魏意恒 楊麗君 徐治仁 楊 旭 劉 詣

“快速發(fā)展型”放電故障及其對油紙絕緣的損傷特性

魏意恒1楊麗君1徐治仁1楊 旭2劉 詣2

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 武漢 430074）

超、特高壓變壓器絕緣電場強(qiáng)度接近設(shè)計極限，高電場強(qiáng)度下由于局部放電引發(fā)擊穿的過程具有快速發(fā)展的特點(diǎn)。在出廠及交接試驗中頻繁發(fā)生多起“快速發(fā)展型”放電故障案例，即從檢測到局部放電再到主絕緣擊穿或臨近擊穿僅幾分鐘，對變壓器運(yùn)行造成極大隱患。為探究“快速發(fā)展型”放電故障形成原因及其對油紙絕緣的損傷特性，該文研究油紙絕緣在極不均勻電場下的-特性曲線及電壽命模型，提出采用-特性曲線區(qū)分“普通型”和“快速發(fā)展型”放電故障。研究結(jié)果表明，在極不均勻電場下，油紙絕緣的電壽命-特性服從反冪函數(shù)模型，可采用不同電場區(qū)域反冪函數(shù)模型中電壓耐受指數(shù)值作為兩種放電類型的區(qū)分依據(jù)。從油紙絕緣的損傷痕跡來看，“快速發(fā)展型”與“普通型”放電具有相似處和各自特點(diǎn)：兩種放電都會產(chǎn)生電暈和滑閃放電，且伴有白斑和氣體產(chǎn)生；不同點(diǎn)在于，“快速發(fā)展型”放電發(fā)展速度快，對紙板損傷嚴(yán)重，會產(chǎn)生明亮的放電通道和表面的樹枝狀碳痕，而“普通型”放電發(fā)展相對緩慢，且對紙板損傷較輕，只會在針尖處產(chǎn)生點(diǎn)狀碳痕。樹枝狀碳痕是“快速發(fā)展型”放電故障的主要特征，其生長分為快速生長和緩慢生長兩個階段，并且符合絕緣材料中電樹枝的生長規(guī)律。研究成果可為區(qū)分“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障提供參考依據(jù)，為掌握“快速發(fā)展型”放電故障規(guī)律并進(jìn)行有效預(yù)警和診斷奠定基礎(chǔ)。

“快速發(fā)展型”放電故障 “普通型”放電故障 油紙絕緣-特性 碳痕生長 模型

0 引言

超、特高壓變壓器絕緣電場強(qiáng)度接近設(shè)計極限，具有高電位差和高電場強(qiáng)度的特點(diǎn)，極易由于局部缺陷導(dǎo)致放電的發(fā)生，且與低電壓等級變壓器中的“普通型”局部放電相比，呈現(xiàn)出一些新的放電特征。在對超、特高壓變壓器進(jìn)行出廠和交接試驗時，多次發(fā)生從檢測到局部放電到主絕緣擊穿或臨近擊穿僅需幾分鐘的“快速發(fā)展型”放電故障。與“普通型”放電故障相比，該類故障具有起始電場強(qiáng)度高、發(fā)展速度快、對絕緣紙板造成不可逆的樹枝狀損傷痕跡等特點(diǎn)，對設(shè)備安全運(yùn)行造成較大威脅，且目前沒有很好的預(yù)警方法。

研究表明，對于超、特高壓變壓器中的油紙絕緣結(jié)構(gòu)，在短時過電壓的作用下，一旦形成局部放電，將會迅速發(fā)展為樹枝狀放電，最終引發(fā)絕緣紙板擊穿[8]。由于“快速發(fā)展型”放電故障在短時間內(nèi)就會引發(fā)變壓器故障，其產(chǎn)氣速度遠(yuǎn)大于氣體的溶解速度[9]，且由于放電量大，對紙板的損傷極其嚴(yán)重，在進(jìn)行局部放電監(jiān)測時，放電量可能會出現(xiàn)測量儀器的限幅值。因此，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段如油中溶解氣體、視在放電量等適用性較差。因此，研究“快速發(fā)展型”放電故障的形成原因，探索“普通型”和“快速發(fā)展型”放電故障的界定方法，分析“快速發(fā)展型”放電故障對油紙絕緣損傷所表現(xiàn)出來的新特征，對實現(xiàn)該類放電故障的診斷和預(yù)警具有重要價值。

