基于放電統(tǒng)計(jì)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化率的油浸芳綸絕緣紙局部放電發(fā)展過程研究

張君穎，吳 楠，王 野，馬昭鈺，李曉楠，劉 成，吳廣寧

（1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 611756）

0 引言

油紙絕緣系統(tǒng)作為車載變壓器的關(guān)鍵部分，其狀態(tài)影響車載變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于車載變壓器在運(yùn)行過程中易遭受電、熱、機(jī)械等應(yīng)力的協(xié)同作用，引起油紙絕緣系統(tǒng)易出現(xiàn)局部絕緣缺陷，畸變電場(chǎng)，引發(fā)局部放電，造成絕緣系統(tǒng)不可逆損傷，甚至燒毀車載變壓器[1-2]。因此研究車載變壓器油紙絕緣局部放電特性及其發(fā)展過程具有重要的意義。

目前，在油紙絕緣局部放電方面國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。E TAKAHASHI等[3]研究了均勻電場(chǎng)下的油紙絕緣放電起始特性。P M MITCHINSON等[4]針對(duì)電力變壓器的故障狀態(tài)，研究了交流電壓下油紙絕緣沿面放電過程中的局部放電特性。A CAVALLINI等[5]通過脈沖電流法和特高頻法在實(shí)驗(yàn)室采集典型油紙絕緣放電缺陷相位譜圖特征，構(gòu)建模式識(shí)別數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行變壓器的局放故障識(shí)別。程養(yǎng)春等[6]在恒定電壓下采用柱板電極和匝間放電電極研究了油紙絕緣局部放電的發(fā)展特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，局部放電的最大放電量、平均放電量、放電重復(fù)率隨放電缺陷的發(fā)展呈線性或指數(shù)規(guī)律增大，可借助局放特征參數(shù)判斷放電嚴(yán)重程度。廖瑞金等[7]研究了不同老化程度的油紙絕緣的局部放電特性，發(fā)現(xiàn)其放電量和放電次數(shù)等參數(shù)隨油紙絕緣試樣老化程度增加而增加，放電相位譜圖中電壓正半周偏斜度S+K隨電壓升高單調(diào)下降，可用于判斷局部放電缺陷的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。溫敏敏等[8-9]針對(duì)礦用干式變壓器的絕緣缺陷開展研究，建立干式變壓器空腔放電仿真模型，從電場(chǎng)強(qiáng)度和空間電荷兩個(gè)方面分析了空腔放電機(jī)理。崔彥捷等[10-11]采用針板電極模型研究了油浸絕緣紙板在長(zhǎng)時(shí)局部放電下的放電特性，根據(jù)放電相位分布特征將局部放電分為起始期、發(fā)展期、停滯期、爆發(fā)期4個(gè)階段。SHAY C等[12]對(duì)交直流電壓下的油紙絕緣放電起始特性展開研究，發(fā)現(xiàn)在針-板電極模型下局放起始電壓不受電壓波形、復(fù)合電壓比例的影響，而與外加電壓幅值密切相關(guān)。綜上所述，目前主要對(duì)普通電力變壓器中的油-纖維素紙復(fù)合絕緣的局放特性進(jìn)行了研究，而對(duì)車載變壓器油-芳綸絕緣紙的局部放電特性研究較少；且通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，車載變壓器油紙絕緣的局放特性與普通電力變壓器存在一定差異。

本文參考車載變壓器匝間絕緣結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)三層油紙絕緣針板放電模型，開展局部放電試驗(yàn)，模擬極不均勻電場(chǎng)下油浸芳綸絕緣紙的局部放電發(fā)展過程，結(jié)合靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)研究油浸芳綸絕緣紙中的局部放電發(fā)展規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究油紙絕緣的局部放電特性，搭建局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中，Uac是100 kV/10 kVA工頻電源，由揚(yáng)州攀峰公司生產(chǎn)的無局放試驗(yàn)變壓器提供；R是10 kΩ的水電阻；C1、C2是1 000∶1的分壓器；C0是300 pF的耦合電容；Zm是檢測(cè)阻抗。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)所有導(dǎo)線做屏蔽處理，并進(jìn)行背景噪聲測(cè)試，獲得的局放背景噪聲小于10 pC，開展試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test system

試驗(yàn)系統(tǒng)使用奧地利OMICRON公司生產(chǎn)的MPD600局放測(cè)試儀，能夠?qū)φ麄€(gè)試驗(yàn)過程的局部放電信號(hào)進(jìn)行采集、分析，局放信號(hào)測(cè)量中心頻率為300 kHz，帶寬為650 kHz。

