交直流复合场针板模型局部放电发展过程中相位分布的特点

王 琼，齐 波，陈 波

(1．内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020;2．新能源电力系统国家重点实验室，高电压与电磁兼容北京市重点实验室，华北电力大学，北京102206)

交直流复合场针板模型局部放电发展过程中相位分布的特点

王 琼1，齐 波2，陈 波1

(1．内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020;2．新能源电力系统国家重点实验室，高电压与电磁兼容北京市重点实验室，华北电力大学，北京102206)

换流变压器是直流输电系统中整流和逆变环节的核心设备，其运行状况直接影响着系统运行的安全可靠性。换流变阀侧绕组所处电场环境复杂、相应绝缘要求严苛，且其在工程应用中故障率较高;所以，通过对复合电场局部放电发展过程中绝缘介质劣化严重程度的研究，可为换流变压器的故障诊断提供依据。本文以放电发展过程中放电谱图在各个统计时间段内所呈现出的相位特征作为绝缘介质劣化程度的外在表征，从能量转化的角度建立数学模型，定性解释放电谱图中所呈现的相位分布特点及其与绝缘介质劣化程度之间的关系。本文认为，相位分布可以作为研究交直流复合电场中局放发展过程中绝缘劣化程度的特征量之一，放电相位的分布与绝缘介质劣化程度之间存在对应关系;试品在局放发展过程中，因其在不同劣化程度下的等效阻抗不同，所以在外施交、直流电压共同作用下呈现出了不同的阻抗特点，这是放电相位分布发生改变的原因。

复合电场;针板模型;局部放电;局放发展过程;相位分布;数学建模

1 引言

在直流输电系统中，换流变压器起着不可替代的重要作用，其运行工况直接影响着系统运行的安全可靠性。在换流变众多故障中，因介质绝缘劣化未及时发现所引发的故障屡见不鲜。相较于电力变压器绕组的工作电压环境，换流变压器的阀侧绕组还承受着直流电压、交直流混合电压和潮流翻转时的极性反转电压。作为换流变的主绝缘介质的变压器油和层压纸板，由于油和纸板介电常数之比(约为1∶2)和电阻率之比(约为1∶100)相差较大，所以在按介电常数分布的交流电场中和按电阻率分布的直流电场中，油纸复合绝缘介质的电场分布存在很大差异［1］。基于电场分布的差异，为兼顾二者，换流变的阀侧绕组相应的绝缘要求更为严峻［2-4］。

近年来，国内外对于油纸复合绝缘在直流电压作用下、交直流电压共同作用下的研究逐渐增多。但是，研究内容多集中于在特高频、宽带脉冲电流等测量手段下，不同放电模型间放电波形时频域的差异比较，或某一特定模型下交流或直流电压作用下的起始放电、击穿或闪络特性［5-14］。对于交直流复合电场中从局部放电发生、发展直至击穿或闪络整个发展过程特点的研究偏少［15］。通过对整个放电发展过程的研究，提取放电发展过程中有效的特征量以表征绝缘介质的劣化程度，可为实际工程应用中换流变的故障诊断提供可用的发展规律，以寻求绝缘劣化的初步判据。

绝缘介质劣化的过程是逐步发展的过程，此过程中介质绝缘强度逐渐削弱直至最终失效;所以，在绝缘逐渐失效的过程中，绝缘试品有效绝缘部分的等效阻抗也随劣化过程发生变化，这种变化致使局放发展过程中所提取特征量也伴随发生变化。在文献［15］的基础上，本文改变外施电压的施压方式，在恒压条件下研究交直流复合场下针板模型局部放电的整个发展过程，除进一步验证文献［15］中针板模型放电相位分布的特点外，新增了对击穿时刻放电相位特点的解释，以补充、完善原有模型。文中以各统计时间段内脉冲电流信号的平均放电量和放电次数作为绝缘介质劣化程度的外在表征，从外施电源提供能量角度建立数学模型定性解释放电次数、平均放电量的特点，与试品等效阻抗、外施电压种类之间的关系。

2 复合场下局部放电发展过程研究方法及其特点

2.1 实验平台与实验方法

实验回路及各设备参数如图1所示。实验采用针板模型，如图2所示，针电极加工频交流电压，板电极加负极性直流电压。纸板为100mm×100mm ×3mm层压纸板，纸板上、下表面分别与针、板电极紧密接触。实验利用局部放电检测仪获取常规脉冲电流信号，通过数据采集装置和软件程序实现数据实时存储。实验过程中外施交流电压(幅值)和负极性直流电压按1∶1加压，以起始放电时刻作为实验统计起始点，此后恒定电压直至试品击穿。

数据处理时，以60min作为统计时间单位，分别统计各时间段内放电平均幅值和放电次数相位柱状谱图;本次实验历时334min，共计六个统计时间段。

图1 实验回路等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of experiment circuit

