聚酰亚胺薄膜局部放电频致拐点现象及形成机制

局部放电是导致高频电力变压器绝缘劣化和失效的重要因素,为准确评估高频正弦波形下电压频率和温度对局部放电特性的影响,设计了高频局部放电测试系统,研究了聚酰亚胺薄膜在不同电压频率(0.5~40k Hz)和温度(30~200℃)下的局部放电相位谱图、放电次数、放电幅值和绝缘寿命。实验发现,平均放电次数和幅值随电压频率的升高先增长后减小,存在"频致拐点"现象,且拐点频率随着温度的升高向低频段转移,而放电次数和幅值随温升单调增加。从空间电荷与放电特征参量的关联规律,以及温度对局部放电特性的影响机制分析着手,结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响,建立了"频致拐点"现象的数学模型,并揭示了其产生机制,为解释高频下的局部放电机制提供了理论依据。     

环氧树脂绝缘高频电热联合老化中局部放电特性分析

电力电子变压器长期运行于高频正弦电压下,其绝缘更易受到局部放电作用影响从而导致老化失效。为此以环氧树脂材料为研究对象,模拟电力电子变压器的运行条件,在30 k Hz、4 kV的正弦电压和温度120℃下开展了电热联合加速老化试验,研究了不同老化阶段下绝缘的高频局部放电特征。实验结果表明:高频正弦电压下残余电荷扩散少,放电连续,放电相位范围超过90°,局部放电频繁冲击绝缘材料;随着老化时间的增长,高相位上的最大放电幅值由0.02 V增加到0.03 V,局部放电相位分布谱图(PRPD)中第2簇"三角"特征更为明显,统计参量Sk能较准确地反应绝缘的老化状态;同时,随着绝缘缺陷表面有效起始电子产生概率的变化,放电量和放电次数总体呈上升趋势,局部放电的相位范围向两端扩展。     

电压频率和环境湿度对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

环境应力和高频电应力引起的局部放电是造成电力电子变压器绝缘过早失效的主要原因。为研究电压频率和环境湿度对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响,基于恒温恒湿控制箱和高频正弦电源构建了局部放电测试平台,在不同相对湿度(30%～80%)和频率(10～30 kHz)下研究了聚酰亚胺薄膜的局部放电特性。结果表明:局部放电平均放电次数和幅值随着相对湿度的增加呈现先减后增的趋势,且转折点随着频率的增加向相对湿度较低的方向转移;在相对湿度较低(30%～50%)时,随着频率增加,局部放电平均放电次数减少、幅值减小;而在相对湿度较高(60%～80%)时,随着频率增加,局部放电平均放电次数增加、幅值增大。     

正弦和重复方波电压下变频电机绝缘局部放电特性对比

为对比研究正弦和重复脉冲电压下变频电机绝缘的局部放电特性,基于超高频测试技术搭建了两种电压条件下电机绝缘的局部放电测试平台。利用该平台,分别在正弦及200 ns上升时间的重复脉冲电压下,对低压变频电机漆包绝缘单点放电模型进行了局部放电测试,对比分析了正弦和重复脉冲电压下的局部放电单个脉冲的时频幅值、相位分布及频域能量分布、多个脉冲的统计谱图等特性,研究结果发现:对于相同峰峰值和频率的重复方波和正弦电压,重复方波电压下变频电机绝缘局部放电幅值及耐电晕寿命分别约为正弦电压下的10倍及1/3,且相位、时频域统计特性存在明显差异,在基于国际电工委员会标准对变频电机绝缘系统进行评估时,必须依据重复方波脉冲对放电特性及耐电晕寿命影响规律,重新考虑局部放电测试及耐电晕系统的设计。     

频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程,搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10~40 k Hz正弦电压下,测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命,然后采用恒压法开展沿面放电实验,记录了放电起始、发展至闪络的整个过程,获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图,并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论,对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明,电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短;高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型,在放电的不同阶段,放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律,可作为沿面放电发展程度的评估指标;绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响,是进一步揭示沿面闪络机理的关键。     

高频电压下油纸绝缘系统的局部放电及产气特性研究

高频变压器在提升电能传输效率的同时,也会加速油纸绝缘系统缺陷的劣化进程。为研究油纸绝缘系统在高频电压下的劣化特性,采用柱板模型模拟油纸绝缘的沿面放电缺陷,搭建高频局部放电试验平台,在10、20、30 k Hz电压下采用恒压法进行多组局部放电试验。利用摄像机和罗氏线圈分别记录试验现象和放电信号,分析高频电压下局部放电图谱和产气特性,并与工频局部放电试验的结果进行对比。结果表明:随着频率的提高,油纸绝缘系统的局部放电起始电压显著降低,单位时间内关键气体的产气量明显提高;但在高频电压下,绝缘油的劣化比绝缘纸板的劣化更为严重,因此提高了关键气体中H2的比例。由于空间电荷效应,放电相位集中于电压极性反转相位附近,且高频电压下的放电相位比工频电压下的放电相位宽;同时,在高频电压下,电压的上升速率、单周波内的有效放电时延受到频率的影响,使单周波内的平均放电幅值、平均放电次数在20 k Hz附近出现极大值。     

