聚酰亚胺薄膜局部放电频致拐点现象及形成机制

局部放电是导致高频电力变压器绝缘劣化和失效的重要因素,为准确评估高频正弦波形下电压频率和温度对局部放电特性的影响,设计了高频局部放电测试系统,研究了聚酰亚胺薄膜在不同电压频率(0.5~40k Hz)和温度(30~200℃)下的局部放电相位谱图、放电次数、放电幅值和绝缘寿命。实验发现,平均放电次数和幅值随电压频率的升高先增长后减小,存在"频致拐点"现象,且拐点频率随着温度的升高向低频段转移,而放电次数和幅值随温升单调增加。从空间电荷与放电特征参量的关联规律,以及温度对局部放电特性的影响机制分析着手,结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响,建立了"频致拐点"现象的数学模型,并揭示了其产生机制,为解释高频下的局部放电机制提供了理论依据。     

脉冲电压下环境湿度对PI薄膜局部放电特性的影响机理

以聚酰亚胺普通薄膜和聚酰亚胺纳米(Al2O3)复合薄膜为研究对象,研究了环境湿度对聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜局部放电参量的影响机理。结果表明:在低湿度下,随着湿度的增加,薄膜在重复脉冲下的局部放电起始电压(repetitive partial discharge inception voltage,RPDIV)降低,平均放电次数和平均放电幅值升高;在高湿度环境中,随着湿度的增加,薄膜的RPDIV呈升高趋势,平均放电次数和平均放电幅值降低。湿度对薄膜绝缘寿命的影响存在一个临界值。     

宽频高压脉冲参数对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了探索脉冲电应力作用下高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件绝缘材料的局部放电特性,建立高频高压脉冲作用下的局部放电测量平台,系统研究了电压幅值、脉冲重复频率、上升沿时间和脉宽对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响规律。结果表明:随着电压幅值从3 kV增加至11 kV,脉冲上升沿处的局部放电信号幅值逐渐增大,而放电时延逐渐减小;随着脉冲重复频率从50 Hz增大至100 kHz,上升沿的放电时延逐渐增大但局部放电信号幅值几乎不变;随着上升沿时间从136 ns增大至300 ns,放电时延逐渐增大且更加分散,局部放电信号幅值逐渐减小且更加紧密;与脉宽为1μs的情况相比,脉宽为500 ns时局部放电信号幅值更大且放电时延更小。该结果可为高压大功率电力电子装置中固态开关的绝缘老化和状态监测提供重要科学依据。     

高频正弦电应力对气-固绝缘局部放电的影响

为了探索高频正弦电应力对高频电力变压器用气-固绝缘局部放电特性的影响,搭建了高频局部放电实验平台。利用该平台在高频正弦电应力下进行局部放电测试,获得了不同电压幅值下的局部放电谱图、放电幅值、放电次数和绝缘寿命。通过分析其变化规律,结果表明:高频正弦电应力下,绝缘寿命与电压幅值呈现负指数关系;不同寿命阶段,单周波平均放电次数基本不变,约等于整个寿命周期的平均放电次数;同时放电幅值在不同寿命阶段里也没有明显变化;放电次数二维相位分布呈"锥"状,且锥顶的相位随着电压幅值的升高向左移动;高频电应力下气-固绝缘在不同损伤阶段的局部放电及持续时间差异性并不明显。     

基于改进变分模态分解去噪的高频电应力下聚酰亚胺局部放电温-频特性研究

局部放电是导致高频电力变压器中聚酰亚胺（PI）绝缘劣化的重要原因。为研究高频电压下聚酰亚胺局部放电机理，探索温度、频率因素对局部放电特性的影响，建立了高频局部放电测试平台。针对使用脉冲电流传感器采集局部放电信号容易受噪声干扰的问题，采用变分模态分解（VMD）对局部放电原始信号进行去噪。其中，针对VMD难以自适应选取分解参数的问题，使用平衡优化器（EO）算法获得最优模态分解个数K与惩罚因子α。实验获取了25～100℃四个温度点与10～50kHz五个频率点下的聚酰亚胺局部放电情况，并分析其变化规律。实验结果表明，温度越大放电起始电压越小，而频率与局部放电起始电压无关；最大放电幅值、总放电幅值和单周波平均放电次数与温度、频率呈正相关；频率越高，温度对局部放电特征量的影响越大，而温度越高，频率对局部放电特征量的影响也更为显著，两者呈现一种耦合促进关系。     

