脉冲电压下纤维素绝缘纸局部放电特性的综合实验设计

严家明， 周一恒， 陈 奎， 徐瑞东

（中国矿业大学a.电气工程学院；b.信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

随着“双碳”目标的推进，越来越多的电力电子变压器在新型电力系统中投入使用，成为新型电力系统能量转换和传输的核心［1-2］。电力电子变压器受到上升时间短、频率高、幅值大的重复方波脉冲电压长期作用，其中的油纸绝缘面临更加严酷的电磁环境，极易发生局部放电（简称局放），导致绝缘提前失效［3-5］。因此，研究脉冲电压下纤维素绝缘纸的局部放电特性，对于创造新型耐局部放电绝缘纸，提高绝缘故障诊断效率，进而保障变压器及电网的安全运行，具有重要的理论意义及实际应用价值。

目前，脉冲电压下绝缘的局部放电研究主要集中在聚酰亚胺、环氧树脂、聚乙烯等电机电缆类绝缘材料［6-8］；纤维素绝缘纸的局部放电研究主要在单一的交流电压、直流电压或交直流复合电压下进行［9-12］，获得了相应条件下绝缘纸的局部放电特性及破坏机理，并基于局部放电探讨了绝缘纸健康状态的诊断技术。对于脉冲电压下纤维素绝缘纸的局部放电，文献［13-15］中研究了纳秒脉冲电压或冲击脉冲电压累积作用损伤后油浸纸的击穿规律和“工频”局部放电特性；虽然文献［16-18］中研究了谐波电压作用下油纸绝缘的局部放电特性及其失效模型，但谐波电压的上升（或下降）时间远高于脉冲电压的上升（或下降）沿。目前，脉冲电压下纤维素绝缘纸的局部放电特性研究还鲜见深入报道。

培养“多元化、创新型”的卓越工程人才已成为“新工科”建设的一个主要目标［19］。局部放电实验在工程实践中在已成为评估电力设备绝缘状态的常规预防性实验之一，在实践教学中也已成为电力类学生必须重点掌握的专业实验项目之一。但传统局放实验教学主要在交流电压下开展，重点进行放电信号的检测、特征量提取及发展规律分析，实验内容相对陈旧，难以向学生展示最新的学科前沿成果；同时，传统局放实验教学主要依托于信息学科的理论与技术，学科层次单一，忽视了放电信号的发生、发展与材料理化性能的关联，不利于学生知识多元化复合培养；另外，传统局放实验教学中，实验的内容、方法及步骤等往往由教师提前设定好，学生只需被动接受和执行，学生参与实验的积极性和主动性不高。随着特高压技术的发展及新型电力系统的建设，亟待优化电力专业中局部放电实验教学的内容及模式。

本文设计了脉冲电压下纤维素绝缘纸局部放电特性实验，利用扫描电镜、微水测试仪和高阻仪，测量了绝缘纸的表面形貌、水分含量、表面及体积电导率；参考局部放电测量标准，并利用高速示波器检测了绝缘纸的放电起始电压、单次及周期局部放电信号；对比了脉冲和交流电压下绝缘纸的放电特性，并分析了理化性能与放电特性之间的关联。实验设计基于教师科研成果；实验内容涉及物理、化学、材料和电气等多学科交叉；实验过程涵盖材料处理、模型制作、数据采集及测量结果对比分析等多环节配合；同时，采用类比推演的教学方法引导学生由传统实验逐渐走近学科前沿。

1 实验设计

1.1 实验材料及模型

（1）实验材料。实验采用厚度0.5 mm的普通纤维素绝缘纸（即牛皮纸），克拉玛依25＃矿物绝缘油。首先，将绝缘纸裁剪成直径70 mm圆片；然后，根据实际变压器绝缘处理工艺［20］对绝缘纸进行预处理：将裁剪好的绝缘纸在温度90 ℃、真空度＜50 Pa 条件下脱气并干燥48 h，以尽可能脱去纸中水分；随后，在温度40 ℃、真空度＜50Pa条件下用已脱气的新矿物油将绝缘纸充分浸渍24 h。

（2）实验模型。制作如图1 的局部放电模型，其中电极参考标准GB／T 1048.1—2016《绝缘材料电气强度试验方法（第1 部分：工频下试验）》制作；预处理后的油纸试品置于上、下电极之间；整个电极浸于充满矿物油的有机玻璃容器中；同时，模型带有循环装置以控制油流状态。

