多隔板氣固復合絕緣工頻擊穿特性研究

張培濱,廖欽豐,王毅龍,鄭躍勝

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 引言

中高壓電氣設備中常用空氣作為絕緣介質，為了提高空氣間隙的絕緣性能，復合絕緣技術受到越來越多的關注。其中最簡便的方法是在空氣間隙中引入絕緣隔板組成氣固復合絕緣，這種方法也稱之為屏障效應[1]。在我國已經應用在35kV空氣絕緣開關柜和氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)中[2-3]。此外在高鐵和動車車頂的高壓電器箱內，為了避免高壓母線和接地金屬層之間的氣體擊穿，也是采用這種復合絕緣結構[4]。屏障效應也可應用于氮氣等環保型氣體介質中，比如采用低溫氮氣(CGN2)作為冷卻絕緣介質的電阻型超導故障限流器(R-SFCL)和高溫超導(HTS)變壓器[5-6]。

為了提高采用這種氣固復合絕緣結構的電力設備供電可靠性，在絕緣設計時需要獲得擊穿特性與各影響因素之間的實驗關系。研究人員得到電極結構、間隙開距會影響隔板作用效果，已經發現聚合物隔板相比纖維素隔板在改善擊穿特性上更具有優勢[7]。此外隔板表面污穢情況[8]、隔板位置[9]和隔板尺寸[10]等因素也會影響復合絕緣的擊穿電壓。目前大量研究集中在單層隔板上，針對引入多層隔板的氣固復合絕緣方式研究非常少。文獻[11]研究發現引入雙層隔板相比單層隔板對擊穿電壓的提升程度更高，氣固復合絕緣擊穿電壓主要取決于離高壓電極最近的隔板的空間位置，若再增加隔板的數量，擊穿電壓變化幅度不大。但現有的文獻隔板的布置方式都為同向插入，且只關注單一因素對擊穿電壓的影響。

擊穿路徑是衡量擊穿電壓大小的重要因素。文獻[12]認為棒-板電極結構下，擊穿路徑主要分為兩類，在高壓極與隔板之間電弧或沿著最短路徑或沿著隔板表面路徑發展，在隔板與接地極之間總是沿著最短路徑發展。文獻[13]在球-球電極中引入隔板，研究了四種工頻擊穿電壓預測模型，發現考慮分段路徑的模型較為精確。然而這些假定的路徑并不是實際觀測到的，因此復合絕緣放電規律有待進一步研究。

本文通過觀測實際的擊穿路徑來研究多隔板氣固復合絕緣工頻擊穿特性。基于異向插入的方式設置了雙層隔板和三層隔板，比較隔板水平位置、豎直尺寸、材料對擊穿電壓的影響。通過攝像儀捕捉實際擊穿路徑進行圖像分析，研究氣固復合絕緣放電規律。統計分析擊穿路徑的長度及對應的擊穿電壓，得到擊穿路徑與擊穿電壓的關系。最后結合仿真計算不同隔板條件下的電場分布，討論電場分布變化對工頻擊穿電壓的影響。

2 實驗設置

搭建的氣固復合絕緣工頻耐壓實驗平臺如圖1所示。試驗變壓器型號為YDTW-200/200，頻率為50Hz，變壓器的輸出端經保護電阻與高壓電極相連，高、低壓電極分別采用曲率半徑為0.5cm的不銹鋼棒電極和曲率半徑為2cm的不銹鋼球電極。實驗平臺中，高、低壓端用支柱絕緣子隔離，且低壓端可靠接地，間隙距離d固定為8cm。隔板材料為聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、云母，隔板厚度均為0.3cm，隔板大小選取40cm×18cm、40cm×20cm、40cm×22cm。為了捕捉實驗過程中的擊穿路徑，在隔板的正前方放置一臺攝像儀，攝像儀鏡頭距離隔板中心水平距離為70～90cm，分辨率為1280×960，幀率為25幀。

圖1 氣固復合絕緣工頻耐壓實驗平臺

實驗設置中，基于異向插入的布置方式設置了雙層隔板和三層隔板如圖2所示。隔板在間距中的水平位置a取1cm、2cm和3cm，隔板邊緣偏離電極軸心的豎直尺寸c取2cm、4cm和6cm，其中三層隔板第二層隔板處于空氣間隙正中間，距高壓棒電極的水平距離固定為4cm。

