直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律_王理丽.pdf

直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律王理丽，康钧，王生富，于鑫龙，陈尧（国网青海省电力公司电力科学研究院，青海省高海拔电力研究重点实验室，青海省高海拔电力工程技术研究中心，西宁810008）摘要：换流变压器阀侧油纸绝缘承受直流电压分量，使其局部放电特性不同于普通电力变压器，研究直流电压下油纸绝缘局部放电演化规律对换流变压器绝缘结构优化及状态评估具有重要意义。文中搭建了直流电压下油纸绝缘局部放电实验平台以及电场与电荷分布仿真模型，研究了油纸绝缘针板缺陷的局部放电演化规律与发展机制。发现：平均视在放电量与放电重复率呈先增加再减小最后稳定的规律，平均等效时间呈先减小再增大的规律，平均等效频率发展规律与之相反；负极性放电现象更剧烈，放电脉冲更陡峭；TRPD谱图出现分层现象，等效时频谱图呈右半拱形，并向左半拱形（正极性）或全拱形（负极性）发展；局部放电演化过程中的放电模式由横向沿面放电转变为油隙流注放电，最后再转变为凹陷侧壁的纵向沿面放电。关键词：油纸绝缘；局部放电；电荷分布；流注演变；换流变压器Evolution of Partial Discharge by Needleplate Defect in Oilpressboard InsulationUnder DC VoltageWANG Lili，KANG Jun，WANG Shengfu，YU Xinlong，CHEN Yao（State Grid Qinghai Electric Power Company Electric Power Research Institute，Qinghai Highaltitude Electric Power Research KeyLaboratory，Qinghai Highaltitude Electric Power Engineering Technology Research Center，Xining 810008，China）Abstract:Oilpressboard（oilPB）insulation on valve side of converter transformer withstands DC voltage component，which makes its partial discharge（PD）characteristics be different from those of ordinary power transformers.Itis therefore of great significance to study the evolution of partial discharge in oilPB insulation under DC voltage forthe structural optimization and state assessment of converter transformer.In this paper，an experiment platform of PDin oilPB insulation under DC voltage and a simulation model of electric field and charge distribution are set up.Theevolution and development mechanism of PD in oilPB insulation needleplate defect are studied.It is found that theaverage apparent charge amount and repetition rate firstly increase，then decrease and finally stabilize.The averageequivalent time firstly decrease and then increase，which is the opposite to the average equivalent frequency development.The phenomenon of negative polarity discharge is more intense and the discharge pulse is steeper.The TRPDpattern is sometimes stratified，and the equivalent timefrequency pattern has a right semiarched shape