本文以針-板電極下油紙絕緣的放電發(fā)展過程為研究對象，研究放電模型的特性曲線及電壽命特性，探索區(qū)分和界定“普通型”和“快速發(fā)展型”放電故障的方法；并預(yù)期通過觀測不同電場強(qiáng)度下油紙絕緣從放電產(chǎn)生到擊穿的整個失效過程中紙板損傷痕跡的發(fā)展變化來分析“普通型”和“快速發(fā)展型”放電故障對油紙絕緣的損傷特性，以實現(xiàn)“快速發(fā)展型”放電故障的診斷和預(yù)警。

1 局部放電監(jiān)測及碳痕發(fā)展觀測

1.1 測試儀器及設(shè)備

試驗研究平臺由電老化試驗系統(tǒng)和碳痕觀測系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。其中，x為限流電阻，電阻值為5kW；K為耦合電容，電容值為1 000pF；D為檢測阻抗，將脈沖電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并輸入到示波器中；示波器型號為Lecroy8054，采用寬帶脈沖電流法對局部放電脈沖信號進(jìn)行檢測，用來測量針-板電極下紙板的起始放電電壓。該示波器的帶寬范圍為500MHz～4GHz，最高采樣速率為40GS/s。使用工業(yè)圖像傳感器（Charge-Coupled Device, CCD）對紙板表面的放電損傷痕跡進(jìn)行實時拍攝，并通過高清晰多媒體接口（High Definition Multimedia Interface, HDMI）傳輸?shù)揭壕э@示器（Liquid Crystal Display, LCD）中。CCD鏡頭的最大放大倍數(shù)可達(dá)100倍。為了盡量減少背景噪聲以及環(huán)境的干擾，該試驗在電磁屏蔽室中進(jìn)行，其背景噪聲在10pC以下。

圖1 局部放電監(jiān)測及碳痕發(fā)展觀測平臺

1.2 針-板電極模型

通過對超、特高壓油浸式變壓器“快速發(fā)展型”放電故障典型絕緣結(jié)構(gòu)的調(diào)研和分析，發(fā)現(xiàn)該類放電故障經(jīng)常發(fā)生在變壓器圍屏處、沒有電屏蔽的鐵心柱楞角處、引線的拐角對油箱壁處、繞組端部對上下鐵軛處、繞組端部對絕緣壓板的壓釘處等部 位[10]。對結(jié)構(gòu)特征及缺陷的電位梯度分析表明其通常是尖對板的極不均勻電場?；诖?，本文采用如圖2a所示的針-板電極模型對“快速發(fā)展型”放電故障進(jìn)行模擬。其中，高壓電極為一長度為8mm的紫銅針電極，針尖曲率半徑為30mm，置于紙板的上方，與紙板的夾角為30°；接地電極為90mm× 10mm×3mm（長×寬×厚）的黃銅板電極，置于紙板的下方。這樣做的目的是可以實現(xiàn)放電沿著紙板的表面和內(nèi)部發(fā)展，減小電極之間發(fā)生沿面閃絡(luò)的概率。針電極的針尖處與貼近紙板的板電極一端的水平距離為5mm。為減小試驗結(jié)果的分散性，每次試驗前均更換新的針電極，并采用砂紙對針電極進(jìn)行擦拭以去除氧化層。為保證每次試驗電極位置和角度的一致性，電極設(shè)置了3個螺母以對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2b所示。其中，螺母1配合游標(biāo)卡尺調(diào)節(jié)高低壓電極間的水平距離，螺母2用于調(diào)節(jié)針尖與紙板之間的角度，螺母3調(diào)節(jié)接地導(dǎo)電桿的垂直位置。

