频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

刘　涛　韩　帅　李庆民　鲁　旭　黄旭炜

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)　北京　102206 2.中国电力科学研究院　北京　100192　3.国网北京市电力公司石景山供电公司　北京　100043 4.北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学)　北京　102206)



频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

刘涛1韩帅2李庆民1鲁旭3黄旭炜4

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京102206 2.中国电力科学研究院北京1001923.国网北京市电力公司石景山供电公司北京100043 4.北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学)北京102206)

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程，搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10～40 kHz正弦电压下，测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命，然后采用恒压法开展沿面放电实验，记录了放电起始、发展至闪络的整个过程，获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图，并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论，对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明，电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短；高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型，在放电的不同阶段，放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律，可作为沿面放电发展程度的评估指标；绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响，是进一步揭示沿面闪络机理的关键。

高频电力变压器高频正弦电压频变电应力沿面放电放电形态

0　引言

高频电力变压器又称电力电子变压器，是一种新型智能输变电装备，可实现电能的灵活传输，提高系统运行稳定性与供电可靠性[1，2]。与传统工频变压器相比，高频电力变压器承受的电压波形具有上升时间短、频率高(10 kHz以上)的特点，为保证设备小型化和工作高效率，一般采用干式，即气-固绝缘结构[3，4]。

高频设备的绝缘损坏一直是国内外学者关注的问题[5-7]，由于沿面闪络场强远低于相同间隙的体击穿场强，更易造成绝缘损坏和过早失效，因此开展沿面放电的相关研究对高频绝缘结构设计具有重要指导意义。沿面放电发展过程受材料表面特性影响较大，与材料表面层以及电极和材料界面层的电子结构密切相关[8，9]。在工频电压下的沿面放电发展过程中，伴随着电晕导致的发光和二次电子崩以及纸板的脱水和碳化，会产生树枝状爬电痕迹，即沿面电树枝现象[10，11]。若所加电压幅值达不到一定程度，则不会出现沿面爬电现象，而是在高压电极处发生持续的电晕放电，最终导致绝缘的纵向热击穿[12]。文献[13]发现在高频连续方波电压下，随着表面放电的发展，平均放电量和放电次数均先降低后升高。文献[14，15]针对纳秒脉冲下的绝缘沿面闪络研究表明，重复脉冲下与单脉冲下的闪络场强有明显区别，另外温度、绝缘材料类型和表面粗糙度等因素也会对沿面闪络场强造成影响[16]。

以往对于沿面放电的研究多为工频/纳秒脉冲和真空/油纸绝缘等条件的相互组合，鲜有针对高频电力变压器气-固绝缘的沿面放电问题以及频率对沿面放电发展过程影响的研究，制约了高频电力变压器的大容量化发展。考虑到不同环境和电压波形下不同材料的沿面放电特性及发展机理不尽相同以及高频电力变压器运行工况的特殊性，本文以尖端沿面放电故障为例，设计了高频沿面放电实验和测量系统，对空气-聚酰亚胺界面在不同电压频率、不同沿面放电发展阶段下的放电特性及放电形态进行了研究，并基于二次电子发射雪崩模型和陷阱理论，揭示了沿面放电的发展演化过程。本文研究结果可为高频电力变压器的绝缘结构设计提供有效的指导，并为其绝缘状态的在线监测提供理论依据。

1　实验方法

1.1实验平台

高频沿面放电实验平台如图1所示。高频高压源可输出峰-峰值0～30 kV、频率10～50 kHz的正弦电压。目前用于模拟高频电力变压器匝间切向电应力的沿面放电模型主要有针-板[17，18]和针-棒[19，20]两种模型。针-板模型中存在较强的法向电场分量，其引起的绝缘内部局部放电信号会干扰沿面放电信号的测量，同时易导致法向击穿。而针-棒模型则可通过调整针电极倾斜角度及针-棒间距离来调整切向和法向电场分布。因此，本文采用针-棒电极结构。为保证绝缘表面有足够的沿面切向电场分量，调整针电极与试样角度为15°。同时，综合考虑沿面放电距离对沿面放电起始电压和放电发展速度的影响，针电极与棒电极间的距离取2 cm。

