半導體紙和鋁箔作為套管芯體電容極板的 局部放電特性差異及分析研究*

簡 政 郝 建 李彥青 林元棣

(1. 重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044； 2. 國家電網江蘇省電力公司電力科學研究院 南京 211100)

1 引言

油紙絕緣套管是電力變壓器的重要組成部分。傳統油紙絕緣套管在設計上具有足夠的電氣強度和優良的力學性能，但制造過程中的偶然因素會造成一些先天性局部缺陷，如氣泡、裂縫、金屬顆粒污染和電極毛刺等。設備運行過程中這些先天性局部缺陷易形成絕緣缺陷，導致局部電場分布不均，在絕緣介質表面、內部或金屬尖端等位置發生局部 放電現象[1-3]。局部放電將會引起介質的劣化和損傷，使得材料局部絕緣性能降低，引發絕緣失效故障，嚴重威脅套管的安全穩定運行[4-7]。

油紙絕緣套管作為少油設備，其內部芯體絕緣主要由絕緣紙與鋁箔交替包裹而成，浸漬絕緣油后共同形成“絕緣紙-鋁箔-絕緣紙”的結構。鋁箔作為電容極板，與多層絕緣紙共同形成電容結構，使得絕緣體的徑向電場分布更加均勻[8]。在實際運行油紙絕緣套管中，鋁箔常面臨油硫腐蝕問題，也經常出現褶皺與破損等現象，從而導致由于電容層損壞引起的分壓不均和局部放電等[9]。局部放電是檢測套管油紙絕緣狀態的重要檢測手段[10-13]。劉玲 等[14]設計了5種不同的油紙絕緣故障模型，將局部放電脈沖間的時間差分布引入到局部放電模式識別中，構造了放電相位、時間差與放電次數分布的三維譜圖，發現利用神經網絡作為分類器能夠有效分辨故障類型。戴佺民等[15]制備了浸漬不良的油紙套管模型，利用階梯升壓法研究發現芯子末屏極板邊緣出現放電，沿極板邊緣紙層表面發生電樹枝沿面爬電，放電相位呈現明顯的對稱分布，PRPD圖譜呈現“翼狀”分布特點。朱文兵等[16]通過對缺陷套管與正常套管開展了局部放電試驗，研究了放電次數、放電量與放電概率之間的關系，發現放電量-放電概率圖譜的偏斜度可作為識別電容屏破損空洞缺陷的特征參量。KIIZA等[17]對比缺陷套管樣品與新套管樣品的PRPD圖譜，研究發現對于絕緣老化后的套管，鋁箔邊緣的沿面放電現象與PRPD圖譜的不對稱性有關。

傳統“絕緣紙-鋁箔-絕緣紙”結構為芯體的套管結構已使用多年，為進一步優化套管芯體的絕緣結構和絕緣性能，本文探索采用力學性能良好的半導體紙作為電容極板，在極不均勻電場下對“絕緣紙-鋁箔-絕緣紙”和“絕緣紙-半導體紙-絕緣紙”兩種結構體系分別開展工頻擊穿測試和局部放電特性研究，并對比分析了兩種結構體系的局部放電特征參量以及電場強度分布的差異，為優化油紙絕緣套管芯體結構設計提供理論參考。

2 試驗部分

2.1 測試平臺與樣品制備

局部放電試驗平臺主要由交流試驗變壓器、試驗電極與信號采集裝置組成，試驗平臺示意圖如 圖 1所示。無暈交流試驗變壓器型號為YDTW50/100，額定容量為50 kV·A，額定電壓為 100 kV。本試驗通過高頻脈沖電流法進行放電信號采集，采用WAVERUNNER 8054示波器采集局部放電脈沖信號。示波器將采集到的放電信號傳輸到計算機中，通過Matlab軟件對示波器采集到的放電信號進行統計、濾波等處理，從而得到放電量、放電次數等數據，并繪制出放電過程的PRPD圖譜。

