付淦, 鄭重

(華北電力大學，北京 102206)

電暈放電產(chǎn)生的空間電荷積聚于電氣設(shè)備固體絕緣表面，造成局部電場畸變并逐漸破壞其絕緣性能；另一方面，電暈放電作為產(chǎn)生低溫等離子體的常用手段，在工業(yè)應(yīng)用中提供絕緣介質(zhì)表面所需的電荷，如有機污染處理、靜電分離器、靜電印刷等[1-2]。

電極被絕緣介質(zhì)分隔的情況下發(fā)生的電暈放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電(dielectric barrier corona discharge，DBCD)[3-7]。電氣設(shè)備附近發(fā)生電暈放電所產(chǎn)生的空間電荷在電場力作用下向絕緣表面聚集，造成絕緣附近電場畸變，甚至超過限值[8]；尤其在單極性電壓下，電場方向恒定，絕緣表面電荷的積聚現(xiàn)象更為嚴重。有研究表明，表面電荷的積累是導致絕緣表面沿面閃絡(luò)的一個重要原因[9]。目前，關(guān)于介質(zhì)阻擋下表面電荷的研究主要集中在3個方面：表面電荷的積聚特性[10-11]、表面電荷的消散特性[12-13]、表面電荷積聚對閃絡(luò)電壓的影響[14-15]，而關(guān)于介質(zhì)阻擋表面電荷積聚對放電重復率影響的研究很少。放電重復率是分析電暈放電特性的一個重要指標[16]。研究不同介質(zhì)阻擋情況下的電暈放電重復率有利于了解DBCD機理，還能反映表面電荷積聚對放電重復率的影響。為了改善材料的絕緣特性，增強電器設(shè)備絕緣的安全性，有必要對介質(zhì)阻擋下的電暈放電重復率進行研究。

為了進一步研究DBCD下電荷的積聚與消散的微觀物理過程，以及其對電暈放電的影響，本文采用典型針板電暈放電模型，對多種片狀絕緣材料以及一種FEP (fluorinated ethylene propylene，全氟乙烯丙烯共聚物)絕緣電纜施加負極性周期脈沖方波，記錄放電起始前8個周期下的DBCD次數(shù)，分析電壓與放電次數(shù)的數(shù)值關(guān)系，對不同介質(zhì)阻擋對放電次數(shù)和放電重復率的影響和相關(guān)規(guī)律進行研究。

1 實驗

1.1 局部放電測量系統(tǒng)

局部放電測量系統(tǒng)由惠普33120A函數(shù)/隨意波形發(fā)生器、TREK 20/20C高壓發(fā)生器、ICM局部放電系統(tǒng)、耦合電容、測量阻抗、橫濱DL750示波記錄儀、高壓探頭、GPIB傳輸線組成，如圖1所示。

圖1 局部放電測量分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過GPIB纜線將編輯的波形傳至惠普33120A函數(shù)/隨意波形發(fā)生器，向高壓發(fā)生器發(fā)送指定脈沖信號；高壓發(fā)生器對輸入信號放大2 000倍，最大輸出電壓為±20 kV DC/20 kV AC；耦合電容值為50 nF，并與高速火花保護間隙并聯(lián)；測量阻抗由1 kΩ電阻和火花間隙并聯(lián)制成；局部放電信號通過測量阻抗，經(jīng)過同步后傳輸至ICM局部放電系統(tǒng)，并在配套軟件上形成相應(yīng)的時/頻域局部放電譜圖；橫濱DL750示波記錄儀具有12 bit的A/D分辨率，最高107s-1的采樣頻率，最大2.5×108的單次采樣數(shù)量和最長記錄時間30 d，能長時間對局部放電過程進行記錄和采樣；高壓探頭是德國PMK PPE 20kV高壓探頭，比率為1 000∶1，最大承受14 kV AC和20 kV DC以及40 kV電壓脈沖；函數(shù)/隨意波形發(fā)生器、電腦處理器和DL750示波記錄儀通過GPIB纜線進行交互，實現(xiàn)波形的控制和數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 實驗平臺與波形

實驗平臺為針-板阻擋電暈放電模型，如圖2所示。

圖2 電暈放電針-板模型

實驗平臺由針-板電極以及片狀絕緣材料組成，針電極長30 mm，尖端半徑為50 μm，材料為不銹鋼；平板電極直徑80 mm，厚10 mm，材料為黃銅；兩電極間距為10 mm；同時，厚1 mm、長100 mm、寬100 mm的絕緣材料覆蓋于平板電極之上。

