沿面閃絡(luò)用非介入式表面電位測量研究

范路， 耿伊雯， 王亞林， 尹毅

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

0 引言

當今國民經(jīng)濟發(fā)展迅速，而電力消費與資源分布卻極不均衡，因此需要大容量、遠距離的輸電手段[1—6]。相比于交流輸電，直流輸電具有輸出電壓等級高，傳輸損耗低的優(yōu)點，因此得到廣泛推廣應(yīng)用[7—10]。采用電纜作為直流輸電受到電壓等級的限制，無法在承受更大電壓時保持較好的散熱性能[11—14]。直流氣體絕緣設(shè)備是直流輸電工程中的重要環(huán)節(jié)，氣體絕緣封閉開關(guān)(gas-insulated switchgear，GIS)因其體積小、占地面積小、對環(huán)境污染小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)中[1—2]。環(huán)氧制備的盆式絕緣子作為GIS的主要支撐絕緣，實際運行中由于“三結(jié)合點”處場強畸變、表面缺陷、微小金屬顆?；虍愇锏龋訅弘A段將引起表面電荷的大量沉積和注入[15—18]，嚴重情況下將引發(fā)持續(xù)性沿面閃絡(luò)，對設(shè)備和電網(wǎng)安全運行造成嚴重影響[16—18]。因此，亟需開展對沿面閃絡(luò)過程中表面電荷動態(tài)變化過程的相關(guān)分析。

表面電位常用于表征材料表面電荷動態(tài)特性?；陟o電電壓表的測量方案操作簡單，且探針與被測面間基本無電場，能夠減小探針對表面電荷動態(tài)特性的影響[19]。目前基于靜電電壓表的表面電位測量方案采用先處理后測量的方式，先對試樣施加電壓，隨后迅速將試樣移至靜電電壓表探頭下方或者將靜電電壓表探頭移至試樣上方，測量短路過程中表面電位的衰減變化[18,20—21]。由于傳統(tǒng)基于靜電電壓表的表面電位測量方案受限于靜電電壓表探針與高壓電極位置矛盾，無法實現(xiàn)對加壓階段以及加壓與短路測量切換階段的表面電位測量，研究內(nèi)容局限于短路階段表面電位的衰減過程。然而運行中的設(shè)備由于存在金屬顆粒、絕緣損傷等缺陷，引發(fā)沿面閃絡(luò)情況發(fā)生在加壓階段，因此加壓階段表面電荷的積聚特性對于評價材料耐閃絡(luò)性能具有重要意義[22]。在短路階段表面電位衰減特性研究中，短路起始時刻表面電位的衰減對電荷遷移率的計算至關(guān)重要[23]，需要對短路和加壓切換階段的表面電位進行測量，然而先前的實驗裝置均無法滿足加壓階段的表面電位測量要求。

文中提出一種非介入式表面電位測量方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對加壓階段的表面電位測量，并通過有限元軟件對實驗裝置的可行性進行仿真分析。利用該裝置結(jié)合指形電極沿面閃絡(luò)裝置實現(xiàn)對環(huán)氧試樣在閃絡(luò)前和閃絡(luò)過程中的表面電位測量，通過表面電位變化分析閃絡(luò)過程中表面電荷的動態(tài)特性。

1 實驗方法

1.1 試樣制備

實驗試樣為添加納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為2%的環(huán)氧試樣。試樣采用“共混法”制備[21]，將雙酚A環(huán)氧樹脂與固化劑按照質(zhì)量比1∶1混合，并添加相應(yīng)質(zhì)量的納米SiO2，其中納米SiO2粒徑為30 nm左右。將混合液在50 ℃的油浴中進行真空脫氣處理，并磁力攪拌90 min。最后，在140 ℃真空烘箱中將混合均勻并脫氣完成的環(huán)氧原液澆筑在模具里。