and thenchanges to a left semiarched shape（positive polarity）or a whole arched shape（negative polarity）.The discharge pattern in the PD evolution process changes from the transverse surface discharge to the streamer discharge in oil gapand，finally，changes to the longitudinal surface discharge along the side wall of dent.Key words:oilpressboard；partial discharge；charge distribution；evolution of streamer；converter transformer第59卷第2期：015301612023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01530161Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.021_收稿日期：20220711；修回日期：20220926基金项目：国网青海省电力公司(52280718000C)。Project Supported by State Grid Qinghai Electric Power Company Electric Power Research Institute(52280718000C).0引言换流变压器阀侧绕组油纸绝缘承受直流电压分量，使其局部放电(简称局放)特性不同于普通电力变压器，而局放是油纸绝缘劣化的重要诱因之一，同时还可以有效体现劣化程度1。因此，为提高2023年2月第59卷第2期油纸绝缘状态评估技术，优化换流变压器阀侧绝缘结构，国内外学者已对油纸绝缘局放发展规律开展研究，并进行不同电压类型下的对比分析2。国内外学者研究了交流、直流、交直流复合电压下局部放电发展过程中各类特征参量的变化规律，特征参量包括基本放电指标3、概率分布特征4-5、放电脉冲时频特征6-7、放电谱图特征8-9、放电能量以及能量熵10-11等，并依据特征量变化规律将局部放电发展过程划分为35个阶段。然而，特征量的变化规律并不一致，导致阶段划分结果并不统一，建立在现代数学方法上的阶段划分也难以体现油纸绝缘劣化机制12。为此，国内外学者研究了局部放电发展过程伴随的理化特性，包括油中酸值变化13、产气规律14、纸板微观形貌特性15等，明确了局部放电作用下的油纸绝缘劣化机制。然而，目前关于油纸绝缘局部放电发展过程及演化规律的研究仍不充分，例如特征量变化规律描述不统一，局放演化过程的极性效应讨论不充分，局放演化规律与理化现象的内在联系鲜有报道。因此，文中针对换流变压器阀侧油纸绝缘，选用针板模型建立直流电压下的局放实验平台及电场与电荷分布仿真模型，研究局部放电的发展规律，讨论极性效应，分析局部放电的演化机制。文中研究对换流变压器结构优化及状态评估具有重要意义。1局部放电实验平台1.1局部放电实验回路及检测系统基于脉冲电流法的局部放电实验回路见图1，直流电源侧采用无晕倍压电路进行升压，额定输出50 kV，纹波比小于0.3%，Rx为限流电阻，电阻分压器分压比为1 000 1，Ck为耦合电容，Z1是与局放检测仪匹配的50 检测阻抗，用来获取视在放电量与放电重复率，Z2是与示波器相连的50 无感电阻，用来采集放电脉冲，从而求取等效时频。局部放电实验回路符合IEC 60270：201516。局放检测仪与示波器的主要参数见表1。1.2油纸绝缘针板缺陷模型文中设计的针板缺陷模型见图2。板电极采用黄铜材料，表面进行打磨抛光处理。针电极采用碳钢材料，针尖曲率半径约为50 m。电极与纸板直接接触，保证两者之间无油隙。针电极接高压，板电极接地。为减少回路电晕干扰，采用高压屏蔽导线进行连接，且所有接线处用铜箔包裹。图1实验回路和局放检测系统Fig.1Experiment circuit and detection system of PD表1检测系统的参数指标Table 1Parameters of PD detection system设备局放检测仪示波器参数带宽/kHz灵敏度/pC输入阻抗/模拟带宽/GHz采样率/(GSs-1)灵敏度/mV取值161 5000.150151图2针板电极模型Fig.2Needleplate electrodes文中选用昆仑牌克拉玛依25号变压器油，以及魏德曼绝缘纸板(厚度1 mm)。纸板在110、50 Pa状态下干燥72 h后浸油，油纸按一定比例混合后在80，50 Pa状态下干燥48 h。