含硅氧结构聚酰亚胺薄膜的高频沿面放电特性

用于高频电力变压器匝间绝缘的聚酰亚胺,因沿面放电而易发生绝缘失效,利用硅氧结构进行改性是有效的解决方法。该文研究高频电应力下含硅氧结构聚酰亚胺薄膜的沿面放电特性,通过向聚酰亚胺中引入5%等效摩尔含量的纳米SiO₂粒子(SiO₂-PI)和二硅氧烷GAPD(GAPD-PI),与纯聚酰亚胺(PI)一起进行沿面绝缘强度和全寿命沿面放电特性测试,并结合电阻率、紫外–可见光谱、SEM等测试技术开展比较分析。结果表明:在针–板电极的高频沿面放电中,电晕易向前发展,闪络破坏性更大,正半周比负半周放电更为剧烈,极性反转处放电强度大。放电幅值先出现波动而后到达峰值,单位时间内放电次数持续上升,密集放电比重逐渐增加。含硅氧结构改性聚酰亚胺的沿面绝缘强度均有所提升,其中GAPD-PI更好。SiO₂-PI前期的放电幅值与次数与PI相近,密集放电多于PI,但PI发展迅速,后期放电的剧烈程度超过SiO₂-PI。进一步研究给出材料改性对高频沿面放电特性的影响机制:放电前期,电阻率影响较大,大电阻率会抑制沿面放电发展;放电中后期,陷...     

温-频耦合效应对高频固态变压器绝缘局部放电特性的影响

高频固态变压器的强温-频耦合效应会导致其绝缘过早失效,而局部放电是其失效的主要原因之一。为研究温度和频率交互作用对高频绝缘系统局部放电特性的影响,建立了电-热联合实验平台,模拟了固态变压器聚酰亚胺绝缘在30~160℃四个温度点和10~50k Hz五个频率点下的局部放电情况,阐明了典型局放特征参量随温度和频率的变化规律,并分析了其作用机理。实验结果表明,随着温度升高,最大放电幅值、放电次数和平均放电幅值都呈上升趋势,而频率则与这些特征量呈负相关,放电起始电压基本不随频率而改变。频变导致的空间电荷累积效应对局放特征变化起主导作用,频率-温度的协同作用改变了绝缘电导率以及电极-绝缘系统的切向电场分量,对局部放电发展具有显著影响。     

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。     

重复短脉冲下相对湿度对变频电机绝缘局部放电及耐电晕寿命影响研究

在上升时间为10 ns、电压幅值为3.5 kV、频率为5 kHz的重复单极性短脉冲下,实验研究了相对湿度分别为30%、50%、70%、90%时变频电机匝间绝缘的局部放电及耐电晕特性。结果表明:随着相对湿度的增加,试样的耐电晕寿命逐渐缩短,局部放电幅值先减小至某临界值后明显增大。这是由于随着相对湿度增加,电荷驻留效应减弱导致局部放电幅值减小,但当湿度超过某临界值后,微水聚集增强了局部电场,局部放电幅值增加。同时,微水的附着使试样的介电常数增加,从而使气隙间电场强度增大,这可能是其耐电晕寿命缩短的原因。     

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。     

不同频率和温度的电晕放电对聚酰亚胺薄膜的损伤特性研究

基于局部放电测试系统,构建了不同温度和频率下聚酰亚胺薄膜的老化寿命模型,研究了频率和温度对聚酰亚胺薄膜损伤特性的影响。结果表明:不同温度下聚酰亚胺薄膜的电晕老化寿命与施加的电压频率成非线性衰减关系;频率增加,导致放电残余电荷不易扩散和单位时间内放电次数增多,绝缘寿命缩短;随着温度的升高,放电现象可能经历显著增强、平稳、再剧烈的3个阶段。     

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。     

重复方波频率对聚酰亚胺耐电晕寿命影响研究

为研究重复方波电压频率对聚酰亚胺耐电晕寿命的影响规律,搭建了双极性方波测试平台,测试不同频率下聚酰亚胺的耐电晕寿命和局部放电统计特性.结果表明:聚酰亚胺的耐电晕寿命随频率的增加而减小,趋势逐渐变缓,这是因为随着重复方波频率的增加,发生在上升沿和下降沿处的放电幅值和相位都逐渐减小,致使单个周期内放电产生的电老化作用减弱.据此,对绝缘采用提高方波电压频率来加速老化时,需考虑上述特性.     

高频电压下油纸绝缘系统的局部放电及产气特性研究

高频变压器在提升电能传输效率的同时,也会加速油纸绝缘系统缺陷的劣化进程。为研究油纸绝缘系统在高频电压下的劣化特性,采用柱板模型模拟油纸绝缘的沿面放电缺陷,搭建高频局部放电试验平台,在10、20、30 k Hz电压下采用恒压法进行多组局部放电试验。利用摄像机和罗氏线圈分别记录试验现象和放电信号,分析高频电压下局部放电图谱和产气特性,并与工频局部放电试验的结果进行对比。结果表明:随着频率的提高,油纸绝缘系统的局部放电起始电压显著降低,单位时间内关键气体的产气量明显提高;但在高频电压下,绝缘油的劣化比绝缘纸板的劣化更为严重,因此提高了关键气体中H2的比例。由于空间电荷效应,放电相位集中于电压极性反转相位附近,且高频电压下的放电相位比工频电压下的放电相位宽;同时,在高频电压下,电压的上升速率、单周波内的有效放电时延受到频率的影响,使单周波内的平均放电幅值、平均放电次数在20 k Hz附近出现极大值。     