环氧树脂针-板缺陷在指数衰减脉冲和正弦电压作用下的局部放电特性

制作了环氧树脂针-板缺陷,模拟饱和电抗器环氧树脂内部金属突出物缺陷,研究环氧树脂在指数衰减脉冲电压和正弦电压下的局部放电特性。从起始放电电压、放电次数、平均放电幅值和局部放电的统计分布特性等方面进行对比,同时分析了环氧树脂样品在25℃和110℃下的局部放电特性。研究发现,在同样峰值的正弦电压和指数衰减脉冲电压下,脉冲电压下的起始放电电压更低,平均放电幅值更大,放电次数更少;对于相同的外施电压,110℃下的起始放电电压较25℃下的更低,平均放电幅值更大,放电次数减少。实验结果可为在指数衰减脉冲电压下饱和电抗器绝缘的优化设计提供依据。     

高频脉冲电压下油纸绝缘局部放电特性研究

高频变压器运行过程中油纸绝缘承受严酷的电热应力,绝缘系统容易过早失效.为了研究高频脉冲电压对油纸绝缘局部放电特性的影响,搭建了高频脉冲电压下的局部放电试验平台,开展局部放电试验,研究油纸绝缘在高频脉冲电压下的局部放电特性,并与工频电压下的局部放电特性进行对比.结果表明:高频脉冲电压下局部放电主要发生在电压的上升沿和下降沿,高频脉冲电压下的局部放电幅值远高于工频下的局部放电幅值,在10 kHz附近存在频致拐点,且高频脉冲下油纸试样出现直击现象;究其原因是高频产生较高的电压上升率,改变了缺陷区域的局部场强和高频电热耦合效应,从而导致了局部放电强度的变化.     

操作冲击电压及其叠加工频电应力下油纸绝缘尖端放电及燃弧特性研究

具有油纸绝缘绕组结构的关键电力设备在投运时容易出现乙炔超标问题，进而产生局部放电和燃弧现象。为此，本文研究操作冲击电压及其叠加工频电应力下油纸绝缘的尖端放电及燃弧特性，对比分析不同尖端缺陷的放电与燃弧特性，讨论冲击电压与工频电压叠加相位的影响。结果表明：含有纸板的缺陷模型击穿后的燃弧过程可分为高频重燃弧阶段、稳定燃弧阶段、电压恢复前的重燃阶段，其中高频重燃弧阶段具有较高的燃弧频次与较低的恢复电压；操作冲击电压下，纯油隙缺陷模型出现多次击穿，油纸复合绝缘缺陷模型出现纸板直接击穿和油纸先后击穿，且缺陷模型的类型会影响放电特性及燃弧规律；叠加相位则是通过影响电应力幅值来影响放电特性与燃弧规律。     

含缺陷PTFE绝缘管型母线模型的局部放电信号特征分析

聚四氟乙烯(PTFE)绝缘管型母线具有载流量大、绝缘及力学性能好等优点,已经在我国变电站中获得广泛应用。在管型母线的生产、安装和运行过程中,可能在绝缘层内引入缺陷,诱发局部放电。长期受到局部放电的侵蚀作用,PTFE绝缘将出现加速老化导致母线绝缘击穿而引发事故。针对管型母线中典型绝缘缺陷引发的局部放电信号特征进行分析,对于辨识母线中局部放电的种类,评估其绝缘状态具有重要意义。采用PTFE薄膜建立了三种含典型缺陷的管型母线模型,通过高频电流互感器测量了交流高压作用下缺陷引发的局部放电信号,分析了局部放电的相位分布、放电频次-幅值关系、单次脉冲波形及频域谱等信号特征,讨论了外施电压的影响。结果表明不同缺陷模型引发的局部放电相位分布、放电频次-幅值等特征均有着明显的区别;放电幅值及每周波放电次数均随外施电压升高而增大。     

