直流疊加諧波電壓下的油紙絕緣局部放電和電荷積聚特性研究
(Study on partial discharge and charge accumulation characteristics of oil-pressboard insulation under DC superimposed harmonic voltage)
1.研究背景
換流變壓器閥側(cè)油紙絕緣承受脈動(dòng)方波電壓作用。電壓包含大量直流分量和高次諧波，諧波分量的存在會(huì)使得換流變內(nèi)部局部放電和電荷積聚特性較為復(fù)雜，更易引發(fā)絕緣失效問題。因此，本文設(shè)置直流疊加諧波電壓下的試驗(yàn)，研究諧波頻率、直流分量對(duì)油紙絕緣局部放電和電荷積聚的影響，并探究電荷動(dòng)態(tài)行為與局部放電的相互關(guān)聯(lián)機(jī)制。
2.試驗(yàn)平臺(tái)
直流疊加諧波電壓的局部放電試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)裝置可模擬換流變閥側(cè)主絕緣實(shí)際承受的疊加諧波下的復(fù)合電壓。
圖1局部放電試驗(yàn)平臺(tái)
基于電聲脈沖法的空間電荷測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，能夠滿足疊加高次諧波電場(chǎng)下的空間電荷測(cè)量需求。
圖2空間電荷測(cè)量系統(tǒng)
設(shè)置諧波直流比例為1:1的復(fù)合電壓，設(shè)置不同頻率（50Hz、150Hz、250Hz、300Hz、350Hz）的諧波電壓，探究直流分量和諧波頻率對(duì)局部放電和電荷分布特性的影響。另外，設(shè)置諧波直流電壓比例為1:3，作為對(duì)照。
3.試驗(yàn)結(jié)果
如圖3所示，對(duì)直流疊加不同頻率諧波電壓下的局部放電特征參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。可以看到當(dāng)諧波直流電壓比例相同時(shí)，最大放電量、平均放電量和放電重復(fù)率均隨著諧波頻率的升高而增大。當(dāng)疊加諧波頻率相同時(shí)，特征參量均隨著直流分量的增加而減小。由此可見直流電壓的存在抑制了高次諧波對(duì)局部放電的促進(jìn)作用。
（a）最大放電量 （b）平均放電量
（c）放電重復(fù)率
圖3直流疊加不同頻率諧波電壓下的局部放電特征參量
如圖4所示為諧波直流比例1:1時(shí)，直流疊加50Hz諧波的復(fù)合電場(chǎng)下不同相位處的空間電荷波形。在交直流復(fù)合電場(chǎng)下電荷分布呈現(xiàn)非對(duì)稱性，不同相位處空間電荷分布隨外施極化電壓波形的變化而改變。
圖4直流疊加50Hz諧波電場(chǎng)下不同相位處空間電荷波形
4.討論
高次諧波對(duì)殘余電荷的積聚和消散過程具有重要影響。氣隙內(nèi)壁界面電荷消散呈指數(shù)衰減趨勢(shì)。外施諧波電壓頻率越高，電荷消散作用減弱，殘余電荷量變多，由此導(dǎo)致殘余電場(chǎng)
越大。當(dāng)外施電壓極性反轉(zhuǎn)后，仍然存在上半個(gè)周期積聚的殘余電荷形成殘余電場(chǎng)促進(jìn)反向放電的發(fā)生。
統(tǒng)計(jì)直流疊加不同頻率諧波下相位為270°時(shí)的空間電荷波形如圖5所示。隨著疊加諧波頻率的增大，紙板內(nèi)部正極性空間電荷積累量逐漸增大。復(fù)合電壓中的直流分量使得正極性電荷不斷被注入，并使電荷產(chǎn)生定向移動(dòng)。諧波頻率的升高降低了電荷的有效遷移距離，使得紙板內(nèi)部積累空間電荷變多，場(chǎng)強(qiáng)畸變?cè)絿?yán)重。
圖5直流疊加不同頻率諧波下的空間電荷波形
不同時(shí)間下疊加不同頻率諧波電壓的最大電場(chǎng)畸變率ΔEmax如圖6所示。由圖6可知，相同諧波與直流電壓比例下，極化時(shí)間越長，ΔEmax越大。相同極化時(shí)間下，最大電場(chǎng)畸變率ΔEmax隨疊加諧波電壓頻率升高而變大。電場(chǎng)畸變將加劇局部放電，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿。
圖6不同時(shí)間下疊加不同頻率諧波電壓的最大電場(chǎng)畸變率
當(dāng)下紙板承受正極性電場(chǎng)時(shí)，電荷輸運(yùn)與復(fù)合過程如圖7所示。
圖7局部放電時(shí)氣隙缺陷的電荷輸運(yùn)和復(fù)合過程
5結(jié)論
隨著疊加諧波頻率的升高，紙板內(nèi)部電荷積累變多，導(dǎo)致電場(chǎng)畸變。電荷頻繁注入和抽出的同時(shí)伴隨著電荷復(fù)合次數(shù)增多，能量的大量釋放會(huì)破壞油紙絕緣的微觀結(jié)構(gòu)，加速其侵蝕劣化速率，形成更多的陷阱使得電場(chǎng)畸變更為嚴(yán)重，進(jìn)而促進(jìn)了局部放電的產(chǎn)生。直流分量的存在建立了固定的直流反向電場(chǎng)，削弱了外施電場(chǎng)強(qiáng)度，增加了界面注入勢(shì)壘，對(duì)局部放電起到抑制作用。
作者中文名：
李姝奇，王強(qiáng)，何東欣，王良凱，李清泉，司雯
作者簡介：
李姝奇，本文第一作者，山東大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，主要從事油紙絕緣劣化機(jī)理方面的研究。