圖2 電極模型結(jié)構(gòu)和實物

試驗采用1mm厚、60mm×60mm大小的正方形絕緣紙板。絕緣油采用25號變壓器油，油中微水含量為6.4mg/mL。試驗前首先將紙板在120℃，50Pa的條件下靜置并真空干燥48h，然后將其浸泡在變壓器油中，在90℃，50Pa的條件下真空浸油24h。為模擬變壓器的實際運(yùn)行狀態(tài)，讓紙板自然受潮，并通過卡爾費(fèi)休測水儀測得紙板的水分含量在3%左右。

2 “快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障界定方法

結(jié)合工程現(xiàn)場實際可以得出，“快速發(fā)展型”放電故障相比于“普通型”放電故障，其對絕緣結(jié)構(gòu)造成的損傷更為嚴(yán)重，并且會在短時間內(nèi)就發(fā)生擊穿，使得變壓器來不及動作就發(fā)生故障，嚴(yán)重影響變壓器的正常運(yùn)行。因此，對“快速發(fā)展型”與“普通型”放電故障進(jìn)行界定，就顯得尤為重要。但從目前來看，尚無這兩種放電類型的界定方法。

對比兩種放電類型可以發(fā)現(xiàn)，“快速發(fā)展型”放電故障是由于高電場強(qiáng)度引發(fā)的放電并快速演化的結(jié)果，這是與傳統(tǒng)的低電場強(qiáng)度下引發(fā)的“普通型”放電故障最本質(zhì)的區(qū)別。考慮到油紙絕緣作為一種絕緣材料，是滿足特性的，且不同電場強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)其特性曲線會發(fā)生改變[11]，本文通過油紙絕緣的特性曲線來對“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障進(jìn)行界定。

2.1 油紙絕緣的U-t特性曲線

試驗研究中常使用特性來表征油紙絕緣在給定電場下的壽命，電壽命與電壓之間關(guān)系的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑榉磧绾瘮?shù)模型[12]，有

式中，為油紙絕緣在電壓下的電壽命；為施加在油紙絕緣上的電壓；為電壓耐受指數(shù)，是常數(shù)，與材料、電老化機(jī)理等有關(guān)；為累積損傷值，是絕緣失效所需達(dá)到的累積電損傷量[13]。

對式（1）兩邊同時取以10為底的對數(shù)可得

如果以lg為橫坐標(biāo)，lg為縱坐標(biāo)，則可以在雙對數(shù)坐標(biāo)系中得到一條斜率為-1/，截距為(1/)lg的一條直線，由此可以得到電壓耐受指數(shù)值的大小。

文獻(xiàn)[14]指出，對于油紙絕緣等其他絕緣材料，在一定的電場強(qiáng)度范圍內(nèi)，值并不為一個確定的常數(shù)，不同電場強(qiáng)度下的特性曲線呈現(xiàn)如圖3所示的規(guī)律。

圖3 交流電壓下油紙絕緣的U-t特性曲線

按照失效機(jī)理的不同可以將該特性曲線分為3個區(qū)域：區(qū)域Ⅰ的失效時間通常小于1h，該區(qū)域的失效機(jī)理以電擊穿為主；區(qū)域Ⅱ的失效時間相對較長，失效機(jī)理以電-熱擊穿為主；區(qū)域Ⅲ則是在較低的電場作用下，經(jīng)歷非常長的時間發(fā)生擊穿，該區(qū)域的失效機(jī)理除了電-熱擊穿以外，電化學(xué)擊穿起到了較大的作用[15]。在這幾個區(qū)域中，電壓耐受指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，即Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ[13]。由于區(qū)域Ⅲ的電場強(qiáng)度值一般要低于變壓器中油紙絕緣的工作電場強(qiáng)度，因此在工程上一般重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ[16]。同時文獻(xiàn)[16]指出，值是老化速度的度量，不同的值意味著老化速度的不同，值越小，老化速度越快，壽命時間越短，對絕緣結(jié)構(gòu)的破壞就越嚴(yán)重。因此，油紙絕緣電壽命特性曲線中對應(yīng)的值可作為“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障的界定依據(jù)，基于特性曲線可以對閾值電壓th進(jìn)行確定。