電壓波形采用負極性周期脈沖方波，如圖3所示。

圖3 負極性脈沖方波波形示意圖

電壓波形分為兩部分：第一部分為持續(xù)時間T1=100 ms的負極性脈沖方波；第二部分為等待恢復時間T2=10 s的負極性脈沖方波，是脈沖持續(xù)時間的100倍。電荷在T2階段消散，消散程度取決于絕緣介質(zhì)表面電荷的遷移速率，并體現(xiàn)在各周期放電次數(shù)和放電重復率的差異上。通過比較電荷消散程度與脈沖周期可以得出電荷消散的時間常數(shù)量級。

采用負極性電壓是因為負極性相比于正極性更容易起暈，并且負極性下的電暈放電規(guī)律性更強，放電幅值更加穩(wěn)定[17]。本文提到的所有電壓均為負極性電壓。

利用示波記錄儀記錄不同絕緣材料在各周期T1階段的放電次數(shù)據(jù)，通過分析放電重復率的變化規(guī)律可以反映出不同介質(zhì)阻擋對電暈放電行為的影響。進行脈沖序列分析時，僅需對每次局部放電對應(yīng)的時間點和放電幅值進行分析，所以在對數(shù)據(jù)進一步分析之前，要將原始數(shù)據(jù)中的局部放電點濾除，尤其要將噪聲信號濾除，本文通過MATLAB程序設(shè)置幅值閾值濾除噪聲信號，并利用脈沖間隔閾值濾除因為采樣頻率高導致的同一放電信號上多余的采樣點。

1.3 數(shù)學模型

在針-板電極模型中，利用經(jīng)驗公式對電暈放電的電壓、電流關(guān)系進行描述，隨著電壓的升高，電流也以某種規(guī)律上升[18-19]：

I=K1U(U-U0),

(1)

或

I=K2(U-U0)n.

(2)

式(1)—(2)中：U、I分別為施加的電壓(V)、電暈放電電流(A)；U0為局部放電起始電壓(partial discharge inception voltage, PDIV)；K1、K2為取決于幾何結(jié)構(gòu)的常數(shù)；n為相應(yīng)的最優(yōu)指數(shù)，與針尖半徑和極間距有關(guān)。對于負極性電壓和針尖半徑很小的針電極來說，式 (2) 具有更好的適應(yīng)性，且在針尖半徑為5 μm時取n=1.6[18]。對于無絕緣介質(zhì)阻擋下的電暈放電來說，常認為單次電暈放電不具有電荷積累效應(yīng)，基本不會影響整個空間的電場強度，可以認為無介質(zhì)阻擋時每一次電暈放電具有近似相等的電荷量q0[20]，則總的放電量

Q(t)=q0N(t).

(3)

式中N(t)為關(guān)于時間t的放電次數(shù)。瞬時放電電流

(4)

介質(zhì)阻擋下每一次電暈放電都會產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷數(shù)，意味著每次電暈放電都會有一定數(shù)量的電荷在絕緣表面積聚，導致表面產(chǎn)生一個逐漸增加的反向電勢Ub，從而減弱針尖電極與絕緣材料間空氣間隙的電場強度，此時式 (2) 可寫成

I=K2(U-Ub-U0)1.6.

(5)

絕緣材料的表面電勢Ub會隨放電次數(shù)的增多而增加，放電電流I會因此減小，若Ub足夠大，I可能降為0，從而停止放電。通過分析電流、電壓和放電次數(shù)的關(guān)系，可以進一步了解電暈放電現(xiàn)象本質(zhì)，也可以對放電重復率N(t)/t進行分析。

2 無介質(zhì)阻擋時的電暈放電

作為設(shè)置的對照組，在研究絕緣材料對電暈過程造成的影響之前，先對無絕緣材料覆蓋的情況進行分析。

無絕緣材料覆蓋時的PDIV約為2.5 kV，分別施加3 kV、4 kV、5 kV電壓時的第1個周期的放電次數(shù)N(t)與時間t的關(guān)系如圖4所示。其中橫坐標的t表示脈沖電壓的作用時間，對應(yīng)圖3中的T1階段。各電壓水平下的局部放電次數(shù)N(t)隨時間呈線性增加，說明電暈放電在對應(yīng)的電壓水平下具有穩(wěn)定的放電重復率dN(t)/dt。