圖1 局部放電試驗平臺示意圖

電極裝置由有機玻璃油杯、黃銅電極以及環氧樹脂墊塊構成。針電極長為10 mm，針尖曲率半徑為30 μm，平板電極直徑為70 mm。試驗采用的絕緣紙厚度為0.1 mm，鋁箔厚度為0.007 mm，半導體紙厚度為0.075 mm，絕緣油選用新疆克拉瑪依25號環烷基礦物油，單次試驗用油量為2 L。

在試驗之前對樣品進行以下處理：首先將絕緣油置于真空干燥箱中，在溫度90 ℃、真空度 -0.9 MPa下干燥48 h。分別將絕緣紙、鋁箔與半導體紙裁剪為邊長80 mm的正方形，將裁剪好的樣品置于130 ℃下干燥12 h，隨后浸入干燥好的絕緣油，放置于真空干燥箱中，在溫度60 ℃、真空度 -0.9 MPa下浸油48 h。

根據套管電氣絕緣結構設計原理，套管芯體每兩層鋁箔極板中會疊加多層絕緣紙，以提高套管芯體絕緣的耐局部放電能力和最大工作場強。本文將絕緣紙、鋁箔或半導體紙進行層疊，形成“三層絕緣紙+一層鋁箔+三層絕緣紙”結構體系(下文簡稱P-A-P結構體系)和“三層絕緣紙+一層半導體紙+三層絕緣紙”結構體系(下文簡稱P-S-P結構體系)，如圖2所示。

圖2 兩種試驗樣品結構體系示意圖

在局部放電試驗時，針電極布置位置有兩種情況：一是針電極與上層絕緣紙表面直接接觸，二是針電極穿過上層絕緣紙與中間鋁箔(半導體紙)表面接觸，如圖3所示。

圖3 針電極布置位置示意圖

2.2 局部放電信號標定

通過局部放電信號的標定，可將采集到的脈沖信號幅值信息轉換為對應的放電量。將高頻脈沖發生器并聯在樣品兩端，注入標定的電荷量q0，信號由高頻電流互感器采集，通過示波器讀取放電脈沖信號的幅值u0，得到標定系數k0，如式(1)所示

在每組試驗開始前，采用XD56J高頻脈沖發生器對局部放電測量回路的放電量進行標定，記錄不同結構體系的標定系數，即可將試驗中采集到的脈沖電壓信號轉換為真實放電量。為提高測量回路的標定精度，每種結構體系下的模型選擇4個不同的電荷量q0進行標定。不同結構體系下的標定電荷量q0與脈沖幅值u0線性擬合的結果如圖4、圖5所示。根據擬合方程，可將局部放電試驗中的電壓信號轉換為放電量的大小。

圖4 針電極與上層絕緣紙表面直接接觸時測量電壓幅值與放電量的對應關系

圖5 針電極穿過上層絕緣紙與鋁箔(半導體紙)表面接觸時測量電壓幅值與放電量的對應關系

2.3 局部放電和工頻擊穿試驗步驟

采用升壓法對兩種不同結構體系的起始局放電壓與工頻擊穿電壓進行對比研究。測量起始局放電壓時，以1 kV/min的升壓速率緩慢升高電壓，當示波器顯示有超過對應于放電100 pC的脈沖電壓穩定出現時，將此外施電壓記為起始局放電壓，重復三次試驗后取平均值。而工頻擊穿電壓的測試則采用直接升壓的方式進行，升壓速率取1 kV/s，記錄樣品發生擊穿時的電壓，重復三次試驗后取平均值。

在確定起始局放電壓與工頻擊穿電壓后，針對兩種體系分別施加一定電壓，以試驗過程中每個時間段t內的放電信息作為統計對象，依次采集該時間段內局部放電次數Nt、最大視在放電量Qmaxt與平均視在放電量Qavet，如式(2)～(4)所示[18]。其中Qtotalt為時間段t內采集到的總放電脈沖電荷量。

此外，將局部放電信號的相位與幅值(φi,qi)以描點的方式繪制在二維q-φ坐標系內得到PRPD圖譜，其可以清晰地反映放電脈沖在不同相位區域的密集程度[19-20]。