图1　沿面放电实验平台示意图Fig.1　Schematic diagram for surface discharge test

鉴于高频电压下局部放电信号具有频带宽、幅值低与重复率高的特点，选择ETS-93686型高频脉冲电流传感器采集放电信号，其测量带宽可达300 kHz～100 MHz。实验采用厚度为250 μm的聚酰亚胺(Polyimide，PI)薄膜，将其放置在5 cm厚的环氧树脂板上。为避免微水分和污秽对试样介电性能的影响，减少测量结果的离散性，实验前用无水酒精对试样进行清洗，并置于60 ℃干燥箱中热处理24 h。

1.2实验流程

首先分别在10 kHz、20 kHz、30 kHz和40 kHz四种不同电压频率下，采用200 V/s快速升压法升压至局部放电产生和沿面闪络形成，记录沿面放电起始电压及沿面闪络电压，每种电压频率下开展5次实验。随后综合比较不同频率下的沿面放电起始电压和闪络电压值，确定后续沿面放电恒压实验电压值(峰值11 kV，既能保证沿面放电持续发展，同时放电发展速度不会过快)。在此电压下持续加压直至试样表面发生闪络，记录不同电压频率下的试样寿命。恒压实验期间，通过放电数据采集系统实时记录放电脉冲的幅值、次数和相位等信息，并采用摄像机近距离拍摄沿面放电发展过程。

在沿面闪络瞬间，高压针电极处电压骤降至零，棒电极接地线中流过脉冲闪络电流，如图2所示。同时PI试样表面发生剧烈燃烧现象，如图3所示。

图2　沿面闪络瞬间电压与电流波形Fig.2　Instantaneous voltage and current waveforms of surface flashover

图3　沿面闪络瞬间燃烧现象Fig.3　Instantaneous combustion phenomenon of surface flashover

2　实验结果

2.1频率对起始放电电压、闪络电压和寿命的影响

不同频率下的沿面放电起始电压和闪络电压如图4所示。可知，放电起始电压基本不受电压频率的影响；而沿面闪络电压随着频率的升高明显降低，当电压频率由10 kHz升高至40 kHz时，沿面闪络电压由18.4 kV降至16.1 kV。

图4　沿面放电起始电压和闪络电压随频率变化情况Fig.4　Surface discharge inception and flashover voltage versus frequency

定义沿面放电起始时刻至沿面闪络瞬间的整个时间段为绝缘沿面寿命，不同频率下的沿面寿命见表1。当采用11 kV进行恒压实验时，10 kHz下试样在10 h内无法形成沿面闪络，只在针电极处产生强烈电晕，最终导致绝缘纵向热击穿，如图5所示。因而不对该频率下的沿面放电数据进行统计。频率介于20～40 kHz时，均能够形成沿面闪络，且沿面寿命与电压频率呈负相关关系。

表1　不同频率下的绝缘沿面寿命Tab.1　Insulation lifetime under different frequencies

图5　PI薄膜纵向热击穿现象Fig.5　Vertical thermal breakdown phenomenon of PI film

2.2各频率下不同阶段的沿面放电特征参量

为详细研究频率对不同阶段沿面放电特征参量的影响，分别取20 kHz、30 kHz和40 kHz三个频率下绝缘寿命的10 %作为时间节点，每两个节点间取100个典型周波的放电信号并统计平均放电幅值与单周期平均放电次数，得到的变化规律如图6和图7所示。

