直流电压下油纸绝缘结构气隙模型的局部放电特性

孙振权 赵学风 李继胜 顾朝敏 李彦明

（西安交通大学电气工程学院 西安 710049）

直流电压下油纸绝缘结构气隙模型的局部放电特性

孙振权 赵学风 李继胜 顾朝敏 李彦明

（西安交通大学电气工程学院 西安 710049）

在油纸类绝缘的高压电力设备中，绝缘介质中的气隙是产生局部放电的主要来源。一般来讲，气隙主要有油纸固体绝缘纸板中因制造工艺等产生的气隙，另外还有绝缘油液体中的气泡产生的气隙。为了研究直流电压下油纸类绝缘介质的局部放电特征，在实验室内构建了油纸绝缘结构中绝缘纸板气隙模型和油中气泡气隙模型，施加直流电压，分别采用罗氏线圈与采样电阻来测量局部放电信号。利用Origin数值分析软件对局部放电脉冲进行频谱特性分析及滤波处理等。研究结果给出了绝缘纸板气隙和油中气泡气隙模型在直流电压作用下局部放电的波形特征，为研究油纸绝缘类设备（如直流输电系统中的换流变压器）在直流电压下的局部放电的检测与识别奠定基础。

直流电压下局部放电 绝缘纸板气隙模型 油中气泡气隙模型 频谱

1 引言

随着输电技术的发展，直流输电得到了广泛应用[1]。换流变压器和普通电力变压器的内绝缘都采用变压器油和绝缘纸板的复合结构，但两者的绝缘纸板与变压器油的比例不同。在直流电压作用下，绝缘中的电场呈阻性分布，与材料的电导率成反比，而材料的电导率受温度、湿度、电场强度及电压加载时间的影响，一般绝缘纸板的电导率与变压器油的电导率之比约为 1∶10～1∶500，变压器油中的电场远小于绝缘纸板中的电场，电压绝大部分由绝缘纸板承担；当换流变压器承受稳态直流电压作用时，其稳态直流电场分布取决于复合绝缘结构中不同材料的电阻率值。稳态直流场集中分布于电阻率较高的绝缘纸和纸板中，对于电阻率最低的变压器油来说，此时其稳态直流电场场强很低；在极性反转时，绝缘中的电场基本按容性分布。因此，对油纸绝缘电气强度的校核，既要考虑交流电压的作用，又要考虑直流电压的作用和极性反转时的情况，应增加绝缘中绝缘纸板的比例[2]。换流变压器的阀侧绕组承受着叠加直流的工频电压，并且有文献[3]研究表明二者叠加后的响应在远低于交流单独作用下的局部放电起始电压时就有局部放电发生，因此，研究油纸绝缘的直流局部放电具有非常重要的意义。直流局部放电的研究方面，国外的学者开展得比较早，研究文献较多，主要集中在施加电压的幅值、时间及其脉动系数对放电重复率的影响的研究[4-5]，以及一定时间间隔内的放电脉冲序列分析[6-7]。国内学者则研究了直流放电下油纸绝缘老化问题[8-10]，高密度储能电容器的直流局部放电等[11]。本文搭建了直流电压下油纸绝缘类设备局部放电试验和测试系统，设计了两种油纸绝缘系统气隙的典型模型，测量分析了直流电压作用下局部放电脉冲波形。这为进一步研究直流下局部放电特性奠定了实验基础。

2 绝缘纸板气隙模型与油中气泡气隙模型的建立

2.1 绝缘纸板气隙模型

采用变压器生产厂家常用的绝缘纸板，该模型制备过程如下：

（1）按照图1所示的设计尺寸剪裁绝缘纸板三块，同时将中间层纸板的几何中心位置钻制圆孔。

（2）用专用砂纸将纸板及孔洞的边缘打磨，去除纸板及孔洞周边突出的毛刺等。

（3）将处理好的纸板放入烘箱，连续烘干72h，充分除去绝缘纸板中的水分。

（4）用绝缘纸板粘接专用胶粘剂，将绝缘纸板粘接在一起，注意粘接剂用量不要太多，以免影响孔洞效果。粘接好后用重物压一段时间，以确保粘接可靠。

（5）将粘接好的试品浸入磨砂广口玻璃容器盛装的变压器油中，浸泡48～72h后方可使用。注意试品模型在试验过程中尽量避免脱离容器直接暴露在空气中。

图1 绝缘纸板气隙模型Fig.1 The air-gap model in insulation pressboard

自行设计制造了油纸绝缘结构纸板气隙模型试验装置。该装置将壁厚8mm、内径φ150mm的有机玻璃管与厚15mm、边长为200mm的铝排用环氧树脂粘接在一起构成一个盛油的容器，平板电极采用黄铜材料制成，厚度为 10mm，直径为 50mm，下电极与铝排底座连接在一起，上电极与高压引线连接。试品置于上、下平行的两电极之间。变压器油的充油高度要确保在上电极以上一定距离，如图2所示。