1.2 電極模型

實(shí)際運(yùn)行中車載變壓器高壓繞組匝間易出現(xiàn)金屬尖端等絕緣缺陷，引發(fā)局部放電，其匝間絕緣采用多層絕緣紙，為模擬車載變壓器多層油紙復(fù)合絕緣在極不均勻電場(chǎng)下的局放特性，本文設(shè)計(jì)了三層無油隙針板放電模型，如圖2所示，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。圖2中，針板間距為0 mm。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test model

表1 針板模型設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 The parameters of needle-plate model

1.3 試樣預(yù)處理

選用杜邦Nomex T410紙（厚度0.18 mm）和克拉瑪依25#礦物油進(jìn)行試驗(yàn)，絕緣紙剪成尺寸為10cm×8 cm的長(zhǎng)方形。局放試驗(yàn)前，參考GB/T 7596—2017[13]對(duì)25#礦物油和絕緣紙分別進(jìn)行預(yù)處理：①用濾油機(jī)去除油中水分、空氣和雜質(zhì)等；②將已裁剪的絕緣紙放置于真空干燥箱（DZF-6020）中，加熱至105℃保持48 h；③將干燥的絕緣紙浸入過濾后的油中，在80 Pa、85℃條件下保持48 h[1-2,14]。

1.4 加壓方法

依據(jù)文獻(xiàn)[14-15]，本文選擇階梯升壓法展開試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的加壓方式如圖3所示。對(duì)試樣從0 kV開始以恒定速率逐步升壓到起始放電信號(hào)出現(xiàn)，在此電壓下維持5 min，隨后以0.5 kV為步長(zhǎng)逐步升高電壓，每個(gè)電壓下維持5 min，以此類推進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣擊穿試驗(yàn)結(jié)束[1-2]。

2 局部放電試驗(yàn)結(jié)果

2.1 放電相位譜圖

根據(jù)局放試驗(yàn)過程中PRPD譜圖的演化特點(diǎn)，可將油-芳綸復(fù)合絕緣的局放過程分為4個(gè)階段：起始、發(fā)展、危險(xiǎn)和擊穿階段。下面通過放電譜圖變化情況對(duì)各個(gè)階段加以說明。

（1）起始階段

圖4為局放起始階段10 kV時(shí)的PRPD譜圖。由圖4可知，該階段局放主要出現(xiàn)在交流電壓的峰值附近，正半周的局放量（放電幅值）略高于負(fù)半周，PRPD譜圖呈不對(duì)稱分布；且產(chǎn)生小脈沖放電，放電量較小，從十幾到幾十pC變化。究其原因是芳綸絕緣紙具備良好的絕緣性能，放電發(fā)展需要較強(qiáng)的電場(chǎng)，而此時(shí)針尖位置局部電場(chǎng)未達(dá)到要求。此階段下的放電主要由油中的帶電微粒引發(fā)，因此存在比較強(qiáng)烈的隨機(jī)性[1-2]。

（2）發(fā)展階段

圖5為局放發(fā)展階段13 kV時(shí)的PRPD譜圖。由圖5可知，該階段局放主要出現(xiàn)在施加電壓波形的上升沿附近，局放相位變寬，產(chǎn)生大脈沖放電，局放強(qiáng)度和局放量迅速增大，從pC級(jí)上升至到nC級(jí)，且PRPD譜圖基本呈對(duì)稱分布。

圖5 發(fā)展階段放電譜圖Fig.5 PRPD at development stage

（3）危險(xiǎn)階段及擊穿階段

圖6為危險(xiǎn)階段14 kV時(shí)PRPD譜圖。由圖6可知，隨著局放進(jìn)一步發(fā)展，PRPD譜圖逐漸呈圓錐形分布，放電脈沖基本已擴(kuò)展到整個(gè)相位，局放量繼續(xù)呈增大趨勢(shì)，從幾nC上升至幾十nC，但放電強(qiáng)度略有下降。局放發(fā)展至擊穿階段，放電脈沖幾乎覆蓋滿整個(gè)相位，局放量增加迅速，此處不再單獨(dú)列圖進(jìn)行說明。

圖6 危險(xiǎn)階段放電譜圖Fig.6 PRPD at hazardous stage

油浸芳綸絕緣紙的PRPD譜從放電起始至擊穿基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，與文獻(xiàn)[7,11]油浸纖維素絕緣紙的非對(duì)稱分布PRPD譜圖有顯著區(qū)別。