2.2 “快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障界定結(jié)果

目前，油紙絕緣的特性及電壽命模型主要集中在均勻電場和稍不均勻電場中進(jìn)行研究[17-19]。在極不均勻電場中油紙絕緣的特性及電壽命模型研究較少。本文采用恒壓法來對具有極不均勻電場的針-板電極模型進(jìn)行研究。首先在同樣的試驗條件下進(jìn)行了5次預(yù)試驗，控制升壓速率為1kV/s，每次均記錄起始放電電壓與擊穿電壓，試驗結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯诒疚闹?，油紙絕緣樣品的起始放電電壓約為24kV，短時擊穿電壓在35kV左右，且分散性不大。

隨后，以1kV為步長選取27～33kV共7個不同電壓開展對應(yīng)的電壽命試驗?？紤]到固體絕緣擊穿的隨機(jī)性和分散性，根據(jù)IEC推薦標(biāo)準(zhǔn)，每個電壓下重復(fù)開展5次電壽命試驗[20]，使用式（3）所示的雙參數(shù)Weibull分布[21]對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 5次預(yù)試驗下的起始放電和擊穿電壓

式中，(,)為樣本的失效概率；為樣本秩，=1, 2,???, 5；為樣本總量，=5。

圖5給出各試驗電壓與對應(yīng)電壽命試驗數(shù)據(jù)的Weibull概率分布?？梢钥闯?，不同電壓下，油紙絕緣樣品擊穿時間數(shù)據(jù)均滿足Weibull分布，且直線斜率近似相等，說明這些試驗電壓下油紙絕緣樣品的失效機(jī)理相同。因此，可以認(rèn)為該電極模型下，油紙絕緣電老化失效時間服從雙參數(shù)Weibull分布，試驗數(shù)據(jù)可進(jìn)行進(jìn)一步的電老化壽命模型分析。

圖5 不同電壓下?lián)舸r間Weibull分布

通過極大似然法對雙參數(shù)Weibull分布中的兩特征參數(shù)、進(jìn)行估計[23]，結(jié)果見表1。取值作為試樣的電壽命，將不同電壓下的值和對應(yīng)的電壓值繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)系中。根據(jù)油紙絕緣特性的分區(qū)域特征，本文通過分階段線性擬合，得到的結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可以判定，在極不均勻電場下油紙絕緣的特性仍然符合反冪函數(shù)模型，且兩條擬合直線的擬合優(yōu)度分別為0.95和0.93，說明反冪函數(shù)模型對極不均勻電場下油紙絕緣的電壽命特性具有良好的擬合度。

表1 兩參數(shù)Weibull分布特征參數(shù)估計結(jié)果

Tab.1 Two-parameter Weibull distribution characteristic parameters estimation result

圖6 不同電壓下電壽命的反冪函數(shù)模型擬合曲線

對比表1和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在本文的電極模型下，擊穿時間和電壓耐受指數(shù)在電壓為29kV時均發(fā)生突變，并且圖6中短時域（區(qū)域I）的電壓耐受指數(shù)（1=11.63）明顯小于較長時域（區(qū)域Ⅱ）的電壓耐受指數(shù)（2=49.26）。同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在該電壓上下的放電發(fā)展存在著明顯不一樣的特點(diǎn)：當(dāng)試驗電壓高于該電壓時，其擊穿發(fā)生速度快，紙板損傷極為嚴(yán)重；而當(dāng)試驗電壓低于該電壓時，其放電速率明顯緩慢，即使較長時間的持續(xù)放電也不會在紙板表面產(chǎn)生嚴(yán)重的碳化損傷。因此，可以認(rèn)為29kV為本文放電模型的“快速發(fā)展型”和“普通型”放電的閾值電壓th，此時在缺陷處的電場強(qiáng)度為閾值電場th。值得一提的是，th的大小會受到電極模型、紙板水分和老化程度等眾多因素的影響，具體取值需在特定條件下開展大量電壽命試驗，并進(jìn)行統(tǒng)計分析后確定，這里得到的th僅適用于本文的電極及試驗條件。

