高頻電老化過程中油紙絕緣表面電荷積聚消散特性

吳楠，李曉楠，李赫，蔣鵬，李奕萱

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062；2. 西南交通大學電氣工程學院，成都610031)

0 引言

電力電子變壓器具有體積小、重量輕和功率因數可調等優點，受到國內外學者的廣泛關注[1 - 5]。高頻變壓器作為電力電子變壓器中的重要組成部分，與電力電子變換器連接，長期工作在上升時間短、幅值大、頻率高(400 Hz～20 kHz)的重復脈沖電壓下，頻繁的高頻脈沖致使絕緣過早失效[6 - 8]。已有研究表明高頻脈沖下絕緣老化與電荷弛豫特性存在關聯關系[9]，但是高頻電老化過程中油紙絕緣介質表面電荷的變化特性及其對絕緣老化的影響機制尚不明確，因此需要對不同高頻電老化周期油紙絕緣介質的電荷積聚及消散特性展開研究。

針對高頻下電荷積聚與消散特性方面，目前日本Takizawa K[10]和Iwata T[11]等學者研究了低于1 kHz方波電壓下聚酰胺-酰亞胺的空間電荷積聚特性，發現施加單極性方波電壓時，陽極附近出現異極性電荷；當施加雙極性方波電壓時，試樣體內未觀察到明顯的空間電荷積聚現象。日本Mima M等人研究了空間電荷對聚酰胺-酰亞胺的電擊穿特性的影響，研究發現，方波電壓作用下絕緣介質的電荷積聚量遠大于交流電壓的作用[12]，這是方波的絕緣降解程度大于交流的重要原因。

隨后，Mima M等人研究了不同電壓波形和占空比的空間電荷分布特性，發現直流電壓和方波電壓下空間電荷積聚嚴重，且空間電荷積聚致使絕緣試樣的局放起始電壓降低，方波電壓的占空比對局放也產生影響[13 - 14]。西安交通大學吳鍇團隊研究了低于1 kHz方波脈沖下交聯聚乙烯的空間電荷特性，發現方波電壓下更易積累同極性電荷，單極性方波下的空間電荷積累遠大于雙極性方波，且占空比的增加也會導致積累電荷量的增加[15]。上述文獻主要對低于1 kHz的高頻下固體絕緣的空間電荷分布特性進行了研究，但對高頻油紙絕緣的電荷積聚消散特性研究較少。

本文選取不同高頻電老化程度的油浸 Nomex試樣(>1 kHz)，采用表面電位衰減法研究了高頻油紙絕緣表面電荷積聚特性及消散特性，分析了不同高頻電老化程度油浸Nomex紙電荷積聚消散特性的演變規律及油紙絕緣放電影響機理。

1 實驗平臺

1.1 高頻方波電老化平臺

高頻脈沖下油紙絕緣電老化試驗平臺如圖1所示，選用重慶普爾斯科技有限公司生產的高頻脈沖電源PUS-JC-20，可輸出0～20 kV，頻率0～20 kHz的雙極性高頻方波脈沖電壓，對應的輸出電壓波形如圖2所示。臺灣品致PT-5240高壓差分探頭測量輸出電壓波形，可測量電壓范圍為0～40 kV，頻寬20 MHz，衰減比5 000:1。C0為耦合電容，Zm為待測試品，MPD600(采樣頻率40 MHz)與HFCT(型號：Wintech HFCT0015，工作頻帶：8 MHz ～1 000 MHz)分別為耦合電容法與高頻脈沖電流法的放電特征采集器。實驗采用階梯升壓法，施加電壓小于1 kV時，每10 min升高0.2 kV，施加電壓大于1 kV時，每10 min升高0.5 kV，直到試樣發生擊穿。

試驗前，參考現有研究[16]及相關標準[17]，設計針板電極缺陷模型，如圖2所示，模擬油紙絕緣實際運行中的尖端缺陷。模型中，高壓電極采用鋼制醫用6號針頭，針尖曲率半徑約200 μm；板電極直徑75 mm；針與Nomex紙間的間隙為0 mm，Nomex絕緣紙在老化試驗前進行了干燥浸油處理。

