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中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、國(guó)家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院的研究人員趙義焜、張國(guó)強(qiáng)、韓冬、楊富堯、劉洋，在2019年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，沿面閃絡(luò)是導(dǎo)致高頻變壓器繞組匝間絕緣失效的主要原因之一。
 

　　通過(guò)搭建氣-固高頻沿面放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(duì)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(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。采用雙參數(shù)Weibull統(tǒng)計(jì)法分析放電間距對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律，基于二次電子發(fā)射雪崩(SEEA)模型分析起始放電電壓、閃絡(luò)電壓隨頻率的變化規(guī)律，并提出適用于絕緣材料沿面絕緣壽命估算的反冪函數(shù)模型，最后對(duì)以上四種匝間絕緣材料在高頻高壓下的沿面絕緣特性進(jìn)行綜合性評(píng)估。
 

　　高頻變壓器具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、適用面廣等突出優(yōu)勢(shì)，最近幾年逐漸成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。高頻高壓變壓器是直流變流器和電力電子變壓器當(dāng)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(guò)程中實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)與低壓側(cè)的電氣隔離。
 

　　而作為高頻變壓器繞組絕緣的關(guān)鍵部分，匝間絕緣材料的高頻絕緣性能?chē)?yán)重影響著高頻變壓器的整體耐壓水平及運(yùn)行可靠性，更成為限制其大功率化、高頻化、小型化發(fā)展的重要因素。由于高頻變壓器長(zhǎng)期工作在上升時(shí)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(fù)頻率的電應(yīng)力沖擊，強(qiáng)電-熱耦合效應(yīng)也會(huì)加劇其絕緣性能的下降和劣化。
 

　　現(xiàn)有研究表明，沿面閃絡(luò)的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于相同間隙的體擊穿場(chǎng)強(qiáng)，更易造成絕緣的損壞和過(guò)早失效。因此，開(kāi)展匝間絕緣材料的高頻沿面放電特性實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)高頻變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
 

　　目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)固體絕緣材料在工頻條件下的沿面放電特性已開(kāi)展大量研究，研究結(jié)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(huì)對(duì)沿面閃絡(luò)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(xiàn)有研究往往圍繞頻率對(duì)放電發(fā)展過(guò)程、放電形態(tài)、材料老化特性等影響規(guī)律展開(kāi)。
 

　　羅楊、吳廣寧等發(fā)現(xiàn)在雙極性方波脈沖電壓下，隨著聚酰亞胺薄膜放電的進(jìn)行，平均放電量和放電次數(shù)均呈現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象。
 

　　劉濤、李慶民等搭建了高頻氣-固絕緣沿面放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同頻率和階段下的沿面放電發(fā)展演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)沿面放電形態(tài)與試樣表面特性、介電常數(shù)、電壓頻率、沿面電場(chǎng)分布等因素有關(guān)。
 

　　劉熊、林海丹等利用幅值為18kV、頻率為100Hz的脈沖電壓對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂表面造成老化損傷，對(duì)老化前后的環(huán)氧樹(shù)脂表面進(jìn)行了閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閃絡(luò)電壓隨老化時(shí)間出現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象。
 

　　在絕緣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析方面，現(xiàn)有研究認(rèn)為固體電介質(zhì)的絕緣失效率與Weibull分布極為相符，并且將反冪函數(shù)模型用作表征絕緣材料壽命與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/span>
 

　　前人對(duì)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(duì)于高頻下沿面放電特性的研究，多集中于高頻正弦信號(hào)下材料本身在放電過(guò)程中微觀(guān)結(jié)構(gòu)及形貌的演化過(guò)程，與高頻變壓器匝間絕緣實(shí)際工況相距較大，且很少涉及多種材料放電特性的對(duì)比，故難以為工程應(yīng)用中高頻變壓器匝間絕緣的設(shè)計(jì)提供直觀(guān)的參考和借鑒。
 

　　本文在雙極性高頻方波電壓下對(duì)四種電氣、耐熱性能優(yōu)良的固體絕緣材料進(jìn)行沿面放電實(shí)驗(yàn)，研究電極間距對(duì)絕緣紙、薄膜閃絡(luò)電壓特征值的影響，分析材料起始放電、閃絡(luò)電壓隨頻率的變化規(guī)律，提出適用于高頻下沿面絕緣壽命計(jì)算的反冪函數(shù)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
 

　　本文根據(jù)高頻變壓器實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)基于高頻方波信號(hào)的沿面放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，重點(diǎn)研究了間距、頻率對(duì)匝間絕緣材料沿面放電特性的影響，結(jié)合SEEA模型分析了高頻下絕緣材料表面的放電機(jī)制，同時(shí)得到起始放電電壓、閃絡(luò)電壓與沿面絕緣壽命隨頻率的變化規(guī)律，為高頻變壓器匝間絕緣的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，并得到以下結(jié)論：
 

　　1)在雙極性高頻方波電壓下，不同類(lèi)型絕緣材料的閃絡(luò)電壓隨電極間距的變化規(guī)律具有一定的差異性，帶電粒子的沿面發(fā)展階段極大地影響著閃絡(luò)的形成，該階段與材料類(lèi)型及表面狀況密切相關(guān)。
 

　　2)電壓頻率對(duì)起始放電基本無(wú)影響，閃絡(luò)電壓隨頻率的升高而顯著下降。根據(jù)SEEA模型，頻率對(duì)初始電子的形成影響較小，在電子倍增階段，頻率增加導(dǎo)致二次電子雪崩的發(fā)展速率有所提高，與絕緣表面的熱效應(yīng)共同導(dǎo)致閃絡(luò)電壓大幅下降。
 

　　3)頻率的提高使絕緣材料從產(chǎn)生電暈到形成閃絡(luò)的時(shí)間明顯縮短。在沿面放電發(fā)展階段，頻率對(duì)電介質(zhì)極化損耗、表面電荷耗散時(shí)間以及表面熱效應(yīng)產(chǎn)生極大影響，最終導(dǎo)致絕緣壽命的顯著下降。
 

　　4)對(duì)比四種匝間絕緣材料在高頻下的沿面絕緣性能，薄膜類(lèi)絕緣材料的起始放電電壓高于復(fù)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(luò)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(shù)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(luò)電壓等因素，PET薄膜在1～20kHz頻率范圍內(nèi)具有相對(duì)良好的沿面絕緣性能。然而，在工程應(yīng)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(jù)。