圖2 異向插入的兩種布置方式

實驗共計31組，在每組實驗開始前，用無水乙醇清潔擦拭隔板和不銹鋼電極，并靜置一段時間等待酒精揮發，以此排除表面雜質對實驗的影響。實驗時，工頻變壓器以50%的速率(2kV/s)升高電壓，當間隙發生擊穿時，記錄此時的擊穿電壓值。間隔1分鐘后再進行下一次擊穿實驗，每組擊穿實驗重復20次，取20次擊穿電壓有效值的算術平均值作為該組實驗的擊穿電壓。每組實驗后使用離子吹風機去除棒-球間隙和隔板表面的剩余電荷，再進行下一組實驗。實驗過程中溫度、濕度、大氣壓等大氣條件由TR-73U溫濕度氣壓計記錄，最后將所有的實驗電壓修正至標準狀況下進行分析。

3 實驗結果

3.1 多隔板氣固復合絕緣擊穿電壓

雙層隔板布置方式不同PVC隔板水平位置和豎直尺寸下的擊穿電壓如圖3所示。由圖3可得，不同情況下引入雙層隔板都能提升間隙擊穿電壓，且當雙層隔板處于c=6cm，a=1cm的情況下，擊穿電壓達到最大值96.75kV。隔板豎直尺寸越大，擊穿電壓越高；調整隔板水平位置時，隔板離電極越近時，擊穿電壓越高，但擊穿電壓波動幅度較小，在同一隔板尺寸下，不同水平位置擊穿電壓最大差值僅為6.97kV。此外當隔板豎直尺寸c=2cm時，出現特殊情況，即隔板離電極越遠時，擊穿電壓反而越高。雙層隔板水平位置對擊穿電壓的影響不如雙層隔板豎直尺寸的影響來得顯著。

圖3 雙層隔板不同水平位置和豎直尺寸的擊穿電壓

三層隔板布置方式不同PVC隔板水平位置和豎直尺寸下的擊穿電壓如圖4所示。由圖4可得，引入三層隔板相比雙層隔板進一步提升了間隙擊穿電壓，在c=6cm，a=1cm的情況下，擊穿電壓達到最大值116.94kV，比雙層隔板提高了20.19kV。擊穿電壓與隔板水平位置和豎直尺寸近似呈線性關系，即隔板的水平位置離電極越近，隔板豎直尺寸越大，擊穿電壓越高。

圖4 三層隔板不同水平位置和豎直尺寸的擊穿電壓

除了隔板水平位置和豎直尺寸等空間參數外，在交流電壓下不同材料隔板因為介電常數的不同，也會影響復合絕緣擊穿電壓的大小，因此針對聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)和云母這三種工業常用的隔板展開研究。圖5為雙層隔板(c=6cm)不同材料下的擊穿電壓，當隔板水平位置a=1cm和a=2cm時，云母板的擊穿電壓最高，PVC次之，PTFE最低，但當a=3cm時，PVC板的擊穿電壓達到最高，云母板反而最低。

圖5 雙層隔板不同材料的擊穿電壓

對三層隔板布置方式(c=6cm)不同材料下進行擊穿實驗，擊穿電壓如圖6所示。由圖6可得，同雙層隔板類似，當隔板水平位置a=1cm時，云母板擊穿電壓最高，當a=3cm時，云母板擊穿電壓最低。此外當隔板水平位置a=2cm和a=3cm時，PVC板擊穿電壓最高。綜上所述，三種材料隔板均能有效地提高擊穿電壓，其中云母板受水平位置影響最為顯著，需要在合適的位置引入才能達到最佳耐壓水平，PVC板在不同位置下擊穿電壓均較大。考慮隔板耐壓性能的改善效果，PVC板作為絕緣設計中優先選用的隔板材料。

圖6 三層隔板不同材料的擊穿電壓

3.2 多隔板氣固復合絕緣擊穿路徑

進行擊穿實驗時，用攝像儀捕捉完整的擊穿路徑。由于引入多層隔板使原本空氣間隙被分為多個間隙組合，完整的擊穿路徑也分為多段，因此提取分段路徑的圖像進行歸類分析。本文將分段路徑類型分為兩類，如圖7所示為雙層隔板擊穿路徑分類示意圖，將完整的擊穿路徑分為L1、L2、L3三段，按照分段路徑落在的區域劃分為紅色P1區域和藍色P2區域，把落在P1區域內的路徑記為P1路徑，落在P2區域內的路徑記為P2路徑。其中P1路徑定義為繞過隔板的最短路徑，P2路徑定義為沿著隔板表面所走的路徑。

雙層隔板布置方式下的實際擊穿路徑圖如圖8和圖9所示為，可以觀察到，實際放電通道曲折且有分支，這是因為在放電主通道附近光電子的形成與發展帶有統計性。按照圖7的分類方法，圖8中L2段為P1路徑；圖9中L2段均為P2路徑，但路徑發展形式不太一樣，在圖9(a)中是沿著靠近高壓電極側隔板的表面傳播，在圖9(b)中沿著靠近接地極側隔板表面傳播。

