學術簡報︱高頻變壓器用匝間絕緣材料沿面放電特性的實驗研究
來源：小編 作者：小編 瀏覽 次 時間：2021-12-26中國科學院電工研究所、中國科學院大學、國家電網全球能源互聯網研究院的研究人員趙義焜、張國強、韓冬、楊富堯、劉洋，在2019年第16期《電工技術學報》上撰文指出，沿面閃絡是導致高頻變壓器繞組匝間絕緣失效的主要原因之一。
通過搭建氣-固高頻沿面放電實驗平臺，選取Nomex絕緣紙、改性DMD絕緣紙、PET聚酯薄膜及聚酰亞胺薄膜作為研究對象，在高頻電源電壓為0～20kV、頻率為1～20kHz的雙極性方波電壓下開展實驗研究。采用雙參數Weibull統計法分析放電間距對沿面閃絡電壓的影響規律，基于二次電子發射雪崩(SEEA)模型分析起始放電電壓、閃絡電壓隨頻率的變化規律，并提出適用于絕緣材料沿面絕緣壽命估算的反冪函數模型，最后對以上四種匝間絕緣材料在高頻高壓下的沿面絕緣特性進行綜合性評估。
高頻變壓器具有體積小、質量輕、轉換效率高、適用面廣等突出優勢，最近幾年逐漸成為國內外的研究熱點之一。高頻高壓變壓器是直流變流器和電力電子變壓器當中必不可少的核心裝備，其主要功能是高頻升壓、功率傳輸并在工作過程中實現高壓側與低壓側的電氣隔離。
而作為高頻變壓器繞組絕緣的關鍵部分，匝間絕緣材料的高頻絕緣性能嚴重影響著高頻變壓器的整體耐壓水平及運行可靠性，更成為限制其大功率化、高頻化、小型化發展的重要因素。由于高頻變壓器長期工作在上升時間短、幅值大、頻率高的電壓波形下，匝間絕緣材料承受著高重復頻率的電應力沖擊，強電-熱耦合效應也會加劇其絕緣性能的下降和劣化。
現有研究表明，沿面閃絡的電場強度遠低于相同間隙的體擊穿場強，更易造成絕緣的損壞和過早失效。因此，開展匝間絕緣材料的高頻沿面放電特性實驗研究，對高頻變壓器絕緣結構的優化設計具有重要指導意義。
目前，國內外針對固體絕緣材料在工頻條件下的沿面放電特性已開展大量研究，研究結果表明，絕緣材料電阻率、表面粗糙度以及溫度等諸多因素均會對沿面閃絡電壓造成不同程度的影響。在絕緣材料的高頻沿面放電特性方面，現有研究往往圍繞頻率對放電發展過程、放電形態、材料老化特性等影響規律展開。
羅楊、吳廣寧等發現在雙極性方波脈沖電壓下，隨著聚酰亞胺薄膜放電的進行，平均放電量和放電次數均呈現先降后升的現象。
劉濤、李慶民等搭建了高頻氣-固絕緣沿面放電實驗平臺，研究了不同頻率和階段下的沿面放電發展演化過程，發現沿面放電形態與試樣表面特性、介電常數、電壓頻率、沿面電場分布等因素有關。
劉熊、林海丹等利用幅值為18kV、頻率為100Hz的脈沖電壓對環氧樹脂表面造成老化損傷，對老化前后的環氧樹脂表面進行了閃絡實驗，發現閃絡電壓隨老化時間出現先降后升的現象。
在絕緣實驗數據處理及分析方面，現有研究認為固體電介質的絕緣失效率與Weibull分布極為相符，并且將反冪函數模型用作表征絕緣材料壽命與電場強度關系的經驗模型。
前人對于沿面放電的研究多為工頻/納秒脈沖與真空/油紙絕緣等條件的相互組合，而對于高頻下沿面放電特性的研究，多集中于高頻正弦信號下材料本身在放電過程中微觀結構及形貌的演化過程，與高頻變壓器匝間絕緣實際工況相距較大，且很少涉及多種材料放電特性的對比，故難以為工程應用中高頻變壓器匝間絕緣的設計提供直觀的參考和借鑒。
本文在雙極性高頻方波電壓下對四種電氣、耐熱性能優良的固體絕緣材料進行沿面放電實驗，研究電極間距對絕緣紙、薄膜閃絡電壓特征值的影響，分析材料起始放電、閃絡電壓隨頻率的變化規律，提出適用于高頻下沿面絕緣壽命計算的反冪函數模型，為大功率高頻變壓器匝間絕緣材料的合理化選取與絕緣結構的優化設計提供理論依據。
本文根據高頻變壓器實際運行工況，設計基于高頻方波信號的沿面放電實驗平臺，重點研究了間距、頻率對匝間絕緣材料沿面放電特性的影響，結合SEEA模型分析了高頻下絕緣材料表面的放電機制，同時得到起始放電電壓、閃絡電壓與沿面絕緣壽命隨頻率的變化規律，為高頻變壓器匝間絕緣的優化設計提供參考，并得到以下結論：
1)在雙極性高頻方波電壓下，不同類型絕緣材料的閃絡電壓隨電極間距的變化規律具有一定的差異性，帶電粒子的沿面發展階段極大地影響著閃絡的形成，該階段與材料類型及表面狀況密切相關。
2)電壓頻率對起始放電基本無影響，閃絡電壓隨頻率的升高而顯著下降。根據SEEA模型，頻率對初始電子的形成影響較小，在電子倍增階段，頻率增加導致二次電子雪崩的發展速率有所提高，與絕緣表面的熱效應共同導致閃絡電壓大幅下降。
3)頻率的提高使絕緣材料從產生電暈到形成閃絡的時間明顯縮短。在沿面放電發展階段，頻率對電介質極化損耗、表面電荷耗散時間以及表面熱效應產生極大影響，最終導致絕緣壽命的顯著下降。
4)對比四種匝間絕緣材料在高頻下的沿面絕緣性能，薄膜類絕緣材料的起始放電電壓高于復合絕緣紙，表明PET薄膜與聚酰亞胺薄膜均具備良好的耐電暈性能，而各頻率下PET薄膜的閃絡電壓平均值比聚酰亞胺薄膜高出0.05～0.65kV。此外，PET薄膜的絕緣壽命指數n小于其余絕緣材料，表明其電老化速率較低。
因此，綜合考慮耐電暈性能、電老化速率、閃絡電壓等因素，PET薄膜在1～20kHz頻率范圍內具有相對良好的沿面絕緣性能。然而，在工程應用中，仍需與高頻體擊穿特性共同作為高頻變壓器匝間絕緣材料選取的主要理論依據。