图1 局部放电模型

1.2 实验过程

（1）实验系统搭建。搭建如图2 的油纸局部放电实验系统：将一批放电模型置于恒温箱中，并根据标准GB 1094.2-2013《电力变压器第2 部分：液浸式变压器的温升》，设置恒温箱为80 ℃以模拟油纸实际运行环境；将试验变压器或脉冲电源通过保护电阻向放电模型分别施加工频交流电压或方波脉冲电压；同时，利用高压探头（Tektronix P6015A）测量施加电压的大小及相位，并利用高速示波器（LeCroy WaveRunner 604Zi）检测油纸试品的局部放电信号。

图2 实验系统电路

（2）实验电压施加。为便于观测，选择在低频电压、静止油体下进行油纸局部放电破坏实验：当施加交流电压时，交流工频，且以工频交流下油纸放电起始电压的1.5 倍作为施加电压；当施加脉冲电压时，以与工频交流施加电压同频率、同峰值的双极性连续方波脉冲电压作为施加电压，脉冲边沿（上升或下降沿）100 μs。

根据前期预备实验，施加本文设定的工频交流电压和方波脉冲电压后，油纸将分别在约200 h和约160 h后发生沿面闪络击穿，一旦发生沿面闪络击穿则放电破坏过程结束。

1.3 特性测量

将整个放电破坏过程平均分为5 个阶段：初始（前期）、中前期、中期、中后期、后期；在每一阶段，采集放电信号，并取出部分绝缘纸及绝缘油试品分别进行理化及放电特性测量。

每阶段取样时间分别为：交流电压下“初始（0 h）、中前期（45 h）、中期（90 h）、中后期（135 h）、后期（180 h）”；脉冲电压下“初始（0 h）、中前期（30 h）、中期（60 h）、中后期（90 h）、后期（120 h）”。

（1）理化性能。利用扫描电镜（SEM，型号JSM-6460LV）观测油纸的微区形貌；利用由卡尔菲休库伦滴定仪（型号DL32）与干燥炉（型号DO308）联用的微水测试仪，测量绝缘油和绝缘纸中的水分含量。

根据GB／T 1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》，采用高阻仪（型号Agilent 4339B），测量油纸的表面电导率和体积电导率，并取5个试品的测量均值。

（2）放电特性。参考GB／T 7354—2018《局部放电测量》，利用高速示波器实时采集由脉冲电流传感器感应的油纸放电信号，其中以1G／s 采样率采集单次放电信号、以500M／s采样率采集周期放电信号。

同时，基于实验模型中的电极系统，参考放电测量标准GB／T 7354，采用阶梯升压法（升压速度0.2 kV／s）分别在交流电压下和脉冲电压下测量油纸的放电起始电压，并取5 个试品的测量均值。

2 实验结果及分析

2.1 油纸理化性能

2.1.1 表面形貌

利用SEM测得的放电破坏过程中油纸表面形貌如图3 所示。初始阶段：表面纤维纹路清晰、完整，且具有较强立体感和辨识度（图3（a））。中期阶段：在交流电压放电破坏下，纤维表面更加平整，立体感消失（图3（b）中①）；而在脉冲电压放电破坏下，纤维出现明显的分丝帚化现象，甚至形成网状分丝（图3（b）中②）。后期阶段：在交流电压放电破坏下，纤维也出现分丝帚化现象，并有轻微断裂出现（图3（c）中①）；而在脉冲电压放电破坏下，纤维已出现明显裂痕，并有镂空出现，且纤维表面有晶状固体生成（图3（c）中②）。

图3 油纸表面形貌SEM图

因此，脉冲电压放电过程中，油纸表面纤维逐渐破坏，粗糙度逐渐加深，且放电破坏较同期交流电压下的放电破坏更加严重。

2.1.2 水分含量

水分是绝缘的天敌［21］，严重影响材料的绝缘性能。实验测得的油纸体系水分含量如图4 所示：放电破坏过程中，不论交流还是脉冲电压下，绝缘纸和绝缘油中的水分含量均呈逐渐增长趋势，但水分主要分布在绝缘纸中；同时，在脉冲电压放电破坏作用下，绝缘纸和绝缘油中的含水量均“高”于同期交流电压放电破坏作用下的含水量。

