SF6气体中绝缘材料高频沿面放电特性的实验研究

2022-02-18赵义焜张国强

电工电能新技术 2022年1期

张岩，李琳，丁杰，赵义焜，张国强

(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.中国科学院电工研究所，北京 100190)

1 引言

高频变压器是电力电子变压器中的核心元件，具有体积小、质量轻等特点，在能源传递效率上优势明显，具有广阔的应用前景[1,2]。目前高频变压器多采用空气-固体绝缘结构，与传统工频变压器相比，高频变压器运行工况复杂，长期运行在高频率、高幅值、上升时间短的非正弦电压波形下。绝缘材料承受着高频率的电应力冲击，容易导致绝缘性能下降甚至过早失效[3-5]。而SF6气体具有优异的绝缘性能以及不燃不爆的安全优势，被广泛应用于高电压设备的绝缘，采用SF6气体作为高频变压器的绝缘材料与冷却媒介，可解决高频变压器存在的绝缘劣化的缺陷。研究表明，沿面闪络的电场强度远小于相同工况下的气隙击穿场强，更容易造成绝缘损坏，大幅降低设备的绝缘寿命[6-8]。因此，在SF6环境中开展绝缘材料的高频沿面放电特性研究，对气体填充式高频变压器的绝缘结构设计具有重要意义。

目前，国内外学者针对SF6气体中固体绝缘材料在工频、直流、纳秒脉冲等电应力下的沿面放电特性进行了大量研究，结果表明电极形状、气体成分和压强、材料的介电常数和表面处理对沿面放电特性存在不同程度的影响[9-12]。刘海峰、王涛等人对比了SF6及N2在不同均匀度电场和不同气压下环氧树脂的沿面闪络特性，发现SF6中环氧树脂的沿面闪络电压随气体压强变化更大，对电场的均匀度更敏感[13]。谢庆、刘熊等人设计了不同气压下沿面闪络新型实验平台，研究了SF6中环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络特性，并分析了沿面闪络前后材料表面理化特性，发现纳秒脉冲下闪络电压随着SF6气压的增大而升高，且SF6在闪络过程中发生分解并与材料发生化学反应[14]。针对高频电应力下绝缘材料的沿面放电特性方面，现有研究大多围绕频率对材料表面老化特性、发展路径、发生机理的影响进行展开。张开放等人研究了高频电应力下聚酰亚胺薄膜(PolyImide, PI)沿面放电发展过程以及绝缘表面的物化特性变化，发现沿面放电极性效应明显，且高频沿面闪络对绝缘材料的破化较大[15]。刘涛、韩帅等人测试了在10～40 kHz正弦电压下的沿面放电起始、闪络电压以及绝缘材料寿命，发现电压频率的升高导致沿面闪络电压的降低和绝缘寿命的缩短，并分析了沿面放电的发展演化过程[16]。赵义焜等人在1～20 kHz方波下对四种匝间绝缘材料进行沿面放电实验，利用Weibull统计方法分析了放电间距对放电电压的影响，分析了闪络电压随频率的变化规律[17]。

由于目前沿面放电的研究多集中于工频/纳秒脉冲和空气/绝缘油等实验环境的相互组合，SF6气体中绝缘材料在高频方波下沿面放电特性的研究仍然空白，难以为气体填充式高频变压器的绝缘设计提供参考。本文搭建了气-固沿面放电实验平台，用于研究高频方波下SF6环境中绝缘薄膜的沿面放电特性。在高频方波电压下对聚酯薄膜(PolyEsTer, PET)、聚酰亚胺薄膜进行沿面放电实验，研究频率和气体压强对闪络电压的影响，基于二次电子发射崩模型分析了SF6中与空气中高频闪络规律的不同，基于沿面闪络实验数据拟合出SF6中闪络电压的估算方法，为SF6气体填充式高频变压器的绝缘设计提供理论依据。

2 SF6气体中的高频绝缘实验平台

2.1 实验平台的搭建

SF6气体中沿面放电实验平台由高频高压电源、高压探头、示波器、放电电极以及密闭腔体五部分组成，实验平台如图1所示。为模拟高频变压器匝间绝缘的实际工况，使用由中科院电工所研制的一台型号为AIYS-20 kV/100 mA的双极性高频方波电源作为实验电源，其可输出幅值0～40 kV、频率1～20 kHz的高频方波信号，高频电源内部串联240 kΩ的保护电阻，以防止闪络瞬间电流过大，损坏设备。高频高压电源具体参数见表1。采用Tektronix P6015A型高压探头测量闪络电压，可测范围为0～40 kV，分压比为1∶1 000，高压探头连接于高频电源与高压电极之间。测量电压信号进入Tektronix3034型示波器的数据通道，用于观察实验波形和记录电压值。