在對超、特高壓變壓器進(jìn)行預(yù)防性試驗時，如果缺陷處電場超過th，將會導(dǎo)致放電快速發(fā)展。而對于低電壓等級變壓器，由于絕緣設(shè)計裕度較大，施加電壓相對較低，超過閾值電場th的可能性較小，即使存在放電，也可以持續(xù)很長時間都不會導(dǎo)致?lián)舸?/p>

3 “快速發(fā)展型”和“普通型”放電對紙板的損傷特性

為了進(jìn)一步區(qū)分“普通型”和“快速發(fā)展型”放電故障，研究“快速發(fā)展型”放電故障出現(xiàn)的新特征，本文分別在不同的電壓下對兩種故障類型的紙板表面損傷痕跡進(jìn)行觀察，分析了“普通型”和“快速發(fā)展型”放電故障從開始放電到最終紙板擊穿整個失效過程中紙板損傷的特點(diǎn)，并對其相同點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行了研究。

3.1 “普通型”放電故障對紙板的損傷痕跡

選取27kV恒定試驗電壓，觀察“普通型”放電對紙板的損傷痕跡及發(fā)展規(guī)律。一共進(jìn)行了5次試驗，由于發(fā)展規(guī)律相似，圖7以其中一次試驗結(jié)果為例，展示了從放電到擊穿整個失效過程中紙板損傷痕跡的發(fā)展過程。

圖7 “普通型”放電故障下紙板損傷痕跡發(fā)展過程

可以看到，當(dāng)對紙板施加27kV的電壓后，在針尖處首先出現(xiàn)油中電暈放電。在10min左右出現(xiàn)滑閃放電，即放電從油中的局部放電過渡到油紙交界面上的放電，同時會出現(xiàn)針狀的放電火花，并伴隨有清脆的放電響聲。這一階段放電持續(xù)給紙板造成損傷，在板電極附近和針電極處相繼出現(xiàn)白斑。白斑的產(chǎn)生主要是由于油分子和水分子在放電過程中被電離溢出紙板所致。20min左右，針尖處的滑閃放電開始消失，白斑面積變大；40min左右，白斑消失，并且在針尖處出現(xiàn)點(diǎn)狀的碳痕；120min左右，針尖處碳痕顏色加深，表明放電開始進(jìn)入到紙板的內(nèi)部發(fā)展；180min左右，針尖處又開始產(chǎn)生放電，并且突然有大量的氣體溢出，隨后紙板發(fā)生擊穿。擊穿后紙板的正反面形貌如圖8所示，正反面都留下了黑色的擊穿孔洞。

圖8 “普通型”放電故障下紙板擊穿后的正反面形貌

3.2 “快速發(fā)展型”放電故障對紙板的損傷痕跡

選取恒壓32kV對“快速發(fā)展型”放電故障下紙板的損傷痕跡發(fā)展過程進(jìn)行研究。共進(jìn)行了5次試驗，由于發(fā)展規(guī)律相似，圖9以其中一次試驗結(jié)果為例展示整個失效過程中紙板損傷痕跡的發(fā)展 過程。

