高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响
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鲁杨飞 李庆民 刘涛 黄旭炜 王忠东
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170581
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导语
本文从表面电荷积聚的角度对高频下沿面放电发展过程进行研究，提出了高频下沿面放电特性的演化机理，分析了表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响。
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研究背景所
高频电力变压器作为一种新型的智能输变电装备，能够实现电能的灵活变换与控制，满足分布式能源的并网需求，受到国内外学者广泛的关注。高频电力变压器一般采用气-固绝缘系统，体积小，结构紧凑，工作电压频率达5~ 40kHz，在高频电热联合应力作用下更易出现绝缘失效问题。目前普遍认为，沿面放电是导致气-固绝缘系统失效的主要原因之一，而表面电荷是影响沿面放电或沿面闪络特性的重要因素。因此，有必要从表面电荷积聚的角度对高频下沿面放电发展过程进行研究，深入了解高频下沿面放电特性的演化机理，以期对高频变压器绝缘系统的设计提供理论指
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论文所解决的问题及意义
本文通过实验及仿真手段探究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律，表面电荷积聚对沿面放电发展过程的影响，研究结构如图1所示。
图1 研究体系图
论文从表面电荷积聚的角度研究了高频电应力下沿面放电特性的演化机理，对于高频变压器绝缘系统的设计具有重要指导意义。
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1）实验研究。搭建图2所示的沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先，采用20kHz和30kHz高频正弦电压研究沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其次，对放电发展不同阶段聚酰亚胺薄膜的表面电荷分布进行测量，得出表面电荷的时空分布特性。最后，通过扫描电镜与傅里叶变换红外光谱分析方法，对材料表面微观形貌和化学结构变化进行测试，探究材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。
图2 沿面放电实验平台示意图
2）仿真验证。利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立如图3所示的仿真模型对考虑表面电荷影响的沿面场强进行计算。分别对电压正、负半波峰值时刻材料表面积聚负极性电荷情况下，针尖到地电极垂直线（如图3中红线所示）上的沿面电场强度进行仿真，验证了负极性表面电荷的积聚使得针电极强场区的电场在电压正半波时进一步增大，在负半波时被减弱。
图3 沿面电场仿真模型
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1）高频下沿面放电具有极性效应，电压正半波的放电幅值明显大于负半波，且放电中期正半波峰值处会出现较大幅值的放电，峰值处放电次数在后期明显增加。
2）沿面放电作用一段时间后，聚酰亚胺材料表面会积聚负极性电荷，针尖附近负极性电荷密度最大，且高频电压作用下表面电荷积聚量远远大于工频电压。负极性表面电荷积聚在电压正半波对针电极处场强有增强作用，而在电压负半波起削弱作用；负极性表面电荷对正、负半波沿面场强的不同作用，是沿面放电相位谱图中极性效应的主要产生原因。
3）沿面放电发展过程中，在电-热联合应力作用下材料表面会产生裂纹、凹坑等物理缺陷；同时聚合物分子结构的破坏和化学键的断裂也会引入化学缺陷。物化缺陷的增多有利于表面电荷的持续积累，也为大幅值放电的出现创造了条件。
鲁杨飞, 李庆民, 刘涛, 黄旭炜, 王忠东. 高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 3059-3070. Lu Yangfei, Li Qingmin, Liu Tao, Huang Xuwei, Wang Zhongdong. Effect of Surface Charge on the Surface Discharge Evolution for Polyimide under High Frequency Voltage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3059-3070.
团 队 及 作 者 简 介
华北电力大学
李庆民教授带领研究团队20余人，近年来重点在高频电力变压器绝缘、GIS/GIL金属微粒运动与污染治理、海上风机防雷技术、输电线路潜供电弧等方面开展科学研究，取得了多项具有应用价值的科研成果。
李庆民
华北电力大学教授，博士生导师，历任电气与电子工程学院副院长，国际教育学院院长。主要从事电绝缘监测与诊断、电弧放电理论、先进输变电装备技术等研究工作，先后主持国家自然科学基金6项，参与国家973和863计划子课题4项，主持省部级基金9项、横向科研课题20多项。
获省部级科技进步一等奖、二等奖、三等奖各1项，授权专利18项，发表论文280余篇（SCI/50余篇，EI/200余篇，ISTP/30余篇），出版著作4部。
入选2008年度教育部新世纪优秀人才计划和2009年度山东省自然科学杰出青年基金获得者。
任国际大电网会议工作组成员（CIGRE WG C4.208和C4.30），国际电工技术委员会技术与市场工作组成员（IEC SMB SWG4），《电工技术学报》、《高电压技术》、《电力系统保护与控制》、《Energy Research Journal》、《Transmission and Distribution Engineering and Technology》等期刊编委。