图4 油纸体系水分含量

绝缘纸和矿物油均由含碳（C）、氢（H）、氧（O）的化合物混合构成。在放电作用下，碳氢键（C—H）和碳氧键（C—O）易被打断，形成游离态的碳（C）、氢（H）、氧（O）；游离态碳（C）沉积于绝缘表面形成油泥斑点，游离态氢（H）和氧（O）极不稳定，易结合形成水分（H2O）；故放电破坏过程中油纸体系的水分含量逐渐增长、表面沉积碳逐渐增多。油纸体系中水分分布是个动态平衡过程，由于绝缘纸中纤维素分子的羟基（OH）易于吸引水分（H—OH）而形成氢键（O—H…O），故水分主要分布于绝缘纸中［22］。同时，脉冲电压边沿突变（du／dt→0）产生的瞬时电场力，加速了放电过程中油纸分子共价键的断裂，导致形成更多的游离态碳（C）、氢（H）、氧（O），进一步加剧了水分及沉积碳的形成，从而在脉冲电压放电破坏作用下，绝缘纸和绝缘油中的含水量以及表面碳的沉积量均“高”于同期交流电压放电破坏作用下的含量。

2.1.3 电导率

绝缘材料在运行中须保持低电导特性，这是保障电气设备安全运行的基本要求。

实验测得的油纸表面及体积电导率如图5 所示：放电破坏过程中，不论交流还是脉冲电压下，油纸的表面及体积电导率均呈逐渐上升趋势；同时，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸的表面及体积电导率均“高”于同期交流电压放电破坏作用下的表面及体积电导率。

图5 油纸表面电导率（γS）及体积电导率（γV）

水分和碳均具有“高电导”秉性。随着放电破坏过程中绝缘纸水分含量的增长以及表面沉积碳的增多，直接导致了油纸的表面及体积电导率上升。放电破坏过程中，绝缘纸在脉冲电压下的含水量本就“高”于同期交流电压下的含水量，伴以脉冲电压放电破坏作用下油纸表面较交流电压放电破坏作用下更加粗糙，导致油纸表面更多的分丝帚化微细纤维突出到绝缘油中并与其密切接触，将加剧绝缘纸对油中水分的吸附，则进一步提升了绝缘纸在脉冲电压放电破坏作用下的含水量；同时，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸表面的碳沉积量也“高”于同期交流电压放电破坏作用下的碳沉积量；因此，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸中水分和沉积碳的更高含量也直接导致了其表面及体积电导率均“高”于同期交流电压放电破坏作用下的表面及体积电导率。

2.2 油纸放电特性

2.2.1 放电干扰

实验采集的单次及周期局部放电信号分别如图6和图7 所示：不论交流还是脉冲电压下，局部放电信号均遭受高频干扰；另外，脉冲电压下放电信号还将叠加低频振荡干扰（如图6（b））。高频干扰均匀分布在整个电压周期内，主要为电气设备热噪声引起的白噪声，它构成了放电测试中的主要干扰；低频振荡干扰发生在脉冲电压的边沿处，主要为脉冲边沿突变在系统中引起的低频振荡，其叠加在放电信号中。

图6 单次局部放电信号

图7 周期局部放电信号

小波包可以实现对信号高频和低频分量的分解，从而可分离出信号中的高频及低频干扰［23］。对放电信号利用小波包分离出干扰并进行滤波后，可重构出高信噪比的近似纯净放电信号。本文对实时采集的放电信号均利用小波包进行滤波处理，分离出的高频、低频干扰及滤波后重构的放电信号分别如图8 和图9 所示。故此，脉冲电压下采集的局部放电信号，不仅受常规白噪声干扰影响，还遭受低频振荡干扰影响。

图8 高频及低频干扰

图9 滤波后的单次放电信号

2.2.2 放电起始电压

放电起始电压表征了绝缘发生局部放电的难易程度，也是衡量绝缘耐电性能的重要指标。

实验测得的油纸放电起始电压如图10 所示，放电破坏过程中，不论交流还是脉冲电压下，油纸放电起始电压均呈逐渐下降趋势；同时，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸的放电起始电压均“低”于同期交流电压放电破坏作用下的放电起始电压。

