高压方波脉冲对聚酰亚胺薄膜表面形貌的影响

为了研究高频脉冲电压下绝缘材料的老化、失效机理,给变频电机绝缘结构设计提供理论基础,在高频脉冲方波条件下,对纳米和非纳米聚酰亚胺薄膜进行了不同频率和不同时间的老化及局部放电测试:通过扫描电镜研究对比了老化对2种薄膜表面及横截面形貌的破坏情况;分析比较了频率对2种薄膜局部放电参量(起始放电电压,平均放电量和放电次数)的影响。结果表明:老化后2种薄膜的表面形貌都发生了明显改变,但由于添加纳米粒子使2种薄膜破坏情况完全不同;气隙表面电导率对局部放电有很大影响,无机纳米填充使非纳米聚酰亚胺薄膜产生大量界面,改善了材料的电导率,更加容易产生局部放电初始电子。     

高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性

变频牵引电机定子绝缘承受来自变流器的连续高压方波脉冲,可能导致绝缘过早失效,其老化机理与工频交流电压作用下差异很大。局部放电是导致变频调速牵引电机绝缘失效的主要原因之一。研究高频方波脉冲下的局部放电特性为牵引电机绝缘材料的改进和优化提供理论基础,试验分析了普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜制成的电磁线寿命,结果发现纳米试样的寿命得到很大提高。针对普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜研究了不同脉冲频率、上升时间和温度对放电起始电压、平均放电量和放电次数的影响。结果表明,频率的增加、上升时间的缩短和温度的增加加剧了局部放电活动,普通薄膜试样的局部放电活动更强,其原因是纳米粒子的添加导致纳米复合薄膜存在大量界面区和电导率增加,电荷的迁移速率增大,空间电荷累积效应减弱。     

连续方波脉冲电压下温度对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了评估温度对局部放电(partial discharge,PD)特性的影响,对连续方波脉冲电压条件下的局部放电测试系统进行了改进,并采用该系统测试变频电机用聚酰亚胺纳米复合薄膜在不同温度条件下的局部放电特性,分析了不同温度下的局部放电散点图、放电次数及绝缘寿命。试验结果表明:局部放电多集中在方波脉冲的上升沿及下降沿附近,且在电压负半周期平顶区内,出现了大量放电;同时,随着实验温度的增加,局部放电次数及放电幅值虽然降低,但聚酰亚胺的绝缘寿命也逐渐降低,这说明局部放电只是引起聚酰亚胺纳米复合薄膜绝缘失效的原因之一,高温条件下活性电子的入陷、脱陷过程及空间电荷造成的电场畸变可能是诱导绝缘失效的另一个因素。     

重复脉冲频率对变频电机绝缘PDIV及PDEV影响研究

重复脉冲电压下局部放电起始放电电压(PDIV)及局部放电熄灭电压(PDEV)是评估低压变频电机绝缘性能的重要参数。为研究重复脉冲频率对变频电机绝缘PDIV及PDEV的影响规律,利用上升时间为100ns、持续时间为200 ns的正极性重复脉冲,在5 Hz～5 kHz内对变频电机匝间绝缘的PDIV及PDEV进行了大量测试。结果表明:随着重复脉冲频率的增加,产生初始电子的概率增大,PDIV和PDEV均呈减小趋势。放电产生后绝缘表面局部温度升高及表面电荷衰减,可能是PDEV随频率增加而减小的重要原因。据此,在重复脉冲电压下进行变频电机绝缘的PDIV及PDEV测试时,适当提升脉冲频率有利于激发绝缘薄弱点放电,进而得到更为客观的测试结果。     

