电压波动条件下环氧树脂内部局部放电特性研究

2024-01-22韩锦春李禹锋

绝缘材料 2024年1期

韩锦春，李禹锋

（太原理工大学电力系统运行与控制山西省重点实验室，山西太原 030024）

0 引言

局部放电（PD）是电力设备中常见的局部击穿现象[1-2]。相关研究表明，设备内部的绝缘缺陷有可能引发电力事故，而局部放电测试是分析与判断绝缘系统中是否存在内部缺陷的一种重要方式[3-4]。

一般而言，根据不同的局部放电测试方法，施加于电力设备的电压波形不完全相同，其放电特性也会表现出差异，其中最为典型的电压波形是50 Hz交流电压和直流电压。由于放电机制的不同，交流电压下局部放电的重复率一般高于直流电压下[1]。此外，为了降低现场测试的功率需求，减小测试电源的体积与质量，一些局部放电试验也会在振荡波与超低频电压下进行[5-7]。

在真实工况下，绝缘系统承受的电压波形可能更为复杂，因而学者们针对不同电压波形条件下绝缘系统的局部放电特性开展了大量研究[8-13]。文献[9]研究了高压直流输电系统中直流电压波形对局部放电的影响，结果表明由于固体绝缘中气隙充电时间常数的变化，更高的谐波频率可以降低局部放电幅值。文献[10]研究了脉宽调制（PWM）电压下高频变压器的局部放电特性，发现更快的电压变化率（dV/dt）可以降低局部放电起始电压并导致更高的放电幅值，而当PWM 脉冲频率增大时，则会出现相反的现象。文献[11]研究了交直流复合电压条件下油浸绝缘纸板的局部放电特性，发现直流电压分量对表面爬电的分布规律影响较大。文献[12]探讨了交流和脉冲叠加电压条件下环氧树脂的表面放电特性，结果表明当脉冲叠加相位由45°向135°转变时，高压电极附近正空间电荷的积累可以显著促进负半周的局部放电活动。文献[13]研究了谐波电压对局部放电的影响规律，发现根据谐波成分的不同，局部放电有可能被增强或削弱。

在配电网中，电压波动是电能质量领域的一个常见问题。受到配电网中重载通电、感应电机启动等因素的影响，电网电压容易出现暂时降低；而在非有效接地系统中，当单相接地或两相接地故障发生时，非故障相电压则会出现暂时升高[14-15]。从放电的角度，在电压波动发生前出现的局部放电将会产生大量电荷并沉积在绝缘内部的气隙表面，形成的电场将影响后续的放电行为；而当电压发生波动时，电力设备所承受的电压波形也将发生改变，并影响气隙内部的电场分布。在变化的外施电场和表面电荷电场的共同作用下，气隙内部的局部放电特性将发生改变，而这方面的研究目前少有报道。

目前，环氧树脂因其出色的电气性能、化学性能和力学性能，已在开关柜、干式变压器等电气设备中得到广泛应用。然而，环氧树脂材料内部的绝缘缺陷可能会导致局部放电的发生。为了阐明电压波动条件下环氧树脂内部的局部放电特性，本研究利用可编程电源对外施电压进行调制，采用局部放电相位分布（PRPD）谱图和脉冲序列分析（PSA）谱图，分别研究电压暂降和电压暂升对局部放电特性的影响规律，以期为揭示气隙内部的局部放电过程提供参考。

1 实验

测试样品和实验平台如图1所示。为了模拟内部气隙缺陷，制作了环氧树脂夹层结构模型，圆柱形气隙的直径为6 mm，深度为3 mm。采用不锈钢平板电极施加电场，电极的直径为50 mm，厚度为10 mm。在实验过程中，利用可编程电源（Chroma 61511 型）产生暂降和暂升电压波形，并通过无局放试验变压器（XEDSB-5 kVA/50 kV 型）进行升压。将高压差分探头（Pintech PT-5240 型，40 kV，75 MHz）连接至平板电极以获取变化的电压波形。使用灵敏度为7 mV/mA、测量带宽为2～100 MHz 的高频电流传感器检测局部放电信号，并利用八通道数字示波器（PicoScope 6804E 型，采样率为5 GS/s，带宽为500 MHz）对电压波形和脉冲电流波形进行记录并将数据上传至计算机保存。

图1 测试样品和实验平台Fig.1 Test sample and experimental platform

局部放电测量通常在连续正弦电压下进行，为了研究电压波动对局部放电特性的影响规律，本研究构建一组电压序列来模拟电力系统中的电压暂降或暂升。电压序列由原始波形周期（OWP）和电压暂降周期（VDP）/电压暂升周期（VSP）组成，每个部分具有相同的周期T=20 ms。OWP 和VDP（或VSP）重复M次，测量时间tm可以表示为式（1）。

对于暂降序列，将OWP 的电压固定为8 kV，VDP 的电压则以1.6 kV 为步长从0 kV 逐步变化至6.4 kV，最终共得到5 组电压暂降序列，图2(a)为暂降周期电压降低至4.8 kV 的电压波形。对于暂升序列，将OWP 的电压固定为5 kV，VSP 的电压设定为6 kV 和7 kV，图2(b)为电压升高至7 kV 的电压波形。