图10 油纸放电起始电压

放电发生的首要条件是须产生能形成电子崩的初始电子［24］。随着放电破坏的持续，油纸绝缘的表面电导率逐渐上升，相应地材料中的陷阱深度逐渐降低，使电子脱陷趋于容易［25］，即在较低电压下就能产生放电所需的初始电子，从而导致放电起始电压降低。同时，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸的表面电导率高于同期交流电压放电破坏作用下的表面电导率，相应地油纸中的陷阱深度变得更浅［25］，从而使得此时油纸的放电起始电压低于同期交流电压放电破坏作用下的放电起始电压；另外，同频率、同幅值条件下，交流电压的上升（或下降）时间远大于脉冲电压的上升（或下降）沿，放电通道中产生的空间电荷在交流电压缓慢上升（或下降）期间因时间充裕将逐渐扩散而消失，但在脉冲电压短暂的上升（或下降）沿内因来不及完全扩散而富集，此时富集的空间电荷易于在较低电压下转变为放电发生所需的初始电子，故脉冲电压的短暂边沿将进一步加剧油纸的放电起始电压低于同期交流电压放电破坏作用下的放电起始电压。

2.2.3 放电相位

实验采集的油纸周期局部放电变化如图11 ～13所示。交流电压下放电可发生于整个电压周期内且分布对称均匀，但脉冲电压下放电主要集中于脉冲边沿处；放电破坏过程中，不论交流还是脉冲电压下，放电相位均有逐渐展宽的趋势，即交流电压放电逐渐向半周期点0°（或180°）扩展甚至超过半周期点，脉冲电压放电逐渐向电压平顶区蔓延。

图11 初始阶段周期局部放电

如交流电压下：初始阶段，放电分布在半电压周期的上升区（图11（a））；中期阶段，放电分布朝半周期点（图12（a））扩展；后期阶段，放电分布进一步扩展甚至超过半周期点（图13（a））。脉冲电压下：初始阶段，放电集中在脉冲边沿处（图11（b））；中期阶段，电压平顶区出现零星放电（图12（b））；后期阶段，电压平顶区零星放电逐渐增多（图13（b））。

图12 中期阶段周期局部放电

图13 后期阶段周期局部放电

随着放电破坏的持续，油纸局部放电起始电压逐渐降低，放电的发生变得越来越容易，即在较低电压下就能发生局部放电，从而导致放电相位逐渐展宽；特别在脉冲电压平顶区，放电场强主要由绝缘表面聚集的放电电荷在扩散后减小其反向电场而获得，但绝缘表面电导率较低、电荷扩散较慢，放电场强的形成需要较长时间，故电压平顶区放电分布零星且稀疏。

2.2.4 放电量及放电次数

对每阶段采集的50 周期局部放电进行统计的结果如图14 所示，放电破坏过程中，不论交流还是脉冲电压下，油纸的放电量、放电次数均呈逐渐增加趋势；同时，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸的放电量均“高”于同期交流电压放电破坏作用下的放电量，但其放电次数均“低”于同期交流电压下的放电次数。采集的油纸周期局部放电变化也直观地表征了这一特征。

图14 油纸平均放电量及放电次数

随着放电破坏的持续，油纸的表面电导率逐渐上升，相应地材料中浅陷阱数量逐渐增多，将促使更多电子能够脱陷而参与电子崩增殖运动并形成放电脉冲［25］，从而局部放电量逐渐增加；油纸表面电导率的上升也将引起其放电起始电压下降，即在较低电压下就能发生放电，从而导致油纸的放电在相位扩展的同时其点位也越来越密集，相应地放电次数逐渐增加。

同时，在脉冲电压放电破坏作用下，油纸的表面电导率均高于同期交流电压放电破坏作用下的表面电导率，相应地脉冲电压放电破坏作用的油纸中浅陷阱数量变得更多［25］，从而使得此时油纸的放电量高于同期交流电压放电破坏作用下的放电量；放电通道中产生的空间电荷在脉冲电压短暂的边沿内富集，将为放电脉冲提供更多的参与电荷，也更进一步提高了脉冲电压放电破坏作用下的放电量。

另外，在脉冲电压放电破坏作用下，虽然油纸的表面电导率均高于同期交流电压放电破坏作用下的表面电导率，理论上油纸的放电次数有高于同期交流电压放电破坏作用下放电次数的趋势，但脉冲电压短暂的边沿使得发生放电的时间区间变短，且脉冲电压平顶区仅出现零星稀疏放电，故此时油纸的放电次数较交流电压放电破坏作用下的放电次数低。

3 教学模式及特色

3.1 教学模式

类比推演是将某一类对象的属性、内容或方法等引申推演至另一类对象，它是引导人们发现、认识和分析新问题的有效途径。但在传统的实验教学中，往往是教师事先设定好了实验的内容、方法及步骤等，学生被动接受和执行，而忽视了根据认识规律对学生进行的引导，学生的积极性和主动性不高，影响了实验教学效果。