3 結果與分析

3.1 多層絕緣紙與鋁箔和半導體紙結構體系的放電電壓對比

當針電極分別處于上層絕緣紙表面和以鋁箔和半導體紙為電容極板的表面時，P-A-P結構體系和P-S-P結構體系的起始局放電壓和工頻擊穿電壓如表1所示。當針電極與兩種結構體系上層絕緣紙表面直接接觸時，P-S-P結構體系的起始局放電壓為10 kV，工頻擊穿電壓為22 kV，均比P-A-P結構體系的對應值高2 kV。當針電極穿過上層絕緣紙接觸鋁箔或半導體紙表面時，P-S-P結構體系的起始局放電壓為5 kV，工頻擊穿電壓為18.5 kV，均比P-A-P結構體系的對應值高1 kV。可見，采用半導體紙作為套管芯體電容極板時，其絕緣強度要略優于采用鋁箔的傳統結構方式。

表1 兩種結構體系在不同電極形式下的起始局放電壓 和工頻擊穿電壓

當兩種結構體系發生工頻擊穿后，絕緣紙、半導體紙與鋁箔上均會留下孔洞。針電極直接接觸兩種結構體系上層絕緣紙表面時樣品擊穿后的表面形貌分別如圖6、圖7所示；針電極穿過兩種結構體系上層絕緣紙接觸鋁箔或半導體紙表面擊穿后的表面形貌分別如圖8、圖9所示。鋁箔和半導體紙擊穿后的表面形貌有明顯區別。鋁箔發生擊穿后只在中間留下一處較小孔洞(圖6、圖8)，而半導體紙擊穿后紙張中間出現較大孔洞(圖7、圖9)。此外，半導體紙被擊穿后易導致材料破碎，擊穿時產生大量白煙并伴隨燒焦糊味，易使得與其接觸的絕緣紙受到顆粒污染，且容易污染絕緣油。

圖6 針電極接觸上層絕緣紙擊穿后鋁箔 與相鄰絕緣紙的表面形貌

圖7 針電極接觸上層絕緣紙擊穿后半導體紙 與相鄰絕緣紙的表面形貌

圖8 針電極接觸鋁箔擊穿后鋁箔與相鄰絕緣紙的表面形貌

圖9 針電極接觸半導體紙擊穿后半導體紙與相鄰絕緣紙的表面形貌

3.2 多層絕緣紙與鋁箔和半導體紙結構體系的局部放電量對比分析

當針電極直接接觸上層絕緣紙表面時，P-A-P結構體系和P-S-P結構體系均能在12 kV外施電壓下維持5 min左右穩定的局部放電而不被擊穿；而當外施電壓進一步提高時，兩種結構體系則均會在短時間內發生擊穿。因此，本試驗選擇在12 kV下加壓4 min，進行針電極直接接觸上層絕緣紙表面時兩種結構體系平均視在放電量和最大視在放電量大小的比較。當針電極穿過上層絕緣紙與鋁箔或半導體紙表面接觸時，P-A-P結構體系和P-S-P結構體系均能在8 kV外施電壓下維持5 min左右穩定的局部放電而不被擊穿，而提高電壓至10 kV時，兩者均在較短時間內便發生擊穿。因此，當針電極穿過上層絕緣紙與鋁箔或半導體紙表面接觸時，試驗選擇在8 kV下加壓4 min，比較兩種結構體系的平均視在放電量和最大視在放電量大小。