重复脉冲上升时间对变频电机绝缘局部放电特征的影响

为研究重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘的局部放电特征影响规律,基于超高频天线、检波技术和宽带、高速数据采集和传输技术设计了重复脉冲电压下变频电机绝缘局部放电检测系统。研究了变频电机匝间绝缘在不同上升时间重复脉冲电压下的局部放电统计特性并对其机理进行了分析。结果表明:在微秒级的上升时间下,脉冲电压极性快速翻转导致变频电机绝缘薄弱处空间电荷电场和外部电场叠加,易超过局部放电起始电压,从而产生次数较多的小幅值放电,且放电幅值随着上升时间的减小而增大,但单个周期放电总量逐渐减少。因此设计耦合传感器时应根据重复脉冲上升时间和局部放电脉冲频域能量分布特点,设计高频响应较好的传感器,避免脉冲电源干扰使测试灵敏度降低,从而得到准确反映电机绝缘水平的PDIV和RPDIV。     

重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘局部放电起始电压影响研究

重复脉冲电压下绝缘局部放电起始电压(PDIV)测试是评估低压变频电机绝缘性能的主要手段。为得到客观的PDIV测试结果,必须研究重复脉冲参数对PDIV的影响规律。利用重复脉冲电压下的局部放电测试系统,研究了20 ns、40 ns、60 ns和1μs 4种上升时间下变频电机匝间绝缘PDIV的统计特性。结果表明:重复脉冲上升时间处的过电压是PDIV测试结果偏高的主要原因,20 ns上升时间下测得的PDIV比基本无过电压的重复脉冲PDIV测试结果高约30%,这是因为持续时间较短的过电压幅值虽超过了实际PDIV,但由于缺少激发电子崩的初始电子,未发生局部放电。在对变频电机绝缘进行PDIV测试时,应充分考虑重复脉冲上升时间处过电压对测试结果的影响。     

高压方波脉冲波形参数对局部放电的影响

研究了变频电机定子用绝缘绞线对在方波脉冲下的局部放电行为。对不同频率及不同电压上升时间下局部放电的放电次数、平均放电量及放电的相位分布进行了研究和分析。结果表明,随频率的升高及电压上升时间的缩短,累积空间电荷形成的反向电场增强,局部放电行为加剧,从而导致绝缘的老化更为严重;随频率的升高,初始电子延迟会使单个周期内放电次数减少,而相同时间间隔内局部放电次数会有所增加;在不同电压上升时间下,放电次数的增加量不与电压上升率的变化成正比,而取决于单次放电时间td。     

重复脉冲电压下温度对变频电机绝缘局部放电统计特性影响研究

为研究温度对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响规律,在不同温度条件下采用上升时间为25 ns的双极性对称重复脉冲电压对变频电机漆包绝缘进行测试,分析温度对局部放电起始电压、局部放电谱图、放电相位、放电幅值及放电次数等特征参量的影响规律。结果表明:在漆包线耐热等级155℃内,局部放电对称出现在重复脉冲电压的上升沿和下降沿,局部放电起始电压随温度升高而下降,放电相位随温度升高而减小,放电幅值随温度升高而增大,半周期内的放电次数随温度升高而减少。温度会影响绝缘材料的相对介电常数、表面电导率及用于激发电子崩初始电子的产生概率,并改变表面电场和空间电荷积累效应,最终导致局部放电起始电压和局部放电特性发生改变。     

重复方波极性对聚酰亚胺耐电晕性能影响研究

利用极性可控的重复方波发生器,在具有6 kV峰峰电压、150 ns上升时间和下降时间、50%占空比的重复方波电压下,研究了正、负极性和双极性重复方波对聚酰亚胺耐电晕性能的影响。结果表明:重复方波极性对聚酰亚胺耐电晕和局部放电统计特性无显著影响,但对测试结果的分散性影响明显。不同电压下的耐电晕寿命和局部放电幅值的分散性由大到小依次为正极性、负极性和双极性。结合重复方波电压下大量局部放电统计数据,认为放电产生并建立起表面电荷积累后,极性反转瞬间的阶跃电压幅值是影响放电幅值和电晕破坏过程的主要因素。根据研究结果,采用双极性的重复方波电压执行变频电机绝缘耐电晕性能测试,有益于减小数据分散性,得到绝缘耐电晕性能的客观判据。     

