温-频耦合效应对高频固态变压器绝缘 局部放电特性的影响

韩 帅 李庆民 刘伟杰 鲁 旭 王高勇 魏晓光

（1.山东大学电气工程学院 济南 250061 2.新能源电力系统国家重点实验室 华北电力大学 北京 102206 3.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 4.国网智能电网研究院 北京 102200）

1 引言

固态变压器（solid state transformer）又称电力电子变压器，是一种新型智能输变电装备，它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]。大容量固态变压器工作在高频（10kHz 以上）正弦模式下，其电压波形具有上升时间短、幅值大、频率高的特点[3]；另一方面，高频下铁磁材料的磁滞损耗增大，且导线集肤效应和邻近效应更为显著，使得材料的损耗密度比工频大大增加[4]，正常工况时设备的局部温升可达160℃，远高于工频正弦模式的电力设备[5,6]，由此形成的强温-频耦合效应致使高频绝缘易于过早失效。

研究表明，有机绝缘材料局部放电引起的不可逆破坏作用，是导致绝缘过早失效的主要原因，而温度、频率等影响因子对绝缘局部放电都有很大影响[7]。G.C.Montanari 研究了PWM 波形下的绝缘局部放电情况，通过对空间电荷的测试，认为空间陷阱深度和陷阱流动性对局放起始电压、重复率和幅值影响较大，放电特征参量受波形极性和空间电荷积累的影响显著[8]。在工频正弦模式下，李成榕教授等研究了温度对油纸绝缘沿面局部放电的影响，认为高温下的平均放电幅值要大于低温，对绝缘的破坏作用更强[9]。在连续方波模式下，吴广宁教授的研究指出，随着实验温度的升高，绝缘局部放电幅值及放电次数会逐渐降低[10]。

以往的研究结果表明，不同电压波形和温度模式下的局部放电特性差异较大，其实验温度、频率范围以及作用电压形式与大容量固态变压器的工况有所不同[11]，频率、温度及其耦合作用对绝缘局部放电的交互影响机理尚需深入研究。针对上述问题，本文设计了高频电热联合实验平台，在不同频率和温度下研究了固态变压器中气-固绝缘系统（聚酰亚胺，空气）的局部放电特性，并对起始放电电压、放电次数和放电幅值进行了统计分析，进而阐释了温-频耦合效应对高频绝缘局部放电的影响机理，可为高频变压器的绝缘结构设计提供基础依据。

2 实验方法

2.1 实验平台及试样预处理

建立的电热联合实验平台如图1 所示。高频高压源可输出峰-峰值0～30kV、频率10～50kHz 的正弦电压波形，用以模拟高频固态变压器匝间绝缘的电应力。实验采用兼具切向和法向分量的不锈钢球板电极（Φ20），以模拟高频变压器气-固绝缘系统实际电场分布特性。考虑到高频电压下局放信号宽频带、低幅值与高重复率的特点，采用ETS-93686高频脉冲电流传感器（HFCT）测量PD 信号，其带宽为300kHz～50MHz。

图1 电热联合局部放电测量系统 Fig.1 The electrical-thermal test rig for PD measurement

实验采用厚度125μm 聚酰亚胺薄膜，由芳香族均苯四甲酸二酐和4,4’——二氨基二苯醚在极性溶剂中经缩聚、成膜、环化而成，其介质损耗因数小于1.0×10-3，长期耐热温度大于220℃。为避免污秽和微水对电极与试品介电性能的影响，减少测量结果分散性，实验前对被测试品进行酒精清洗，并在60℃烘箱中热处理24h。同时，每次实验前后对电极表面抛光处理，以保证其清洁度。

2.2 实验流程

根据固态变压器实际工况，选择其正常工作温度80℃和120℃，以及铁心/低压绕组附近最高温度160℃，作为实验温度范围，选择常温30℃作为对比测试点。实验频率选择10kHz、20kHz、30kHz、40kHz 和50kHz 共5 个测试段。在实验中，先将加热箱体加热至设定温度，稳定30min 后开始施加电压。参照工频局放的实验方法，先采用快速升压法升压至局部放电产生，观察并记录局部放电起始电压，局部放电的测试选择1.5～2 倍的局放起始电压[12]——2.5kV 恒压进行，直至试样击穿，此时记录试样的寿命。由局放数据采集系统记录局部放电脉冲的幅值和相位。为保证高频下示波器波形的采样率，兼顾存贮深度和处理速度，选取200/600 个周波进行局部放电特征量的统计分析。