圖7 雙層隔板路徑分類示意圖

圖8 雙層隔板(c=4cm，a=2cm)路徑圖

圖9 雙層隔板(c=6cm，a=2cm)路徑圖

為了分析放電規律，統計每組實驗連續20次擊穿的分段路徑類型和出現概率。雙層隔板布置方式下不同PVC隔板水平位置和豎直尺寸對應的分段路徑概率如圖10所示。從圖中可以得到，當隔板豎直尺寸為2cm時，L1段和L3段，分段路徑基本呈現為P2路徑，但在L2段，分段路徑出現P1路徑的機率增大，概率最高可達到85%。當隔板豎直尺寸較大時，不管隔板處于什么水平位置，P2路徑概率均超過50%。由此可見，隔板豎直尺寸是影響分段路徑概率變化的重要因素，P2路徑是放電過程中電弧最容易傳播的形式，即擊穿路徑大部分是沿著隔板表面發展。

圖10 雙層隔板布置方式下分段P2路徑概率

3.3 擊穿路徑與擊穿電壓的關系

擊穿電壓與擊穿路徑的類型和長度這兩個因素存在密切聯系。本節以三層PVC隔板為例，統計每組實驗連續20次擊穿出現的完整擊穿路徑類型及對應的擊穿電壓，如圖11所示為a=1cm時的統計結果。可以得到，當隔板處于同一位置和尺寸下，不同擊穿路徑類型對應的擊穿電壓近乎相等，且當隔板豎直尺寸較小時，出現擊穿路徑類型更多。

圖11 雙層隔板擊穿路徑類型及擊穿電壓

為了進一步研究路徑與擊穿電壓的關系，對不同隔板位置和尺寸下出現概率最大擊穿路徑的幾何長度及其擊穿電壓進行擬合分析。從圖12可以得到隔板處于同一位置下，線性擬合效果好，相關系數均達到0.95以上。路徑長度與其擊穿電壓呈線性關系，即引入的隔板尺寸越大，擊穿路徑距離延長，導致擊穿電壓越高。但不同隔板位置下，幾何長度差別不大的路徑對應的擊穿電壓可能偏差很大，這與電場分布變化有關。

圖12 三層隔板擊穿路徑長度及擊穿電壓

4 電場仿真分析

多層隔板通過與空氣形成多層絕緣來調節電場和電勢分布，從而影響擊穿電壓。以三層PVC隔板為例，研究引入隔板后空氣間隙電場分布的變化，通過Altair公司提供的FLUX有限元仿真軟件建立簡化的靜電場模型進行計算，如圖13所示，由于實驗系統中各絕緣支撐部件對電場分布幾乎沒有影響，因此在仿真計算時可以忽略不計。

圖13 仿真模型

由圖13可知，氣固復合絕緣電場主要集中分布在高壓棒電極和接地球電極附近，場強由電極向間隙中間逐漸減小，隔板在間隙中的位置會改變電場分布。一般用不均勻系數f來表示電場分布的不均勻程度，計算公式如下：

f=Emax/(U/d)

(1)

式中：Emax表示整個多隔板氣固復合絕緣空氣域的最大電場強度；U為棒電極施加的高電壓值；d為棒-球電極間距。

三層隔板下不同隔板水平位置和豎直尺寸處電場不均勻系數f分布如圖14所示。可以發現，電場不均勻系數f大于4，為極不均勻電場。電場不均勻系數受隔板水平位置影響較為顯著，即隔板距離電極越近，電場不均勻系數f越大。結合圖4的實驗結果分析，在同一尺寸下改變隔板水平位置，電場不均勻系數f的變化趨勢同擊穿電壓的變化趨勢一致。發現這些情況下路徑長度偏差不大，這說明在隔板尺寸一樣的條件下，不同隔板位置對絕緣擊穿電壓的影響主要取決于電場的分布。

圖14 三層隔板不同水平位置和豎直尺寸

5 結論

針對在空氣間隙中引入多層隔板對耐壓水平的改善效果。本文研究發現雙層隔板和三層隔板都對擊穿電壓起到了提升作用，且三層隔板的提升效果更為顯著。合理地設置隔板尺寸、位置和材料可以使屏障效應達到最優。實際擊穿路徑大部分是沿著隔板表面傳播，利用隔板調控的擊穿路徑長度越長，擊穿電壓越高，隔板位置對擊穿電壓的影響主要取決于電場的分布。通過引入多隔板氣固復合絕緣的方式來提高空氣間隙的絕緣性能，可以為電力設備結構的進一步優化提供參考。