針電極直接接觸上層絕緣紙表面時兩種結構體系平均視在放電量與最大視在放電量隨時間的變化規律對比情況如圖10所示。在12 kV電壓下，P-A-P結構體系和P-S-P結構體系均能產生較高且穩定的局部放電，但P-A-P結構體系的局部放電現象更為劇烈(圖10a)。P-S-P結構體系在每一個采樣周期內的平均視在放電量整體維持在700 pC左右。而隨著加壓時間的推移，P-A-P結構體系單位周期內的平均視在放電量有顯著提升的趨勢。在整個加壓過程中P-A-P結構體系的最大視在放電量在短時間由7 000 pC迅速增加到25 000 pC左右，且持續維持在較高水平；而P-S-P結構體系的最大視在放電量始終保持在5 000 pC附近，并沒有隨著時間的推移而顯著增加(圖10b)。這表明P-S-P結構體系在極不均勻電場下相較于P-A-P結構體系更不易發生局部放電。

圖10 12 kV下針電極與兩種結構體系上層絕緣紙直接接觸時放電量隨時間的變化規律

針電極穿過上層絕緣紙與鋁箔或半導體紙表面接觸時，兩種結構體系平均視在放電量與最大視在放電量隨時間的變化規律對比如圖11所示。在8 kV電壓下，兩種結構體系均能產生相對穩定局部放電現象(圖11a)。P-A-P結構體系的平均視在放電量在加壓初期與中期均大于P-S-P結構體系，而隨著時間的推移，兩種結構體系的平均視在放電量逐漸趨于同一水平。在加壓過程中的大部分采樣周期內，P-A-P結構體系的最大視在放電量均大于P-S-P結構體系，隨著時間的推移，兩種結構體系的最大視在放電量略微下降(圖11b)。總體上，P-A-P結構體系的平均視在放電量要大于P-S-P結構體系。

圖11 8 kV下針電極與兩種結構體系的鋁箔或半導體紙接觸時放電量隨時間的變化規律

3.3 多層絕緣紙與鋁箔和半導體紙結構體系的PRPD圖譜對比分析

針電極直接接觸上層絕緣紙表面與針電極穿過上層絕緣紙與鋁箔(半導體紙)表面接觸，兩種結構體系的PRPD圖譜如圖12～15所示。圖12和圖13 分別是針電極直接接觸P-A-P結構體系上層絕緣紙表面與P-S-P結構體系上層絕緣紙表面，在12 kV加壓4 min時的PRPD圖譜。由圖12可知，對于P-A-P結構體系，其局部放電脈沖均主要分布在0°～70°、180°～250°以及320°～360°之間，且最大放電脈沖幅值達25 000 pC左右。此時P-A-P結構體系處于劇烈局部放電狀態，而在超過4 min后，該結構體系由于在放電脈沖的劇烈沖擊下而迅速被擊穿。由圖13可知，相較于P-A-P結構體系，P-S-P結構體系局部放電現象的劇烈程度明顯更弱，其局部放電脈沖均主要分布在0°～90°與180°～270°之間，放電脈沖呈對稱分布。兩段區間內的放電幅值相近，其放電脈沖幅值接近5 000 pC。同時，在同一采樣周期內P-S-P結構體系的放電脈沖數明顯少于P-A-P結構體系。

圖13 針電極直接接觸P-S-P結構體系的上層 絕緣紙的PRPD圖

針電極穿過上層絕緣紙與P-A-P結構體系的鋁箔和P-S-P結構體系的半導體紙表面接觸，在8 kV加壓4 min時的PRPD圖譜如圖14、圖15所示。由圖14可知，對于P-A-P結構體系，其局部放電脈沖均主要分布在0°～90°、130°～260°以及320°～360°之間，而整體脈沖放電強度較低，其幅值僅為487 pC，遠低于圖12的25 000 pC。由圖15可知，相較于P-A-P結構體系，P-S-P結構體系局部放電現象的劇烈程度略微降低，PRPD圖譜在正負半周上呈現不對稱性，其負半周上的放電脈沖強于正半周。其放電脈沖分布情況與圖14類似，主要分布于正弦周期的上升沿。此外，在同一采樣周期內P-S-P結構體系的放電脈沖數也少于P-A-P結構體系。

