液氮温区固-液复合绝缘气体小桥对沿面放电的影响

郑 重 于志诚 杜 赫 黄晓华

(1华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206) (2中国电力科学研究院 北京 100085)

液氮温区固-液复合绝缘气体小桥对沿面放电的影响

郑 重1于志诚1杜 赫1黄晓华2

(1华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206) (2中国电力科学研究院 北京 100085)

采用IEC脉冲电流法(IEC60270标准)对液氮温区超导复合绝缘沿面放电现象及其影响因素进行了研究。在六面屏蔽的局部放电实验室内，研究了不同放电条件对放电起始电压、放电量、击穿电压等的影响，进而研究了其作用机理，并用有限元方法开展了相关计算。实验数据表明，不同放电条件明显影响放电重复率、平均放电量、最大放电量等，放电产生的气泡越容易逸出，放电越严重；液氮的流动使放电起始电压有一定的升高，但对最终击穿电压影响不大；在放电通道上施加阻挡之后可明显提高最终的闪络击穿电压。

液氮温区 超导复合绝缘 沿面放电 产气逸出条件 液体击穿

1 引 言

随着超导材料和超导技术的发展，超导体在电力方面的应用不断深入，低温电工设备正逐步接近产业化水平。超导电力设备应用的电压等级提高，研究低温条件下绝缘材料电气性能愈加重要，液氮环境中绝缘材料的沿面闪络问题成为超导电力设备外绝缘设计着重考虑的问题[1]。然而目前业界对液氮环境中绝缘材料沿面闪络问题的研究大都局限在与其它环境中(如绝缘油、真空等)相同的研究方向，而针对液氮本身更易气化、更易形成放电通道的特点，以及这些特点对于沿面放电的影响，所做的研究相对较少。

关于液-固交界面的闪络机制，Atten P等在实验中发现玻璃在变压器油中发生闪络时沿面放电通道的电压降梯度(即场强)与空气中相等，指出固-液闪络的通道可能在于气液的交界面，或者就是气体通道[2-3]。其他国外学者推测液-固交界面的闪络也发生在介质表面附着的气体通道中，提出用二次电子崩理论来解释固-液界面的闪络，认为3结合点处发射的电子，在电场作用下朝阳极运动，在移动的途中与介质表面发生碰撞并伴随着二次电子发生，绝缘体表面开始脱气形成气化层在电子碰撞下气体发生电离，产生新的电子和离子，新的电子在电场作用下重复上述行为，最终导致形成闪络通道。绝缘表面的脱气形成气化层对发生闪络起着至关重要的作用[4]。

本文中以环氧树脂板为支撑板，以聚酰亚胺薄膜为试品，人为制造不同的放电条件，探究气体通道对沿面放电的影响，对液氮中沿面闪络现象的机制进行了初步的探讨。

2 实验装置和实验步骤

2.1 实验装置

实验系统接线图如图1所示。系统采用110 kV无局放试验变压器，保护电阻10 kΩ。实验在六面屏蔽的局部放电试验室内进行(背景噪声小于1pC)。局部放电的测量方式为IEC脉冲电流法，仪器使用MPD600局部放电测量仪，其检测带宽300 kHz，中心频率250 kHz，检测灵敏度1pC。

图1 系统接线图Fig.1 System principle

测试电极试品及支架如图2所示。其中实验电极为尖-板电极(黄铜)以构造极不均匀电场，尖端到板的距离为26 mm，其余尺寸如图2中所示(单位：mm)，其中尖电极接高压端， 板电极接地。实验时以环氧树脂板作为支撑板(最底层)，试品薄膜(试品位于中间层)平铺于环氧树脂板支撑板上方、电极(电极在最上层)下方，从上到下依次为电极、试品、支撑板。试品薄膜分别为：聚酰亚胺、PPLP(聚丙烯压层纸)、Nomex(聚芳酰胺纤维纸)。