1.2 非介入式表面電位裝置

鑒于傳統(tǒng)基于靜電電壓表的表面電位方案無法實現(xiàn)對加壓階段的表面電位測量。文中實驗裝置采用將靜電電壓表探針和閃絡(luò)電極分置于試樣兩側(cè)的方式，實現(xiàn)對加壓階段的非介入式表面電位測量。裝置如圖1所示，整個測試系統(tǒng)包括靜電電壓表及配用探頭、指形閃絡(luò)電極、高壓源、高頻電流互感器、示波器、三維移動模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計算機。將指形電極放置在環(huán)氧試樣閃絡(luò)面(下表面)，采用尼龍底座作為絕緣支撐，指形電極間距2 mm，靜電電壓表探頭置于與高壓指形電極指尖處同一鉛垂線上的測量面(上表面)上方3 mm處。靜電電壓表探頭的響應(yīng)精度為200 μs/kV，采集卡的采樣頻率為每秒1 000個采樣點，三維移動模塊移動精度為0.1 mm。通過測量試樣加壓和閃絡(luò)階段測量面的表面電位進而分析閃絡(luò)面表面電荷的動態(tài)變化過程。

圖1 沿面閃絡(luò)測量裝置示意

1.3 實驗裝置可行性分析

為驗證實驗裝置的可行性，將裝置按照原始比例進行有限元仿真，如圖2所示。實際狀況中表面電位的變化須考慮表面電荷對表面電位產(chǎn)生的影響，因此采用靜電場進行仿真。其中，指形電極頭部曲率半徑為10 mm，2個指形電極間距2 mm，環(huán)氧試樣厚度0.4 mm，相對介電常數(shù)設(shè)為3.2?？紤]加壓和閃絡(luò)階段表面電位受到指形電極施加電壓和表面電荷兩方面影響，且表面電荷沉積量與表面電位對應(yīng)關(guān)系近似為1 pC/mm2對應(yīng)300 V[24—25]，將加壓過程中指形電極電壓設(shè)為5 kV，為保證表面電荷與高壓電極對表面電位的影響相當，在試樣閃絡(luò)面添加面密度為5×10-7C/m2的表面電荷。

圖2 實驗裝置仿真

仿真結(jié)果如圖3所示，加壓階段試樣測量面和閃絡(luò)面的表面電位大小和變化趨勢基本一致，且試樣高壓電極指尖的“三結(jié)合點處”表面電位差值為121 V，相較于閃絡(luò)面上電壓5 000 V僅變化2.42%，表明在此情況下試樣測量面的表面電位變化情況能夠反映試樣閃絡(luò)面表面電位變化，進而通過對測量面的表面電位測量實現(xiàn)對閃絡(luò)面的表面電荷動態(tài)特性分析。

圖3 加壓階段測量面和閃絡(luò)面的表面電位

1.4 實驗方案

實驗在常溫、大氣環(huán)境中進行，采用指形電極進行沿面閃絡(luò)測試。利用非介入式表面電位測量裝置實現(xiàn)對環(huán)氧試樣(添加納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為2%)在高壓指形電極指尖“三結(jié)合點”處的表面電位的測量，加壓方式為階梯式升壓，其中起始電壓設(shè)為-2.5 kV，升壓速率為0.5 kV/5 min。對高壓電極施加0 kV，測量表面電位5 min，基于表面電位是否在0 V附近判斷試樣表面和內(nèi)部是否存在凈電荷。整個過程由靜電電壓表探頭進行表面電位測量并通過采集卡存入電腦，采樣頻率設(shè)為1 kHz。