高频脉冲电压下油纸绝缘局部放电特性研究

高频变压器运行过程中油纸绝缘承受严酷的电热应力,绝缘系统容易过早失效.为了研究高频脉冲电压对油纸绝缘局部放电特性的影响,搭建了高频脉冲电压下的局部放电试验平台,开展局部放电试验,研究油纸绝缘在高频脉冲电压下的局部放电特性,并与工频电压下的局部放电特性进行对比.结果表明:高频脉冲电压下局部放电主要发生在电压的上升沿和下降沿,高频脉冲电压下的局部放电幅值远高于工频下的局部放电幅值,在10 kHz附近存在频致拐点,且高频脉冲下油纸试样出现直击现象;究其原因是高频产生较高的电压上升率,改变了缺陷区域的局部场强和高频电热耦合效应,从而导致了局部放电强度的变化.     

高频电应力下聚酰亚胺沿面放电演化特性

聚酰亚胺(PI)薄膜被广泛应用在固态变压器(SST)的绝缘设计中，而沿面放电是导致SST绝缘失效的重要原因之一。该文使用COMSOL Multiphysics软件为针电极实验装置建立了二维自洽等离子体仿真模型，通过耦合等离子体化学反应、粒子输运方程和泊松方程来分析高频电应力下的沿面放电发展过程；并建立了一个简化模型，用于验证等离子体模型中的空间电荷密度。实验结果表明，沿面放电会使电介质表面碳化并增加PI表面电导率。当电压频率为50Hz时，表面放电呈树枝状，放电出现在该阶段正半周期的上升和下降沿，最大放电幅度为0.013V，放电次数为2 180。在高频下，随着绝缘老化，放电幅度从0.009V增加到0.015V，最后阶段记录的放电总数为3 610，高频电应力下的沿面放电造成的损伤比工频更为显著。通过仿真模拟，该文获取了空间电荷、电子密度、反应速率和电子温度等微观量。高频电应力下PI薄膜沿面放电轨迹近似线性，在176×10^-6s时电子密度达到1.1×10¹⁹m^-3，随着电场强度的增加，电子密度和电子温度分布呈现上升趋势；正负离...     

重复短脉冲及方波电压频率对变频电机绝缘局部放电统计特性影响

为研究重复短脉冲及方波电压频率对局部放电统计特性的影响规律,采用不同频率的重复短脉冲及方波电压对变频电机漆包线绞线对进行测试,得到了两种电压条件下频率对局部放电幅值及相位的影响规律。结果表明:在重复短脉冲及方波电压下,频率升高造成表面积累电荷衰减减小,促使初始电子出现概率增加,从而导致局部放电幅值减小;放电相位随频率变化可能会受到电压极性的影响,在高频重复短脉冲电压下放电相位延迟,在高频重复方波电压下放电相位提前;在重复方波电压下的放电幅值为0.2~2 V,高于重复短脉冲下的放电幅值。根据研究结论,在依据国际标准对变频电机绝缘性能进行检测时,为提高信噪比,推荐采用频率较小的重复方波电压。     

高频介质阻挡放电传输电荷影响因素的研究

利用高频介质阻挡放电(DBD)实验装置和测量系统研究了外加电压幅值、气隙距离和电源频率等因素对高频DBD单个周期传输电荷的影响,并结合气体放电理论对实验结果进行了分析。结果表明,介质表面积聚的表面电荷影响高频DBD的电荷传输特性,高频DBD单个周期传输的电荷随外加电压幅值和电源频率的增加而非线性增加,随气隙距离的增加而非线性减小。     

操作冲击电压下油纸针板缺陷局部放电研究

操作冲击电压下油纸绝缘局部放电特性对于油浸式变压器的过电压防护具有重要意义。为此,采用油纸绝缘针板缺陷模拟油中电晕放电对其放电特性进行研究。通过试验和仿真手段研究其在标准操作波(波前时间250±20%μs,半峰值时间2 500±60%μs)下的放电特性,并对试验现象进行解释。试验结果表明:随着外施操作冲击电压幅值的升高,操作冲击电压上升时间内的主脉冲强度显著增强,下降时间内的局部放电信号无明显变化;随着外施操作冲击电压幅值的升高,油纸针板缺陷的初次放电时刻显著提前,初次放电时刻对应的冲击电压瞬时值显著上升;局部放电幅值(平均值、最大值)、平均放电重复率和放电脉冲数均随外施操作电压幅值的增加而增加。研究结果对于变压器的过电压防护及故障诊断有很大帮助,具有实际工程应用价值。     

高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了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了测量,得出了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了测试,探究了材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。研究结果表明,高频下沿面放电呈现极性效应,正半波放电幅值大于负半波,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;材料表面积聚负极性电荷,沿面放电导致的物化缺陷加剧了表面电荷的积聚;负极性表面电荷在电压正、负半波对针电极附近电场分布的不同影响,是沿面放电极性效应的主要产生原因。与高频电压相比,工频电压下负极性表面电荷积聚量较少,且沿面放电呈现出不同的极性效应。