学术简报︱高频变压器用匝间绝缘材料沿面放电特性的实验研究
中国科学院电工研究所、中国科学院大学、国家电网全球能源互联网研究院的研究人员赵义焜、张国强、韩冬、杨富尧、刘洋，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出，沿面闪络是导致高频变压器绕组匝间绝缘失效的主要原因之一。
通过搭建气-固高频沿面放电实验平台，选取Nomex绝缘纸、改性DMD绝缘纸、PET聚酯薄膜及聚酰亚胺薄膜作为研究对象，在高频电源电压为0～20kV、频率为1～20kHz的双极性方波电压下开展实验研究。采用双参数Weibull统计法分析放电间距对沿面闪络电压的影响规律，基于二次电子发射雪崩（SEEA）模型分析起始放电电压、闪络电压随频率的变化规律，并提出适用于绝缘材料沿面绝缘寿命估算的反幂函数模型，最后对以上四种匝间绝缘材料在高频高压下的沿面绝缘特性进行综合性评估。
高频变压器具有体积小、质量轻、转换效率高、适用面广等突出优势，最近几年逐渐成为国内外的研究热点之一。高频高压变压器是直流变流器和电力电子变压器当中必不可少的核心装备，其主要功能是高频升压、功率传输并在工作过程中实现高压侧与低压侧的电气隔离。
而作为高频变压器绕组绝缘的关键部分，匝间绝缘材料的高频绝缘性能严重影响着高频变压器的整体耐压水平及运行可靠性，更成为限制其大功率化、高频化、小型化发展的重要因素。由于高频变压器长期工作在上升时间短、幅值大、频率高的电压波形下，匝间绝缘材料承受着高重复频率的电应力冲击，强电-热耦合效应也会加剧其绝缘性能的下降和劣化。
现有研究表明，沿面闪络的电场强度远低于相同间隙的体击穿场强，更易造成绝缘的损坏和过早失效。因此，开展匝间绝缘材料的高频沿面放电特性实验研究，对高频变压器绝缘结构的优化设计具有重要指导意义。
目前，国内外针对固体绝缘材料在工频条件下的沿面放电特性已开展大量研究，研究结果表明，绝缘材料电阻率、表面粗糙度以及温度等诸多因素均会对沿面闪络电压造成不同程度的影响。在绝缘材料的高频沿面放电特性方面，现有研究往往围绕频率对放电发展过程、放电形态、材料老化特性等影响规律展开。
罗杨、吴广宁等发现在双极性方波脉冲电压下，随着聚酰亚胺薄膜放电的进行，平均放电量和放电次数均呈现先降后升的现象。
刘涛、李庆民等搭建了高频气-固绝缘沿面放电实验平台，研究了不同频率和阶段下的沿面放电发展演化过程，发现沿面放电形态与试样表面特性、介电常数、电压频率、沿面电场分布等因素有关。
刘熊、林海丹等利用幅值为18kV、频率为100Hz的脉冲电压对环氧树脂表面造成老化损伤，对老化前后的环氧树脂表面进行了闪络实验，发现闪络电压随老化时间出现先降后升的现象。
在绝缘实验数据处理及分析方面，现有研究认为固体电介质的绝缘失效率与Weibull分布极为相符，并且将反幂函数模型用作表征绝缘材料寿命与电场强度关系的经验模型。
前人对于沿面放电的研究多为工频/纳秒脉冲与真空/油纸绝缘等条件的相互组合，而对于高频下沿面放电特性的研究，多集中于高频正弦信号下材料本身在放电过程中微观结构及形貌的演化过程，与高频变压器匝间绝缘实际工况相距较大，且很少涉及多种材料放电特性的对比，故难以为工程应用中高频变压器匝间绝缘的设计提供直观的参考和借鉴。
本文在双极性高频方波电压下对四种电气、耐热性能优良的固体绝缘材料进行沿面放电实验，研究电极间距对绝缘纸、薄膜闪络电压特征值的影响，分析材料起始放电、闪络电压随频率的变化规律，提出适用于高频下沿面绝缘寿命计算的反幂函数模型，为大功率高频变压器匝间绝缘材料的合理化选取与绝缘结构的优化设计提供理论依据。
图1 高频沿面放电实验平台
本文根据高频变压器实际运行工况，设计基于高频方波信号的沿面放电实验平台，重点研究了间距、频率对匝间绝缘材料沿面放电特性的影响，结合SEEA模型分析了高频下绝缘材料表面的放电机制，同时得到起始放电电压、闪络电压与沿面绝缘寿命随频率的变化规律，为高频变压器匝间绝缘的优化设计提供参考，并得到以下结论：
1）在双极性高频方波电压下，不同类型绝缘材料的闪络电压随电极间距的变化规律具有一定的差异性，带电粒子的沿面发展阶段极大地影响着闪络的形成，该阶段与材料类型及表面状况密切相关。
2）电压频率对起始放电基本无影响，闪络电压随频率的升高而显著下降。根据SEEA模型，频率对初始电子的形成影响较小，在电子倍增阶段，频率增加导致二次电子雪崩的发展速率有所提高，与绝缘表面的热效应共同导致闪络电压大幅下降。
3）频率的提高使绝缘材料从产生电晕到形成闪络的时间明显缩短。在沿面放电发展阶段，频率对电介质极化损耗、表面电荷耗散时间以及表面热效应产生极大影响，最终导致绝缘寿命的显著下降。
4）对比四种匝间绝缘材料在高频下的沿面绝缘性能，薄膜类绝缘材料的起始放电电压高于复合绝缘纸，表明PET薄膜与聚酰亚胺薄膜均具备良好的耐电晕性能，而各频率下PET薄膜的闪络电压平均值比聚酰亚胺薄膜高出0.05～0.65kV。此外，PET薄膜的绝缘寿命指数n小于其余绝缘材料，表明其电老化速率较低。
因此，综合考虑耐电晕性能、电老化速率、闪络电压等因素，PET薄膜在1～20kHz频率范围内具有相对良好的沿面绝缘性能。然而，在工程应用中，仍需与高频体击穿特性共同作为高频变压器匝间绝缘材料选取的主要理论依据。