2 實驗結(jié)果

2.1 閃絡(luò)階段的表面電位

高壓電極三結(jié)合點處的表面電位測量結(jié)果如圖4(a)所示。當施加負極性電壓時，在未施加電壓階段，表面電位維持在0 V附近波動，表明此時試樣表面和內(nèi)部不存在凈電荷，排除殘余電荷對后續(xù)試驗結(jié)果的影響。當施加電壓為-2.5 kV時，表面電位迅速下降至-2 450 V，說明測試系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)特性。當施加電壓提升至-3 kV時，表面電位下降約500 V且仍保持衰減趨勢。隨著電壓的進一步提升，如圖4(b)所示，當施加電壓為-4 kV時，表面電位的衰減呈現(xiàn)了周期性回升現(xiàn)象，周期約為40 s，此時出現(xiàn)微弱電暈聲，說明三結(jié)合點處已經(jīng)發(fā)生了電暈放電。當施加電壓繼續(xù)提升至-4.5 kV時，衰減階段的周期性回升頻率加快，周期約為9 s，且此時電暈聲音更加急促且強度變大。當施加電壓為-5 kV時，如圖4(c)所示，在起始25 s內(nèi)，呈現(xiàn)間歇性沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，對應(yīng)于表面電位的變化為一個向上的尖峰脈沖，且表面電位幅值出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當間歇性閃絡(luò)持續(xù)一段時間后表現(xiàn)為持續(xù)性閃絡(luò)現(xiàn)象，此時表面電位呈現(xiàn)持續(xù)性尖峰現(xiàn)象，峰值相較于間歇性閃絡(luò)低，約為1 000 V，相鄰尖峰間的閃絡(luò)時間變短，約為11 ms。此時指形電極間出現(xiàn)明顯多條白色閃絡(luò)通路，如圖5所示，且呈現(xiàn)交替變化的現(xiàn)象，對應(yīng)的閃絡(luò)聲音表現(xiàn)為“嗞嗞嗞”的連續(xù)響聲。在持續(xù)性閃絡(luò)階段出現(xiàn)局部峰值波動較大且發(fā)生極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在波動較大的峰值之前均出現(xiàn)一定時長的閃絡(luò)停滯期，如圖4(e)所示。

圖4 表面電位時域圖

圖5 環(huán)氧試樣沿面閃絡(luò)現(xiàn)象

2.2 分析與討論

當施加電壓不足以引發(fā)沿面閃絡(luò)時，表面電位呈現(xiàn)衰減現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與添加納米SiO2形成的納米/環(huán)氧界面層有關(guān)。Maxwell-Wagner界面極化[10]引起表面電位呈現(xiàn)指數(shù)衰減，衰減時間常數(shù)與界面層有關(guān)。在施加電壓提高的瞬間，表面電位也隨之提高，但Maxwell-Wagner界面的極化過程仍未完成，表現(xiàn)為表面電位的進一步緩慢衰減。當施加電壓為-4 kV時，出現(xiàn)電暈聲，說明此時指形電極“三結(jié)合點”處發(fā)生了微弱的局部放電，放電提供了大量電子和正電荷，由于表面電阻率較高，電子沿表面遷移率低，電子沿表面泄漏至地電極，而局部放電產(chǎn)生的正電荷被負電極快速抽出，使得表面電位出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。與此同時，電子沿試樣表面的遷移泄漏過程使得表面電位進一步衰減，相鄰2次上升的間隔時間約為40 s。隨著施加電壓的進一步提升，電暈聲更加明顯，此時局部放電產(chǎn)生的電荷量更多，表面電導(dǎo)率提高，負電極對正電荷的快速抽出過程而引起的上升現(xiàn)象頻率變快，相鄰2次上升的間隔時間約為9 s。