图2 试品模型Fig.2 Test model

2.2 实验内容与方法

对以下4种不同放电条件进行实验并分析结果：

(1)不同放电产气逃逸条件对于放电的影响；

(2)放电阻挡情况对于放电过程的影响；

(3)液氮流动对于放电的影响；

(4)不同固体绝缘试品对于放电过程的影响。

在每次实验开始之前使用酒精对试品和电极表面进行擦拭，保证表面光洁没有污渍。然后将试品放于装有液氮的容器中，使液氮完全没过试品。在加压之前使用配套的标定仪对系统进行放电量标定。并等到液氮平静不再沸腾，且液氮上方呈现一层薄雾后(此时液氮较为平静)，开始实验加压。通过控制台缓慢加压至检测放电量达到5pC，记录电压值为起始电压。随后每次加压2 kV，加压时间间隔1 min，记录相关放电数据，直至发生闪络击穿，加压过程示例如图3所示。记录整个过程中起始电压、放电量、放电次数与放电相位、击穿电压等信息。

图3 加压过程示例Fig.3 Voltage rise process

3 实验结果与分析

3.1 放电发展过程与放电相位

实验过程中试品表面放电量随电压增加的变化如图4所示，其中横轴代表加压时间，纵轴(左)代表放电量，纵轴(右)是电压等级。从放电量中可以明显看出整个放电击穿过程经历了起始、发展、击穿3个过程，在击穿时放电量较之前急剧增加。这与常温下油纸绝缘沿面放电有类似之处。

图4 放电量随电压变化图Fig.4 Variation of discharge with voltage

观察其放电相位也具有明显的沿面放电特征[5-6]，如图5所示，放电集中在一、三象限，且具有明显的不对称性。这是由于采用尖-板电极产生极不均匀电场所导致的。

图5 典型沿面放电相位谱图Fig.5 PRPD of surface discharge

3.2 不同产气逸出条件对放电的影响

当气泡产生于绝缘固体与液氮交界面时，如果产气面上方是固体下方是液体(试品正面朝下)，则气体无法直接逸出，积聚于固体表面。如果产气面上方是液体下方是固体(试品正面朝上)，气体可以直接逸出，但速度较慢。如果固液交界面平行于重力方向(试品侧放)，气泡可以聚集形成烟囱效应[8]，气体逃逸速度最快。显然，这3种条件下放电特性应该是不一样的。

以图2中电极所在面为正面，分别在试品正面朝上、正面朝下、试品侧放(固液交界面平行于重力方向)3种条件下进行沿面放电实验，以达到人为制造不同产气逸出条件的目的。

利用MATLAB对放电数据进行处理分析，计算得出其放电重复率，平均放电量，最大放电量随电压等级提升的变化规律，绘制如图6、图7、图8所示。从这些图中可以看到，当试品侧放时，放电重复率与平均放电量、最大放电量都是最大的，说明此时放电较容易发生，而当试品正面朝上或朝下时，以上3个物理量都小得多的，说明此时放电较难发生。后两者相比较而言，放电重复率相差不多，而试品正面朝下时平均放电量较大而最大放电量较小，即放电比较平均。这是因为当试品侧放时，由于烟囱效应，放电产生的气泡最容易上升逸出，而放电的扰动又使气泡相互碰撞加剧，形成较多大的气泡，使放电重复率、放电量都有较大的增长。试品正面朝下时，则气体无法直接逸出，积聚于固体表面。而固体温度比气泡低得多，热导率大且比热容大，气泡遇冷急剧收缩，不易形成大的气泡[7]。从而放电量也比较小。

图6 重复放电率Fig.6 Discharge repetition rate

图7 平均放电量Fig.7 Average PD capacity

图8 最大放电量Fig.8 Maximum PD capacity

由以上分析有理由认为沿面放电发生在聚酰亚胺和液氮交界面的气化层中。初始放电产生的热量使液氮气化，形成放电通道。在放电的发展过程中，气泡体积的大小，逸出条件的好坏，都会影响气泡内电离出的电子的运动规律，进而影响放电的发展。气泡越容易逸出，运动的气泡越容易带动电子向前发展，放电现象越严重。这符合上述的实验结果。因此对于正常运行的过冷液氮温区超导系统，对其危害最大的放电是沿固体绝缘的侧面(固液交界面平行于重力方向)的放电，这是在实践中应该努力避免的。