圖4 無介質(zhì)阻擋時分別施加3、4、5 kV時的第1個周期放電次數(shù)與時間的關(guān)系

施加5 kV電壓時前8個周期T1階段的局部放電次數(shù)N(t)與時間t的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示，圖中，C1—C8表示連續(xù)的8個周期。由圖5可以看出，前8個周期的局部放電次數(shù)N(t)有相同的增長曲線，說明上一周期的放電不會對下一周期的放電重復率產(chǎn)生影響。不難理解，電暈放電產(chǎn)生的電荷通過黃銅電極迅速導向接地極，幾乎沒有電荷積累，從而每一周期的每一次局部放電狀態(tài)都與初始狀態(tài)相同。

圖5 5 kV下無介質(zhì)阻擋時前8周期局部放電次數(shù)N(t)與時間t的關(guān)系

可以進一步推導1.3節(jié)提到的經(jīng)驗公式，由式 (2) 和 (4) 可以推出

dN(t)=K2(U-U0)1.6dt/q0.

(6)

無絕緣材料覆蓋模型的局部放電次數(shù)N(t)與時間t為線性關(guān)系，從而T1階段的總放電次數(shù)

N(T1)=K2(U-U0)1.6T1/q0.

(7)

式中q0為在該模型下的單次電暈放電量，約為45 pC，該值由安捷倫DSO-X 2014A示波器測得，該示波器具有最高2 ×109s-1的采樣率。每次測量前使用局部放電校準儀對系統(tǒng)進行校準。將圖4中各電壓水平下的總放電次數(shù)代入式 (7) 中，可解出U0=2.64 kV，K2=2.21×10-11C/(V2·s)。

3 介質(zhì)阻擋下的電暈放電

針尖處的空氣發(fā)生電離產(chǎn)生空間電荷，空間電荷受電場作用向平板電極方向移動，在絕緣介質(zhì)表面積聚并形成反向電勢阻礙后續(xù)放電[21-22]。

為了進一步分析絕緣材料阻擋對電暈放電重復率的影響，本節(jié)描述不同絕緣材料覆蓋于黃銅接地極板時對電暈放電的影響，與第2章無介質(zhì)阻擋時的結(jié)果進行比較，可以直觀反映不同絕緣材料表面的電荷積聚對電暈放電重復率的影響。

3.1 各種介質(zhì)阻擋下的放電情況

實驗平臺與第2章相同，如圖2所示。使用的絕緣材料尺寸均為100 mm×100 mm×1 mm的薄片樣本，包括聚乙烯(PE)、聚碳酸酯 (PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)和層壓紙板，各種材料的基本性質(zhì)見表1。

表1 各種材料的物理性質(zhì)

材料的表面電阻率和體積電阻率往往對表面電荷消散有很大的影響，主要原因是基于不同的電荷消散路徑[23]。表面電荷處于氣-固交界區(qū)域，電荷向空氣中彌散或被附近空氣中的電荷中和的過程往往受表面電阻率影響較大[24]；而電荷沿著氣-固交界的法相方向穿透絕緣材料注入下方的黃銅電極這一過程，亦即電荷注入過程，則受材料體積電阻率影響更大[25]。

將5種絕緣材料分為3類(①高表面電阻率、高體積電阻率的PE、PTFE；②較低表面電阻率、較高體積電阻率的PVC、PC；③較高表面電阻率、低體積電阻率的層壓紙板)進行比較，進而分析不同電荷消散方式對放電重復率的影響。

表面電阻率為實驗室測量值。測量方法為：將材料置于Keithley 6105阻抗適配器中，選擇相應(yīng)插口，施加固定數(shù)值的直流電壓，Keithley 6514靜電計測量電流，示波器和高壓探頭測量實際電壓，通過電壓與電流即可計算出材料表面電阻率和體積電阻率。

其中，除了層壓紙板的PDIV較低，僅略高于無介質(zhì)阻擋時的情況，其他4種絕緣材料的PDIV均在4 kV左右。實驗環(huán)境為23.7 ℃、大氣壓99.72 kPa和空氣相對濕度18.9% 。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電，對各類材料施加約1.6倍PDIV(6.4 kV)的脈沖電壓，并對各類絕緣材料進行放電起始前8周期的局部放電測量，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，不同于無介質(zhì)阻擋時放電次數(shù)隨時間線性增長，介質(zhì)阻擋下電暈放電次數(shù)均具有負指數(shù)型增加趨勢。