當施加電壓達到閃絡(luò)所需閾值時，發(fā)生沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，前期“三結(jié)合點處”積累的大量電子沿表面泄放的過程使得試樣表面形成明顯電流通路，高壓電極與地電極接近短路狀態(tài)，短路引起的Maxwell-Wagner界面去極化以及大量電子通過閃絡(luò)通道泄放的過程使得表面電位出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于單次閃絡(luò)放電將前期積累的電荷充分釋放，電荷積累量再次超過閃絡(luò)閾值需要一定的時間，且前期閃絡(luò)引起的表面破壞程度小，因此呈現(xiàn)出間歇性閃絡(luò)的現(xiàn)象。隨著時間的推移，沿面閃絡(luò)對表面形貌的破壞程度加劇，表面出現(xiàn)明顯灼燒痕跡，三結(jié)合點處空氣電離產(chǎn)生的電荷量更容易滿足沿面閃絡(luò)所需閾值，閃絡(luò)頻率加快，表現(xiàn)為持續(xù)性閃絡(luò)現(xiàn)象，表面出現(xiàn)多條閃絡(luò)通道交替變換的現(xiàn)象，且閃絡(luò)引起的放電聲更加急劇。由于單次放電所需電荷積累量閾值減小，沿面閃絡(luò)引起的表面電位幅值波動相較于間歇性閃絡(luò)較小。將相鄰2次閃絡(luò)尖峰的時間間隔定義為閃絡(luò)間期，繪制持續(xù)性閃絡(luò)階段的直方圖見圖6。持續(xù)性閃絡(luò)中閃絡(luò)間期分布集中，且主要集中在10～13 ms，說明此時閃絡(luò)更加劇烈且集中。圖7中，閃絡(luò)過程引起的表面電位幅值變化隨閃絡(luò)過程的進行在500～1 100 V間波動。相較于間歇性閃絡(luò)的極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其幅值波動較小，說明持續(xù)性閃絡(luò)發(fā)生所需積累電荷閾值比間歇性閃絡(luò)低，更易引發(fā)閃絡(luò)，表現(xiàn)為閃絡(luò)間期較短且分布集中。單次閃絡(luò)前積累的電荷量低，閃絡(luò)通道引起的電荷泄漏量小，使閃絡(luò)引起的表面電位幅值波動較小。在持續(xù)性閃絡(luò)階段出現(xiàn)局部峰值波動較大且發(fā)生極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在波動較大的峰值之前均出現(xiàn)一定時長的閃絡(luò)停滯期，說明經(jīng)過閃絡(luò)停滯期，電荷積累量增多，閃絡(luò)引起的表面電位幅值波動變大。

圖6 持續(xù)性閃絡(luò)的閃絡(luò)間期直方圖

圖7 閃絡(luò)引起的表面電位幅值變化

閃絡(luò)前后掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)表面見圖8。通過SEM分析試樣閃絡(luò)前后表面形貌變化可知，在放大倍率為10 000的情況下，持續(xù)性閃絡(luò)使得原本光滑的表面出現(xiàn)清晰可見的灼燒痕跡。持續(xù)性閃絡(luò)階段灼燒痕跡使得閃絡(luò)過程更容易發(fā)生，灼燒痕跡附近未閃絡(luò)區(qū)域的表面形貌與閃絡(luò)前基本一致，說明沿面閃絡(luò)只在特定的通道內(nèi)進行。

圖8 閃絡(luò)前后SEM表面

3 結(jié)論

文中通過對指形電極沿面閃絡(luò)裝置進行非介入式表面電位測量，對添加納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為2%的環(huán)氧試樣表面電位進行測量，其中加壓步長為0.5 kV/5 min，得出結(jié)論如下：

(1) 當施加電壓不足以引發(fā)閃絡(luò)時，添加納米材料引起的Maxwell-Wagner界面極化使得表面電位呈現(xiàn)衰減現(xiàn)象。當施加電壓接近閃絡(luò)電壓時，表面電位衰減過程出現(xiàn)周期性回升現(xiàn)象，且回升現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率隨施加電壓升高而變快，閃絡(luò)前表面電位衰減過程中的回升現(xiàn)象能夠預(yù)測沿面閃絡(luò)，對工程中監(jiān)測和預(yù)防閃絡(luò)具有指導(dǎo)意義。

(2) 當施加電壓為5 kV時，發(fā)生沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，閃絡(luò)過程表現(xiàn)為間歇性閃絡(luò)向持續(xù)性閃絡(luò)的過渡。在間歇性閃絡(luò)階段，表面電位的幅值出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其可能與瞬間短路引起的電子沿面泄漏和Maxwell-Wagner界面去極化有關(guān)。持續(xù)性閃絡(luò)階段表面電位的幅值波動相較于間歇性閃絡(luò)要小且相鄰閃絡(luò)間期變短，其與持續(xù)性閃絡(luò)引起表面灼燒通路更易于發(fā)生沿面閃絡(luò)有關(guān)。閃絡(luò)間期時長越短，說明閃絡(luò)越劇烈。研究能作為評價指標評估絕緣材料的耐閃絡(luò)性能。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目“變壓器絕緣內(nèi)部放電深度分析技術(shù)研究服務(wù)”(SGTYHT/18-JS-206)資助，謹此致謝！