高频电老化过程中油纸绝缘表面电荷积聚消散特性

吴楠，李晓楠，李赫，蒋鹏，李奕萱

(1. 中车长春轨道客车股份有限公司，长春130062；2. 西南交通大学电气工程学院，成都610031)

0 引言

电力电子变压器具有体积小、重量轻和功率因数可调等优点，受到国内外学者的广泛关注[1 - 5]。高频变压器作为电力电子变压器中的重要组成部分，与电力电子变换器连接，长期工作在上升时间短、幅值大、频率高(400 Hz～20 kHz)的重复脉冲电压下，频繁的高频脉冲致使绝缘过早失效[6 - 8]。已有研究表明高频脉冲下绝缘老化与电荷弛豫特性存在关联关系[9]，但是高频电老化过程中油纸绝缘介质表面电荷的变化特性及其对绝缘老化的影响机制尚不明确，因此需要对不同高频电老化周期油纸绝缘介质的电荷积聚及消散特性展开研究。

针对高频下电荷积聚与消散特性方面，目前日本Takizawa K[10]和Iwata T[11]等学者研究了低于1 kHz方波电压下聚酰胺-酰亚胺的空间电荷积聚特性，发现施加单极性方波电压时，阳极附近出现异极性电荷；当施加双极性方波电压时，试样体内未观察到明显的空间电荷积聚现象。日本Mima M等人研究了空间电荷对聚酰胺-酰亚胺的电击穿特性的影响，研究发现，方波电压作用下绝缘介质的电荷积聚量远大于交流电压的作用[12]，这是方波的绝缘降解程度大于交流的重要原因。

随后，Mima M等人研究了不同电压波形和占空比的空间电荷分布特性，发现直流电压和方波电压下空间电荷积聚严重，且空间电荷积聚致使绝缘试样的局放起始电压降低，方波电压的占空比对局放也产生影响[13 - 14]。西安交通大学吴锴团队研究了低于1 kHz方波脉冲下交联聚乙烯的空间电荷特性，发现方波电压下更易积累同极性电荷，单极性方波下的空间电荷积累远大于双极性方波，且占空比的增加也会导致积累电荷量的增加[15]。上述文献主要对低于1 kHz的高频下固体绝缘的空间电荷分布特性进行了研究，但对高频油纸绝缘的电荷积聚消散特性研究较少。

本文选取不同高频电老化程度的油浸 Nomex试样(>1 kHz)，采用表面电位衰减法研究了高频油纸绝缘表面电荷积聚特性及消散特性，分析了不同高频电老化程度油浸Nomex纸电荷积聚消散特性的演变规律及油纸绝缘放电影响机理。

1 实验平台

1.1 高频方波电老化平台

高频脉冲下油纸绝缘电老化试验平台如图1所示，选用重庆普尔斯科技有限公司生产的高频脉冲电源PUS-JC-20，可输出0～20 kV，频率0～20 kHz的双极性高频方波脉冲电压，对应的输出电压波形如图2所示。台湾品致PT-5240高压差分探头测量输出电压波形，可测量电压范围为0～40 kV，频宽20 MHz，衰减比5 000:1。C0为耦合电容，Zm为待测试品，MPD600(采样频率40 MHz)与HFCT(型号：Wintech HFCT0015，工作频带：8 MHz ～1 000 MHz)分别为耦合电容法与高频脉冲电流法的放电特征采集器。实验采用阶梯升压法，施加电压小于1 kV时，每10 min升高0.2 kV，施加电压大于1 kV时，每10 min升高0.5 kV，直到试样发生击穿。

试验前，参考现有研究[16]及相关标准[17]，设计针板电极缺陷模型，如图2所示，模拟油纸绝缘实际运行中的尖端缺陷。模型中，高压电极采用钢制医用6号针头，针尖曲率半径约200 μm；板电极直径75 mm；针与Nomex纸间的间隙为0 mm，Nomex绝缘纸在老化试验前进行了干燥浸油处理。

图1 高频老化试验平台Fig.1 High frequency aging test platform

图2 高频测试模型Fig.2 High frequency test model

1.2 高频方波表面电位测试平台

对高频电老化过程中的局部放电特性分析得到在加压到2 kV与5 kV时为放电过程中的两个拐点，因此分别对空白试样、加压到2 kV、5 kV时的试样开展油浸Nomex纸表面电荷积聚与消散特性测试。

如图3所示为高频方波表面电位测试系统。实验采用电晕充电法向试样注入电荷，高频电源选用某国产的脉冲电源设备，利用PicoScope 6触发，可输出0～10 kV，频率0～20 kHz的单极性高频方波脉冲电压，对应的输出电压方波如图4所示，针电极与高频脉冲电源相连，其与油浸绝缘纸试样距离为8 mm，试样放置在可移动的铜板上，板电极接地。实验使用的静电电位计为TREK-341B，有源静电探头型号为MODEL 3455-ET，其与待测物体表面距离3～5 mm范围内可以保证测量结果的稳定，该实验将其固定在可以调节的机械支架上，设置静电探头与绝缘纸表面距离3 mm。