何東欣，山東大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，入選中國科協(xié)第七屆青年人才托舉工程和山東大學(xué)青年學(xué)者未來計(jì)劃，擔(dān)任全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟學(xué)校聯(lián)絡(luò)人、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)青工委和工程電介質(zhì)專委會(huì)委員。主要從事固體絕緣電荷特性與失效機(jī)理研究。主持國家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、山東省重大創(chuàng)新工程課題等項(xiàng)目，以第一作者和通訊作者發(fā)表高水平期刊論文40余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。榮獲中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)2020年度突出貢獻(xiàn)委員、優(yōu)秀組織獎(jiǎng)和山東電機(jī)工程學(xué)會(huì)“五四”青年科技工作者等榮譽(yù)。
李清泉，本文通訊作者，山東大學(xué)電氣工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，副院長。兼任山東省特高壓輸變電技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高電壓專委會(huì)委員，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)等離子體及應(yīng)用、絕緣材料與絕緣技術(shù)專委會(huì)委員等職務(wù)。長期從事電力設(shè)備絕緣的劣化特性、狀態(tài)評(píng)估、絕緣及電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電力大數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面的研究和開發(fā)工作。先后主持過國家及省部級(jí)縱向課題10余項(xiàng)，承擔(dān)國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司等的科技項(xiàng)目40余項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇；參與主編學(xué)術(shù)專著2部，主譯專著1部；獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省教育教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人目前正承擔(dān)國家自然科學(xué)基金智能電網(wǎng)聯(lián)合基金（重點(diǎn)類）、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-重大科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的研究工作。
司雯，高電壓與絕緣技術(shù)博士，山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院講師，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教研室副主任。主要研究方向?yàn)樽儔浩鲀?nèi)絕緣及檢測(cè)技術(shù)。承擔(dān)山東省自然基金、參與國家自然基金等多個(gè)項(xiàng)目。發(fā)表SCI等高水平學(xué)術(shù)論文十余篇。
本文作者來自山東大學(xué)電氣工程學(xué)院特高壓輸變電技術(shù)與裝備科研團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)依托山東省特高壓輸變電技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山東大學(xué)電氣工程學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)研究所，主要的研究領(lǐng)域包括高電壓絕緣診斷技術(shù)、電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、高壓測(cè)試技術(shù)、高壓復(fù)合絕緣劣化機(jī)理及絕緣評(píng)估等。近三年團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家自然基金（包括重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目）10 余項(xiàng)，省部級(jí)科技項(xiàng)目（包括省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等）10 余項(xiàng)，國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目等橫向課題50 余項(xiàng)；縱向科技項(xiàng)目和橫向科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)合同額超過 4000 萬；在國內(nèi)外期刊和高水平國際會(huì)議共發(fā)表文章SCI 收錄 90 余篇，EI 收錄論文 200余篇。