局部放电作用对变频电机匝间纳米复合绝缘的损伤机理研究

局部放电是变频电机匝间绝缘过早失效的主要原因之一。在双极性连续方波脉冲电压下对变频电机匝绝缘试样进行老化试验,测试了不同老化阶段的局部放电次数及平均放电幅值,采用扫描电镜观察了不同老化阶段试样绝缘介质表面的微观形貌变化规律及击穿点特征。研究结果表明:老化过程中,平均放电幅值及放电次数与老化时间的关系比较复杂,但总体上呈上升趋势;局部放电对纳米复合材料的侵蚀主要是造成聚合物基体降解,无机纳米填料因为其较强的键能而残留在介质表面上并建立起一层无机绝缘层,从而有效阻止局部放电对介质的进一步侵蚀,纳米复合绝缘介质表面生成的团絮物及孔洞将加速绝缘降解,最终导致绝缘寿命终止。     

重复短脉冲及方波电压频率对变频电机绝缘局部放电统计特性影响

为研究重复短脉冲及方波电压频率对局部放电统计特性的影响规律,采用不同频率的重复短脉冲及方波电压对变频电机漆包线绞线对进行测试,得到了两种电压条件下频率对局部放电幅值及相位的影响规律。结果表明:在重复短脉冲及方波电压下,频率升高造成表面积累电荷衰减减小,促使初始电子出现概率增加,从而导致局部放电幅值减小;放电相位随频率变化可能会受到电压极性的影响,在高频重复短脉冲电压下放电相位延迟,在高频重复方波电压下放电相位提前;在重复方波电压下的放电幅值为0.2~2 V,高于重复短脉冲下的放电幅值。根据研究结论,在依据国际标准对变频电机绝缘性能进行检测时,为提高信噪比,推荐采用频率较小的重复方波电压。     

基于聚类–小波神经网络的油纸绝缘气隙放电发展阶段识别方法

基于油纸绝缘气隙放电模型,在实验室搭建了气隙放电及其发展特性研究试验平台;采用恒压法,对其进行局部放电发展特性实验;提取了局部放电最大放电量相位分布、基于油纸绝缘气隙放电模型,在实验室搭建了气隙放电及其发展特性研究试验平台;采用恒压法,对其进行局部放电发展特性实验;提取了局部放电最大放电量相位分布、平均放电量相位分布、放电次数相位分布以及局部放电幅值分布中的29个特征参量,通过核主成分分析,采用系统聚类对放电不同的发展阶段进行划分.建立了基于聚类-小波神经网络的放电发展阶段识别方法,识别结果表明:所建立的识别方法能很好地根据放电有效特征量识别放电所处阶段,与系统聚类分析结果基本吻合     

振荡雷电冲击电压下SF_6沿面模型局部放电特性研究

针对沿面模型在振荡雷电冲击电压下进行局部放电特性研究。首先搭建了振荡冲击电压发生器,产生符合IEC 60060-3:2006的振荡型雷电冲击电压;然后基于特高频法和脉冲电流法,建立了冲击电压下局部放电测量系统;构建了SF_6沿面模型,对负极性振荡雷电冲击电压下的局部放电进行测量,分析放电幅值、放电次数和放电相位随外施电压的变化规律。结果表明:与脉冲电流法相比,特高频法测量局部放电的灵敏度更高;局部放电发生在外施电压波峰或波谷来临前的上升沿和下降沿;放电幅值和次数随外施电压升高而线性增大,第一上升沿激发的放电幅值最大、放电次数最多;随着外施电压的升高,放电相位分布呈现明显的"左移"。     

高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其次,对放电发展不同阶段聚酰亚胺薄膜的表面电荷分布进行了测量,得出了表面电荷的时空分布特性。最后,通过扫描电镜与傅里叶变换红外光谱分析方法,对材料表面微观形貌和化学结构变化进行了测试,探究了材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。研究结果表明,高频下沿面放电呈现极性效应,正半波放电幅值大于负半波,且放电中期正半波峰值处会出现较大幅值的放电,峰值处放电次数在后期明显增加;材料表面积聚负极性电荷,沿面放电导致的物化缺陷加剧了表面电荷的积聚;负极性表面电荷在电压正、负半波对针电极附近电场分布的不同影响,是沿面放电极性效应的主要产生原因。与高频电压相比,工频电压下负极性表面电荷积聚量较少,且沿面放电呈现出不同的极性效应。     