圖6 不同絕緣材料6.4 kV下前8周期放電次數(shù)N(t)與時間t的關(guān)系及各周期放電次數(shù)曲線

這一負指數(shù)分布現(xiàn)象在放電起始的第1周期最為明顯，原因是持續(xù)放電后在表面積聚的大量電荷會在絕緣表面建立較大的反向電勢Ub，從而減弱了后續(xù)的局部放電活動，表現(xiàn)為放電重復率逐漸下降。

從圖6還可以看出，除層壓紙板外，各種絕緣介質(zhì)的放電次數(shù)逐周期遞減，并趨于飽和。根據(jù)上文基于表面電阻率和體積電阻率對5種絕緣介質(zhì)的分類，結(jié)合圖6(f) 可看出，5種材料各周期的放電次數(shù)也分為3塊區(qū)域：區(qū)域一材料為高表面電阻率和體積電阻率的PE和PTFE，其起始周期放電次數(shù)少、放電次數(shù)穩(wěn)定值低；區(qū)域二材料為較低表面電阻率和較高體積電阻率的PC和PVC，其起始周期放電次數(shù)更多，穩(wěn)定值更高；區(qū)域三材料為較高表面電阻率和低體積電阻率的層壓紙板，初始周期放電次數(shù)最大且各周期放電次數(shù)近似相等。區(qū)域一和二對比，說明在電荷難以注入材料時，放電重復率和電荷消散速率與表面電阻率呈正相關(guān)。區(qū)域三與區(qū)域一、二對比，說明存在明顯的電荷注入效應(yīng)時，表面電阻率對放電重復率和電荷消散速率影響不明顯。

對于未干燥處理的層壓紙板，周期內(nèi)存在指數(shù)分布現(xiàn)象，但各周期之間放電次數(shù)無衰減，說明其表面存在電荷積累但電荷消散的時間常數(shù)小于T2=10 s。

圖6中各種材料第1周期放電次數(shù)的時間函數(shù)

N(t)=C1(1-C2exp(-t/τ)).

(8)

式中：C1、C2為常系數(shù)；τ為時間常數(shù)。絕緣介質(zhì)可以視作電容與電阻并聯(lián)的阻容模型，PE樣本的電容為203.59 pF，電阻為10 TΩ，代入式 (8) 得到擬合值與實際值的比較如圖7所示。

圖7 PE樣本放電次數(shù)實測值與擬合值

3.2 放電間隔的影響

顯然，T2=10 s的恢復階段遠不足以使除層壓紙板外的其他絕緣材料表面電荷完全消散，因而形成了隨周期數(shù)逐漸遞減的放電重復率?？梢酝茰y，如果恢復時間足夠長，其他絕緣材料也會有類似于層壓紙板的放電次數(shù)增長趨勢。為了進一步驗證，以PE為例，同樣的試驗平臺，僅改變T2階段時長(從10 s變?yōu)? min)，進行同樣8個周期的放電次數(shù)統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示。

圖8 6.4 kV下恢復時長2 mins，PE前8周期放電次數(shù)N(t)與時間t的關(guān)系以及各周期放電次數(shù)曲線

相比于T2=10 s的曲線，T2=2 min的曲線在第1周期無明顯變化，而之后各周期的放電重復率有明顯的提升，并且單周期放電次數(shù)飽和值更高。說明在恢復時間增長后，表面電荷的中和與消散程度更大，下一周期起始時的表面電荷密度減小，從而表面的反向電勢減弱，對局部放電行為的阻礙也減弱，表現(xiàn)為更高的放電重復率。

基于這一規(guī)律，對于不同材料，通過調(diào)整脈沖間隔T2的時長，使得各周期放電次數(shù)相等、放電曲線重合，此時的T2可近似看作該材料表面電荷消散的時間常數(shù)。這一方法可以對不同絕緣材料表面電荷消散的時間常數(shù)估計，反映出不同絕緣材料的表面電荷積聚與消散特性。

進一步繪制單周期放電次數(shù)飽和值與脈沖間隔T2的關(guān)系曲線，結(jié)合材料表面電荷測量技術(shù)，得到相應(yīng)的表面電荷水平，從而可以分析表面電荷、放電重復率以及脈沖間隔的相關(guān)性，有助于對表面電荷的積聚與消散過程以及其對放電的影響有更深的理解。