圖12 針電極直接接觸P-A-P結構體系的上層 絕緣紙的PRPD圖

圖14 針電極穿過上層絕緣紙接觸P-A-P結構體系 鋁箔的PRPD圖

圖15 針電極穿過上層絕緣紙接觸P-S-P結構體系 半導體紙的PRPD圖

3.4 多層絕緣紙與鋁箔和半導體紙結構體系的 電場分布對比分析

本文采用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics對兩種結構體系進行電場分布模擬。在12 kV外施電壓下，當針電極直接接觸P-A-P結構體系上層絕緣紙表面時，鋁箔的電場分布如圖16所示。由圖16可知，在外施電壓作用下，P-A-P結構體系鋁箔在針電極接觸點下的電場強度最大，達到2.69×107V/m；距離針尖越遠，電場強度急劇下降，在絕緣紙邊緣區域幾乎降低至零。P-S-P結構體系中半導體紙的電場分布與之相似。同理，當針電極穿過上層絕緣紙與鋁箔(半導體紙)表面接觸時，兩結構體系電容極板的電場分布與圖16類似。

圖16 12 kV下針電極接觸P-A-P結構體系上層絕緣紙 表面時鋁箔的電場分布

針電極在不同位置時，兩種結構體系中電容極板(鋁箔或半導體紙)電場強度隨時間的變化規律如圖17、圖18所示。其中，在工頻電壓激勵下，兩種結構體系電容極板的電場強度隨電壓呈周期變化，均在電壓幅值處達到最大值。由圖17可知，當針電極直接接觸兩種結構體系的上層絕緣紙時，在12 kV電壓下，P-A-P結構體系中鋁箔上的電場強度均大于P-S-P結構體系中半導體紙上的電場強度，鋁箔上的電場強度最大值是2.69×107V/m，遠大于半導體紙上的電場強度最大值4.17×106V/m。因半導體紙作為半導電材料，其內部含有部分電導性粒子。作為電容結構的極板時，在激勵電壓的作用下其表面會產生極化電荷，極化電荷累積形成極化電場，該電場與原電場方向相反，兩電場疊加后場強會減小。

由圖18可知，當針電極穿過兩種結構體系上層絕緣紙與鋁箔或半導體紙表面接觸時，在8 kV電壓下，P-A-P結構體系中鋁箔上的電場強度最大值高達9.10×108V/m，遠大于圖17中鋁箔上的電場強度最大值。這是由于針電極破壞了結構體系的電容層結構，減小了結構體系的實際絕緣厚度。同時針電極直接與電容極板接觸，電容極板間的絕緣介質無法對電場強度進行分壓，因此該情形下結構體系的電場強度最大值更大。由于電場強度越大，體系中電荷的分布越密集，絕緣介質就更容易被電離，產生電勢差。電荷從高電勢向低電勢發展越迅速，進而引起局部放電現象越劇烈，絕緣體系的放電量也越大。從而驗證了第3.2節中兩種結構體系局部放電量的差異。因此，當結構體系采用半導體紙代替鋁箔作為電容極板時，在相同激勵電壓下，含半導體紙結構體系的最大電場強度更小。

圖17 12 kV下針電極與兩種結構體系上層絕緣紙表面直接接觸時電容極板的電場強度隨時間的變化規律

圖18 8 kV下針電極穿過上層絕緣紙與兩種結構體系的 電容極板接觸時電容極板的電場強度隨時間的變化規律

4 結論

(1) 當針電極直接接觸P-A-P結構體系與P-S-P結構體系上層絕緣紙表面時，P-S-P結構體系的起始局放電壓與工頻擊穿電壓均略高于P-A-P結構體系。

(2) 無論針電極直接接觸兩種結構體系的上層絕緣紙表面，還是穿過上層絕緣紙接觸鋁箔或半導體紙表面，同等電壓下P-A-P結構體系的平均視在放電量與最大視在放電量均要高于P-S-P結構體系；在同一工頻周期內，同等電壓下P-A-P結構體系的放電脈沖數也多于P-S-P結構體系。電容極板采用半導體紙時，多層結構體系具有較好絕緣性能的主要原因是半導體紙降低了結構體系在極不均勻電場下的最大場強值。