交流电压下油纸绝缘针板放电特性

为探究油纸绝缘针板放电发展过程和老化对放电特性的影响,在实验室条件下,通过油纸绝缘130℃加速热老化试验,以绝缘纸板聚合度为表征老化程度的特征参量,得到了不同老化阶段的油纸绝缘样品。基于脉冲电流法,测量了交流电压下不同老化状态油纸绝缘针板模型局部放电信号,分析了从起始至预击穿过程中局部放电相位分布模式的幅值分布H(q,φ)谱图,并讨论了油纸绝缘老化对局部放电H(q,φ)谱图、放电量、放电次数和统计参数的影响。研究结果表明:针板电极局部放电H(q,φ)谱图中放电分布在正、负峰值附近,工频正半周的脉冲幅值、个数均分别大于负半周,且正半周的H(q,φ)谱图放电随电压升高呈现"倒V型";平均放电量-相位分布Hqave(φ)正半周的偏斜度Sk+随电压的升高呈下降趋势,且在油纸绝缘样品达到预击穿阶段Sk+变为负值,因此Sk+可用于评估油纸绝缘针板电极模型下的缺陷发展状态;随着油纸绝缘的老化,导致油中老化产物增多,进一步畸变了场强,老化后的油纸绝缘样品正半周局部放电次数明显增多,平均放电量、最大视在放电量增大。     

温-频耦合效应对高频固态变压器绝缘局部放电特性的影响

高频固态变压器的强温-频耦合效应会导致其绝缘过早失效,而局部放电是其失效的主要原因之一。为研究温度和频率交互作用对高频绝缘系统局部放电特性的影响,建立了电-热联合实验平台,模拟了固态变压器聚酰亚胺绝缘在30~160℃四个温度点和10~50k Hz五个频率点下的局部放电情况,阐明了典型局放特征参量随温度和频率的变化规律,并分析了其作用机理。实验结果表明,随着温度升高,最大放电幅值、放电次数和平均放电幅值都呈上升趋势,而频率则与这些特征量呈负相关,放电起始电压基本不随频率而改变。频变导致的空间电荷累积效应对局放特征变化起主导作用,频率-温度的协同作用改变了绝缘电导率以及电极-绝缘系统的切向电场分量,对局部放电发展具有显著影响。     

油浸倒立式CT“三角区”绝缘纸松散缺陷局部放电检测

"三角区"绝缘纸松散为油浸倒立式CT典型绝缘缺陷之一。为探究局部放电特性,在实验室条件下,专门针对实体设备设置了此类故障。基于脉冲电流法测量了不同试验电压下的局部放电量,通过特征参量分析了从放电起始至预击穿过程中的PRPD谱图,进一步针对局部放电脉冲n-φ-q谱图,深入探讨了放电量、放电次数和相位间的关系。发现放电过程分为三个主要阶段:①放电起始阶段,脉冲簇集中,呈现悬浮电位放电特征;②当试验电压不断升高,放电幅值分散,相位稳定,有较明显的气隙放电特性;③接近预击穿时,气隙放电特征持续加强,但主要脉冲团簇向工频过零点偏移。研究结论为现场诊断油浸倒立式CT"三角区"绝缘纸松散故障积累了经验数据,提供了有效依据。     

12kV固体绝缘开关柜中绝缘气隙缺陷的放电特征

为获取12k V固体绝缘开关柜内部绝缘材料中气隙放电特征,搭建12k V固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷放电试验平台,测量气隙放电在不同电压幅值、不同气隙直径以及不同谐波频率下的局部放电信号。提取并分析气隙缺陷在不同电压幅值下局部放电三维特征图谱,比较不同频率下气隙缺陷放电在正、负半周期内的局部放电差异。研究结果表明,固体绝缘开关柜内部绝缘材料在有气隙缺陷情况下,不同的电压幅值会影响放电量大小与放电次数;谐波频率越高,每周期的放电次数越多,但正、负半周的单次最大放电总量维持在一定的水平,不会出现较大的波动;绝缘介质的气隙直径越大,放电次数越少,每次放电的放电量越大,危害越严重。据此获得的不同试验条件下的n-φ-q三维图,可用于固体绝缘开关柜气隙缺陷放电的模式识别,也有助于对固体绝缘开关柜内部绝缘材料缺陷放电提供理论指导。     

宽频高压脉冲参数对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了探索脉冲电应力作用下高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件绝缘材料的局部放电特性,建立高频高压脉冲作用下的局部放电测量平台,系统研究了电压幅值、脉冲重复频率、上升沿时间和脉宽对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响规律。结果表明:随着电压幅值从3 kV增加至11 kV,脉冲上升沿处的局部放电信号幅值逐渐增大,而放电时延逐渐减小;随着脉冲重复频率从50 Hz增大至100 kHz,上升沿的放电时延逐渐增大但局部放电信号幅值几乎不变;随着上升沿时间从136 ns增大至300 ns,放电时延逐渐增大且更加分散,局部放电信号幅值逐渐减小且更加紧密;与脉宽为1μs的情况相比,脉宽为500 ns时局部放电信号幅值更大且放电时延更小。该结果可为高压大功率电力电子装置中固态开关的绝缘老化和状态监测提供重要科学依据。