3.3 放电阻挡情况对于放电过程的影响

由3.2的分析中可以看出放电很有可能是在气体通道中进行的。因此，研究了路径阻挡对过冷液氮温区超导复合绝缘沿面放电的影响。

将试品薄膜中间折起，使之产生约10 mm高度的阻挡层后(如图9所示)，通过对实验结果分析，发现该阻挡层对于放电的起始电压，发展过程中的放电重复率，平均放电量，最大放电量基本无影响，但是能将闪络电压提高20%左右(如图10所示)。这是因为当沿面放电开始发生时，放电局限于电极尖端附近，阻挡层效果无法体现。但当放电加剧向前发展时，由于阻挡层的存在，放电必须沿阻挡层的表面爬行[9]，而阻挡层的表面又是垂直于电场方向，电荷在此不受电场力驱动，因此闪络电压能有较大提高。基于此认为，在过冷液氮温区超导复合绝缘系统中，在易产生沿面放电的位置多设置垂直于电场方向的棱状阻挡层是有利于减小放电影响的。

图9 介质阻挡的图示Fig.9 Dielectric barrier

图10 有/无阻挡情况下交流闪络电压Fig.10 AC flashover voltage with/without barrier

3.4 液氮流动对于放电的影响

3.4.1 液氮流体力学仿真

由于实际运用的超导装置中的液氮都是流动以带走热量的，故而本文设计实验使试品表面上方的液氮垂直于电场方向流动，以带走放电产生的气体，观测其对于放电的影响。实验模型图如图11所示，图中单位：mm。如图所示，液氮入口接一根软管，软管另一端接带阀门的液氮罐。实验时将液氮罐阀门打开，液氮从入口流入，从出口自然溢出。

图11 流速实验模型图Fig.11 Simulation model

因为实验条件的限制，不能对沿面放电可能发生位置的流速进行测量，故对此进行仿真计算，通过建模，利用进出口流量计算出局部放电通道可能位置(环氧树脂平板中心上方3 mm左右)的流速大小。在实际实验中，将液氮存储容器放在电子计量秤上，利用其质量随时间的变化情况，计算出每秒钟从软管流入容器的液氮质量，液氮质量变化如图12所示。将每一时间间隔的质量变化取平均值，即可计算出进口软管质量流速。通过后面的计算可知进液口的质量流速应该在2 g/s左右，通过调节液氮存储容器的出口阀门，最终实验流速为1.7 g/s。

图12 液氮存储容器质量变化Fig.12 Quality change of storage container

通过仿真计算，可以得到整个流体域的流速分布，为了便于分析，在整个流体域取出三维截面来进行分析，横向截面如图13所示，三维截面的流速分布如图14所示。

图13 竖直-横向截面Fig.13 Vertical cross section

图14 竖直-横向截面速度大小分布图Fig.14 Sectional velocity distribution diagram

最后对关键节点的液氮流速(或流量)进行了计算，所得结果见表1。由表1可知，进出口流量基本相同，与理论相符，并且环氧树脂平板上方3 mm处流速为5.47 mm/s。此流速将作用于试品上方的气体通道上。

表1 相关参数计算Table 1 Calculated parameters

3.4.2 液氮流动对放电影响的结果与分析

按上述流量控制进行实际的实验操作。电极与试品的布置与前述装置一致，只是增加了液氮流动控制部分。液氮流入端通过控制液氮罐出口阀门大小达到设计的流量。在设计流速下加压至产生沿面放电，记录起始放电电压。继续加压直至闪络击穿，记录放电过程中相关放电数据。实验结果表明，液氮流动方向垂直于电场方向时，对放电过程参数和放电通道(痕迹)有明显影响。而平行于电场方向时对以上各参量无明显影响。图15、图16、图17分别是液氮横向流动和无液氮流动时平均放电量、最大放电量和放电重复率的比较。