2.3 局部放电信号提取方法

由脉冲电流传感器测量所得的数据，因存在环境噪声、电源内部噪声及接地线干扰等，无法直接准确体现局部放电特征，为此采用以下处理方式：调用Matlab 小波工具箱中的sym8 小波基函数，对局部放电信号进行8 层分解，对分解得到的每层小波系数设定阈值，去除局部放电信号中的噪声分量；然后对局部放电信号进行开窗处理，取一个窗口中的放电电压最大值作为一次完整放电；最后根据“双极性是局部放电，单极性的是干扰”的处理原则，对单极性数据进行置零处理，得到最终的局部放电处理数据[13]。降噪后局部放电信号能量与降噪前的比值为93.56%，在保存较大信号剩余量的同时可实现较好的滤波效果。

3 实验结果

3.1 不同频率下局部放电形态

当温度一定时，通过对不同频率下的局部放电相位-幅值统计（见图2）可以看出，高频正弦电压下的局放形态与工频和脉冲下[11,14]相比存在较大差异。在10～50kHz 频率范围内，常温下最大放电幅值随频率升高呈降低趋势，总放电次数也随之减少。对于单个正弦波形，局部放电脉冲主要集中在正/负半波的快速上升或下降沿，波形峰值处只有少量放电，而其他部分基本没有放电。当温度较低时，大部分频率段可观测到放电相位的“分簇”形态，第一簇放电相位集中于电压极性反转后30°以内，第二簇放电相位较为分散，分布在 30°～90°和210°～270°之间，两簇放电各拥有一个峰值。对于多次实验放电谱图没有明显差异，每个实验条件下的现象具有一致性。

图2 常温下局部放电特性 Fig.2 PD patterns at room temperature

在高温时（见图3），放电“分簇”现象仅在高频段略有体现，而更多体现为“分层”现象，即小放电次数急剧增加，集中分布在坐标轴附近，大幅值放电较为稀疏，最大放电相位相比低温时略微后移，在电压正负半周的分布分别为 20°～70°和180°～270°。随着频率升高，放电幅值和次数依然呈明显下降趋势。同时，正负半周放电形态的差异也更加明显，正半周放电幅值略高于负半周。

图3 160℃时局部放电特性 Fig.3 PD patterns at 160℃

3.2 温度对不同频率下局部放电特性影响

针对5 个频率、4 个温度下的高频绝缘放电特征量进行统计，可以发现：常温下最大放电幅值差别较小，10～30kHz 频段内的最大幅值基本相同，都在0.45V 以下，同温度下40～50kHz 频段内的幅值最小；当温度升高后，10kHz 试样上升幅值远高于其他试样，其他频率下试样放电特性呈平稳上升趋势；在120℃时20～50kHz 频段内的放电幅值再次达到相近状态，而当温度达到 160℃后，20～30kHz 试样升至与10kHz 接近水平，幅值约为40～50kHz 下的2～3 倍，如图4 所示。

图4 温度对不同频率下最大放电幅值的影响 Fig.4 The impact of temperature on the maximum PD amplitude under different frequencies

实验温度对放电次数的影响如图5 所示。不同温度下 10kHz 试样的放电次数依然最大，其次为20kHz 试样；而自身变化幅度最大的是50kHz 试样，160℃时的放电次数是常温下的6.3 倍。高频下放电次数随温度变化而稳步上升。对于平均放电幅值，其曲线变化趋势与最大幅值和放电次数变化规律基本类似，如图6 所示。

图5 温度对不同频率下总放电次数的影响 Fig.5 The impact of temperature on the PD times under different frequencies

图6 温度对不同频率下平均放电幅值的影响 Fig.6 The impact of temperature on the mean PD amplitude under different frequencies

总体而言，温度对高频下局放特征量的影响大于低频情况，但低频下的放电幅值、放电次数和平均放电幅值在任何温度下都高于高频，随着温度升高，以上三种局部放电特征量都呈现上升趋势，高频下特征参量在 120～160℃温度范围内的上升逐渐缓慢。值得注意的是，不同温度、频率下的试样局放起始电压都在1.50kV 上下浮动，浮动范围为0.03kV，仅在高温160℃时略微有所降低，基本不随频率变化而改变，如表1 所示。