图2 油纸绝缘结构绝缘纸板气隙模型试验装置Fig.2 Testing apparatus for PD of air-gap model in insulation pressboard

2.2 油中气泡气隙模型

绝缘油中气泡气隙模型及试验装置如图 3所示。用气泵通过绝缘管将空气送置容器底部中间位置，使得油中产生气泡，气泡向上运动通过两平板电极之间的电场。电极的直径为70mm，厚为10mm，黄铜材质。电极之间的距离可调，初步定为40mm。

图3 油中气泡气隙模型试验装置Fig.3 Testing apparatus for PD of gas bubble model in oil

3 绝缘纸板气隙模型直流电压下的局部放电的测量与分析

按照图4的试验回路接线，直流电源采用交流变压器串联高压硅堆来提供。为了便于对比分析干扰信号，分别采用罗氏线圈和采样电阻进行局部放电的测量。CH1，CH2分别为罗氏线圈和采样电阻信号通道。两个通道同时采到的信号即作为局部放电信号，否则，就认为是干扰信号。该模型通过多次试验发现，按照前述定义的放电起始电压方法获得其直流电压下的局部放电起始电压为−24.6kV。直流电压为−30kV测得的局部放电信号如图5所示。

图4 两种气隙模型局部放电测量系统Fig.4 PD measurement system for two gap models

从图5可以看出，直流电压下的油纸绝缘气隙模型的局部放电是沿时间轴的一系列脉冲，且其间隔是随机的。

图5 罗氏线圈与采样电阻分别测得的不同时刻局部放电脉冲Fig.5 PD pulses measured by sampling resistor and Rogowski coil in different time

图6 罗氏线圈与采样电阻测得的同一时刻的局部放电脉冲CH1—罗氏线圈 CH2—采样电阻Fig.6 PD pulses measured by sampling resistor and Rogowski coil in the same time

按照对比的方法，从图6可以看出，对应于同一时刻的两种测量方法都能测到的放电脉冲应该是局部放电信号，其他应该是干扰信号。本文采用这两种方法测量，就是为了更好地区分干扰，确认局部放电信号的真实性。根据图5和图6的示波器记录可知，直流电压下的局部放电是沿时间轴的脉冲序列，可以用基于时间序列的波形分析方法。

图7是利用罗氏线圈采样，通过示波器提取的单一局放脉冲的情况及相关的数值分析。

图7 罗氏线圈测得的局部放电脉冲及其数值分析Fig.7 PD pulse measured by Rogowski coil and numeric analysis

图8 采样电阻测得的局部放电信号脉冲及数值分析Fig.8 PD pulse measured by sampling resistor and numeric analysis

图8是利用采样电阻采样，通过示波器提取的单一局放脉冲的情况及相关的数值分析。从图7到图8的局部放电脉冲的分析来看，电阻与罗氏线圈测得的局部放电脉冲波形相似，由于灵敏度的差异，幅值不同；频谱分析图的频率成分是一致的，主要分布在10～20MHz。波形特征为单脉冲衰减振荡后振幅稍有加强再衰减振荡。可能是因为测量系统存在残余电感，造成放电脉冲的振荡。通过滤波处理发现后续振荡是等幅衰减的，显然是由测量系统存在电感造成的。

绝缘纸板气隙模型两端电压达到一定幅值，且放电初始电子积累到一定量时，则发生放电，新的一次放电周期开始。两次放电时间间隔等于恢复时间加上放电初始化电子的等待时间。因为放电初始化电子的产生是一个累积过程，放电的触发电压是变化的，从而导致了放电时间间隔和放电幅值的变化，绝缘纸板气隙模型结构本身的各种因素使得放电脉冲的单个波形具有各自的波形特征参数。一般情况下，该模型系统的放电时间常数相对较长。放电频率不会太高。

利用负极性直流电源，施加不同电压幅值，测量并记录绝缘纸板气隙模型局部放电脉冲的幅值如图9所示。

图9 局部放电脉冲幅值与施加电压之间的关系Fig.9 Relationships between amplitudes and applied voltages

图9表明，油纸绝缘气隙在直流电压下的局部放电脉冲幅值随着外施电压幅值升高而增加，即随外施电压的绝对值的增加而增加。

同样，施加不同的电压，测得油纸绝缘气隙局部放电的放电重复率与施加电压幅值之间的关系如图10所示。

图10的纵轴是放电重复率，横轴是施加电压与放电起始电压的比值。试验表明，放电重复率随施加电压的增加而快速增加。

图10 局部放电的放电重复率与施加电压之间的关系Fig.10 Relationships between repeat rates and applied voltages

4 油中气泡气隙模型直流电压下的局部放电的测量与分析

按照图4的试验回路接线，分别用罗氏线圈及电阻采样来测量该模型的局部放电。电极之间的距离保持不变，施加不同幅值的直流电压分别进行测量。

图11是在−38.5kV直流电压下的罗氏线圈测量的油中气隙模型的局部放电脉冲。根据幅频分析，其频率主要集中在30MHz和80MHz左右。滤波处理采用30～80MHz的带通滤波器，得到图11d波形。