图1 高频沿面放电实验平台

表1 高频方波电源参数

为了模拟变压器内部最为常见的稍不均匀电场，参照现有标准和相关研究[9,11,17]，设计出指型电极作为放电电极，结构图与实物图如图2所示。指型电极选用不锈钢作为电极材料，电极前端曲率半径为10 mm，中间切割出宽为4 mm的内槽，内槽下侧有紧固螺栓，用于固定垫板与样片。实验时，将待测薄膜固定在2 mm厚的环氧树脂板上并居中放置在电极的槽内，通过调节紧固螺栓将待测材料与指型电极平面保持紧密接触。电极放置于聚四氟乙烯支架上，支架带有滑轨，可以保证电极间距在0～20 mm之间调节。

图2 放电电极示意图

2.2 待测材料的选取

SF6气体绝缘高频变压器通常采用气膜组合绝缘，即由薄膜材料包覆在导线表面，与SF6气体组成气膜绝缘结构。薄膜通常采用耐热等级较高的聚酯薄膜或者聚酰亚胺薄膜，一方面，这些薄膜作为匝间绝缘材料，承担变压器的纵绝缘；另一方面，与SF6气体组成气膜绝缘系统，承担高频变压器的主绝缘。因此，本文选用上述两种应用相对广泛的匝间绝缘材料作为待测对象，将PET薄膜和PI薄膜的厚度分别选定为0.2 mm与0.125 mm，表2为两种绝缘薄膜电气性能参数[18]。

表2 绝缘材料电气性能

实验前，将薄膜裁剪成表面积为50 mm×50 mm的样品，放入超声波清洗机中清洗，确保薄膜表面干净无污秽，样品清洗干净后，再将其放在干燥箱中干燥1 h，确保薄膜表面无水分，将其放置于样品袋中保存以备用。

2.3 加压方法

根据实验需求，将所需材料固定在电极间，并放置于腔体内部；利用真空泵将腔体内部抽至真空，再充入所需压强的SF6气体。当气压满足实验需求后，关闭所有阀门，按要求连接好电路后，进行放电实验。

实验采用匀速升压法，升压速率为500 V/s，当材料表面发生闪络时，高频电压电源的保护装置动作跳闸，通过示波器记录闪络发生前的电压幅值。根据国家标准[19]，每种工况下的闪络进行5次以上，取所有实验数据的中值作为该工况下的闪络电压；如果某一个实验结果偏离中值15%以上，则另作5次实验，然后将10次实验数据的中值作为该工况下的闪络电压。闪络会对材料表面微观结构造成不可逆的改变[11]，为了保证实验的准确性和有效性，每次闪络后都需要重新更换样品。

3 实验结果

3.1 不同频率下的沿面放电电压分析

为探究SF6气体环境中绝缘材料在高频激励下沿面放电的发展过程，分析闪络电压随频率的变化规律，将电极间距设置为3 mm，在1 kHz、5 kHz、10 kHz、15 kHz以及20 kHz频率下开展沿面放电实验。PET薄膜与PI薄膜在0.1 MPa的SF6环境中闪络电压随频率的变化趋势如图3、图4所示。

图3 不同频率下PET薄膜的沿面闪络特性

图4 不同频率下PI薄膜的沿面闪络特性

在高频方波电压下，SF6环境中的两种匝间绝缘材料的闪络电压都基本不受电压频率的影响。两种材料的闪络电压较为接近，总体上看，PI薄膜的闪络电压要略高于PET薄膜的闪络电压，约高出6.03%，并且相较于PI薄膜，同种工况下的PET薄膜的闪络电压要更为分散。

图5为实验中两种材料的电场分布图，从图中可以看出，实验中两种材料都处于稍不均匀电场中，电场分布规律基本相同，但由于两种材料介电常数的差异，PET薄膜的最大电场强度要高于PI薄膜，这可以作为解释两种材料在相同工况下闪络电压不同的一个原因。同时，绝缘材料表面的粗糙度、形貌等存在的差异性也是影响闪络电压的重要因素。

图5 两种薄膜材料的场强分布图

3.2 不同气压下的沿面闪络电压分析

为探究SF6气体压强对高频沿面闪络电压的影响，将电极间距设置为3 mm，电压频率设置为10 kHz，考虑SF6变压器的实际应用场景与实验条件限制，在气体压强为0.025～0.13 MPa的四种气压下开展沿面放电实验。