图6　平均放电幅值随时间变化规律Fig.6　Time evolution of mean discharge amplitude

图7　平均放电次数随时间变化规律Fig.7　Time evolution of mean discharge number

可以看出，在沿面放电起始阶段，电压频率越高时平均放电幅值和次数反而越低，与其他频率相比，20 kHz下具有更高的放电幅值和放电次数。放电发展程度达到30 %之前，放电幅值和次数增长较为平稳。之后，各频率下放电幅值继续增加，40 kHz下平均幅值逐渐赶超30 kHz试样；放电次数增加速度较前一阶段有所提高，并在发展程度60%左右达到最大值(40 kHz时在70%位置处有最大值)。放电发展程度达

60%～70 %后，各频率下平均放电幅值继续保持增长，30 kHz和40 kHz下末期放电幅值超过20 kHz；与此同时，20 kHz和30 kHz下平均放电次数逐渐下降，40 kHz下放电次数基本保持不变。

根据上述放电幅值和次数的变化规律，可将发展程度0～30%、30%～70%、70%～100%三个阶段分别作为沿面放电前期、中期和后期。从沿面放电起始到发展程度70%，平均放电幅值增长幅度达80%，且电压频率越高放电幅值增长越快(20 kHz、30kHz和40 kHz下分别为78.8%、80.7%和160%)，同时当放电进入后期(发展程度60%～70%后)时，平均放电次数会呈现出与前期和中期不同的变化趋势(下降或不变)，这可作为沿面放电严重程度的评估指标。

2.3各频率下不同阶段的沿面放电相位谱图

分别取20 kHz、30 kHz和40 kHz下沿面放电发展前期、中期和后期每阶段400组典型波形(各阶段约包含3 000～5 000个放电脉冲)，绘制φ-q-n相位谱图如图8所示，放电密度由数据密集程度表示。

图8　不同频率和阶段下沿面放电相位谱图Fig.8　Phase resolved spectrum of surface discharge at different frequencies and stages

放电前期，各频率下放电谱图形态差异较小，随着频率升高，放电相位正半周5°～55°区域内的放电密度有所增大，而330°～360°(-30°～0°)区域内则有所减小。20 kHz时正半周放电幅值明显大于负半周，随着频率升高，正、负半周放电幅值逐渐接近。正、负半周最大放电幅值随频率升高有所增大。在放电中期，随着频率升高，放电相位正半周330°～360°(-30°～0°)内，放电重心逐渐上移，表明此相位区间内大幅值放电增多。在放电后期，负半周放电谱图呈现“多峰状”，其中20 kHz下最明显。因而，负半周多峰状放电谱图的出现可作为沿面放电后期绝缘失效前的表征信号。

2.4沿面放电相位谱图统计参数

为进一步定量分析图8中的放电相位谱图特征，对沿面放电发展过程进行更准确地阶段划分，并提取反映沿面放电严重程度的有效指标，引入偏斜度Sk、峭度Ku和脉冲指标IF三个统计参数。其中，偏斜度用于描述统计数据分布的偏斜方向及程度；峭度可以表示随机变量分布曲线峰值的尖锐程度；脉冲指标为数据统计峰值与统计均值之比，反映了信号的峰值特性及受大幅值冲击的程度。

分别统计了正、负半周放电次数的偏斜度、最大放电量峭度、放电次数峭度以及放电幅值的脉冲指标随放电发展程度的变化情况。由于部分指标没有明显的规律性，对沿面放电发展阶段的划分和严重程度的评估无指导意义，因此本文只给出了规律性较强的三个统计参数的变化规律，即正半周放电次数偏斜度、负半周最大放电量峭度和放电幅值脉冲指标，如图9所示。

图9　偏斜度、峭度、脉冲指标随放电发展程度变化曲线Fig.9　Variation of Sk，Ku，and IF versus discharge process

