脉冲电压下纤维素绝缘纸局部放电特性的综合实验设计.pdf

第卷 第期 年月：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 学电 气 工 程 学 院；信 息 与 控 制 工 程 学 院，江 苏 徐 州）摘要：设 计 了 纤 维 素 绝 缘 纸 在 脉 冲 电 压 下 局 部 放 电 特 性 的 综 合 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 等 理 化 性 能；参 考 局 部 放 电 测 量 标 准，检 测 了 绝 缘 纸 的 放 电 起 始 电 压、放 电 干 扰、放 电 次 数、放 电 量 等 放 电 特 性；对 比 了 脉 冲 和 交 流 电 压 下 的 放 电 特 性，并 分 析 了 放电 特 性 与 理 化 性 能 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 测 量 及 结果 对 比 分 析 等 多 环 节。同 时，采 用 类 比 推 演 的 教 学 方 法 引 导 学 生 由 传 统 实 验 逐 步走 向 学 科 前 沿。关 键 词：脉 冲 电 压；绝 缘 纸；局 部 放 电；多 环 节 配 合；类 比 推 演中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）收 稿 日 期：基 金 项 目：全 国 煤 炭 行 业 高 等 教 育 研 究 重 点 课 题（）；教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目（）；国 家 重 点 研 发 计 划项 目（）作 者 简 介：严 家 明（），男，安 徽 六 安 人，博 士，讲 师，主 要 从 事电 气 设 备 在 线 监 测 及 故 障 诊 断 方 面 的 教 学 与 科 研。：通 信 作 者：周 一 恒（），女，江 苏 徐 州 人，硕 士，高 级 实 验 师，主要 从 事 电 子 电 气 课 程 教 学 与 实 验 研 究。：，（；，）：（），；，；，“”，“”，“”，“”第卷 ，：；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。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。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；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，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 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 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。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。实 验 设 计 实 验 材 料 及 模 型（）实 验 材 料。实 验 采 用 厚 度 的 普 通 纤维 素 绝 缘 纸（即 牛 皮 纸），克 拉 玛 依矿 物 绝 缘 油。首 先，将 绝 缘 纸 裁 剪 成 直 径 圆 片；然 后，根 据 实际 变 压 器 绝 缘 处 理 工 艺对 绝 缘 纸 进 行 预 处 理：将 裁剪 好 的 绝 缘 纸 在 温 度、真 空 度 条 件 下 脱气 并 干 燥，以 尽 可 能 脱 去 纸 中 水 分；随 后，在 温 度、真 空 度条 件 下 用 已 脱 气 的 新 矿 物 油 将 绝缘 纸 充 分 浸 渍。（）实 验 模 型。制 作 如 图的 局 部 放 电 模 型，其中 电 极 参 考 标 准 绝 缘 材 料 电 气强 度 试 验 方 法（第部 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。实 验 过 程（）实 验 系 统 搭 建。搭 建 如 图的 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 电 力 变 压 器 第部 分：液 浸 式 变 压器 的 温 升 ，设 置 恒 温 箱 为 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（）测 量 施 加 电 压 的 大 小及 相 位，并 利 用 高 速 示 波 器（）检 测 油 纸 试 品 的 局 部 放 电 信 号。（）实 验 电 压 施 加。为 便 于 观 测，选 择 在 低 频 电第期严 家 明，等：脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 局 部 放 电 特 性 的 综 合 实 验 设 计 高 压 端；螺 母；铜 柱；有 机 玻 璃 容 器；矿物 油；油 纸 试 品；不 锈 钢 地 电 极；地 线；油 流入 口；油 泵；电 机；油 管；漏 筛；油流 出 口图局 部 放 电 模 型图实 验 系 统 电 路压、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 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）。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 和 约后 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。特 性 测 量将 整 个 放 电 破 坏 过 程 平 均 分 为个 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（）、中 前 期（）、中 期（）、中 后 期（）、后 期（）”；脉 冲 电 压 下“初 始（）、中 前 期（）、中期（）、中 后 期（）、后 期（）”。（）理 化 性 能。利 用 扫 描 电 镜（，型 号）观 测 油 纸 的 微 区 形 貌；利 用 由 卡 尔 菲 休 库 伦滴 定 仪（型 号）与 干 燥 炉（型 号）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 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），测 量 油 纸 的 表 面 电 导 率 和 体 积 电 导 率，并 取个 试 品 的 测 量 均 值。（）放 电 特 性。参 考 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 采 样 率 采 集 单次 放 电 信 号、以 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 ，采 用 阶 梯 升 压 法（升 压 速 度 ）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 取个 试 品 的 测 量 均 值。实 验 结 果 及 分 析 油 纸 理 化 性 能 表 面 形 貌利 用测 得 的 放 电 破 坏 过 程 中 油 纸 表 面 形 貌如 图所 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（）。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（）中）；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（）中）。