圖9 “快速發(fā)展型”放電故障下紙板損傷痕跡發(fā)展過程

紙板表面首先出現(xiàn)的仍然是電暈放電，此時放電并不會對紙板造成明顯損傷。隨后便快速進(jìn)入到滑閃放電階段，38s時可以看到，板電極處產(chǎn)生樹葉狀白斑。60s后，放電又進(jìn)入到一個新的階段，此時白斑的面積進(jìn)一步擴(kuò)大，在紙板表面出現(xiàn)明亮的放電通道，并且貫穿兩極，放電的亮度也由原來的暗藍(lán)色變成亮紅色。該階段產(chǎn)生的放電通道也是后面碳痕發(fā)展的通道，即放電通道的產(chǎn)生會引發(fā)樹枝狀碳痕的生長。在這個發(fā)展階段下同時也會有大量的氣體產(chǎn)生，氣體產(chǎn)生原因是局部放電釋放的能量使變壓器油的分子鍵斷裂，形成了CH4、H2等分解氣體。90s后，明亮的放電通道消失，紙板表面開始出現(xiàn)明顯的碳痕，碳痕沿著之前形成的放電通道向前發(fā)展，最后發(fā)展到臨近板電極處紙板擊穿。最終擊穿后紙板的正反面的形貌如圖10所示，在紙板的正面留下樹枝狀碳痕，在紙板的反面有著被擊穿的孔洞。

圖10 “快速發(fā)展型”放電故障下紙板擊穿后的正反面的形貌

3.3 “快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障的紙板損傷特性對比

對比分析“快速發(fā)展型”和“普通型”兩種放電故障下紙板從開始放電到最終擊穿的整個過程，歸納兩種故障類型下紙板損傷特性發(fā)展規(guī)律的異同，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯瑑煞N放電故障對紙板的損傷各有特點(diǎn)，其主要是由于累積放電能量的不同引起的，累積放電能量的求取方法可參考文獻(xiàn)[24]。閾值電壓th所對應(yīng)的累積放電能量的閾值為th[25]。當(dāng)累積放電能量低于th時，紙板的損傷較輕，為“普通型”放電故障；當(dāng)累積放電能量高于th時，也即電壓超過th，紙板才會產(chǎn)生嚴(yán)重的碳化損傷，引發(fā)碳痕生長，并產(chǎn)生“快速發(fā)展型”放電故障?！翱焖侔l(fā)展型”放電故障相比于“普通型”放電故障，具有產(chǎn)生放電通道和樹枝狀碳痕的特點(diǎn)，這是區(qū)分“快速發(fā)展型”放電故障和“普通型”放電故障的主要特征。這些特征對預(yù)警和診斷“快速發(fā)展型”放電故障具有一定的參考和借鑒價值。

表2 “快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障的損傷特性對比分析

Tab.2 Comparative analysis of damage characteristics of the “rapid development type” and the “ordinary type” discharge failure

4 “快速發(fā)展型”放電表面樹枝狀碳痕生長模型

相比于“普通型”放電只會在紙板表面的針尖處產(chǎn)生點(diǎn)狀碳痕，“快速發(fā)展型”放電會在油紙絕緣表面出現(xiàn)樹枝狀碳痕，且這種樹枝狀碳痕會隨著發(fā)展進(jìn)程從針尖處向前發(fā)展，最終發(fā)展到板電極處引發(fā)紙板擊穿。暫不考慮碳痕向紙板的內(nèi)部發(fā)展，僅研究紙板表面的碳痕發(fā)展特點(diǎn)，對“快速發(fā)展型”放電時油紙絕緣表面樹枝狀碳痕發(fā)展特性進(jìn)行分析，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對于診斷和預(yù)警“快速發(fā)展型”放電故障具有一定參考和借鑒價值。

為了得到“快速發(fā)展型”放電故障下紙板表面碳痕發(fā)展的統(tǒng)計性規(guī)律，對在32kV下進(jìn)行的5次試驗（S1～S5）中紙板表面的最大碳痕長度（mm）隨時間變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖11所示，最大碳痕長度是指碳痕長度的最遠(yuǎn)端到針尖的直線距離。可以看出，樹枝狀碳痕的生長過程大致可以分為兩個階段：快速生長階段和緩慢生長階段。在第一個階段內(nèi)，碳痕呈現(xiàn)快速增長的趨勢，有的增長速率逐漸變大，有的則近似線性增長；而到了第二個階段，碳痕的增長速率則明顯下降。最終當(dāng)碳痕發(fā)展到臨近板電極時，引發(fā)紙板擊穿。很多學(xué)者也觀察到了與上述現(xiàn)象類似的規(guī)律[26-28]，并將碳痕緩慢發(fā)展的現(xiàn)象歸因于放電產(chǎn)物的電場均化效 應(yīng)[29]，即碳痕的產(chǎn)生使高壓電極端部電場得到了改善，高壓電極端部電場強(qiáng)度被削弱。