圖1 高頻老化試驗平臺Fig.1 High frequency aging test platform

圖2 高頻測試模型Fig.2 High frequency test model

1.2 高頻方波表面電位測試平臺

對高頻電老化過程中的局部放電特性分析得到在加壓到2 kV與5 kV時為放電過程中的兩個拐點，因此分別對空白試樣、加壓到2 kV、5 kV時的試樣開展油浸Nomex紙表面電荷積聚與消散特性測試。

如圖3所示為高頻方波表面電位測試系統。實驗采用電暈充電法向試樣注入電荷，高頻電源選用某國產的脈沖電源設備，利用PicoScope 6觸發，可輸出0～10 kV，頻率0～20 kHz的單極性高頻方波脈沖電壓，對應的輸出電壓方波如圖4所示，針電極與高頻脈沖電源相連，其與油浸絕緣紙試樣距離為8 mm，試樣放置在可移動的銅板上，板電極接地。實驗使用的靜電電位計為TREK-341B，有源靜電探頭型號為MODEL 3455-ET，其與待測物體表面距離3～5 mm范圍內可以保證測量結果的穩定，該實驗將其固定在可以調節的機械支架上，設置靜電探頭與絕緣紙表面距離3 mm。

圖3 高頻方波表面電位測試系統Fig.3 Surface potential measuring system with high frequency square wave voltage output

圖4 表面電位測試所用高頻方波電壓Fig.4 High frequency square wave voltage in surface potential test

實驗前將油浸Nomex絕緣紙表面用無水乙醇處理，然后將其置于80 ℃條件下干燥24 h以去除雜質和水分的影響。測量時將試樣放置在針電極下方，加壓10 min后關閉高頻電源，將試樣移動到靜電探頭下方，保證靜電探頭測試位置與加壓位置相同，記錄衰減過程中絕緣紙表面電位衰減曲線。

基于上述有源靜電探頭法測得油浸絕緣紙表面電位值后，可通過線性標度法進行反演計算得到待測點的電荷密度σ[18 - 20]。

σ=uε0εr/d

(1)

式中：u為待測點電位；ε0為真空介電常數；εr為材料的相對介電常數；d為材料的厚度。

由式(1)可知待測點電荷密度與待測點表面電位值成正線性相關，電位分布情況可反應電荷分布情況。因此，文中直接對絕緣材料表面電位分布特性進行分析。

2 實驗結果及分析

2.1 空白試樣的表面電位積聚與消散特性

基于上述搭建的高頻方波脈沖下油紙絕緣表面電位試驗平臺，開展表面電位試驗，研究高頻脈沖下油紙絕緣試樣表面電荷分布特性，獲得絕緣紙試樣的初始表面電位及表面電位衰減特性。

對試樣的初始表面電位分析發現在高頻應力下其與頻率遵循一定的關系。利用MATLAB軟件對初始表面電位進行數據擬合，結果如圖5所示(該擬合曲線的擬合優度R2為0.927)。由圖可知，高頻油紙絕緣試樣初始表面電位和頻率間遵循冪函數關系，對應的關系為V0=afb+c， 其中：a為-865.7；b為0.141 5；V0為初始表面電位值。隨著施加頻率的增加，Nomex絕緣紙表面積聚的電荷量下降，且下降速度逐漸變慢。

圖5 不同頻率油紙試樣初始表面電位擬合曲線Fig.5 Fitting curves of initial surface potential distribution for oil-impregnated Nomex paper at different frequencies

為便于比較分析，用表面電位衰減率V1表示電位衰減程度[1, 21 - 23]。

(2)

式中V6 000為消散時間6 000 s時試樣的表面電位。

測得不同頻率下試樣的表面電位衰減率曲線如圖6所示。

圖6 高頻方波脈沖下油紙試樣表面電位衰減率Fig.6 Decay rate of surface potential under high frequency square wave voltages