图15 平均放电量Fig.15 Average PD capacity

图16 最大放电量Fig.16 Maximum PD capacity

图17 放电重复率Fig.17 Discharge repetition rate

由以上图中可看出，加了横向于电场的流动液氮后对放电有明显的抑制作用，尤其对最大放电量及放电重复率的作用更显著。同时比较起始放电电场强度(根据放电电极几何模型由有限元仿真软件计算所得，为起始放电电压所对应的尖板电极尖端的电场强度)和闪络电压发现，加横向流动液氮之后，起始电场强度有明显提高，对闪络电压无影响。而纵向流动液氮对于起始放电场强、闪络电压以及各阶段放电量均无影响，如图18、图19所示。

图18 液氮流动与否起始放电电场强度Fig.18 Initial discharge field with/without flowing liquid nitrogen

图19 液氮流动与否闪络电压Fig.19 Flashover voltage with/without flowing liquid nitrogen

以上分析中可以总结出，在施加垂直于电场方向的流速之后，流动的液氮将放电产生的气泡带走，阻碍了放电通道的进一步形成，故而抑制了放电过程中的放电量、放电重复率以及起始放电电压[10]。但是对于闪络击穿电压，由于击穿是瞬间完成的，流动的液氮对击穿电压影响不大。

实验结果中还发现在施加横向流动液氮之后，放电通道的形成路径受到了影响，放电路径偏向流速方向，如图20所示。图中可以明显看出，放电路径偏向了液氮的流动方向，说明由于液氮的流动，使通道形成所必须的气泡发生了偏移，也可以从放电通道痕迹的角度证明放电发生在试品表面上方一定距离的气体通道中。从实验结果中可以看到，当液氮垂直于放电方向流动时，即使流速非常小(5.5 mm/s)，对放电的起始电场、放电量与放电重复率都有将近一个数据级的变化，极大地抑制了放电的产生与发展。但当电场过高时，由于击穿是瞬间完成的，流速对击穿电压影响不大。

图20 液氮流动对放电痕迹的影响Fig.20 Effect of flowing liquid nitrogen on discharge traces

3.5 不同固体绝缘试品对于放电过程的影响

沿面放电很大程度上取决于固体表面特性，特别是其表面粗糙程度。对液氮超导设备中常用的3种固体绝缘材料：聚酰亚胺、PPLP(聚丙烯压层纸)、Nomex(聚芳酰胺纤维纸)，进行沿面放电实验，比较3种材料的放电特性。结果表明在相同等级电压下，3种试品的平均放电量，最大放电量，放电重复率有较大区别，分别如图21、图22、图23所示。

图21 不同种类试品平均放电量Fig.21 Average PD capacity of different test items

图22 不同试品最大放电量Fig.22 Maximum PD capacity of different test items

图23 不同试品放电重复率Fig.23 Discharge repetition rate of different test items

从平均放电量、最大放电量、放电重复率3个指标来看，都满足Nomex(聚芳酰胺纤维纸)>PPLP>聚酰亚胺薄膜。即Nomex(聚芳酰胺纤维纸)最易放电，而聚酰亚胺薄膜放电量和放电重复率最低。推断原因是Nomex(聚芳酰胺纤维纸)试品的表面最粗糙，故而表面分布大量陷阱(电子触发极化松弛理论)，对电荷的储存能力强，在放电过程中电极放电区域的外围表面储存了大量的空间电荷，故而在加压放电过程中，外围的空间电荷也会感应产生次生放电，使放电过程中的平均放电量、最大放电量和放电重复率都明显加大。