圖11 最大碳痕長度L隨時間變化趨勢

文獻(xiàn)[30]對交聯(lián)聚乙烯（cross-Linked Polyethylene, XLPE）中生成的電樹枝的發(fā)展過程進(jìn)行了描述，認(rèn)為XLPE電樹枝的發(fā)展過程可以分為三個階段：引發(fā)階段、滯長階段和迅速發(fā)展階段。結(jié)合本文可以看出，“快速發(fā)展型”放電故障產(chǎn)生的表面樹枝狀碳痕與XLPE中電樹枝的生長規(guī)律是較為相似的，也具有階段性特征。

根據(jù)“快速發(fā)展型”放電故障下油紙絕緣表面碳痕生長的階段性特征可以看出，在對超、特高壓變壓器進(jìn)行預(yù)防性試驗時，如果在碳痕出現(xiàn)前或者在碳痕出現(xiàn)的快速生長階段內(nèi)變壓器能夠及時動作，將會極大地保護(hù)到變壓器，減少更大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了建立更為合理的表面樹枝狀碳痕發(fā)展的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步對“快速發(fā)展型”放電故障下加壓時間和最大碳痕長度分別求取對數(shù)，并在雙對數(shù)坐標(biāo)中繪制散點(diǎn)圖，進(jìn)行線性擬合，得到的結(jié)果如圖12所示。

根據(jù)圖12擬合得到的曲線，可以得到“快速發(fā)展型”放電故障下最大碳痕長度與加壓時間的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖12 最大碳痕長度L在雙對數(shù)坐標(biāo)下的擬合曲線

式中，1、2分別為擬合后得到的參數(shù)值。

文獻(xiàn)[31]提出在給定溫度下，交流電壓下絕緣材料中電樹枝的生長規(guī)律可以表示為

式中，為電樹枝的長度；3、為系數(shù)；為加壓時間；為電樹枝的分形維數(shù)，用于描述電樹枝在發(fā)展空間的填充系數(shù)，在二維空間中是1～2之間的數(shù)值，常用于代表電樹枝的密度[30]，其求取方法可參考文獻(xiàn)[32]；th為缺陷處的電場閾值；為缺陷處施加的電場強(qiáng)度。暫不考慮各對應(yīng)變量的物理意義，可以發(fā)現(xiàn)，式（5）和式（6）的數(shù)學(xué)模型形式是一致的，說明油紙絕緣“快速發(fā)展型”放電故障產(chǎn)生的樹枝狀碳痕的生長規(guī)律是符合絕緣材料電樹枝生長規(guī)律的。這一發(fā)現(xiàn)可作為識別故障類型和判斷故障發(fā)展嚴(yán)重程度的依據(jù)，可為“快速發(fā)展型”放電故障的診斷提供參考。

同時文獻(xiàn)[31]認(rèn)為，只有在電場閾值th以上，絕緣材料才會有電樹的產(chǎn)生和發(fā)展，而在電場閾值th以下，空間電荷不會向絕緣材料內(nèi)注入，電樹也不會向前生長。這驗證了“快速發(fā)展型”放電故障是需要高于一定的電場閾值才會發(fā)生的，也進(jìn)一步驗證了利用油紙絕緣的特性來界定“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障是合理并且正確的。因此，在進(jìn)行超、特高壓變壓器預(yù)防性試驗時，為減少和預(yù)防“快速發(fā)展型”放電故障的發(fā)生，對電場閾值th的界定就顯得至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本文研究了“快速發(fā)展型”和“普通型”兩種放電故障的界定方法，對比分析了兩種放電類型對油紙絕緣的損傷規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）試驗發(fā)現(xiàn)，以針-板電極為代表的極不均勻電場下，油紙絕緣電壽命特性曲線滿足反冪函數(shù)模型，提出將-特性曲線作為區(qū)分“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障的依據(jù)。-特性曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為不同斜率的直線，其交點(diǎn)所對應(yīng)的電壓值即為“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障的閾值電壓。