本实验采用类比推演的教学方法，从传统的绝缘纸交流电压放电入手，将交流电压放电实验的实验设计—特性测量—结果分析环节的内容、方法等类比推演至脉冲电压放电，即由传统实验推演扩展至学科前沿，引导学生循序渐进地认识并逐步展开分析，提高了学生参与实验的积极性，使学生在掌握绝缘纸传统交流电压放电的基础上，拓展其对绝缘纸脉冲电压放电的理解，提高了实验教学效果。

3.2 教学特色

（1）科教协同，培养科研创新意识。科教协同是实现新工科建设目标的主要手段之一，也是培养学生创新能力的重要驱动途径。但传统实验教学的内容相对陈旧，且往往长期不变，难以反映学科的当前研究成果及发展前沿，降低了学生们的探索热情，也不利于创新能力的培养。

本实验利用教师的科研成果反哺于实验教学，优化实验教学设计，在传统的绝缘纸交流电压局部放电实验基础上，探索绝缘纸脉冲电压放电特性这一前沿问题，拓展了学生的视野，使学生能够近距离接触学科发展前沿，激发了学生的实验兴趣及探索热情，培养了学生的创新意识。

（2）多学科交叉，提高知识综合运用能力。学科层次多元交叉、渗透、融合是实现问题全面、深入解决的重要手段，也是创新问题解决方法的重要源泉。但传统实验教学中往往实验内容、实验手段单一，且以单学科知识点为主，实验也多侧重于过程的演示和结果的验证，缺乏与其他学科的融合交叉，忽视了学生多学科知识综合运用能力的培养。

本实验不仅涉及物理、化学、材料及电气等学科的相关理论知识，还包括多种理化测试仪器及测量手段的综合使用，同时在测量基础上还对理化性能与放电特性之间的关联进行了交叉分析，锻炼了学生操控多类型仪器设备的实践动手能力以及运用多学科知识分析解决问题的综合应用能力，实现了对人才的多元化复合培养。

（3）多环节配合，锻炼团队协作精神。科学问题特别是重大科学问题的解决，往往需要通过顶层设计，并由多部门、多学科层层协作共同完成，故需要科研人员具有优良的团队协作精神和品质。

本实验周期较长、测试内容较多，涉及模型制作、材料处理、数据采集以及测试结果对比分析等多环节配合，需多人分工协作共同完成，这就要求实验任务须有合理的分工、实验过程须有规范的交接流程及完善的合作制度，这将极大地培养和锻炼学生的合作意识和团队协作精神。

另外，本实验多次运用电力行业标准及规范，需要学生自行检索并熟悉，提高了学生的文献检索文献能力，并丰富了学生的行业知识。

3.3 教学实践效果

基于上述实验平台和教学方法开展了3 个教学周期的教学实践，学生参与实验的积极性大幅提高，实验过程中较多学生能主动提问并与同组学生进行讨论；提交的实验报告质量也有大幅提升，且大部分报告中都有研究与讨论的内容。对学生实验报告及满意度问卷统计表明：学生实验报告优良率达80%以上，学生满意度达93%以上，两项指标均达较高水平。

同时，以该实验平台为基础，已有5 人次学生申请了国家级及省级大学生创新训练项目，并有多人次学生在互联网+大学生创新创业大赛和电气工程创新大赛等赛事中获奖。

4 结语

本文设计了脉冲电压下绝缘纸的局部放电实验，测试并对比分析了脉冲电压和交流电压下油纸的放电起始电压、放电干扰、放电次数、放电量等放电特性以及放电破坏后油纸的形貌、水分及电导率等理化性能，同时探讨了其放电特性与理化性能之间的关联。该实验能使学生在掌握绝缘纸传统交流电压放电特性的基础上，拓展其对绝缘纸脉冲电压放电特性的理解。

本综合实验基于教师科研成果进行实验设计，使实验教学紧跟学科前沿以实现科教协同，培养了学生的创新意识；实验内容涉及物理、化学、材料和电气等多学科交叉，并有多类型理化实验仪器和手段的综合使用，扩展了学生视野，提高了学生多类型仪器及实验手段的操控能力及多学科知识的综合运用能力；实验过程包含材料处理、模型制作、数据采集及测量结果对比分析等多环节配合，锻炼了学生实践动手能力及团队协作精神；同时，采用类比推理的教学方法引导学生由传统实验逐步走向学科前沿，提高了学生参与实验的积极性。

本实验还可作为各类大学生创新创业训练项目或电气创新大赛等的实践平台。