图3 高频方波表面电位测试系统Fig.3 Surface potential measuring system with high frequency square wave voltage output

图4 表面电位测试所用高频方波电压Fig.4 High frequency square wave voltage in surface potential test

实验前将油浸Nomex绝缘纸表面用无水乙醇处理，然后将其置于80 ℃条件下干燥24 h以去除杂质和水分的影响。测量时将试样放置在针电极下方，加压10 min后关闭高频电源，将试样移动到静电探头下方，保证静电探头测试位置与加压位置相同，记录衰减过程中绝缘纸表面电位衰减曲线。

基于上述有源静电探头法测得油浸绝缘纸表面电位值后，可通过线性标度法进行反演计算得到待测点的电荷密度σ[18 - 20]。

σ=uε0εr/d

(1)

式中：u为待测点电位；ε0为真空介电常数；εr为材料的相对介电常数；d为材料的厚度。

由式(1)可知待测点电荷密度与待测点表面电位值成正线性相关，电位分布情况可反应电荷分布情况。因此，文中直接对绝缘材料表面电位分布特性进行分析。

2 实验结果及分析

2.1 空白试样的表面电位积聚与消散特性

基于上述搭建的高频方波脉冲下油纸绝缘表面电位试验平台，开展表面电位试验，研究高频脉冲下油纸绝缘试样表面电荷分布特性，获得绝缘纸试样的初始表面电位及表面电位衰减特性。

对试样的初始表面电位分析发现在高频应力下其与频率遵循一定的关系。利用MATLAB软件对初始表面电位进行数据拟合，结果如图5所示(该拟合曲线的拟合优度R2为0.927)。由图可知，高频油纸绝缘试样初始表面电位和频率间遵循幂函数关系，对应的关系为V0=afb+c， 其中：a为-865.7；b为0.141 5；V0为初始表面电位值。随着施加频率的增加，Nomex绝缘纸表面积聚的电荷量下降，且下降速度逐渐变慢。

图5 不同频率油纸试样初始表面电位拟合曲线Fig.5 Fitting curves of initial surface potential distribution for oil-impregnated Nomex paper at different frequencies

为便于比较分析，用表面电位衰减率V1表示电位衰减程度[1, 21 - 23]。

(2)

式中V6 000为消散时间6 000 s时试样的表面电位。

测得不同频率下试样的表面电位衰减率曲线如图6所示。

图6 高频方波脉冲下油纸试样表面电位衰减率Fig.6 Decay rate of surface potential under high frequency square wave voltages

由图6可知，试样的衰减率曲线呈先上升后下降的趋势，20 kHz时油纸试样的表面电位衰减率最低，约为65.9 %，5 kHz时油纸试样的表面电位衰减率最高，约为 81.6 %，且高频脉冲下油纸绝缘试样的表面电位衰减率呈高斯分布，存在峰值点，并未呈现单一的递增或者递减趋势，对应的高斯函数如式(3)所示。

f(x)=a1·e-((x-b1)/c1)2

(3)

式中：a1=75.48，b1=5.323，c1=36.76。

2.2 不同高频电老化程度试样的电荷积聚与消散特性

选取2 kV和5 kV电老化后的油纸试样，开展高频方波脉冲下油纸试样电老化过程中的表面电位试验，研究高频脉冲下油纸绝缘试样电老化过程中的表面电荷分布特性，获得的电老化过程中初始表面电位与表面电位衰减曲线。

对不同高频电老化程度的油纸绝缘试样分析发现，高频电老化作用下油纸绝缘试样初始表面电位和频率间遵循一定的关系。为分析不同电老化程度初始表面电位和频率间的关系，利用MATLAB软件对其进行数据拟合，拟合的曲线如图7所示。由图可知，绝缘纸表面初始电位随高频电老化程度的增加而下降，且在频率增加的初始阶段油纸绝缘表面积聚的电荷量快速下降，随着频率的增加，下降速度减慢。不同电老化程度油纸绝缘试样初始表面电位和频率间遵循幂函数关系，对应的函数关系和参数如表1所示。

由表可知，随着电老化程度增加，拟合参数a逐渐增加，拟合参数b逐渐降低；与未老化的试样相比，加速电老化至5 kV时的初始表面电位值低于加速电老化至2 kV的值。

图7 油纸试样电老化过程中初始表面电位Fig.7 Initial surface potential of oil-paper samples for electrical aging

表1 不同电老化程度初始表面电位与频率的拟合公式Tab.1 Fitting formula of initial surface potential and frequency at different electrical aging degrees

图8所示为不同高频电老化程度油纸绝缘表面电位衰减率变化曲线。由图可知，绝缘纸表面电位衰减率随老化电压幅值的增加而下降，高频电老化后，绝缘纸衰减率变化曲线仍呈先增加后下降趋势。高频脉冲下不同电老化程度油纸绝缘试样的表面电位衰减率呈高斯分布(如式(3)所示)，对应的高斯分布拟合曲线中的主要拟合参数如表2所示。发现不同高频电老化程度的油纸试样的表面电位衰减率曲线存在峰值点，曲线拟合参数a1和c1随着高频电老化程度增加而下降，即随着电老化程度增加，表面电位衰减率降低。