2）通過對“快速發(fā)展型”和“普通型”放電故障下油紙絕緣的損傷特性進(jìn)行研究，得到了兩種放電類型對紙板損傷的異同。相同點(diǎn)是兩種放電類型都會產(chǎn)生電暈和滑閃放電，并且都有白斑和放電氣體產(chǎn)生。不同點(diǎn)在于“快速發(fā)展型”放電故障發(fā)展速度快，對紙板損傷嚴(yán)重，會產(chǎn)生明亮的放電通道和樹枝狀碳痕，而“普通型”放電故障發(fā)展相對緩慢，對紙板損傷較輕，只會在針尖處產(chǎn)生點(diǎn)狀碳痕。其中，樹枝狀碳痕是“快速發(fā)展型”放電故障最主要的特征。

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The Rapid-Development-Type Discharge Failure and Its Damage Characteristics to Oil-Paper Insulation

11122

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Electric Power Research Institute Wuhan Nari Co. Ltd Wuhan 430074 China）

The insulation field strength of UHV transformers is close to the design limit, and the process of breakdown caused by partial discharge under high field strength has the characteristic of rapid development. There were many cases of “rapid development type” discharge failure frequently occurred in the delivery and handover tests of UHV transformers, only a few minutes from partial discharge generation to main insulation breakdown or near breakdown, which caused great hidden dangers to the operation of UHV transformers. In order to explore the forming reason of the “rapid development type” discharge failure and its damage characteristics to oil-paper insulation, this paper studied the-characteristic curve and electric life model of oil-paper insulation under extremely non-uniform electric field, and proposed to use-characteristic curve to distinguish between “ordinary type” and “rapid development type” discharge failures. The results indicate that under extremely non-uniform electric field, the electrical life-characteristic of oil-paper insulation follows IPM (inverse power model). The voltage tolerance indexin IPM of different electric field regions can be used as the basis for distinguishing the two types of discharge. From the damage marks of oil-paper insulation, the “rapid development type” discharge has similarities and respective characteristics with the “ordinary type” discharge. Both discharges produce corona discharge and gliding spark discharge, accompanied by white spots and gas generation. The difference is that the “rapid development type” discharge develops fast and the damage to pressboard is serious, which will produce bright discharge channel and dendritic carbon marks on the surface of pressboard, while the “ordinary type” discharge develops relatively slowly and has less damage to the pressboard, only dotted carbon marks are produced at the tip of the needle. Dendritic carbon marks are the main feature of the “rapid development type” discharge failure, which can be divided into two stages of rapid growth and slow growth, and conforms to the growth law of electrical tree in insulation materials. This paper can provide a reference for distinguishing between the “rapid development type” and the “ordinary type” discharge failures, and lay a foundation for mastering the “rapid development type” discharge failure rules and effective early warning and diagnosis.

“Rapid development type” discharge failure, “ordinary type” discharge failure, oil-paper insulation,-characteristic, carbon mark growth model

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200932

TM855

魏意恒 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。E-mail: wyhcqu@sina.com

楊麗君 女，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)和故障診斷的在線監(jiān)測，以及電力變壓器和電纜的老化機(jī)理和診斷。E-mail: yljcqu@cqu.edu.cn（通信作者）

2020-07-29

2020-10-27

國家電網(wǎng)有限公司總部管理科技資助項目（超、特高壓變壓器油紙絕緣快速發(fā)展型故障檢測與診斷關(guān)鍵技術(shù)研究）。

（編輯 崔文靜）