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研究

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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、中国电力科学研究院、国网北京市电力公司石景山供电公司、北京市高电压与电磁兼容重点实验室（华北电力大学）的研究人员刘涛、韩帅、李庆民、鲁旭、黄旭炜，在2016年第19期《电工技术学报》上撰文指出，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 kHz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。

高频电力变压器又称电力电子变压器，是一种新型智能输变电装备，可实现电能的灵活传输，提高系统运行稳定性与供电可靠性[1,2]。与传统工频变压器相比，高频电力变压器承受的电压波形具有上升时间短、频率高（10 kHz以上）的特点，为保证设备小型化和工作高效率，一般采用干式，即气-固绝缘结构[3,4]。

高频设备的绝缘损坏一直是国内外学者关注的问题[5-7]，由于沿面闪络场强远低于相同间隙的体击穿场强，更易造成绝缘损坏和过早失效，因此开展沿面放电的相关研究对高频绝缘结构设计具有重要指导意义。

沿面放电发展过程受材料表面特性影响较大，与材料表面层以及电极和材料界面层的电子结构密切相关[8,9]。在工频电压下的沿面放电发展过程中，伴随着电晕导致的发光和二次电子崩，以及纸板的脱水和碳化，会产生树枝状爬电痕迹，即沿面电树枝现象[10,11]。若所加电压幅值达不到一定程度，则不会出现沿面爬电现象，而是在高压电极处发生持续的电晕放电，最终导致绝缘的纵向热击穿[12]。

文献[13]发现在高频连续方波电压下，随着表面放电的发展，平均放电量和放电次数均先降低后升高。文献[14,15]针对纳秒脉冲下的绝缘沿面闪络研究表明，重复脉冲下与单脉冲下的闪络场强有明显区别，另外温度、绝缘材料类型和表面粗糙度等因素也会对沿面闪络场强造成影响[16]。

以往对于沿面放电的研究多为工频/纳秒脉冲和真空/油纸绝缘等条件的相互组合，一直鲜有针对高频电力变压器气-固绝缘的沿面放电问题以及频率对沿面放电发展过程的影响研究，制约了高频电力变压器的大容量化发展。

考虑到不同环境和电压波形下不同材料的沿面放电特性及发展机理不尽相同，以及高频电力变压器运行工况的特殊性，本文以尖端沿面放电故障为例，设计了高频沿面放电实验和测量系统，对空气-聚酰亚胺界面在不同电压频率、不同沿面放电发展阶段下的放电特性及放电形态进行了研究，并基于二次电子发射雪崩模型和陷阱理论，揭示了沿面放电的发展演化过程。本文研究结果可为高频电力变压器的绝缘结构设计提供有效的指导，并为其绝缘状态的在线监测提供理论依据。

结论

本文根据高频电力变压器运行工况，设计了高频气-固绝缘沿面放电实验平台，重点研究了不同频率和阶段下的沿面放电特性及其发展演化过程，主要得到以下结论：

1）电压频率对沿面放电起始电压基本无影响，但随着频率的升高，沿面闪络电压逐渐降低，绝缘沿面寿命明显缩短；频率低于10 kHz时，沿面放电无法持续发展，受强烈电晕作用会在针电极处发生纵向热击穿。

2）随着沿面放电的发展，平均放电幅值持续增大，单周期内平均放电次数先增大后减小；在放电后期，平均放电次数、放电相位谱图、正半周放电次数偏斜度、负半周最大放电量峭度及放电幅值脉冲指标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。

3）高频下PI沿面放电形态为直线型，这与PI试样表面特性、介电常数、电压频率、沿面电场分布等因素有关；结合二次电子发射雪崩模型、陷阱理论以及沿面放电形态的变化，分析了沿面放电的发展演化过程，并对放电特征参量的变化规律做出了解释。

4）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，是进一步揭示沿面放电发展过程和闪络机理的关键所在，应作为后续的重点研究内容。