方波脉冲下聚酰亚胺绝缘破坏机理研究进展

变频电机广泛应用于电力牵引以及风力发电。变频器输出的一系列方波脉冲电压有可能导致变频电机绝缘材料过早失效。方波条件下绝缘材料破坏过程、绝缘材料性能的改善成为研究热点。为此,综合国内外研究成果,从局部放电、空间电荷两个方面论述了聚酰亚胺(PI)绝缘破坏的原因,采用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察了PI薄膜破坏的微观形貌,并解释了纳米粒子对PI绝缘性能影响机理。最后从目前研究成果出发,介绍了用纳米粒子改善绝缘材料性能、优化电磁线绝缘结构等延长变频电机绝缘寿命的措施。     

空间电荷对脉冲电压下局部放电影响

研究了空间电荷对双极性脉冲电压下局部放电行为的影响。通过等温松弛法测量了纳米和非纳米聚酰亚胺膜的陷阱能级和密度,表明纳米材料中大量界面区的存在导致其陷阱密度和电导率比非纳米材料大;此外,通过测量不同频率和上升时间下的局部放电参量(平均放电量和放电次数等)表明,频率的增加和上升时间的缩短导致PD放电活动增强,纳米材料的放电活动低于非纳米材料。通过不同材料的陷阱参数测量结果,分析了纳米和非纳米材料在脉冲电压下PD特征的不同,其PD特征受到材料陷阱参数的影响。     

Partial discharge inception and propagation characteristics of magnet wire for inverter-fed motor under surge voltage application

In inverter-fed motor coils, surge voltages with the rise time of several tens or hundreds of nano-second may cause partial discharge (PD) and degradation of electrical insulation performance of the inverter-fed motor coils. This paper discusses PD inception characteristics as well as PD propagation characteristics after PD inception for magnet wire of inverter-fed motor under surge voltage application. Experimental results firstly revealed that PD inception voltage (PDIV) decreased with the increase in the length of enamel-coated wire, which was evaluated in terms of the stressed wire contact length under surge voltage application, i.e. size effect. We proposed a regression line for the size effect on PDIV for the electrical insulation design of inverter-fed motor coils. Secondly, PD propagation characteristics were also investigated under the higher voltage application, and their mechanisms were discussed in terms of generation probability of initial electrons, space charge behavior in the wedge-shaped air gap, charging on the enamel surface and so on     

无机纳米颗粒抑制中压电缆终端气隙缺陷局部放电的有效性

针对中压电缆终端气隙缺陷中的局部放电(PD)导致终端绝缘迅速劣化的问题,提出了一种在气隙缺陷处填充TiO_2复合涂料抑制终端PD的方法,从终端PD特征及缺陷表面的微观形貌特征两方面研究了TiO_2复合涂料填充对缺陷处绝缘的影响。通过在10k V电缆终端中设计典型的气隙缺陷,并在缺陷处填充复合涂料进行电热老化对比试验,测试分析了不同老化时刻下终端的PD特征,并对老化后期缺陷的表面形貌特征进行分析。通过建立气隙缺陷的有限元模型,结合电场仿真进一步阐述复合涂料填充对终端PD及缺陷表面形貌特征的影响机制。研究结果表明:填充TiO_2复合涂料后终端PD放电能量得到大幅减小,随着老化时间的增加,终端放电重复率及放电相位分布差异较小;气隙缺陷表面较平整,填充后团聚物中碳含量降低了31%,验证了气隙缺陷处填充TiO_2复合涂料可以抑制终端PD发展,并减缓终端绝缘的劣化。     