2.2 局部放電統(tǒng)計(jì)參數(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過MPD600局放儀配套軟件對(duì)放電發(fā)展過程中的局放特征參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得從放電起始至絕緣擊穿過程中最大放電量、放電重復(fù)率、平均放電電流和平均放電功率的變化趨勢(shì)。

（1）最大放電量

圖7給出了最大放電量Qmax隨加壓時(shí)間的變化規(guī)律。由圖7可知，最大放電量Qmax隨加壓時(shí)間的增加而增大，呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化；10 kV時(shí)最大放電量為3.14 nC，13 kV時(shí)最大放電量為8.83 nC，14 kV時(shí)最大放電量升至30.84 nC，即14 kV前，Qmax增加幅度較小；隨著局放進(jìn)一步發(fā)展，加壓時(shí)間至130 min后，Qmax增加明顯，擊穿時(shí)達(dá)871.6 nC，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[7,11]中油浸纖維素紙的放電量。

圖7 最大放電量Fig.7 Maximum discharge

（2）放電重復(fù)率

圖8給出了放電重復(fù)率N隨加壓時(shí)間的變化規(guī)律。由圖8可知，放電重復(fù)率隨加壓時(shí)間的增加基本呈現(xiàn)雙曲正切函數(shù)變化；10 kV前，放電重復(fù)率顯著增加，至10 kV時(shí)放電重復(fù)率為260 kPDs/s；此后，放電重復(fù)率略有下降，至13 kV時(shí)放電重復(fù)率為216.7 kPDs/s；之后放電重復(fù)率開始繼續(xù)增加，至14 kV時(shí)放電重復(fù)率為245.1 kPDs/s；隨著局放進(jìn)一步發(fā)展，至擊穿時(shí)，放電重復(fù)率略有下降，下降至233.1 kPDs/s。

圖8 放電重復(fù)率Fig.8 Discharge repetition rate

（3）平均放電電流

圖9給出了平均放電電流Idis隨加壓時(shí)間的變化規(guī)律。

圖9 平均放電電流Fig.9 Average discharge current

由圖9可知，平均放電電流Idis隨加壓時(shí)間的增加而增大，呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化；10 kV時(shí)平均放電電流為 1.9 μC/s，13 kV時(shí)平均放電電流為 8.5 μC/s，14 kV時(shí)平均放電電流升至13.28 μC/s，即14 kV前，平均放電密度增加幅度較小；隨著局放進(jìn)一步發(fā)展，加壓時(shí)間至130 min后，平均放電密度增加明顯，擊穿時(shí)平均放電電流達(dá)118.8 μC/s。

（4）平均放電功率

圖10給出了平均放電功率Pdis隨加壓時(shí)間的變化規(guī)律。由圖10可知，Pdis、Qmax、Idis變化規(guī)律相似，均呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化；10 kV時(shí)平均放電功率為17.82 mW，13 kV時(shí)平均放電功率為100 mW，14 kV時(shí)平均放電功率升至153.2 mW，即14 kV前，平均放電功率增加幅度較小；隨著局放進(jìn)一步發(fā)展，加壓時(shí)間至130 min后，平均放電功率增加明顯，擊穿時(shí)平均放電功率達(dá)1 612 mW。

圖10 平均放電功率Fig.10 Average discharge power

2.3 放電現(xiàn)象

試驗(yàn)中采用高速相機(jī)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行拍攝與記錄，獲得放電過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象如圖11所示。起始階段絕緣紙表面未出現(xiàn)明顯痕跡，在此并未列出。發(fā)展階段放電現(xiàn)象如圖11(a)所示，在針尖附近存在肉眼可見的放電光斑和放電火花，并產(chǎn)生少量氣泡；隨著放電逐步發(fā)展，至放電危險(xiǎn)階段，放電樹枝不斷沿芳綸絕緣紙表面向四周延伸，出現(xiàn)沿面爬電現(xiàn)象，芳綸絕緣紙表面產(chǎn)生炭化痕跡，且絕緣紙表面的炭化痕跡表現(xiàn)出逐步擴(kuò)大的趨向，如圖11(b)所示[1-2]；臨近擊穿前，放電火花較暗，絕緣紙表面爬電范圍擴(kuò)大，同時(shí)炭痕顏色加深，如圖11(c)所示。

