孫振權(quán) 趙學風 李繼勝 顧朝敏 李彥明

（西安交通大學電氣工程學院 西安 710049）

直流電壓下油紙絕緣結(jié)構(gòu)氣隙模型的局部放電特性

孫振權(quán) 趙學風 李繼勝 顧朝敏 李彥明

（西安交通大學電氣工程學院 西安 710049）

在油紙類絕緣的高壓電力設(shè)備中，絕緣介質(zhì)中的氣隙是產(chǎn)生局部放電的主要來源。一般來講，氣隙主要有油紙固體絕緣紙板中因制造工藝等產(chǎn)生的氣隙，另外還有絕緣油液體中的氣泡產(chǎn)生的氣隙。為了研究直流電壓下油紙類絕緣介質(zhì)的局部放電特征，在實驗室內(nèi)構(gòu)建了油紙絕緣結(jié)構(gòu)中絕緣紙板氣隙模型和油中氣泡氣隙模型，施加直流電壓，分別采用羅氏線圈與采樣電阻來測量局部放電信號。利用Origin數(shù)值分析軟件對局部放電脈沖進行頻譜特性分析及濾波處理等。研究結(jié)果給出了絕緣紙板氣隙和油中氣泡氣隙模型在直流電壓作用下局部放電的波形特征，為研究油紙絕緣類設(shè)備（如直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器）在直流電壓下的局部放電的檢測與識別奠定基礎(chǔ)。

直流電壓下局部放電 絕緣紙板氣隙模型 油中氣泡氣隙模型 頻譜

1 引言

隨著輸電技術(shù)的發(fā)展，直流輸電得到了廣泛應(yīng)用[1]。換流變壓器和普通電力變壓器的內(nèi)絕緣都采用變壓器油和絕緣紙板的復合結(jié)構(gòu)，但兩者的絕緣紙板與變壓器油的比例不同。在直流電壓作用下，絕緣中的電場呈阻性分布，與材料的電導率成反比，而材料的電導率受溫度、濕度、電場強度及電壓加載時間的影響，一般絕緣紙板的電導率與變壓器油的電導率之比約為 1∶10～1∶500，變壓器油中的電場遠小于絕緣紙板中的電場，電壓絕大部分由絕緣紙板承擔；當換流變壓器承受穩(wěn)態(tài)直流電壓作用時，其穩(wěn)態(tài)直流電場分布取決于復合絕緣結(jié)構(gòu)中不同材料的電阻率值。穩(wěn)態(tài)直流場集中分布于電阻率較高的絕緣紙和紙板中，對于電阻率最低的變壓器油來說，此時其穩(wěn)態(tài)直流電場場強很低；在極性反轉(zhuǎn)時，絕緣中的電場基本按容性分布。因此，對油紙絕緣電氣強度的校核，既要考慮交流電壓的作用，又要考慮直流電壓的作用和極性反轉(zhuǎn)時的情況，應(yīng)增加絕緣中絕緣紙板的比例[2]。換流變壓器的閥側(cè)繞組承受著疊加直流的工頻電壓，并且有文獻[3]研究表明二者疊加后的響應(yīng)在遠低于交流單獨作用下的局部放電起始電壓時就有局部放電發(fā)生，因此，研究油紙絕緣的直流局部放電具有非常重要的意義。直流局部放電的研究方面，國外的學者開展得比較早，研究文獻較多，主要集中在施加電壓的幅值、時間及其脈動系數(shù)對放電重復率的影響的研究[4-5]，以及一定時間間隔內(nèi)的放電脈沖序列分析[6-7]。國內(nèi)學者則研究了直流放電下油紙絕緣老化問題[8-10]，高密度儲能電容器的直流局部放電等[11]。本文搭建了直流電壓下油紙絕緣類設(shè)備局部放電試驗和測試系統(tǒng)，設(shè)計了兩種油紙絕緣系統(tǒng)氣隙的典型模型，測量分析了直流電壓作用下局部放電脈沖波形。這為進一步研究直流下局部放電特性奠定了實驗基礎(chǔ)。