图2 电压暂降/暂升序列Fig.2 Voltage dip/swell sequence

2 结果与讨论

2.1 连续正弦电压下的局部放电

PRPD 谱图主要用于描述放电幅值和放电相位之间的关系，从中提取统计参数可以对局部放电特性进行分析[4]。当施加5 kV 的连续正弦电压时，获得的PRPD 谱图如图3(a)所示。从图3(a)可以看出，正负半周的平均放电幅值和放电相位接近，放电重复率基本相同。放电密度的中心在点簇的头部，相应的脉冲幅值较低。PRPD 谱图表现出“龟背状”对称形式，这与典型气隙缺陷局部放电的特征一致[16-17]。

图3 连续正弦电压下典型气隙模型的局部放电测试结果Fig.3 PD test results of typical air gap model under continuous sinusoidal voltage

通过PRPD 谱图可分析放电幅值和相位之间的关系，但这种方法也忽略了连续脉冲之间的相关性。而PSA 谱图则是研究连续脉冲时间演变的有力工具[18-19]。图3(b)是典型气隙放电的PSA 谱图，图中不同点簇和图3(a)中对应的相位分布关系用数字1～6 进行标记。图3(c)为PSA 方法的基本原理，第n个放电脉冲可由其发生时间tn和施加的外部电压Un唯一确定，PSA 模式可由参数ΔUn/Δtn构成，具体表示为式（2）。

式（2）中：ΔUn是电压差；Δtn是时间差。

PSA 谱图中每个数据点的坐标为（ΔUn-1/Δtn-1，ΔUn/Δtn）。当3 个连续放电脉冲的相位分布发生改变时，在PSA 谱图中将形成不同的点簇。如图3(c)所示，对于分布在0°～90°相位区间的3个连续脉冲（例如PD1、PD2、PD3），随着外施电压的增大，ΔUn总是正值，并且参数ΔUn/Δtn也是正值，而这将导致点簇1 的形成。点簇2 和点簇3 则反映了放电脉冲极性的转变，当前两个放电脉冲出现在正半周期而第3 个放电脉冲出现在负半周期时（例如PD6、PD7、PD8），点簇2 形成；当第1 个放电脉冲出现在正半周期而后两个放电脉冲出现在负半周期时（例如PD3、PD4、PD5），点簇3形成。相类似的，当外施电压过渡至负半周时，点簇4、5 和6 将会出现。由于施加电压的极性是相反的，点簇4、5、6 和点簇1、2、3 沿45°线中心对称。

2.2 电压暂降的影响

当外施电压为暂降序列时，测量时间tm中的周期数为100。图4为VDP电压为0 kV时的局部放电测试结果。由4(a)可知，随着暂降电压的逐渐降低，局部放电模式显著改变。当电压完全降低至0 kV时，在该阶段仍然能够检测到局部放电脉冲。放电脉冲分布在整个暂降周期内，但放电幅值逐渐衰减。并且放电是不稳定的，每个周期的平均放电次数较低，只存在1～2个放电脉冲。

从图4(b)可知，对于PSA谱图，当暂降电压下降至0 kV 时，谱图中点簇5 和点簇6 的位置将发生变化。当前两个放电脉冲出现在原始波形周期的负半周期，而第3个放电脉冲出现在暂降周期时，点簇5 形成，如图4(c)中的PD2、PD3、PD4。由于暂降周期内的局部放电是不稳定的，并且放电脉冲分布在较宽的相位区间内，脉冲4 的发生时间tn是不确定的，因而参数ΔUn/Δtn始终为正值，并随着第3 个脉冲的位置而不断变化，导致PSA 谱图中的点簇5 分布在更宽的范围内。而当第1个放电脉冲出现在原始波形周期的负半周期，另外两个放电脉冲发生在暂降周期中（例如PD3、PD4、PD5）时，参数ΔUn-1/Δtn-1＞0，ΔUn/Δtn=0，这将导致点簇6 沿着Y 轴分布并呈现细长条状。

如图4(a)所示，当暂降电压下降为0 kV 时，仍然能够检测到局部放电，产生这一现象的原因主要在于气隙内部沉积了表面电荷。研究表明，当局部放电发生后，累积的表面电荷将会在气隙内部产生电场，从而影响后续的放电行为[17,20-23]。气隙内部典型的电场分布情况如图5 所示。从图5 可以看出，当暂降电压下降为0 kV 时，气隙内部的总电场完全由表面电荷产生的电场Eq决定，而暂降周期内出现的局部放电脉冲则由电场Eq所引发。在局部放电出现后，新产生的自由电荷将中和原有的表面电荷，削弱气隙内部的电场强度，进而导致较低的放电幅值和放电重复率[24]。

图5 气隙内部各电场分布（VDP=0 kV）Fig.5 Distribution of electric fields in air gap (VDP=0 kV)