圖11 放電現(xiàn)象Fig.11 Discharge phenomena

3 放電動(dòng)態(tài)演變規(guī)律

基于2.2節(jié)局放統(tǒng)計(jì)參數(shù)演變規(guī)律，可以看出最大放電量、平均放電電流和平均放電功率變化規(guī)律基本相同，但這3個(gè)特征參量相對(duì)而言是靜態(tài)參量。據(jù)此，選擇最大放電量和放電重復(fù)率作為特征參量，研究其在不同時(shí)間間隔的動(dòng)態(tài)變化率。為精確地反映特征參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，選取間隔點(diǎn)為i和i+2，時(shí)間間隔Δt選取ti+2-ti，i是統(tǒng)計(jì)分布圖中的第一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為65 min，對(duì)應(yīng)電壓為9 kV，對(duì)應(yīng)的最大放電量變化率和放電重復(fù)率變化率分別如式（1）和式（2）所示。

式（1）～（2）中：Qmax(i+2)為時(shí)間間隔點(diǎn)ti+2時(shí)對(duì)應(yīng)的最大放電量；Qmax(i)為時(shí)間間隔點(diǎn)ti時(shí)對(duì)應(yīng)的最大放電量；Ni+2是ti+2時(shí)對(duì)應(yīng)的放電重復(fù)率；Ni是ti時(shí)對(duì)應(yīng)的放電重復(fù)率。

基于圖7和式（1），可以獲得最大放電量的動(dòng)態(tài)變化率曲線如圖12所示。圖12中，I、II、III和IV分別對(duì)應(yīng)局放起始、發(fā)展、危險(xiǎn)和擊穿階段。由圖12可知，最大放電量變化率隨時(shí)間間隔Δt的增加呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化。即在Δt<40 min的時(shí)間間隔內(nèi)，最大放電量變化率基本變化不大；在Δt=50 min時(shí)，最大放電量變化率是初始狀態(tài)的5倍左右；在Δt=60～70 min的時(shí)間間隔內(nèi)，最大放電量變化率迅速增加，至初始值的100倍左右。

基于圖8和式（2），可以獲得放電重復(fù)率的動(dòng)態(tài)變化率曲線如圖13所示。由圖13可知，放電重復(fù)率變化率在整個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)存在3個(gè)拐點(diǎn)，分別是①②③三個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)。即在Δt<10 min的時(shí)間段內(nèi)，放電重復(fù)率變化率增加迅速；在Δt=10～20 min時(shí)間間隔內(nèi)，放電重復(fù)率變化率下降迅速；在Δt=20～40 min時(shí)間間隔內(nèi)，放電重復(fù)率變化率下降趨勢(shì)放緩；在Δt=40～50 min時(shí)，放電重復(fù)率變化率緩慢增加；至Δt>50 min時(shí)，放電重復(fù)率變化率略微下降，最后基本保持不變。

圖13 放電重復(fù)率變化率趨勢(shì)圖Fig.13 Trend chart of discharge repetition rate

據(jù)此可知，最大放電量變化率與最大放電量的變化趨勢(shì)一致，而放電重復(fù)率變化率從油紙絕緣放電起始至放電擊穿階段，存在臨界值，分別為Δt=10 min、Δt=40 min、Δt=50 min，拐點(diǎn)標(biāo)示為圖13中的①、②和③，分別對(duì)應(yīng)著U=10 kV、U=13 kV和U=14 kV，其中考慮了約2%的誤差。放電重復(fù)率變化率的變化為2.1節(jié)局放發(fā)展階段劃分提供了理論和數(shù)據(jù)支撐，也為車載變壓器的放電性故障診斷及嚴(yán)重程度評(píng)估提供了一定的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集，可更好地評(píng)估油浸芳綸絕緣紙的放電發(fā)展階段。

4 結(jié)論

（1）油浸芳綸絕緣紙的局部放電過程中，PRPD譜圖呈對(duì)稱分布，放電起始后放電量迅速上升至nC級(jí)，至擊穿時(shí)最大放電量達(dá)到871.6 nC，與油浸纖維素紙的放電特性不同。

（2）根據(jù)放電過程中的放電相位譜圖演化特點(diǎn)，可將局放過程劃分為起始、發(fā)展、危險(xiǎn)和擊穿階段。

（3）放電參數(shù)動(dòng)態(tài)變化率可反映局部放電的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，其中放電重復(fù)率變化率在放電階段變化處存在拐點(diǎn)，可用于評(píng)估油浸芳綸絕緣紙的局部放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)。