交流与雷电冲击叠加电压下SF6气体中沿面局部放电测量与数值计算

由冲击过电压所引发的环氧绝缘沿面局部放电往往会造成严重的绝缘事故,威胁设备的运行安全。采用不同的测量方法对交流与雷电冲击叠加电压下SF6气体中环氧绝缘沿面局部放电进行测量。分析讨论冲击叠加相位和冲击电压极性对沿面局部放电激发过程的影响。基于试验结果的讨论分析和沿面局部放电基本物理过程,建立交流与冲击叠加电压下沿面局部放电激发过程的数学模型,对不同极性冲击叠加在交流电压不同相位后沿面局部放电的放电时延、放电量进行数值计算。同时,对放电所产生的沿面、空间电荷衰减过程进行定量分析,实现了电荷衰减过程中电荷记忆效应对沿面局部放电影响的量化描述。该研究结果为沿面局部放电过程的分析提供了一定的试验及理论依据。     

评估变压器油纸绝缘受潮的电压响应方法研究

回复电压法能有效诊断变压器油纸绝缘的状态,但测量时间过长,由此提出通过单次加压建立的极化在不同去极化时间段内的电压响应特性进行绝缘诊断的方法,省去多次加压的过程,节省了测量时间;实验研究了不同受潮状态的变压器油纸绝缘介质在不同去极化时间段的电压响应特性,结果表明,充电2000s后首次放电0.1s的电压响应初始斜率随绝缘受潮程度的增加而增大,可作为评估其受潮状态的特征量;同时通过频域分析仪测得介质的直流电导率,将其与根据首次放电初始斜率计算获得的极化电导率进行对比分析,进一步验证了该特征量的有效性。本文提出的测量方法为应用电压响应法现场快速诊断变压器油纸绝缘的受潮状态提供了一种新的研究思路。     

Degradation diagnosis and estimation of residual life of insulating material using pattern recognition of phase-angle resolved partial-discharge pulse-occurrence distribution

A prototype of partial discharge (PD) pulse measurement and degradation diagnosis expert system (PDM/ES-I) is constructed using a personal computer for insulation degradation diagnosis of materials experiencing PDs. For 0.1-mm-thick low-density polyethylene (LDPE) with CIGRE Method II electrode system, temporal change of phase-angle-resolved PD pulse occurrence distribution was measured with PDM/ES-I. The so-called “pattern recognition” of the PD pulse distribution is applied to diagnosis of insulation degradation and assessment of residual life. Experimental results revealed that in spite of large scattering of time to breakdown, i.e., life, from 5 to 43 hours, all the tested samples exhibited similar evolution of the profile of PD pulse occurrence compared with five standard normalized PD patterns which had been registered in advance as five representative degradation stages from the initial degradation category to the final one. The degradation stage determined by the pattern recognition (PR) method proved to vary from the initial degradation category to the final one in a correct turn. Consequently, the PR method permitted an exact determination of the degree of degradation at a given aging time. In other words, the PR method was capable of predicting the residual life of LDPE with a CM-II electrode system.     

Electrical insulation characteristics of cold dielectric high temperature superconducting cable

For the optimization of electrical insulation design for high temperature superconducting (HTS) cable, evaluation of electrical insulation characteristics especially for butt gap of LN/sub 2/ impregnated cold dielectric (CD) which consists of the wrapped tape insulation impregnated with LN/sub 2/ plays an important role. This paper presents partial discharge (PD) inception and breakdown characteristics in LN/sub 2/ impregnated butt gap model which modeled a weak point of the wrapped tape insulation impregnated with LN/sub 2/ and cable model with short length with polypropylene laminated paper (PPLP/sup /spl reg//), Nomex/sup /spl reg// paper and cellulose paper. PD current pulse was found to have a steep rise time of /spl sim/ ns and amplitude of /spl sim/ tens /spl mu/A at PD inception voltage region. Little dependency of breakdown stress on the insulating material is found. PD inception stress is almost independent of insulation thickness of 1 to 3 mm. The requirement insulation thickness for 66 kV class HTS cable is estimated to be /spl sim/ 5 mm under PD-free condition from viewpoint of long-term reliability.