图22显示3者最大放电量可以达到十几nC，远大于图21中平均放电量中的数百pC，这说明放电分散性非常大，放电中大部分都是小放电且次数远远大于大放电次数，以致平均放电量较低。图23显示Nomex(聚芳酰胺纤维纸)与PPLP的放电重复率高达70 000次每秒。分析认为是两者表面电阻性高，空间电荷难以释放，导致沿面分布的空间电荷二次放电，故放电重复率较高。

同时实验发现不同绝缘试品的沿面放电起始场强和闪络电压也有明显区别，分别如图24和图25所示。图24显示起始放电电场PPLP>聚酰亚胺薄膜>Nomex(聚芳酰胺纤维纸)。图25显示击穿电压Nomex(聚芳酰胺纤维纸)>PPLP>聚酰亚胺薄膜。其中Nomex(聚芳酰胺纤维纸)试品的起始放电场强低而闪络击穿电压高，说明其表面电阻较大，一方面有利于电场集中，使放电容易发生，另一方面由于大量电荷堆积，对放电发展有阻碍作用，以致其闪络电压升高。同时击穿电压由高到低顺序也满足试品材料粗糙度由大到小的顺序，本文认为试品表面粗糙度越高，在放电的过程中表面积聚的电荷越多，这些电荷形成反向电场，削弱了原来的电场强度，致使闪络电压升高。

图24 起始放电场强Fig.24 Initial discharge field

图25 闪络电压Fig.25 Flashover voltage

4 结 论

采用IEC脉冲电流法对液氮温区超导复合绝缘沿面放电现象及其影响因素进行了研究，探究不同放电条件对放电起始电压、放电量、击穿电压等的影响，进而研究了其作用机理。实验结果表明正常运行的过冷液氮温区超导系统，对其危害最大的放电是沿固体绝缘的侧面(固液交界面平行于重力方向)的放电，这是在实践中应该努力避免的。对于电缆一类圆柱形设备，当这一类交界面不可避免时，应采取相应措施，如增加阻流肋板等结构，以减少气泡的流动性。

在过冷液氮温区超导复合绝缘系统中，在易产生沿面放电的位置多设置垂直于电场方向的棱状阻挡层是有利于减小放电影响的。

还同时探究了液氮流动对于放电的影响，实验结果表明当液氮垂直于放电方向流动时，极大地抑制了放电的产生与发展，使起始放电电压、放电量、放电重复率都小于液氮不流动的情况。但对击穿电压影响不大。实践中可将易于产生放电的器件置于液氮垂直于电场方向的流动方向处。

最后对比了3种常用的不同低温超导绝缘材料的放电特性，认为在实际应用中，可以考虑在强电场区域使用PPLP，以降低沿面放电产生的可能性，而在整体绝缘区域使用Nomex(聚芳酰胺纤维纸)，以提高系统的击穿电压水平。

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Effect of gas bridge on surface discharge between solid insulation and liquid nitrogen

Zheng Zhong1Yu Zhicheng1Du He1Huang Xiaohua2

(1Beijing Key Laboratory of High Voltage&EMC，North China Electrical Power University，Beijing 102206，China) (2Electric Power Research Institute of China，Beijing 100085，China)

The IEC method of pulse current was adopted to study the surface discharge between solid insulation and liquid nitrogen. The influence of different gas escaping condition on the initial discharge voltage，discharge capacity and breakdown voltage effect and its mechanism of action were studied. Experimental data show that the gas escaping condition significantly affects the discharge repetition rate，average discharge quantity and the maximum discharge capacity. The easier the produced bubbles escape，the more serious the discharge will be, the flowing of liquid nitrogen increased the inception voltage，but had no effect on the final breakdown voltage.

temperature zone of liquid nitrogen；composite insulation in superconducting equipment；surface discharge；escape conditions of bubbles；flow of liquid nitrogen

2016-04-11；

2016-06-19

中央高校基本科研业务费专项资金(No.13MS02)项目。

郑重，男，41岁，副教授。

TB663

A

1000-6516(2016)04-0027-08