由图9a可知，在放电发展程度50%前，不同频率下正半周放电次数偏斜度Sk随沿面放电的发展呈下降趋势，虽然之后不同频率间Sk的变化趋势有差异，但在发展程度70%后都逐渐逼近到0.18～0.26范围内，具有较好的收敛特性。图9b表明，在放电发展程度60%前，不同频率下负半周最大放电量峭度Ku呈下降趋势，且变化曲线较为平滑；而在之后的发展过程中Ku只有小幅波动，数值基本保持不变。由图9c可看出，放电幅值脉冲指标IF随沿面放电的不断发展而逐渐降低，且IF下降速度逐渐减小，在发展程度达70%后基本稳定在某一较小数值。脉冲指标的这一变化趋势可用图6来解释，随着沿面放电的发展，平均放电幅值不断增加，相应地导致脉冲指标减小。沿面放电整个过程中，各频率下脉冲指标下降幅度均超过40%，且频率越高下降幅度越大。

上述3个特征参数在放电发展程度60%～70%后(即放电后期)都呈现出特定的变化规律，与2.2节关于放电发展阶段的划分较为一致，说明了前述阶段划分的合理性。同时这些特征参数可作为沿面放电后期故障诊断及放电严重程度评估的指标，但鉴于这些特征参数均为基于统计学的无量纲参量，无法直接揭示放电变化的物理意义，因此还需结合放电幅值、放电次数等传统的放电特征参量，从而达到更好的放电发展程度评估效果。

3　讨论

根据二次电子发射雪崩(Secondary Electron Emission Avalanche，SEEA)模型，沿面空气间隙的击穿包括以下过程：

1)由于针电极、空气和绝缘表面的三结合点处场强非常大，导致空气电离产生有效初始电子。初始电子在电场作用下获得足够能量并通过碰撞电离形成电子崩。

2)随着电子崩的发展和崩头电离程度的增强，电子崩头部增大且增长速度加快，沿面放电进入流注发展阶段。此时电子崩中积累了大量的空间电荷，削弱了电子崩内部电场，有助于正负电荷的复合过程。电荷复合过程中会发射出光子使空间光电离和绝缘表面光致电子发射作用大大加强，产生许多二次电子，同时流注头部密集电荷使前方电场明显增强，二次电子在运动过程中的碰撞电离更加强烈，结果是流注头部电荷得到持续补充，流注不断向前发展。

3)当流注等离子体区延伸至接地棒电极时，形成贯通两极的高导电通道，引起火花或电弧放电。由此可以看出，沿面放电发展速度取决于电子崩或流注中的电荷数目。

图10为高速摄像机拍摄的沿面放电发展过程。可以看出高频下PI沿面放电轨迹近似为直线型，与油纸绝缘在工频下的树枝型沿面放电不同[9]，而比较符合文献[21]中频率对聚乙烯电树老化特性影响规律的描述：电压频率较低时主要以树枝型和丛状型电树为主，而随着频率的升高，电树形态逐渐向树干型和直击型转变。沿面放电形态与绝缘材料表面特性和施加的电压及电场分布有关，PI的直线型沿面放电由以下几方面因素导致：①与多孔纤维状的绝缘纸不同，PI质地紧凑，没有明显弱点区域，放电更易沿切向电场方向发展；②PI介电常数较大，对表面电荷的吸附能力较强，减小了流注头部的体积，降低了分叉和横向扩散的可能性；③高频下绝缘介质热效应和承受的疲劳冲击更加剧烈，放电通道易沿着上一次的放电通道继续向前发展；④采用针-棒电极结构，切向电场在材料表面的分布比较集中，如图11所示，电场分布与沿面放电形态有一定的相似性。

图10　沿面放电发展过程Fig.10　Development of surface discharge

图11　绝缘表面电场分布Fig.11　Electric field distribution on insulation surface

结合图6、图7所示平均放电幅值和次数的变化规律以及图10所示沿面放电形态，进一步分析沿面放电发展演化过程。

1)在放电前期，针电极处的场强使附近空气发生强烈电离，产生的电晕等离子体不断冲击绝缘表面，局部高温和电子轰击作用使绝缘表面吸附的气体和少量水分开始解吸附，出现箭头状白斑。白斑现象在以往的PI表面电荷测试研究中曾被发现过[22]，其实质为一种由电-热应力造成的轻微碳化现象。随着加压时间的延长，等离子体通道(针电极末端线状明亮发光区域)逐渐向棒电极发展，白斑面积也逐渐扩大。