最终使纸板水分含量小于1%(通过微水测试仪Metrohm KF-860测量)，油中含水量小于 10 ppm(L/L)(通过微水测量仪Mitsubishi CA-200测量)，符合IEC 60641：200717与IEC 60422：201318。1.3局部放电实验方法使用标准脉冲源(KGF98-1)对实验回路进行视在放电量的校准标定。当移除针板缺陷后，进行起始放电电压测试，经过多次测量发现局部放电实验 154回路本体的起始放电电压不低于46 kV(绝对值)；进行油纸绝缘针板缺陷的起始放电电压测试，得到正极性与负极性起始放电电压平均值分别为21.6 kV与17.8 kV。因此文中采用恒定电压法进行实验，正负极性电压均选取25 kV，不仅确保了针板缺陷可以产生放电，也保证了油纸绝缘不会迅速失效，为研究局部放电发展过程及演化规律提供基础。特别说明，文中所述起始放电电压为可使1 min内出现不低于10 pC放电的次数超过5次的最低电压。实验研究油纸绝缘针板缺陷从起始放电至绝缘失效的整个过程。局部放电采集方式为：每30 min采样一次，每次持续5 min，若5 min内放电超过5000次，则改为每3min采样一次，每次采集5000次局放。这样的采样方式不仅保证了单次采集数据量不饱和，也可满足油纸绝缘电老化后期的局部放电快速变化。实验在室温(20)下进行，背景噪声小于5 pC，采样阈值设置为10 pC，且采用混合粒子群优化小波自适应阈值估计算法进行信号去噪。2电场与电荷分布仿真模型2.1流体动力学漂移扩散模型采用流体动力学漂移扩散模型描述绝缘油中的电场与电荷分布规律，即描述电荷的产生、迁移、消散及对电场的畸变作用。当忽略流注产热影响与电荷扩散效应时，模型控制方程可包含一个泊松方程(1)和3个电流连续性方程(2)-(4)19-20：-(ro0)=p+n+e(1)et-(eeE)=-G1-GT-p+e+Rpeq-ea(2)et+(ppE)=G1+GD+GT+p(eRpe+nRpn)q(3)nt-(nnE)=-GD+ea-pnRpnq(4)式(1)-(4)中：p为正离子电荷密度；n为负离子电荷密度；e为电子的电荷密度；Rpe为正离子与电子的复合系数；Rpn为正负离子的复合系数；a为电子(通过被分子吸附)转为负离子的时间19-20；GI表示强场电离所致的电荷生成项；GT表示碰撞电离所致的电荷生成项；GD表示离子对分解所致的电荷生成项：Rpn=q(p+e)0roRpn=q(p+n)0ro(5)a=ae|E|(6)G1()|E|=q2n0a|E|hexp-2m*aIP(E)2qh2|E|(7)GD()|E|=2I1(4b)2b0ro(p+n)b=q3|E|160rokB2T2(8)GT()|E|=A1|ee|E exp-BtE(9)模型参数的含义与取值参见文19。2.2双极性载荷子模型采用双极性载荷子模型描述绝缘纸板中的电场与电荷分布规律，同样忽略热效应与电荷扩散效应。模型中设定了4类载荷子(见图3)，包括自由电子、束缚电子、自由空穴、束缚空穴。模型控制方程为20：-(rp0)=h+ht+e+et(10)e/t-(eeE)=-S1hte-S3he-Bee(1+et/Net0)+Deet(11)h/t+(hhE)=+S2eth+S3eh-Bhh(1-ht/Nht0)+Dhht(12)et/t=-S2het-S0htet+Bee(1+et/Net0)-Deet(13)ht/t=+S1eht+S0etht+Bhh(1-ht/Nht0)-Dhht(14)式(10)-(14)中：h、ht、e、et分别表示自由空穴、束缚空穴、自由电子、束缚电子的电荷密度；S0为束缚空穴与束缚电子的复合率；S1为束缚空穴与自由电子的复合率；S2为自由空穴与束缚电子的复合率；S3为自由空穴与自由电子的复合率；Be与Bh分别表示电子与空穴的入陷率；De与Dh分别表示电子与空穴的脱陷率20。模型参数的含义与取值参见文20。图3纸板内部载荷子Fig.3Charge carrier in pressboard2.3模型边界条件及仿真设置依据上述两类模型的控制方程，在有限元仿真软件中搭建油纸绝缘针板缺陷的电场与电荷分布二维轴对称模型，见图4，模型尺寸与实际相符。模型边界条件设置见表2，其中金属绝缘介质界面的对流与通量设置中考虑了肖特基效应与隧道效应。模型采用自适应网格划分，选用PARDISO求解器进行计算。研究与分析王理丽，康 钧，王生富，等.直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律 1552023年2月第59卷第2期图4仿真模型示意图Fig.4Schematic diagram of simulation model表2模型边界条件Table 2Model boundary conditions边界B1B5B4B2B3、B6电场25 kV接地电荷守恒对称轴开边界电荷21对流通量欧姆模型3局部放电演化规律的实验研究3.1局部放电基本特征的发展规律文中主要分析的局部放电基本特征包括：平均视在放电量Qave，放电重复率Fnc，定义为每0.02 s内的放电次数，以及与放电脉冲相关的平均等效频率Feqave与平均等效时间teqave。