由圖6可知，試樣的衰減率曲線呈先上升后下降的趨勢，20 kHz時油紙試樣的表面電位衰減率最低，約為65.9 %，5 kHz時油紙試樣的表面電位衰減率最高，約為 81.6 %，且高頻脈沖下油紙絕緣試樣的表面電位衰減率呈高斯分布，存在峰值點，并未呈現單一的遞增或者遞減趨勢，對應的高斯函數如式(3)所示。

f(x)=a1·e-((x-b1)/c1)2

(3)

式中：a1=75.48，b1=5.323，c1=36.76。

2.2 不同高頻電老化程度試樣的電荷積聚與消散特性

選取2 kV和5 kV電老化后的油紙試樣，開展高頻方波脈沖下油紙試樣電老化過程中的表面電位試驗，研究高頻脈沖下油紙絕緣試樣電老化過程中的表面電荷分布特性，獲得的電老化過程中初始表面電位與表面電位衰減曲線。

對不同高頻電老化程度的油紙絕緣試樣分析發現，高頻電老化作用下油紙絕緣試樣初始表面電位和頻率間遵循一定的關系。為分析不同電老化程度初始表面電位和頻率間的關系，利用MATLAB軟件對其進行數據擬合，擬合的曲線如圖7所示。由圖可知，絕緣紙表面初始電位隨高頻電老化程度的增加而下降，且在頻率增加的初始階段油紙絕緣表面積聚的電荷量快速下降，隨著頻率的增加，下降速度減慢。不同電老化程度油紙絕緣試樣初始表面電位和頻率間遵循冪函數關系，對應的函數關系和參數如表1所示。

由表可知，隨著電老化程度增加，擬合參數a逐漸增加，擬合參數b逐漸降低；與未老化的試樣相比，加速電老化至5 kV時的初始表面電位值低于加速電老化至2 kV的值。

圖7 油紙試樣電老化過程中初始表面電位Fig.7 Initial surface potential of oil-paper samples for electrical aging

表1 不同電老化程度初始表面電位與頻率的擬合公式Tab.1 Fitting formula of initial surface potential and frequency at different electrical aging degrees

圖8所示為不同高頻電老化程度油紙絕緣表面電位衰減率變化曲線。由圖可知，絕緣紙表面電位衰減率隨老化電壓幅值的增加而下降，高頻電老化后，絕緣紙衰減率變化曲線仍呈先增加后下降趨勢。高頻脈沖下不同電老化程度油紙絕緣試樣的表面電位衰減率呈高斯分布(如式(3)所示)，對應的高斯分布擬合曲線中的主要擬合參數如表2所示。發現不同高頻電老化程度的油紙試樣的表面電位衰減率曲線存在峰值點，曲線擬合參數a1和c1隨著高頻電老化程度增加而下降，即隨著電老化程度增加，表面電位衰減率降低。

圖8 油紙絕緣電老化過程中表面電位衰減率Fig.8 Decay rate of surface potential during electrical aging of oil-paper insulation

表2 不同電老化程度表面電位衰減率擬合曲線的主要參數Tab.2 Main parameters of the fitting curve of the surface potential decay rate with different electrical aging degrees

在表面電位衰減實驗中，表面電荷的消散通常只考慮向絕緣介質內部傳輸消散，絕緣介質中的陷阱具有捕獲電荷的能力，表面電位衰減率與絕緣紙中的陷阱分布特性有關。絕緣介質中被淺陷阱捕獲的電荷需要少量能量即可脫陷，淺陷阱的存在使絕緣紙中自由電荷變化率增加，絕緣紙表面積累的電荷可以快速向絕緣紙內部消散。被深陷阱捕獲的電荷需要較多能量才能脫陷，難以向絕緣紙內部消散。在高頻電老化條件下，油紙絕緣中分子鏈的排列、斷鏈、極性基團等的存在會導致物理化學陷阱的變化[23 - 25]，進一步導致絕緣紙中衰減率的變化。隨著高頻老化程度的增加，絕緣紙衰減率下降表明絕緣紙陷阱能級加深或絕緣紙中深陷阱數量增加。