2 絕緣紙板氣隙模型與油中氣泡氣隙模型的建立

2.1 絕緣紙板氣隙模型

采用變壓器生產(chǎn)廠家常用的絕緣紙板，該模型制備過程如下：

（1）按照圖1所示的設(shè)計尺寸剪裁絕緣紙板三塊，同時將中間層紙板的幾何中心位置鉆制圓孔。

（2）用專用砂紙將紙板及孔洞的邊緣打磨，去除紙板及孔洞周邊突出的毛刺等。

（3）將處理好的紙板放入烘箱，連續(xù)烘干72h，充分除去絕緣紙板中的水分。

（4）用絕緣紙板粘接專用膠粘劑，將絕緣紙板粘接在一起，注意粘接劑用量不要太多，以免影響孔洞效果。粘接好后用重物壓一段時間，以確保粘接可靠。

（5）將粘接好的試品浸入磨砂廣口玻璃容器盛裝的變壓器油中，浸泡48～72h后方可使用。注意試品模型在試驗過程中盡量避免脫離容器直接暴露在空氣中。

圖1 絕緣紙板氣隙模型Fig.1 The air-gap model in insulation pressboard

自行設(shè)計制造了油紙絕緣結(jié)構(gòu)紙板氣隙模型試驗裝置。該裝置將壁厚8mm、內(nèi)徑φ150mm的有機玻璃管與厚15mm、邊長為200mm的鋁排用環(huán)氧樹脂粘接在一起構(gòu)成一個盛油的容器，平板電極采用黃銅材料制成，厚度為 10mm，直徑為 50mm，下電極與鋁排底座連接在一起，上電極與高壓引線連接。試品置于上、下平行的兩電極之間。變壓器油的充油高度要確保在上電極以上一定距離，如圖2所示。

圖2 油紙絕緣結(jié)構(gòu)絕緣紙板氣隙模型試驗裝置Fig.2 Testing apparatus for PD of air-gap model in insulation pressboard

2.2 油中氣泡氣隙模型

絕緣油中氣泡氣隙模型及試驗裝置如圖 3所示。用氣泵通過絕緣管將空氣送置容器底部中間位置，使得油中產(chǎn)生氣泡，氣泡向上運動通過兩平板電極之間的電場。電極的直徑為70mm，厚為10mm，黃銅材質(zhì)。電極之間的距離可調(diào)，初步定為40mm。

圖3 油中氣泡氣隙模型試驗裝置Fig.3 Testing apparatus for PD of gas bubble model in oil

3 絕緣紙板氣隙模型直流電壓下的局部放電的測量與分析

按照圖4的試驗回路接線，直流電源采用交流變壓器串聯(lián)高壓硅堆來提供。為了便于對比分析干擾信號，分別采用羅氏線圈和采樣電阻進行局部放電的測量。CH1，CH2分別為羅氏線圈和采樣電阻信號通道。兩個通道同時采到的信號即作為局部放電信號，否則，就認為是干擾信號。該模型通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，按照前述定義的放電起始電壓方法獲得其直流電壓下的局部放電起始電壓為?24.6kV。直流電壓為?30kV測得的局部放電信號如圖5所示。

圖4 兩種氣隙模型局部放電測量系統(tǒng)Fig.4 PD measurement system for two gap models

從圖5可以看出，直流電壓下的油紙絕緣氣隙模型的局部放電是沿時間軸的一系列脈沖，且其間隔是隨機的。

圖5 羅氏線圈與采樣電阻分別測得的不同時刻局部放電脈沖Fig.5 PD pulses measured by sampling resistor and Rogowski coil in different time

圖6 羅氏線圈與采樣電阻測得的同一時刻的局部放電脈沖CH1—羅氏線圈 CH2—采樣電阻Fig.6 PD pulses measured by sampling resistor and Rogowski coil in the same time

