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
換流變壓器閥側油紙絕緣承受脈動方波電壓作用。電壓包含大量直流分量和高次諧波，諧波分量的存在會使得換流變內部局部放電和電荷積聚特性較為復雜，更易引發(fā)絕緣失效問題。因此，本文設置直流疊加諧波電壓下的試驗，研究諧波頻率、直流分量對油紙絕緣局部放電和電荷積聚的影響，并探究電荷動態(tài)行為與局部放電的相互關聯機制。
2.試驗平臺
直流疊加諧波電壓的局部放電試驗平臺如圖1所示。試驗裝置可模擬換流變閥側主絕緣實際承受的疊加諧波下的復合電壓。
圖1局部放電試驗平臺
基于電聲脈沖法的空間電荷測量系統如圖2所示，能夠滿足疊加高次諧波電場下的空間電荷測量需求。
圖2空間電荷測量系統
設置諧波直流比例為1:1的復合電壓，設置不同頻率（50Hz、150Hz、250Hz、300Hz、350Hz）的諧波電壓，探究直流分量和諧波頻率對局部放電和電荷分布特性的影響。另外，設置諧波直流電壓比例為1:3，作為對照。
3.試驗結果
如圖3所示，對直流疊加不同頻率諧波電壓下的局部放電特征參量進行統計。可以看到當諧波直流電壓比例相同時，最大放電量、平均放電量和放電重復率均隨著諧波頻率的升高而增大。當疊加諧波頻率相同時，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局部放電的促進作用。
（a）最大放電量 （b）平均放電量
（c）放電重復率
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，直流疊加50Hz諧波的復合電場下不同相位處的空間電荷波形。在交直流復合電場下電荷分布呈現非對稱性，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諧波電場下不同相位處空間電荷波形
4.討論
高次諧波對殘余電荷的積聚和消散過程具有重要影響。氣隙內壁界面電荷消散呈指數衰減趨勢。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，由此導致殘余電場
越大。當外施電壓極性反轉后，仍然存在上半個周期積聚的殘余電荷形成殘余電場促進反向放電的發(fā)生。
統計直流疊加不同頻率諧波下相位為270°時的空間電荷波形如圖5所示。隨著疊加諧波頻率的增大，紙板內部正極性空間電荷積累量逐漸增大。復合電壓中的直流分量使得正極性電荷不斷被注入，并使電荷產生定向移動。諧波頻率的升高降低了電荷的有效遷移距離，使得紙板內部積累空間電荷變多，場強畸變越嚴重。
圖5直流疊加不同頻率諧波下的空間電荷波形
不同時間下疊加不同頻率諧波電壓的最大電場畸變率ΔEmax如圖6所示。由圖6可知，相同諧波與直流電壓比例下，極化時間越長，ΔEmax越大。相同極化時間下，最大電場畸變率ΔEmax隨疊加諧波電壓頻率升高而變大。電場畸變將加劇局部放電，甚至導致絕緣擊穿。
圖6不同時間下疊加不同頻率諧波電壓的最大電場畸變率
當下紙板承受正極性電場時，電荷輸運與復合過程如圖7所示。
圖7局部放電時氣隙缺陷的電荷輸運和復合過程
5結論
隨著疊加諧波頻率的升高，紙板內部電荷積累變多，導致電場畸變。電荷頻繁注入和抽出的同時伴隨著電荷復合次數增多，能量的大量釋放會破壞油紙絕緣的微觀結構，加速其侵蝕劣化速率，形成更多的陷阱使得電場畸變更為嚴重，進而促進了局部放電的產生。直流分量的存在建立了固定的直流反向電場，削弱了外施電場強度，增加了界面注入勢壘，對局部放電起到抑制作用。
作者中文名：
李姝奇，王強，何東欣，王良凱，李清泉，司雯
作者簡介：
李姝奇，本文第一作者，山東大學電氣工程學院碩士研究生，主要從事油紙絕緣劣化機理方面的研究。
何東欣，山東大學電氣工程學院副教授，入選中國科協第七屆青年人才托舉工程和山東大學青年學者未來計劃，擔任全球能源互聯網大學聯盟學校聯絡人、中國電工技術學會青工委和工程電介質專委會委員。主要從事固體絕緣電荷特性與失效機理研究。主持國家自然科學基金3項、山東省重大創(chuàng)新工程課題等項目，以第一作者和通訊作者發(fā)表高水平期刊論文40余篇，授權發(fā)明專利10余項。榮獲中國電工技術學會青年工作委員會2020年度突出貢獻委員、優(yōu)秀組織獎和山東電機工程學會“五四”青年科技工作者等榮譽。
李清泉，本文通訊作者，山東大學電氣工程學院教授、博士生導師，副院長。兼任山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室主任，中國電機工程學會高電壓專委會委員，中國電工技術學會等離子體及應用、絕緣材料與絕緣技術專委會委員等職務。長期從事電力設備絕緣的劣化特性、狀態(tài)評估、絕緣及電磁結構優(yōu)化、電力大數據應用等方面的研究和開發(fā)工作。先后主持過國家及省部級縱向課題10余項，承擔國家電網公司、南方電網公司等的科技項目40余項；發(fā)表學術論文200余篇；參與主編學術專著2部，主譯專著1部；獲省部級一等獎1項、二等獎2項，省教育教學成果二等獎1項。作為項目負責人目前正承擔國家自然科學基金智能電網聯合基金（重點類）、山東省重點研發(fā)計劃-重大科技創(chuàng)新工程等項目的研究工作。
司雯，高電壓與絕緣技術博士，山東建筑大學信息與電氣工程學院講師，電氣工程及其自動化專業(yè)教研室副主任。主要研究方向為變壓器內絕緣及檢測技術。承擔山東省自然基金、參與國家自然基金等多個項目。發(fā)表SCI等高水平學術論文十余篇。
本文作者來自山東大學電氣工程學院特高壓輸變電技術與裝備科研團隊，團隊依托山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室、山東大學電氣工程學院高電壓與絕緣技術研究所，主要的研究領域包括高電壓絕緣診斷技術、電力設備狀態(tài)在線監(jiān)測、高壓測試技術、高壓復合絕緣劣化機理及絕緣評估等。近三年團隊承擔國家自然基金（包括重點項目、面上項目、青年科學基金項目）10 余項，省部級科技項目（包括省重點研發(fā)計劃等）10 余項，國家電網科技項目等橫向課題50 余項；縱向科技項目和橫向科研項目經費合同額超過 4000 萬；在國內外期刊和高水平國際會議共發(fā)表文章SCI 收錄 90 余篇，EI 收錄論文 200余篇。