随着沿面放电的发展，当等离子通道中的电荷积累到一定程度时，其对外电场的畸变作用变得不可忽略。绝缘表面电荷形成与外施电场方向相反的空间电荷电场，使间隙合成场强减小，对同半周期内的后续放电起阻碍作用。绝缘表面电荷的耗散，即空间电荷反向电场Eres随时间t的变化满足[23]

(1)

式中，E(0)+为放电后瞬间的空间电荷电场；τ为电荷耗散时间常数，与绝缘表面电导及表面电容有关。随着外施电场频率的升高，表面电荷耗散时间t减小，电荷积聚程度加重，导致空间电荷反向电场增大，不利于放电的发生，这便是初始阶段频率越高而平均放电幅值和放电次数越小的原因。

值得注意的是，当频率低于10 kHz时，绝缘介质的极化损耗和承受的疲劳冲击相对较小，材料绝缘性能下降速度较慢，同时绝缘表面电荷有足够的耗散时间，阻碍了二次电子崩的形成，因此沿面放电难以得到发展，最终在针尖处受强电晕作用导致绝缘的纵向热击穿。

2)在放电中期，随着放电的发展，等离子体通道继续向地电极延伸，白斑半径也不断扩大并呈现槌形。流注区域的增大和高能电子的不断冲击，使材料表面的陷阱密度和陷阱能级都有所增加，导致电荷附着效应增强，流注头部电荷减少，流注发展速度有所减缓。

被陷阱捕获的电荷，在电场足够大或光子、高能电子撞击作用下会被释放脱陷成为自由电荷。放电所需的有效初始电子主要由表面电荷脱陷产生，根据Richardson-Schottky定律，初始电子产生概率为[24]

(2)

式中，Nq(t)为t时刻绝缘表面可用于脱陷的电荷数；ψ为脱陷功函数，表征了电荷脱陷的难易程度，与陷阱能级正相关；E(t)、ν0、e、ε0、k、T分别为瞬时电场强度、光电离常数、基本电荷、真空介电常数、玻尔兹曼常数和绝对温度。

由式(2)可知，初始电子产生概率随脱陷功函数，即陷阱能级的增大而减小。被浅陷阱捕获的电荷易受激发而脱陷，满足放电对初始电子的要求，所以陷阱密度的增加有助于提高放电次数。被深陷阱捕获的电荷，需要在更高场强下才能被激发脱陷，所以陷阱能级的增加会使放电幅值增大。因此，随着沿面放电的发展，陷阱密度和能级增大，各频率下的放电次数和幅值均继续增长，但白斑面积增加到一定程度后基本不再变化，陷阱密度也基本不再增加，放电次数在中期结束时出现最大值。

电压频率越高，绝缘材料极化损耗导致的温升和材料承受的疲劳冲击越大，其绝缘性能下降越快，有利于陷阱的产生和陷阱能级的增大，使放电次数和幅值提高。另一方面，频率升高使表面电荷耗散时间减少，空间电荷积聚对沿面放电产生抑制作用。随着沿面放电的发展，材料表面陷阱密度和能级不断增大，其对放电特性的影响也越来越大，相比之下电荷耗散时间的影响作用会有所减小，导致放电中期及后期与放电初期不同，放电幅值与电压频率不再呈负相关关系。

3)在放电后期，白斑半径停止扩大，其端部先于等离子体通道到达地电极且颜色不断加深，随着等离子体通道进一步向地电极延伸，前方电场强度不断加强，沿面放电发展速度加快。当等离子体通道与地电极间的距离减小到一定程度时，瞬间发生沿面闪络。在该放电发展阶段，高能电子冲击使陷阱能级继续增加，电荷脱陷需要更多的能量，即电荷脱陷的难度增大，使20 kHz和30 kHz下平均放电次数下降。随着陷阱能级的增加，放电幅值继续增大。