按照對比的方法，從圖6可以看出，對應(yīng)于同一時刻的兩種測量方法都能測到的放電脈沖應(yīng)該是局部放電信號，其他應(yīng)該是干擾信號。本文采用這兩種方法測量，就是為了更好地區(qū)分干擾，確認局部放電信號的真實性。根據(jù)圖5和圖6的示波器記錄可知，直流電壓下的局部放電是沿時間軸的脈沖序列，可以用基于時間序列的波形分析方法。

圖7是利用羅氏線圈采樣，通過示波器提取的單一局放脈沖的情況及相關(guān)的數(shù)值分析。

圖7 羅氏線圈測得的局部放電脈沖及其數(shù)值分析Fig.7 PD pulse measured by Rogowski coil and numeric analysis

圖8 采樣電阻測得的局部放電信號脈沖及數(shù)值分析Fig.8 PD pulse measured by sampling resistor and numeric analysis

圖8是利用采樣電阻采樣，通過示波器提取的單一局放脈沖的情況及相關(guān)的數(shù)值分析。從圖7到圖8的局部放電脈沖的分析來看，電阻與羅氏線圈測得的局部放電脈沖波形相似，由于靈敏度的差異，幅值不同；頻譜分析圖的頻率成分是一致的，主要分布在10～20MHz。波形特征為單脈沖衰減振蕩后振幅稍有加強再衰減振蕩?？赡苁且驗闇y量系統(tǒng)存在殘余電感，造成放電脈沖的振蕩。通過濾波處理發(fā)現(xiàn)后續(xù)振蕩是等幅衰減的，顯然是由測量系統(tǒng)存在電感造成的。

絕緣紙板氣隙模型兩端電壓達到一定幅值，且放電初始電子積累到一定量時，則發(fā)生放電，新的一次放電周期開始。兩次放電時間間隔等于恢復時間加上放電初始化電子的等待時間。因為放電初始化電子的產(chǎn)生是一個累積過程，放電的觸發(fā)電壓是變化的，從而導致了放電時間間隔和放電幅值的變化，絕緣紙板氣隙模型結(jié)構(gòu)本身的各種因素使得放電脈沖的單個波形具有各自的波形特征參數(shù)。一般情況下，該模型系統(tǒng)的放電時間常數(shù)相對較長。放電頻率不會太高。

利用負極性直流電源，施加不同電壓幅值，測量并記錄絕緣紙板氣隙模型局部放電脈沖的幅值如圖9所示。

圖9 局部放電脈沖幅值與施加電壓之間的關(guān)系Fig.9 Relationships between amplitudes and applied voltages

圖9表明，油紙絕緣氣隙在直流電壓下的局部放電脈沖幅值隨著外施電壓幅值升高而增加，即隨外施電壓的絕對值的增加而增加。

同樣，施加不同的電壓，測得油紙絕緣氣隙局部放電的放電重復率與施加電壓幅值之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10的縱軸是放電重復率，橫軸是施加電壓與放電起始電壓的比值。試驗表明，放電重復率隨施加電壓的增加而快速增加。

圖10 局部放電的放電重復率與施加電壓之間的關(guān)系Fig.10 Relationships between repeat rates and applied voltages

4 油中氣泡氣隙模型直流電壓下的局部放電的測量與分析

按照圖4的試驗回路接線，分別用羅氏線圈及電阻采樣來測量該模型的局部放電。電極之間的距離保持不變，施加不同幅值的直流電壓分別進行測量。

圖11是在?38.5kV直流電壓下的羅氏線圈測量的油中氣隙模型的局部放電脈沖。根據(jù)幅頻分析，其頻率主要集中在30MHz和80MHz左右。濾波處理采用30～80MHz的帶通濾波器，得到圖11d波形。

圖11 羅氏線圈測得的局部放電脈沖及其數(shù)值分析Fig.11 PD pulse measured by Rogowski coil and numeric analysis

圖12是在?38.5kV直流電壓下的采樣電阻測量的油中氣隙模型的局部放電脈沖。根據(jù)幅頻分析，其頻率主要集中在30～40MHz左右。濾波處理采用20～40MHz的帶通濾波器，得到圖12d波形。