图2 实验用针板模型Fig.2 Needle-plate model in experiment

2.2 发展过程中放电特征量的特点

根据数据处理后各统计时间段谱图所呈现的分布特征可以发现:前三统计时间段相应谱图的形貌特征相近，第四和第五统计时间段谱图亦有此特点;所以图3和图4只展示各统计时间段内典型的放电平均幅值相位柱状谱图(Vave－o)和放电次数相位柱状谱图(N－o)，即第1、5、6时间段的相应谱图。

2.2.1 发展过程中平均放电量的特点

通过Vave－o谱图可以清晰地看到各相位放电量的平均水平。如图3所示。

图3 统计时间段内典型Vave－o谱图Fig.3 Vave－ospectrum of typical stages

(1)前五时间段的Vave－o谱图中，正半周波内放电平均幅值均呈现增长趋势，而负半周波因放电次数较少而分布趋势不甚明显;最后一个统计时间段内，正、负半周波内各相位放电量相当，出现中间相位放电次数略高于两边。

(2)前五个统计时间段内，正半周波内的平均放电量高于负半周波;最后一个统计时间段内放电量相当。

(3)前五个放电时间段内放电量集中于500～2000pC，而最后一个统计时间段内放电量为300～500pC，放电量明显减小(试验标定为100pC对应1V)。

2.2.2 发展过程中放电次数的特点

图4为各统计时间段内典型N－o，图5为各统计时间段放电次数折线图。放电具有如下特点:

图4 统计时间段内典型N－o谱图Fig．4 N－ospectrum of typical stages

(1)放电相位主要集中于正半周波45°～90°和负半周波225°～270°。

(2)放电集中区域的中心相位带较两侧放电次数多(各统计时间段内正半周波放电集中区域存在某一较易放电的相位:后期试验证明为试验大厅弧光灯固定相位干扰)，放电相位区域的包络线近似于正弦波，此趋势伴随放电发展越来越明显;相比正半周波，在前三时间统计段内负半周波放电相位分散，而后逐渐集中，最终也显现出了正弦包络线的特点。

(3)图5所示的放电次数折线图中，放电次数在前五个时间段内增长平稳，最后一个统计时间段内放电次数出现激增。

图5 放电次数折线图Fig．5 Discharge frequency curve

3 模型建立与相位分布解释

3.1 试品等效阻抗估算

根据变压器油和纸板在室温下的电阻率和介电常数，由式(1)估算得试品等效阻抗ZX=RX//jXX为MΩ级，由图1所示的实验回路等效电路可知，外施交流电压U·ac和直流Udc相当于直接作用于试品。绝缘介质未被破坏时，纸板的等效电阻和电抗记为R0和X0。

其中，纸板室温下的电阻率和相对介电常数分别为ρpaper=1014Ω·m，εpaper=4．5，ε0=8．85×10－12F/m; Z0为未被破坏纸板等效阻抗;d为纸板厚度;S为纸板横截面积;f=50Hz。

试验时纸板浸于油中，假设纸板因放电出现缺陷，则缺陷将瞬间被变压器油填充，针、板电极之间的油纸绝缘介质的绝缘性能减弱［16］。

由图6可知［18］:其中，ZX为被破坏纸板的总体等效阻抗;Z'paper为纸板被破坏后被破坏部分纸板的等效阻抗;Z'oil为填充纸板缺陷处空隙变压器油的等效阻抗;Zpaper为纸板未被破坏部分的等效阻抗。

图6 缺陷试品等效阻抗Fig．6 Equivalent impedance of defected samples

特别地:

(1)当纸板破坏不严重时，Z'paper和 Z'oil相对Zpaper较小，即缺陷部分等值阻抗对于试品整体阻抗的影响较小，所以缺陷阻抗满足:

即，交流电压作用下试品等效阻抗可视为容性电抗。

(2)当纸板破坏严重时，试验用变压器油和纸板的介电常数及电阻率满足不等式 ρoil/ρpaper＜＜即同等规格(缺陷部分)的纸板换成变压器油，绝缘强度减弱，同时等效电阻减小更快。结合式(3)可知等效电阻RX的减小速度较快。所以，伴随着试品被破坏程度的增加，试品等效电阻和等效电抗的差值减小;绝缘介质劣化到一定程度后，试品等效阻抗ZX=RX//－jXX≠－jXX，即交流电压作用下试品等效阻抗不可再视为容性电抗。

3.2 建立放电模型

根据估算，可得任意时刻T时交、直流电源提供的功率P(T)和任意时间段(T－ΔT，T)内交、直流电源提供的电能W(T)为:

当T时刻放电满足W(T)≥Wmin(Ecr，ΔT)时，θ=ωT－2kπ(k=0，1，2．．．，θ∈(0°，360°))处发生放电。其中，T－ΔT为上一次放电对应的放电时间;和φ分别为绝缘介质等效阻抗ZX的模和阻抗角;Um为外施交流电压幅值，也是外施直流电压值;Wmin(Ecr，ΔT)为当前绝缘强度下形成满足放电条件的过程中所积聚的最小电能，其中Wmin(Ecr，ΔT)是一个与试验模型结构、该模型预放电场强大小和形成该放电环境的时间等息息相关的量值。