虽然在沿面放电发展的大部分阶段，40 kHz下的平均放电次数和平均放电幅值较20 kHz低，但由于频率升高使相同时间内的周波数线性增加，单位时间内放电次数倍增。同时高频下绝缘材料的热效应也更加严重，因此对绝缘的损伤加剧，使高频下的沿面绝缘寿命明显缩短。此外，频率的升高有利于表面电荷的积聚和电子崩的形成，导致闪络电压随电压频率的升高而降低，但频率对沿面放电起始电压无影响。

4　结论

本文根据高频电力变压器运行工况，设计了高频气-固绝缘沿面放电实验平台，重点研究了不同频率和阶段下的沿面放电特性及其发展演化过程，得到以下结论：

1)电压频率对沿面放电起始电压基本无影响，但随着频率的升高，沿面闪络电压逐渐降低，绝缘沿面寿命明显缩短。频率低于10 kHz时，沿面放电无法持续发展，受强烈电晕作用会在针电极处发生纵向热击穿。

2)随着沿面放电的发展，平均放电幅值持续增大，单周期内平均放电次数先增大后减小；在放电后期，平均放电次数、放电相位谱图、正半周放电次数偏斜度、负半周最大放电量峭度及放电幅值脉冲指标均呈现出特定的变化规律，可作为沿面放电发展程度的评估指标。

3)高频下PI沿面放电形态为直线型，这与PI试样表面特性、介电常数、电压频率、沿面电场分布等因素有关。结合二次电子发射雪崩模型、陷阱理论以及沿面放电形态的变化，分析了沿面放电的发展演化过程，并对放电特征参量的变化规律做出了解释。

4)绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响，是进一步揭示沿面放电发展过程和闪络机理的关键所在，应作为后续的重点研究内容。

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Patterns and Development of the Surface Discharge of High Frequency Power Transformer Insulation Under Frequency-Dependent Electric Stress

Liu Tao1Han Shuai2Li Qingmin1Lu Xu3Huang Xuwei4

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.China Electric Power Research InstituteBeijing100192China 3.State Grid Beijing Shijingshan Electric Power Supply CompanyBeijing100043China 4.Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMCNorth China Electric Power UniversityBeijing102206China)

Surface discharge is one of the main causes of insulation failures.In order to investigate the patterns of surface discharge and its evolution process in high frequency power transformers，an experimental platform with high frequency voltage source was built.First，the surface discharge inception voltage，the flashover voltage，and the insulation life were tested under sinusoidal voltage of different frequencies from 10 kHz to 40 kHz.Then，with the constant sinusoidal voltage value，surface discharge tests were conducted to observe the entire evolution process of the surface discharge including its initiation，development，and the ultimate flashover,along with the characteristic parameters and phase resolved spectra at different discharging stages. At last，the evolution process was analyzed based on the secondary electron emission avalanche model and the trap theory.Experimental results and analyses indicate that:the surface flashover voltage and the insulation life will be decreased with the increase of the voltage frequency；the surface discharge of polyimide film approximately develops in a straight line under high frequency；the discharge amplitude，discharge number，phase resolved spectrum，and corresponding statistical parameters show specific variation trend at different evolutionary stages，which can utilized as the evaluation index of the development degree for surface discharge； the charge distribution and the trap parameters on the insulation surface are the key issues to reveal the inherent mechanism of surface flashover，since they have important effects on surface discharge characteristics.

High frequency power transformer，high frequency sinusoidal voltage，frequency-dependent electric stress，surface discharge，discharge pattern

国家自然科学基金(51477051,51628701)和中央高校基本科研业务费专项资金(2016XS08)资助项目。

2015-07-12改稿日期2016-05-03

TM215

刘涛男，1990年生，博士研究生，研究方向为高频绝缘及放电物理。

E-mail：ltxingyu@126.com

李庆民男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、放电物理等。

E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn(通信作者)