图6 为VDP 电压为3.2 kV 时的局部放电结果。从图6(a)可以看出，当暂降电压下降至3.2 kV 时，在暂降周期的正半周能够检测到局部放电，而负半周则没有发生放电。此时，正半周的最大放电幅值为114.2 mV，每个周期的平均放电次数为11 次。随着外施电压的改变，PSA 谱图也将表现出不同形式。当外施电压为连续正弦电压时，如图3(b)所示，点簇1、2、3 沿45°线与点簇4、5、6 对称。而当施加暂降序列电压后，暂降电压导致参数ΔUn/Δtn减小，因此点簇2 与点簇5、点簇3 与点簇6 不再对称，如图6(b)所示。

图6 电压暂降序列下的局部放电结果（VDP=3.2 kV）Fig.6 PD results under voltage dip sequence (VDP=3.2 kV)

当暂降电压为3.2 kV 时，气隙内部的电场由外部电场和表面电荷产生的电场共同决定。显然，在电压暂降阶段，外部电场方向与累积在气隙表面上电荷所产生的电场Eq方向一致。尽管外施电压低于局部放电起始电压，但叠加后的总电场强度可以诱导局部放电出现。然而随着放电的持续进行，新生成的自由电荷将中和气隙中先前累积的表面电荷，导致电场Eq下降，从而对局部放电形成抑制作用，使得气隙内部无法产生一个由表面电荷形成的反向电场，因此在暂降电压的负半周，其总电场强度要低于正半周，并且没有观察到局部放电脉冲出现。

图7 为VDP 电压为4.8 kV、6.4 kV 时的局部放电测试结果。

从图7(a)和图7(c)可以看出，当暂降电压为4.8 kV和6.4 kV时，局部放电脉冲将在正负半周同时出现，但正负半周的平均放电次数和放电幅值均存在明显的不对称性。当暂降电压为4.8 kV 时，正负半周的平均放电次数分别为21.6 次和7.7 次，最大放电幅值分别为133.9 mV 和114.2 mV。当暂降电压为6.4 kV 时，虽然在暂降周期中正负半周的放电幅值几乎相等，但平均放电次数不同，且正半周的放电强度要高于负半周。从图7(b)和图7(d)可以看出，对于PSA 谱图，由于在原始波形周期和电压暂降周期内均出现了局部放电，谱图呈现出两个电压等级下PSA 谱图的叠加。但由于施加电压幅值存在差异，两幅PSA 谱图并没有完全重叠在一起，使得点簇的数量增加。

当暂降电压为4.8 kV 和6.4 kV 时，外施电压已高于局部放电起始电压，因而在暂降周期内，电压正负半周均出现了局部放电，但正半周的放电重复率要高于负半周，这主要是由外施电场和表面电荷产生的电场Eq共同作用所导致的。当暂降电压为6.4 kV 时，气隙内各电场的典型分布情况如图8 所示。从图8可以看出，在暂降电压的正半周，表面电荷形成的电场主要由原始波形周期决定，而在暂降电压的负半周，表面电荷形成的电场主要由暂降周期的正半周决定。显然，由于外施电压较低，暂降周期的局部放电强度要弱于原始波形周期，因而表面电荷形成的电场也相对较弱，使得PRPD 谱图表现出不对称性。

图8 气隙内部各电场分布（VDP=6.4 kV）Fig. 8 Distribution of electric fields in the air gap(VDP=6.4 kV)

2.3 电压暂升的影响

当施加电压为暂升序列时，所得局部放电测试结果如图9 所示。其中，原始波形周期的电压幅值为5 kV，暂升周期的电压幅值分别为6 kV 和7 kV。由于外部施加电压高于局部放电起始电压，因而局部放电模式与暂降电压为4.8 kV 和6.4 kV 时类似，正负半周都存在局部放电。不同之处在于，暂升周期负半周放电强度高于正半周。当暂升周期电压为7 kV 时，正半周的平均放电次数为38 次，而负半周的平均放电次数为46次，正半周最大放电幅值为224 mV，而负半周的最大放电幅值为299 mV，如图9(a)所示。当暂升周期电压为6 kV 时，正负半周最大放电幅值相近，但是负半周的平均放电次数高于正半周，如图9(c)所示。从图9(b)和图9(d)可以看出，对于PSA 谱图，其表现为两个不同电压等级下PSA 谱图的叠加。由于暂升周期电压幅值的升高，参数ΔUn/Δtn增大，使得PSA谱图中点簇的落点范围更大。

图9 电压暂升序列下的局部放电结果Fig.9 PD results under voltage swell sequence

对于暂升电压周期，其负半周的平均放电次数要高于正半周，产生该现象的原因在于外施电压和表面电荷的共同作用。在暂升电压的正半周，表面电荷形成的电场主要由原始波形周期决定，而在暂升电压的负半周，表面电荷形成的电场主要由暂升周期的正半周决定。随着外施电压幅值的增大，在暂升周期内局部放电强度将明显提高，气隙内部能够累积更多的表面电荷，进而能够在气隙中形成更大的内部电场，使得局部放电更容易发生，因此在暂升周期的负半周放电强度要高于正半周。