图8 油纸绝缘电老化过程中表面电位衰减率Fig.8 Decay rate of surface potential during electrical aging of oil-paper insulation

表2 不同电老化程度表面电位衰减率拟合曲线的主要参数Tab.2 Main parameters of the fitting curve of the surface potential decay rate with different electrical aging degrees

在表面电位衰减实验中，表面电荷的消散通常只考虑向绝缘介质内部传输消散，绝缘介质中的陷阱具有捕获电荷的能力，表面电位衰减率与绝缘纸中的陷阱分布特性有关。绝缘介质中被浅陷阱捕获的电荷需要少量能量即可脱陷，浅陷阱的存在使绝缘纸中自由电荷变化率增加，绝缘纸表面积累的电荷可以快速向绝缘纸内部消散。被深陷阱捕获的电荷需要较多能量才能脱陷，难以向绝缘纸内部消散。在高频电老化条件下，油纸绝缘中分子链的排列、断链、极性基团等的存在会导致物理化学陷阱的变化[23 - 25]，进一步导致绝缘纸中衰减率的变化。随着高频老化程度的增加，绝缘纸衰减率下降表明绝缘纸陷阱能级加深或绝缘纸中深陷阱数量增加。

3 讨论

3.1 频率对表面电荷消散特性的影响机制

由已有文献可知，Nomex绝缘纸主要以深陷阱为主，具有较强的电荷捕获能力[20 - 22]。油纸复合后，绝缘油中大部分导电离子吸附在油-Nomex纸复合面，形成电荷陷阱，陷阱密度和深度加深，增强了电荷捕获载流子的能力[6, 20]。加压后载流子被油纸试样中的陷阱捕获，难以脱陷，沉积在油纸试样的表面，致使低频时油纸试样初始表面电荷积聚量最高。

当施加电压的频率增加，高频致热效应使得油纸绝缘介质损耗增大，损耗产热致使油纸绝缘介质的温升升高，温升使得油纸绝缘介质电导率增加，进一步促进介质产热，使得油纸介质表面电荷的消散速度增加，油纸试样表面电荷积聚量减小；另外，施加电压的频率增加，油纸试样逐渐老化，持续一段时间，油纸绝缘介质在高频电应力和高频热效应的作用下，油浸Nomex纸逐渐劣化降解，电导率增加，促进了油纸绝缘介质的表面电荷消散速度，表面电荷的衰减率增加。

当频率继续增加到一定值时，持续一段时间，油纸绝缘介质在高频电应力和高频热效应的作用下，油浸Nomex纸劣化程度增强，油纸绝缘介质中的物理缺陷和化学缺陷增多，进而改变了油纸绝缘介质的陷阱分布特性，即陷阱深度增加，增加的陷阱深度使陷阱电荷的捕获能力增强，表面电荷消散速度降低，即油纸试样表面电荷的初始积聚量的减小幅度大幅降低，电荷衰减率降低。

3.2 高频电老化对初始电子产生机制的影响

载流子在高温高场强下，金属内部大量自由电子克服表面势垒，进入电介质，称为热电子发射与场致发射[6]。由文献可知[6 - 8]，初始电子主要通过背景发射和表面电离2种方式产生，放电所需的有效初始电子主要来源于表面电离。根据Richaedson- Schottky定律，热电子发生与场致发射产生初始电子的概率可表示为式(4)。

(4)

式中：Nsc(t)为t时刻电介质表面可脱陷的电荷数；Ψ为脱陷功函数，表征电荷脱陷的难易程度，与陷阱能级正相关；v0、qe、ε0、K、T分别为光电离常数、基本电荷、真空介电常数、玻尔兹曼常数和温度[6 - 8]；E(t)为电场强度。

4 结论

本文采用表面电位衰减法测量了不同高频电老化条件下油纸绝缘介质的电荷积聚与消散特性，分析了频率及高频老化对初始电子产生机制的影响，得到的主要结论如下。

1)随着施加频率的增加，油纸绝缘表面积聚的电荷量下降，且施加频率与绝缘纸表面电荷积聚特性遵循幂函数的关系。油纸绝缘表面积聚的电荷量随着高频老化程度的增加而下降。

2)油纸绝缘表面电荷衰减率与频率之间呈高斯分布，随着时间频率的增加，衰减率先增加后减小。随着高频老化程度的增加，油纸绝缘衰减率整体呈下降趋势。

3)施加频率低于5 kHz时，绝缘纸表面高频致热效应起主导作用，导致表面电荷衰减率增加；施加频率高于5 kHz时，高频导致的电荷耗散时间起主导作用，表面电荷衰减率下降。

4)随着高频电老化程度的增加，油纸绝缘初始电子产生概率下降。