表1 不同温度和频率下的局部放电起始电压 Tab.1 PDIV under different temperatures and frequencies

4 讨论

4.1 频率对正弦电压局部放电的影响机理

本实验研究所采用的球板电极简化模型与电场分布如图7 所示，球板电极电场兼具纵向与切向分量，其放电主要发生在由试品与电极构成的气隙强场区中。为便于分析正弦模式下频率和温度对局部放电特性的影响，假设电场在短距离内均匀分布，且电极表面等电位。采用局部放电微电路模型进行等效，如图8 所示，电极-绝缘介质等效为介质电容，电极-气隙等效为气隙电容，空间电场等效为极间电压分布，空间电荷等效为电容电荷[15,16]。

图7 试品与电极示意图 Fig.7 Schematic diagram of the test sample and the electrodes with space vectors

整个电极-绝缘系统由n 个微电路模型并联组成，Cg、Rg为气隙等效电容和电阻，Cd、Rd为绝缘介质等效电容和与气隙串联部分电阻。在图中气隙击穿前，整个系统等效为阻挡介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg串联。在气隙击穿后，图中开关闭合，Cg并联上1 个随时间变化的等离子体电阻Ra与介质表面电阻Rs（沿面放电电阻）。

图8 气-固绝缘局放等效微电路模型 Fig.8 The equivalent microcircuit for partial discharge of the gas-solid insulation

显然，气隙电压Ug可用式（1）表示

式中，Ua(t)和Ud(t) 分别是外加电压和绝缘介质上的电压。

由于空气的介电常数远小于绝缘介质，气隙承担的电场强度将远大于介质所承担的场强，当电压到达气隙击穿电压Ui后，气隙将发生击穿。气隙初次击穿后，Ug(t) 急剧下降，当Ug(t) 下降到气隙击穿电压Ui(t)以下时，则放电熄灭，而此时因介质电容残留电荷、介质表面电阻Rg和等离子电阻Rs的存在，介质电容电荷将继续衰减，直至产生数值为Ures的残余电压，将阻碍极性反转后的放电产生[17]。与此同时，电流Id迅速增大，放电电流给绝缘介质充电，Cd上堆积的电荷及产生的Ud(t) 随之迅速增大，Ud(t)最大值为Ua-Ures。在半个周期内，从放电起始到达到Ures前的气隙电压Ug(t) 为

由于电荷的留驻效应，当电压极性快速反转时，部分注入的空间电荷仍然停留在聚酰亚胺非晶区的深层陷阱中，电荷注入量大于抽出量[18]，使得Ud(t)不能突变，仍处于较大值；当电源电压Ua(t)降至足够低时，即半波结束后极性反转时，仅通过Ud(t) - Ug(t)所产生的电压，就可以使得气隙反向击穿，这就是当极性刚翻转时电源电压虽然为0 但可发生放电的原因。同时，形成了如图2 和图3 所示的局部放电分簇现象，其第一簇放电缘于上述Ud(t)-Ug(t)叠加电压产生；而处于弱场区的电极-绝缘距离较大，Cd远小于强场区，其电压Ud(t)-Ug(t) 可能无法达到反向击穿电压，此时需要电源电压继续上升，待Ua(t)+Ud(t)-Ug(t) 值达到气隙击穿电压Ui，才能使放电产生。

当频率提高后，正弦电压波形周期缩短，因时间常数τ 相对于高频周期足够大[16,19]，半个周期内电荷衰减时间t 会变短，因而Ug(t) 在半个周期结束后会变大，导致极性反转时Ua(t)+Ud(t)-Ug(t)会变小，所以放电幅值将有所减小。同时，由于正弦电压波形存在上升沿和下降沿部分，频率提高使得发生局放的上升/下降沿时间更加短暂，减小了Ug达到击穿电压Ui的几率，使得两簇放电的次数都有所减少。