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（）中）；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（）中）。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。水 分 含 量水 分 是 绝 缘 的 天 敌，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。绝 缘 纸 和 矿 物 油 均 由 含 碳（）、氢（）、氧（）的化 合 物 混 合 构 成。在 放 电 作 用 下，碳 氢 键（）和碳 氧 键（）易 被 打 断，形 成 游 离 态 的 碳（）、氢（）、氧（）；游 离 态 碳（）沉 积 于 绝 缘 表 面 形 成 油 泥斑 点，游 离 态 氢（）和 氧（）极 不 稳 定，易 结 合 形 成 水分（）；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 布第卷（）初 始（前 期）阶 段交 流 电 压 下脉 冲 电 压 下（）中 期 阶 段交 流 电 压 下脉 冲 电 压 下（）后 期 阶 段图油 纸 表 面 形 貌图图油 纸 体 系 水 分 含 量是 个 动 态 平 衡 过 程，由 于 绝 缘 纸 中 纤 维 素 分 子 的 羟 基（）易 于 吸 引 水 分（）而 形 成 氢 键（），故 水 分 主 要 分 布 于 绝 缘 纸 中。同 时，脉 冲 电 压边 沿 突 变（）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（）、氢（）、氧（），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。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。图油 纸 表 面 电 导 率（）及 体 积 电 导 率（）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。油 纸 放 电 特 性 放 电 干 扰实 验 采 集 的 单 次 及 周 期 局 部 放 电 信 号 分 别 如 图和 图所 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（）。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（）交 流 电 压 下（）脉 冲 电 压 下图单 次 局 部 放 电 信 号第期严 家 明，等：脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 局 部 放 电 特 性 的 综 合 实 验 设 计（）交 流 电 压 下（）脉 冲 电 压 下图周 期 局 部 放 电 信 号中 引 起 的 低 频 振 荡，其 叠 加 在 放 电 信 号 中。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。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 图和 图所示。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。（）高 频 干 扰（）低 频 振 荡 干 扰图高 频 及 低 频 干 扰图滤 波 后 的 单 次 放 电 信 号 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。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，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，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。放 电 相 位实 验 采 集 的 油 纸 周 期 局 部 放 电 变 化 如 图 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（或）扩 展 甚 至 超 过 半 周 期 点，脉 冲 电 压（）交 流 电 压 下（）脉 冲 电 压 下图初 始 阶 段 周 期 局 部 放 电第卷（）交 流 电 压 下（）脉 冲 电 压 下图中 期 阶 段 周 期 局 部 放 电（）交 流 电 压 下（）脉 冲 电 压 下图后 期 阶 段 周 期 局 部 放 电放 电 逐 渐 向 电 压 平 顶 区 蔓 延。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（）；中 期 阶 段，放 电 分 布 朝 半 周 期点（图（）扩 展；后 期 阶 段，放 电 分 布 进 一 步 扩 展甚 至 超 过 半 周 期 点（图（）。脉 冲 电 压 下：初 始 阶段，放 电 集 中 在 脉 冲 边 沿 处（图（）；中 期 阶 段，电压 平 顶 区 出 现 零 星 放 电（图（）；后 期 阶 段，电 压平 顶 区 零 星 放 电 逐 渐 增 多（图（）。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。放 电 量 及 放 电 次 数对 每 阶 段 采 集 的周 期 局 部 放 电 进 行 统 计 的 结果 如 图所 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，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，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。教 学 模 式 及 特 色 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 了第期严 家 明，等：脉 冲 电 压 下 纤 维 素 绝 缘 纸 局 部 放 电 特 性 的 综 合 实 验 设 计学 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。教 学 特 色（）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。（）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。（）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。教 学 实 践 效 果基 于 上 述 实 验 平 台 和 教 学 方 法 开 展 了个 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 达以 上，学 生满 意 度 达以 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。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。参 考 文 献（）：盛 戈?，钱勇，罗 林 根，等面 向 新 型 电 力 系 统 的 电 力 设 备 运行 维 护 关 键 技 术 及 其 应 用 展 望 高 电 压 技 术，（）：孙凯，卢 世 蕾，易 哲?，等面 向 电 力 电 子 变 压 器 应 用 的 大 容量 高 频 变 压 器 技 术 综 述 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：王 威 望，刘莹，何 杰