圖12 采樣電阻測得的局部放電信號脈沖及數(shù)值分析Fig.12 PD pulse measured by sampling resistor and numeric analysis

圖 11、圖 12中局部放電脈沖共同覆蓋的頻率為30～40MHz，較絕緣紙板氣隙模型的頻率要高，油中氣隙模型的氣泡直徑較小，放電時間常數(shù)很小，數(shù)量多，在電極間存留時間較短。加之氣泡是以一定的速度運動的，從局部放電理論來分析，同樣電壓幅值作用下，局部放電脈沖幅值較小，頻次卻較多?？赡艽嬖诙鄠€氣泡同時發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

重復測量不同幅值電壓下的局部放電脈沖發(fā)現(xiàn)，油中氣隙模型局部放電脈沖幅值隨著施加電壓升高變化不大，隨機性較強，如圖13所示。

圖13 局部放電脈沖幅值與外施電壓之間關(guān)系Fig.13 Relationships between amplitudes and applied voltages

在不同外施電壓下測量局部放電脈沖，得到油中氣泡模型局部放電的放電重復率與施加電壓幅值之間的關(guān)系曲線如圖14所示。

圖14 局部放電的放電重復率與外施電壓之間的關(guān)系Fig.14 Relationships between repeat rates and applied voltages

油中氣隙模型在直流電壓下的局部放電的放電重復率隨外施電壓增加而增加，近似于線性變化。

5 結(jié)論

本文采用兩種油紙絕緣系統(tǒng)中最常見的模型結(jié)構(gòu)，油紙絕緣氣隙及油中氣隙，同時采用羅氏線圈和采樣電阻來測量同一試品的局部放電的放電脈沖，基于上述試驗討論如下:

當試品施加直流電壓時，在升壓過程中，試品上的電壓變化較快，此時，氣隙與介質(zhì)中的電壓分配和交流電壓下的類似，是按電容分配的。當外加電壓升到一個穩(wěn)定的直流電壓時，氣隙上的電壓并沒有達到穩(wěn)定值，而是開始由按電容分配過渡到按電阻分配的過渡過程，最后才穩(wěn)定在按電阻分配的分壓狀態(tài)。一般情況下，按電阻分配的電壓高于按電容分配的電壓，試品上的電壓是上升的。直流電壓下，放電可以自熄，且放電重復率較??；對油紙絕緣來講，在直流電壓下電場是按電阻率成正比分布的，油的電阻率比絕緣紙的電阻率低，油中分配的場強要比絕緣紙中低；另外，油在直流電壓下的擊穿場強比交流下高。另外，直流電壓下，局部放電有可能自熄，放電重復率是評價局部放電的最重要參數(shù)。

本文采用兩種傳感器羅氏線圈和采樣電阻對比測量以求測到真實的局部放電信號波形，獲得如下結(jié)論:

（1）油紙絕緣氣隙在直流電壓下的局部放電脈沖波形是脈寬80ns左右的單向脈沖，且隨施加電壓的增加幅值會有所增加。

（2）油中氣隙在直流電壓下的局部放電脈沖的波形是脈寬為40ns左右的振蕩脈沖，其脈沖幅值較小，與外施電壓幅值之間是不相關(guān)的。

（3）油紙絕緣氣隙和油中氣隙在直流電壓下的放電重復率均隨外施電壓升高而增加，增加的速率不一致。

本文的試驗研究工作是以直流電壓下氣隙局部放電經(jīng)典模型為試品，所得到的結(jié)論為直流輸電設(shè)備油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣壽命評估奠定了基礎(chǔ)。

[1] 王德忠. 高壓直流輸電技術(shù)綜述[J]. 上海電器技術(shù), 2004(2): 3-9. Wang Dezhong. An overview of high voltage direct current transmission technology[J]. Shanghai Electric Appliance Technology, 2004(2): 3-9.