4.2 温度对局部放电特性的影响机理

为进一步分析温度对高频绝缘局部放电的影响机理，本文测得聚酰亚胺材料表面及体电导率随温度的变化，如表2 所示。显然，随着温度升高，聚酰亚胺绝缘的体电导率和表面电导率都有所下降。由图8 可见，表面电导率增大即电阻Rs减小，使得气隙放电回路Cg-Rs中的放电电流增大。实际上，表面电导率的增大，提高了放电电子和离子在材料表面的转移速度[8]，增大了切向的放电分量，使得放电向弱场区发展，增加了小幅值放电的次数，击穿点也更靠外（见图10）。同时，温度的升高使得载流子获得足够的动能，易于克服逸出功的势垒，因而提高了电极的热电子发射率，增大了绝缘介质和气隙的空间电荷注入量[18]，容易产生大幅值的放电，即造成了图3 所示的分层现象。另外，由于绝缘的体电导率与放电重复率成正比[15]，温度的升高使体电导率升高，提高了单位时间内绝缘的放电次数。因而，温度的升高使得电极-绝缘系统的放电量和放电次数都有明显提升。

表2 绝缘电阻率随温度变化 Tab.2 Temperature-dependency of the conductivity （单位：S/m）

由于负电荷（一般为自由电子）的迁移速度远高于正电荷的迁移速度，故在电压为正极性时，短时间内负电荷迁移速度较快，导致试品表面电荷密度σ 将大于负极性时的电荷密度[20]，使得电压为正极性时的气隙电场强度较大，因此在电压正半周期上，出现较多的局部放电与较强的放电脉冲；而当温度升高且绝缘体电导率增大时，电荷迁移速度差异更大，使得这一效果变得更加明显。

4.3 温-频协同作用对局部放电特性影响机理

图9 聚酰亚胺薄膜放电区域与击穿点比较 Fig.9 Comparison of the discharge area and breakdown point of PI under different temperatures and frequencies

由图9 可以看出，频率的提高也使得绝缘击穿点外移；相对于低频试样，高频试样放电区域同样 具有扩散趋势，说明频率对切向电场的发展同样具有显著影响。这是因为瞬时增加的电场使得聚酰亚胺中产生电子崩，而单位时间内由雪崩产生放电的电离数与施加电压的频率成正比，每次放电都会在沿面路径的一些点处引发雪崩，即在单位时间内每个雪崩区积累的破坏作用与施压频率成正比。频率提高与温度增加在切向电场中的作用效果相近[21]。

另外，频率的提高使得单位时间内空间电荷注入-抽出的次数增大，容易形成更多热电子，材料受到热电子冲击过于频繁，材料的极化、疲劳和热效应的综合作用进一步加强。随着电压频率的升高，极化引起的损耗增大，导致介质内部温度上升；同时，由于绝缘试品的电容特性，频率越高则产生的位移电流越大，提高了电极的功率密度，高频强位移电流的冲击使电极局部产热量有所增加，在当前温度效应的基础上又进一步促进局放量和放电次数的增加。缘于该温-频协同作用，温度升高对高频试样放电特性的改变幅度较大，但不如频变导致的空间电荷效应对绝缘放电特性的作用明显，具体表象如上节所述。

由于初次放电发生的位置一定是电极与介质接触点附近的强场区，起始放电的沿面分量很小，相比法向场强可以忽略，因而几乎不受表面电导率的影响，温度提升只是使得初始电子更容易激发，在较小程度上降低了局放起始电压；由于初次放电前气隙尚未击穿过，绝缘介质中没有相反极性的空间电荷积累，因而气隙初次击穿电压完全取决于电源电压，此击穿电压为正弦波形上升沿处某一点，和频率（波形的陡峭程度）无关，使得局放起始电压基本不随频率而改变[8]。

5 结论

本文研究了高频正弦模式下固态变压器聚酰亚胺-空气绝缘系统的局部放电特性，阐明了温-频耦合效应对局部放电脉冲幅值、放电次数和平均放电幅值等特征参量的影响规律，并从放电的微电路等效模型及空间电荷积聚/耗散的角度对温-频耦合效应的作用机理开展了探索研究。随着温度升高，局部放电次数、最大放电幅值、平均放电幅值都有所上升，而频率的影响机制则与之相反。绝缘介质电导率的变化以及空间电荷的积聚和消散作用是产生上述现象的主要原因。温度升高使得绝缘表面和体电导率增大，同时提高了介质空间电荷的注入量，提升了放电次数和幅值；频率的提高直接影响到气隙中空间电荷的残留量，阻碍了极性反转后放电脉冲的产生。另外，温度和频率在电热混合场中具有协同作用，一定程度上促进了局部放电的发生，但其作用效果不如空间电荷与电导率明显。

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