局部放电脉冲的等效时间teq与等效频率Feq计算公式为22：teq=0T(t-t0)2s?(t)2dt(15)Feq=0f2|S?(f)2df(16)式(15)-(16)中：s?(t)是s(t)的标准形式，由式(17)计算；S?(f)是s?(t)的傅里叶变换；t0是s?(t)的时间中心，由式(18)计算；T是s(t)脉宽。teq与Feq可认为是局放信号分别在时域与频域的标准差22。s?(t)=s(t)0Ts(t)2dt(17)t0=0Tts?(t)2dt(18)油纸绝缘针板缺陷局部放电基本特征随时间的变化规律见图5、6。正极性与负极性电压下的局部放电演化规律类似，局放起始阶段(电老化初期)，Qave与 Fnc变化缓慢且数值较低，表明此时的油纸绝缘电老化程度较低，且局部放电现象并不剧烈。电老化初期采集获得的局部放电脉冲较少，也使Feqave与teqave暂未体现出明显的统计规律。局放发展阶段(电老化中期)，Qave与 Fnc明显增加，且Qave先于 Fnc开始增加，说明局部放电现象开始加剧，而且在一些偶然的高能放电作用下，Fnc才开始迅速增加，teqave与Feqave虽然波动(teqave先减小再增加；Feqave先增加再减小)，但分别维持在较低与较高的数值，且两者呈现出负相关的规律，此时放电脉冲脉宽较窄，上升沿较陡。局放危险阶段(电老化末期)，Qave与 Fnc迅速下降并趋于稳定，表明局部放电程度减弱，绝缘失效之前出现短暂稳定阶段，Feqave与teqave分别迅速下降和升高，且teqave最后还具有下降趋势，说明放电脉冲迅速向平滑且低幅值状态转变。需要说明，上述局放阶段并不具备实际意义，只是为方便描述规律而定义的模糊概念。图5正极性电压下的局放特征变化趋势Fig.5Variation trend of PD features at positiveDC voltage此外，直流电压下的局部放电演化规律体现出明显的极性效应，特别是在电老化中后期，正极性电压下局放的Qave、Fnc与Feqave比负极性电压的小，而teqave比负极性电压的大。说明负极性电压下，局部放电现象更加剧烈，放电脉冲的脉宽更短，上升沿更陡，负极性电压下放电通道形成速度更快。然而负极性电压下局放脉冲的 teqave与 Feqave则波动性更 156强，说明负极性放电脉冲随机性更强，放电通道更不稳定。电老化初期暂未体现出明显的极性效应，是因为采集的数据量较少，无法体现统计规律。3.2局部放电谱图的发展规律文中主要讨论两类局部放电谱图(见图7、8)：TRPD谱图与等效时频谱图，正极性与负极性电压下的放电谱图演化规律类似。由图7(a)与图8(a)可知，电老化初期放电次数较低，但出现间断性分布，原因是外界干扰(包括杂质气泡)诱发多次放电，稳定后会停滞一段时间。在电老化中后期，TRPD谱图分布出现分层现象，正极性电压下是纵分层，而负极性电压下是横分层，分层现象是随机出现的，也体现了针板缺陷局部放电的随机性与不稳定性。另外，从TRPD谱图中还可以看出，平均视在放电量与最大视在放电量均呈先增加后减小的演化规律。由图7(b)与图8(b)可知，等效时频谱图呈“右半拱形”分布，谱图随着局部放电的演化发展，等效时频谱图的分布向拱顶移动且拱底逐渐消失，最终正极性电压下呈“左半拱形”分布，负极性电压下呈“全拱形”分布，表明放电脉冲向平滑且低幅值的状态转变。此外，局部放电演变过程中，等效时频谱图将出现高频垂直分布的局放(正极性 Feq63.5 MHz处，负极性Feq63.9 MHz处)，但随即消失。4局部放电演化规律的仿真研究为进一步分析局部放电演化规律及其蕴含的物理机制，文中建立了油纸绝缘针板缺陷电场与电荷分布的仿真模型。模型中考虑了局部放电发展过程中纸板出现凹陷的情况，凹陷直径与深度通过实测获得，凹陷半径的变化范围区间为0.180.27 mm，深度则从电老化中期开始不断加深。电老化初期(无凹陷)的电场与电荷分布见图 9。无论是正极性电压下还是负极性电压下，由碰撞电离、强电场电离、离子对解离产生的电荷均会在油纸界面上积累，一方面减弱针尖处的电场强度，另一方面在油纸界面形成类沿面放电通道。然而在库伦斥力的作用下，界面电荷迅速沿径向迁移扩散，导致类沿面放电的Qave与Fnc均较小。电老化中期，纸面开始出现凹陷，电场与电荷分布见图10、11，考虑了两种凹陷深度(d=0.25 mm与d=0.45 mm)。此时的放电模式由横向类沿面放电转变为油隙放电，放电的主要形式为流注放电。