3 討論

3.1 頻率對表面電荷消散特性的影響機制

由已有文獻可知，Nomex絕緣紙主要以深陷阱為主，具有較強的電荷捕獲能力[20 - 22]。油紙復合后，絕緣油中大部分導電離子吸附在油-Nomex紙復合面，形成電荷陷阱，陷阱密度和深度加深，增強了電荷捕獲載流子的能力[6, 20]。加壓后載流子被油紙試樣中的陷阱捕獲，難以脫陷，沉積在油紙試樣的表面，致使低頻時油紙試樣初始表面電荷積聚量最高。

當施加電壓的頻率增加，高頻致熱效應使得油紙絕緣介質損耗增大，損耗產熱致使油紙絕緣介質的溫升升高，溫升使得油紙絕緣介質電導率增加，進一步促進介質產熱，使得油紙介質表面電荷的消散速度增加，油紙試樣表面電荷積聚量減小；另外，施加電壓的頻率增加，油紙試樣逐漸老化，持續一段時間，油紙絕緣介質在高頻電應力和高頻熱效應的作用下，油浸Nomex紙逐漸劣化降解，電導率增加，促進了油紙絕緣介質的表面電荷消散速度，表面電荷的衰減率增加。

當頻率繼續增加到一定值時，持續一段時間，油紙絕緣介質在高頻電應力和高頻熱效應的作用下，油浸Nomex紙劣化程度增強，油紙絕緣介質中的物理缺陷和化學缺陷增多，進而改變了油紙絕緣介質的陷阱分布特性，即陷阱深度增加，增加的陷阱深度使陷阱電荷的捕獲能力增強，表面電荷消散速度降低，即油紙試樣表面電荷的初始積聚量的減小幅度大幅降低，電荷衰減率降低。

3.2 高頻電老化對初始電子產生機制的影響

載流子在高溫高場強下，金屬內部大量自由電子克服表面勢壘，進入電介質，稱為熱電子發射與場致發射[6]。由文獻可知[6 - 8]，初始電子主要通過背景發射和表面電離2種方式產生，放電所需的有效初始電子主要來源于表面電離。根據Richaedson- Schottky定律，熱電子發生與場致發射產生初始電子的概率可表示為式(4)。

(4)

式中：Nsc(t)為t時刻電介質表面可脫陷的電荷數；Ψ為脫陷功函數，表征電荷脫陷的難易程度，與陷阱能級正相關；v0、qe、ε0、K、T分別為光電離常數、基本電荷、真空介電常數、玻爾茲曼常數和溫度[6 - 8]；E(t)為電場強度。

4 結論

本文采用表面電位衰減法測量了不同高頻電老化條件下油紙絕緣介質的電荷積聚與消散特性，分析了頻率及高頻老化對初始電子產生機制的影響，得到的主要結論如下。

1)隨著施加頻率的增加，油紙絕緣表面積聚的電荷量下降，且施加頻率與絕緣紙表面電荷積聚特性遵循冪函數的關系。油紙絕緣表面積聚的電荷量隨著高頻老化程度的增加而下降。

2)油紙絕緣表面電荷衰減率與頻率之間呈高斯分布，隨著時間頻率的增加，衰減率先增加后減小。隨著高頻老化程度的增加，油紙絕緣衰減率整體呈下降趨勢。

3)施加頻率低于5 kHz時，絕緣紙表面高頻致熱效應起主導作用，導致表面電荷衰減率增加；施加頻率高于5 kHz時，高頻導致的電荷耗散時間起主導作用，表面電荷衰減率下降。

4)隨著高頻電老化程度的增加，油紙絕緣初始電子產生概率下降。