下面分情况讨论:

(1)当纸板破坏不严重时，由式(4)～式(6)可得:

代入R0=3×1013Ω，X0=2．4×107Ω得:

其中，W0(T)为纸板破坏程度较小时，外施电源在(T－ΔT，T)时间内提供的电能之和。

式(8)中当试品破坏不严重时，试品的等效电阻值远大于等效电抗值，直流电源提供的能量对总能量的贡献很小。所以，结合上述积分函数的特点:相位分布主要表现为交流电源的周期性正弦特点——前五个时期的N－o谱图放电集中于正、负半周波45°～90°和225°～270°;Vave－o谱图中正半周波45°～90°区间内的平均放电量呈增长趋势。

(2)结合图3～图5，最后一个时间段内放电次数的骤增表明试品绝缘劣化程度加剧，相应绝缘强度减弱，所以更容易发生放电，放电所需的最小能量Wmin减小，相应出现了放电次数增多、放电相位带扩宽、放电量急剧减小的现象。绝缘劣化程度加深，试品等效阻抗在交流电压作用下，ZX不可再视为容性阻抗，而是由之前的容性电抗逐渐向容性阻抗过渡;同时，试品等效电阻和电抗值减小，但由于电阻和电抗减小速度不同，所以相角φ随之发生变化，以至最后一个时间段内，Vave－o不再呈现前五个阶段的增长特点。

同时，由于等效电阻的减小速度快于等效电抗的减小速度，所以由式(6)中直流电压提供给试品的电能在交直流电源的总电能中的比重较之前五个时间段增加，即U2m/RX的增大速度快于如下:

式中箭头个数表示变化程度;由于直流电压无相位之分，所以在一个周期内各个相位受到直流电源能量贡献的机会均等。

综合上述因素，可知最后一个时间段内:

(1)正是由于试品劣化程度加剧相应绝缘强度大大减弱，放电所需的最小能量 Wmin减小，积累Wmin所需的时间缩短，所以最后一个统计时间段内放电量明显减小，放电次数明显增加，放电相位拓宽。

(2)试品等效电阻的减小，使得直流电压为放电发生提供的能量比重加大，而直流电压在全相位带内为各相位提供的放电机会均等，所以，最后一个统计时间段内各个放电相位之间平均放电量的大小差异与前五个时间段交流电压所致的增长特点明显不同。

4 结论

结合试验现象和定性数学建模解释，得出如下结论:

(1)放电发展过程中谱图相位分布特点可以作为判定放电严重程度的参考特征量之一:复合场针板模型局放发展过程中，前五时间段和最后一时间段谱图所呈现出的明显变化——油纸绝缘介质破坏严重时，放电相位带拓宽、放电次数骤增、各相位平均放电量减小。

(2)整个局放发展过程中，油纸绝缘介质试品等效阻抗的变化致使复合电场中交、直流电压在放电过程中所占的作用比重不同，这直接影响着放电相位分布的形貌特征。

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Phase distribution in evolution of partial discharge in needle-plate model under combined AC-DC electric field

WANG Qiong1，QI Bo2，CHEN Bo1

(1．Inner Monogolia Electric Power Science＆Research Institute，Huhhot 010020，China;2．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Converter transformer is the key equipment of rectification and inversion in DC transmission system and its operational status directly affects the safety and reliability of the system．The valve side winding of converter transformer is working under complex voltages，so the failure rate caused by its insulation deterioration lies high．Therefore，investigating the evolution of partial discharge(PD)under combined AC-DC voltage has become a method of giving information about the insulation level of deterioration in converter transformer，which can be used as the basis for fault diagnosis of the converter transformer．In this paper，during the PD process，the characteristics of discharge spectrum in statistical time period are taken as the external presentation of insulation deterioration，and a mathematical model，which is capable of explaining the relationship between phase distribution characteristic and the insulation deterioration level，is built based on the energy conversion．The conclusions in the paper are:phase distribution can also be used as one characteristic quantity in the assessment of insulation deterioration level of PD，and a certain relationship exists between them;during the PD evolution，the test sample shows different impedance under combined AC and DC voltages，because at different insulation deterioration level，the equivalent impedance is not the same，and that is the reason for the charges of the discharge phase distribution．

combined AC-DC electric field;needle-plate model;partial discharge;PD evolution;phase distribution;mathematical model

TM854

A

1003-3076(2014)07-0043-06

2012-12-26

王 琼(1986-)，女(蒙古族)，内蒙古籍，工程师，硕士，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断;齐 波(1980-)，男，北京籍，讲师，博士，研究方向为高压电气设备在线监测与故障诊断。