图11 罗氏线圈测得的局部放电脉冲及其数值分析Fig.11 PD pulse measured by Rogowski coil and numeric analysis

图12是在−38.5kV直流电压下的采样电阻测量的油中气隙模型的局部放电脉冲。根据幅频分析，其频率主要集中在30～40MHz左右。滤波处理采用20～40MHz的带通滤波器，得到图12d波形。

图12 采样电阻测得的局部放电信号脉冲及数值分析Fig.12 PD pulse measured by sampling resistor and numeric analysis

图 11、图 12中局部放电脉冲共同覆盖的频率为30～40MHz，较绝缘纸板气隙模型的频率要高，油中气隙模型的气泡直径较小，放电时间常数很小，数量多，在电极间存留时间较短。加之气泡是以一定的速度运动的，从局部放电理论来分析，同样电压幅值作用下，局部放电脉冲幅值较小，频次却较多。可能存在多个气泡同时发生局部放电现象。

重复测量不同幅值电压下的局部放电脉冲发现，油中气隙模型局部放电脉冲幅值随着施加电压升高变化不大，随机性较强，如图13所示。

图13 局部放电脉冲幅值与外施电压之间关系Fig.13 Relationships between amplitudes and applied voltages

在不同外施电压下测量局部放电脉冲，得到油中气泡模型局部放电的放电重复率与施加电压幅值之间的关系曲线如图14所示。

图14 局部放电的放电重复率与外施电压之间的关系Fig.14 Relationships between repeat rates and applied voltages

油中气隙模型在直流电压下的局部放电的放电重复率随外施电压增加而增加，近似于线性变化。

5 结论

本文采用两种油纸绝缘系统中最常见的模型结构，油纸绝缘气隙及油中气隙，同时采用罗氏线圈和采样电阻来测量同一试品的局部放电的放电脉冲，基于上述试验讨论如下:

当试品施加直流电压时，在升压过程中，试品上的电压变化较快，此时，气隙与介质中的电压分配和交流电压下的类似，是按电容分配的。当外加电压升到一个稳定的直流电压时，气隙上的电压并没有达到稳定值，而是开始由按电容分配过渡到按电阻分配的过渡过程，最后才稳定在按电阻分配的分压状态。一般情况下，按电阻分配的电压高于按电容分配的电压，试品上的电压是上升的。直流电压下，放电可以自熄，且放电重复率较小；对油纸绝缘来讲，在直流电压下电场是按电阻率成正比分布的，油的电阻率比绝缘纸的电阻率低，油中分配的场强要比绝缘纸中低；另外，油在直流电压下的击穿场强比交流下高。另外，直流电压下，局部放电有可能自熄，放电重复率是评价局部放电的最重要参数。

本文采用两种传感器罗氏线圈和采样电阻对比测量以求测到真实的局部放电信号波形，获得如下结论:

（1）油纸绝缘气隙在直流电压下的局部放电脉冲波形是脉宽80ns左右的单向脉冲，且随施加电压的增加幅值会有所增加。

（2）油中气隙在直流电压下的局部放电脉冲的波形是脉宽为40ns左右的振荡脉冲，其脉冲幅值较小，与外施电压幅值之间是不相关的。

（3）油纸绝缘气隙和油中气隙在直流电压下的放电重复率均随外施电压升高而增加，增加的速率不一致。

本文的试验研究工作是以直流电压下气隙局部放电经典模型为试品，所得到的结论为直流输电设备油纸绝缘系统的绝缘寿命评估奠定了基础。

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Characteristic of Partial Discharge in Air Gap Model of Oil-Paper Insulation Under DC Voltage

Sun Zhenquan Zhao Xuefeng Li Jisheng Gu Chaomin Li Yanming
（Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

The air gap of the insulation system is the main source caused partial discharge (PD) in high voltage power equipment made of oil-paper insulation material. In general, there are two kinds of air gaps, which come out from solid insulation-paper board because of manufacture process and liquid insulation-bubbles in oil. To investigate the characteristic of PD in oil-paper insulation under direct current (DC) voltage, this paper presents the air gap model of paper board and bubbles model in oil with oil-paper insulation system respectively. The partial discharges of these models are measured by Rogowski coil and sampling resistor under direct current voltage in the laboratory. The partial discharge pulses are analyzed and processed by Origin software such as frequency spectrum and filtering. The characteristic of PD pulses of the air gap in oil-paper under DC voltage are described in the end. These results lay the foundation for the PD measurement and recognition in oil-paper insulation system (such as converter transformer) under DC voltage.

Partial discharge under DC voltage, air gap model of insulation paper board, bubbles model in insulation oil, frequency spectrum

TM835.4

孙振权 男，1966年生，博士研究生，高级工程师，从事高电压测量技术及电力设备绝缘状态检测技术的研究。

国家自然科学基金资助项目（50977075）。

2009-08-27 改稿日期 2009-11-25

赵学风 女，1978年生，博士研究生，研究方向为高压电力设备在线监测及GIS局部放电的测量与分析。