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图6为在频率为10 kHz的双极性方波电压下，PET薄膜的沿面闪络电压随气压变化的曲线图。从图6中可以看出，在0.025～0.13 MPa气压范围内，PET薄膜的沿面闪络电压基本上随着气体压力的升高呈现线性增长。提高气压可有效减小电子碰撞过程中平均自由行程，进而削弱电离过程，阻碍电子崩的形成与发展，进而提高了闪络电压。

图6 不同气体压强下PET薄膜的高频沿面闪络特性

为了将实验数据应用到气体填充式高频变压器的绝缘设计中，本文利用以上沿面击穿数据进行了拟合，推导出适用于高频方波电压下SF6气体中绝缘薄膜闪络电压的经验公式，为气体填充式高频变压器的绝缘设计提供参考。影响闪络电压的关键因素包括：气体成分、压强、固体材料的介电常数、电极几何形状、电压形式与极性等。其中气体与固体绝缘的介电常数以及电极的几何形状决定了电场的绝缘利用系数η，即整个绝缘系统中平均场强Eav与最大场强Emax的比值。气体成分不同，临界击穿场强不同。本文中SF6的临界击穿场强采用气压的指数函数形式表示，如下：

Ecrit=λ(αp)β

(1)

式中，p为气体压强；λ、α、β为系数，通过指数函数拟合的方式得到。因此SF6气体中沿面闪络的计算公式为：

Us=KηEcritd

(2)

式中，Us为闪络电压；K为系数；d为间隙间距。高频方波下SF6气体中沿面闪络电压计算式为：

Us=η×7.88×(10p)0.52×d

(3)

(4)

测量值与计算值如图7所示。

图7 闪络电压的实验值与计算值的比较

3.3 SF6与空气中高频沿面放电规律的差异

文献[17，20]通过搭建气-固高频沿面闪络实验平台，研究空气中不同绝缘材料在高频下的沿面闪络放电特性。研究表明，随着高频方波电压频率的升高，绝缘材料闪络电压明显下降，如图8所示。

图8 空气中PET薄膜闪络电压随频率变化情况

通过对比图3与图8可以看出，当薄膜周围气体环境不同时，电压频率对绝缘材料沿面放电特性的影响存在明显差异。下面从绝缘材料沿面放电物理机理的角度对SF6中与空气中沿面放电规律的差异性进行深入分析。

发生在绝缘材料表面的沿面闪络击穿通常可分为三种形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。电击穿是指带电质点在电场作用下运动并逐渐加速，与其他分子发生碰撞后产生更多的带电质点产生电子崩，电子崩逐渐向前发展直至击穿；热击穿是指在电场作用下介质内部产生损耗，当发热量小于散热量时，介质温度上升，最终导致绝缘材料碳化、分解等；电化学击穿是由于材料内部长时间局部放电导致介质劣化，最终导致介质的击穿。PET薄膜、PI薄膜在高频电应力下发生沿面闪络，放电过程中伴随着强烈的声、光、热等现象发生，导致材料表面发生严重烧蚀，并且随着电压频率的升高，材料表面的烧蚀现象越发显著，如图9所示。

图9 闪络后介质表面烧蚀现象

根据二次电子发射雪崩(Secondary Electron Emission Avalanche, SEEA)模型，沿面间隙的闪络过程可描述为：当电极上施加高电压时，由于介质表面、气体、阴极三者结合处(Cathode Triple Junction , CTJ)电场强度最高，由场致发射形成了初始电子。初始电子在电场中加速并轰击绝缘材料表面，轰击的能量引起原子发生电离并产生了二次电子。二次电子在电场中获得能量并再次碰撞介质表面引发新一轮的电离，该过程的持续发展形成二次电子雪崩，随着电子雪崩的发展最终导致闪络的发生。根据文献[17，20]的研究结果，频率的提升加速了空气中二次电子雪崩的发展过程，使得闪络电压大幅下降。而SF6气体与空气对电子的吸附能力具有明显差异，SF6分子对于低能电子有较大的吸附截面，即具有良好的电负性。所以闪络发展过程中，当初始电子轰击介质表面产生二次电子后，电子与SF6分子结合形成负离子，这一过程阻碍了二次电子雪崩的形成，使得频率的提升无法加速二次电子雪崩的发展。因此SF6气体中沿面闪络电压与电压频率没有明显的相关性。