3.3 電纜的介質(zhì)阻擋放電

實際工程應(yīng)用中，不同的電氣設(shè)備具有不同的絕緣幾何結(jié)構(gòu)。為了研究絕緣幾何結(jié)構(gòu)的影響，以電纜為例，本文使用Habia公司生產(chǎn)的基于高純度FEP新型耐溫絕緣電纜進行相似的試驗。試驗方法不變，不同之處在于：電纜材料表面是圓筒狀絕緣結(jié)構(gòu)；其次，電纜接地端為纜芯而非黃銅平板電極。這2個因素都會影響絕緣表面電荷的分布情況，進而影響放電重復率。

對樣本平臺進行改進，電纜絕緣層長100 mm，裸露的導體層長10 mm。用專用剝除工具將電纜表面半導體層剝除，使切面光滑，無毛刺，無半導體層殘余，避免對放電重復率造成影響。將電纜置于針電極正下方，針尖端對準電纜中心點，針尖端與電纜中心點之間的空氣間隙長度同樣為10 mm，樣本平臺示意圖如圖9所示。

圖9 電纜樣本試驗平臺示意圖

同樣對電纜樣本施加6.4 kV的負極性周期脈沖方波電壓，測量其前8周期的局部放電次數(shù)，其中電纜PDIV為3.9 kV。前8周期電纜絕緣層阻擋放電情況如圖10所示。

圖10 電纜樣本在6.4 kV下前8周期放電次數(shù)N(t)與時間t的關(guān)系以及各周期放電次數(shù)曲線

由圖10可以看出，電纜樣本各周期的負指數(shù)分布趨勢和各周期局部放電次數(shù)衰減特性均較片狀絕緣材料弱。周期內(nèi)負指數(shù)分布趨勢減弱的主要原因：是電纜表面呈線形筒狀，電纜直徑較小，所以除了電纜軸向的電荷積累產(chǎn)生的反向電勢比較強，其他方向由于材料形狀與表面積的限制，產(chǎn)生的反向電勢均較弱，導致單個周期內(nèi)放電重復率dN(t)/dt降低的趨勢變小；其次由于接地極連接在裸露的纜芯上，與電纜表面的距離更近，使每一周期在電纜絕緣層表面積累的電荷更易沿接地極方向徑向消散，從而各周期之間局部放電次數(shù)下降的趨勢也較片狀絕緣材料更弱，這一現(xiàn)象在電纜接頭附近更加明顯[26]。同時，該電纜樣本的表面電荷消散時間常數(shù)也較本文中其他片狀絕緣材料(除層壓紙板外)更小。

4 結(jié)論

本文通過施加負極性周期脈沖電壓，對放電起始后連續(xù)多周期在不同的絕緣介質(zhì)阻擋下的電暈放電情況進行分析，進而研究絕緣表面空間電荷積聚效應(yīng)對放電次數(shù)和放電重復率的影響。在本文所述的實驗環(huán)境與條件下，有以下結(jié)論：

a)無介質(zhì)阻擋時，放電次數(shù)與放電重復率趨于穩(wěn)定且與施加電壓呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，系數(shù)受針尖直徑與幾何結(jié)構(gòu)影響。

b)單個放電周期內(nèi)，放電次數(shù)呈負指數(shù)增長，放電重復率呈指數(shù)下降趨勢。

c)各周期之間放電次數(shù)與放電重復率呈遞減趨勢，并逐漸達到單周期放電次數(shù)飽和值。

d)不同材料的放電次數(shù)、放電重復率以及電荷消散速率與材料表面電阻率呈正相關(guān)。但如果存在較強的電荷注入現(xiàn)象，材料表面電阻率對放電重復率的影響將變得不明顯。

e)提出一種絕緣表面電荷消散時間常數(shù)的估計方法，即調(diào)節(jié)脈沖間隔T2大小，結(jié)合飽和值進行估計。同時，結(jié)合表面電荷測量技術(shù)，可進一步研究飽和值與表面電荷密度的相關(guān)性。

f)電纜絕緣的放電重復率也有相似衰減趨勢，但受絕緣幾何結(jié)構(gòu)的影響，表面電荷達到飽和的速率更慢。