wěn)定燃弧階段、電壓恢復(fù)前的重燃階段。

（2）紙板缺陷的燃弧過程中反復(fù)重燃弧占據(jù)主導(dǎo)，其余模型則是穩(wěn)定燃弧占據(jù)主導(dǎo)；與電壓恢復(fù)前的重燃階段相比，高頻重燃弧階段的恢復(fù)電壓幅值較低但重燃頻次更高；沿面放電重燃弧現(xiàn)象較弱，燃弧殘余電壓較低。

（3）油隙缺陷、紙板絕緣缺陷、油紙復(fù)合缺陷容易產(chǎn)生高幅值短間隔的放電現(xiàn)象，其中含有油隙的缺陷形式易在波頭產(chǎn)生放電；沿面缺陷易產(chǎn)生低幅值長間隔的放電現(xiàn)象，強垂直分量作用下易在波頭產(chǎn)生放電，弱垂直分量作用下易在波尾產(chǎn)生放電。

（4）疊加相位的不同使電應(yīng)力幅值不同，較低的電應(yīng)力幅值使電壓恢復(fù)前的重燃階段的重燃弧現(xiàn)象減弱，也使未擊穿情況下的局部放電程度減弱。