[2] 韓曉東, 翟亞東. 高壓直流輸電用換流變壓器[J].高壓電器, 2002, 38(3): 5-6. Han Xiaodong, Zhai Yadong. Han converter transformer used for HVDC transmission[J]. High Voltage Apparatus, 2002, 38(3): 5-6.

[3] 邱昌容, 王乃慶. 電工設(shè)備局部放電其測試技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1994.

[4] Renate S, Johnl L. Partial discharge testing under direct voltage conditions[J]. IEEE Trans. on Aerospace and Electronic System, 1982, 18(1): 82-93.

[5] Renate S. Ramp technique for DC partial discharge testing[J]. IEEE Trans. on Electrical Insulation, 1985, 20(1): 38-46.

[6] Fromm U. Interpretation of partial discharge at DC voltages[J]. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(5): 761-770.

[7] Peter H F, Johan J. Partial discharges at DC voltage: their mechanism, detection and analysis[J]. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(2): 328-340.

[8] 于欽學, 邱昌容, 謝恒坤, 等. 油紙絕緣直流局部放電的研究[J]. 變壓器, 1998, 35(5): 17-20. Yu Qinxue, Qiu Changrong, Xie Hengkun, et al. Study on partial discharge in oil-immersed insulation under DC voltage[J]. Transformer, 1998, 35(5): 17-20.

[9] 司文榮, 李軍浩, 等. 直流電壓下油紙絕緣中局部放電的超高頻特性[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(7): 1336-1341.Si Wenrong, Li Junhao,et al. Ultra-high frequency characteristic of partial discharge in oil-paper insulation under DC voltage[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(7): 1336-1341.

[10] 司文榮, 李軍浩, 李彥明, 等. 直流下油中局部放電脈沖波形測量與特性分析[J]. 西安交通大學學報, 2008, 42(4): 481-486. Si Wenrong, Li Junhao, Li Yanming, et al. Measurement and analysis for pulse current shapes of partial discharge in oil under DC voltage[J]. Journal of Xi’ an Jiaotong University, 2008, 42(4): 481-486.

[11] 冉漢政, 吳廣寧, 于成龍, 等. 膜紙復合儲能電容器的直流局部放電信號分析方法[J]. 電工技術(shù)學報, 2006, 21(4): 46-49. Ran Hanzheng , Wu Guangning , Yu Chenglong, et al. Study of DC PD analyzing method of energy-story capacitors[J]. Transactions of China Electotechnical Society, 2006, 21(4): 46-49.

Characteristic of Partial Discharge in Air Gap Model of Oil-Paper Insulation Under DC Voltage

Sun Zhenquan Zhao Xuefeng Li Jisheng Gu Chaomin Li Yanming
（Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

The air gap of the insulation system is the main source caused partial discharge (PD) in high voltage power equipment made of oil-paper insulation material. In general, there are two kinds of air gaps, which come out from solid insulation-paper board because of manufacture process and liquid insulation-bubbles in oil. To investigate the characteristic of PD in oil-paper insulation under direct current (DC) voltage, this paper presents the air gap model of paper board and bubbles model in oil with oil-paper insulation system respectively. The partial discharges of these models are measured by Rogowski coil and sampling resistor under direct current voltage in the laboratory. The partial discharge pulses are analyzed and processed by Origin software such as frequency spectrum and filtering. The characteristic of PD pulses of the air gap in oil-paper under DC voltage are described in the end. These results lay the foundation for the PD measurement and recognition in oil-paper insulation system (such as converter transformer) under DC voltage.

Partial discharge under DC voltage, air gap model of insulation paper board, bubbles model in insulation oil, frequency spectrum

TM835.4

孫振權(quán) 男，1966年生，博士研究生，高級工程師，從事高電壓測量技術(shù)及電力設(shè)備絕緣狀態(tài)檢測技術(shù)的研究。

國家自然科學基金資助項目（50977075）。

2009-08-27 改稿日期 2009-11-25

趙學風 女，1978年生，博士研究生，研究方向為高壓電力設(shè)備在線監(jiān)測及GIS局部放電的測量與分析。