当凹陷较浅时，正极性流注单支发展，且明显分为扩散阶段与定向移动阶段，而负极性流注只有扩散阶段，电子与负离子迁移率差别较大而形成双粒子层，包括相对静止的负电荷层以及迁移率较高的电子层，其中电子层是油纸界面电荷的主要来源。当凹陷加深时，放电模式仍为流注放电。此时正极性流注出现分支，分支流注虽然无法发展至油纸界面，但可分散能量，使主流注通道形成速度变缓。负极性流注仍为扩散状，但先在凹陷侧壁积累电荷，阻碍了油中流注的发展。由于放电模式由微弱的类沿面放电转换为相对强烈的流注放电，因此Qave与Fnc逐渐升高，负极性流注更为扩散，可以对凹陷界面瞬间释放大量的电荷用以建立新的分压平衡，因此负极性放电更加剧烈。凹陷中的流注具有强烈的电离能力，可迅速建立放电通道，进行凹陷界面的电荷补充从而在较短的时间里建立分压平衡，因此 Feqave上升而 teqave下降。然而随着凹陷的加深，流注通道开始变长，建立放电通道需要的时间也随之增加，甚至出现流注分支耗散能量的情况，因此Feqave开始下降而teqave开始上升。电子的高迁移率导致负极性流注发展更快，所以负极性脉冲的Feqave更高而teqave更小。电老化末期的电场与电荷分布见图12。由于图6负极性电压下的局放特征变化趋势Fig.6Variation trend of PD features at negativeDC voltage研究与分析王理丽，康 钧，王生富，等.直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律 1572023年2月第59卷第2期凹陷过深，流注无法直接触及凹陷底部，而是转向与凹陷侧壁接触，形成纵向界面电荷，使放电模式由流注放电转变为纵向沿面放电。由于积累的界面电荷会对原有流注通道产生屏蔽作用，使自身电离能力减弱且发展速度减慢，因此电老化末期的Qave与Fnc逐渐减小，Feqave下降而teqave上升。Qave与Fnc趋于稳定是由于纵向沿面放电对凹陷底部的侵蚀作用减弱，导致凹陷深度增长缓慢。最终 Feqave与teqave均下降，说明放电脉冲上升沿变平缓且脉宽变窄，由此可知纵向沿面流注通道的形成相对缓慢，而通道形成后分压平衡的建立将迅速完成且放电通道迅速消散。图7正极性电压下的局部放电谱图Fig.7PD patterns under positive DC voltage 1585结论文中针对换流变压器阀侧绕组，研究了直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律，得到的主要结论如下：1)局部放电演化过程中，Qave与Fnc呈现先增加、再减小、最后趋于稳定的发展规律。Feqave呈现先增加再减小的发展规律，teqave呈现先减小再增加，最后趋于稳定或再减小的发展规律。2)局部放电演化过程体现出明显的极性效应，正极性电压下的Qave、Fnc与Feqave比负极性电压下的小，而teqave比负极性电压下的大。负极性放电现象图8负极性电压下的局部放电谱图Fig.8PD patterns under negative DC voltage研究与分析王理丽，康 钧，王生富，等.直流电压下油纸绝缘针板缺陷局部放电演化规律 1592023年2月第59卷第2期更剧烈，而正极性放电脉冲更平滑。3)局部放电演化过程中，TRPD谱图会出现分层现象，谱图重心先升高后降低，等效时频谱图呈右半拱形，谱图重心向拱顶移动，正极性电压下最终呈左半拱形，负极性电压下最终呈全拱形。4)局部放电演化过程中，放电模式由横向沿面放电转变为油隙流注放电，再由油隙流注放电转变为凹陷侧壁的纵向沿面放电。正极性流注分为扩散阶段与定向移动阶段，发展速度较慢；负极性流注只有扩散阶段，但可形成双粒子层。文中研究对换流变压器阀侧油纸绝缘结构优化具有重要意义，对换流变压器绝缘状态评估及故障诊断具有指导作用。志谢感谢国网青海省电力公司科技项目 高海拔地区800 kV换流变压器出厂试验技术研究及应用资助。图9电场与电荷分布(d=0 mm)Fig.9Field and charge distribution(d=0 mm)图10电场与电荷分布(d=0.25 mm)Fig.10Field and charge distribution(d=0.25 mm)图11电场与电荷分布(d=0.45 mm)Fig.11Field and charge distribution(d=0.45 mm)图12电场与电荷分布(d=0.70 mm)Fig.12Field and charge distribution(d=0.70 mm)160参考文献：1李清泉，李斯盟，司雯，等基于局部放电的电力变压器油纸绝缘状态评估关键问题分析J高电压技术，2017，43(8)：25582565LI 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