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高频正弦电应力对气-固绝缘局部放电的影响

高电压技术 2019年第12期45卷 3879-3888页

作者：张开放张黎赵彤邹亮山东大学电气工程学院

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... 详细信息

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。

关键词：高频电力变压器局部放电高频正弦电压表面电荷放电谱图

高频正弦电应力下气-固绝缘沿面放电现象及特征分析

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电工技术学报 2019年第15期34卷 3275-3284页

作者：张开放张黎李宗蔚赵彤邹亮山东大学电气工程学院济南250061 国网山东省电力公司经济技术研究院济南250021

沿面放电是高频变压器中常见的一种故障类型。为研究气-固绝缘在高频正弦电应力下的沿面放电现象及特征,搭建了针-板电极高频沿面放电实验平台。采用恒压法开展实验,获得了不同阶段的放电发展形态、放电特征参量、放电谱图和表面损伤状... 详细信息

沿面放电是高频变压器中常见的一种故障类型。为研究气-固绝缘在高频正弦电应力下的沿面放电现象及特征,搭建了针-板电极高频沿面放电实验平台。采用恒压法开展实验,获得了不同阶段的放电发展形态、放电特征参量、放电谱图和表面损伤状况。研究结果表明:沿面放电表现出很强的极性效应,正半周期放电次数和放电幅值均大于负半周期;高频电应力下聚酰亚胺沿面放电发展经过电晕放电-流注放电-沿面闪络,没有火花放电现象,且沿面闪络对薄膜的破坏远大于工频电应力;绝缘表面伴随着凸起和“晶状固体”生成,畸变电场结构,影响放电发展,导致在放电的不同阶段,放电幅值、次数、相位谱图均呈现出特定的变化规律。

关键词：高频电力变压器高频正弦电应力沿面放电表面形貌放电谱图

高频电应力作用下聚酰亚胺薄膜的沿面放电特性

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高频电应力作用下聚酰亚胺薄膜的沿面放电特性

作者：晏齐悦山东大学

学位级别：硕士

高频电力变压器（High Frequency Power Transformer,HFPT）是一种新型输变电设备,可以实现交、直流电压灵活变换,在电压变换和能源传递方面具有广泛的应用前景,适用于分布式能源并网等诸多领域。应用最广泛的高频电力变压器多采用气-... 详细信息

高频电力变压器（High Frequency Power Transformer,HFPT）是一种新型输变电设备,可以实现交、直流电压灵活变换,在电压变换和能源传递方面具有广泛的应用前景,适用于分布式能源并网等诸多领域。应用最广泛的高频电力变压器多采用气-固绝缘,能在多种恶劣条件下运行,结构紧凑,具有大幅值、上升快的高频电压波形。根据现有研究发现,高频电力变压器气-固绝缘系统发生失效或劣化问题的关键原因是沿面放电,应该在高频电力变压器实际工况的基础上,深入探讨沿面放电现象的形成过程及原因,研究在沿面放电过程中放电特征参量变化的一般规律,考虑到沿面放电现象很大程度上是表面电荷积聚导致的,必须加快对高频电应力下沿面放电现象的形成机理及成因的研究。本文利用基于针-板电极的高频沿面放电实验平台对聚酰亚胺施加高频正弦电压,分析其沿面放电特性,旨在分析气固绝缘表面受到高频正弦电应力作用表现出来的沿面放电特征,该实验先基于脉冲电流法对沿面放电信号进行收集作为原始数据,在此基础上进行去噪处理的方法是软阈值小波分解法,接着基于定点开窗技术对放电信号进行有效提取,得到放电谱图和一系列放电特征参量,从而分析聚酰亚胺沿面放电的特性。为分析聚酰亚胺沿面放电特性随实际工况不同存在的差异,本文在流体动力学模型的基础上完成高频电压针-板电极仿真建模工作,将材料体传导模型及表面电荷迁移模型添加到仿真模型中,有助于分析空气中带电粒子扩散、迁移、负荷及电离过程对聚酰亚胺沿面放电特性带来的影响。根据仿真结果发现,单周期与多周期内表面电荷放电发展过程及电荷动态分布的实验结果和仿真结果是一致的,表面电荷积聚途径包括材料表面电荷迁移和空气中带电粒子漂移两种。在模拟材料表面积聚极性电荷的沿面电场强度变化的过程中,发现负半波和正半波沿面场强会受到负极性表面电荷畸变作用的影响,原因有两点:一是沿面放电已经演化为沿面闪络;二是沿面放电相位谱内存在的极性效应。实验与仿真结果表明,聚酰亚胺薄膜在高频正弦电压作用下的沿面放电过程包括三个阶段,分别是电晕放电阶段、流注放电阶段和沿面闪络阶段,每个阶段聚酰亚胺薄膜的沿面放电形态均存在一定的差异。一般用平均放电次数和最大放电幅值作为沿面放电发展程度的评价指标。沿面放电表现出很强的极性效应,正半周期放电次数和放电幅值均大于负半周期。放电过程对绝缘表面的破坏导致电场畸变,对沿面放电发展过程产生一定的影响,平均放电次数和放电幅值在沿面放电发展过程中表现出持续上升的变化趋势,同时在放电统计特征变化规律和沿面放电不同发展阶段的放电特性（放电形态、相位谱图和放电特征参量）的基础上讨论能有效表征沿面放电发展程度的各个参量,结合不同放电阶段的绝缘材料界面特性分析,分析气-固界面特性是否会对沿面放电发展过程产生影响及沿面放电过程的发展规律,讨论沿面电场分布情况是否会受到表面电荷积聚作用的影响,从而得到负半波和正半波形成极性效应的成因。

关键词：高频电力变压器高频电应力沿面放电仿真模型放电机理

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高频电应力下聚酰亚胺放电特性的相场模拟

高频电应力下聚酰亚胺放电特性的相场模拟

作者：郭玉金华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

融合电力电子技术的高频变压器因具有交直流多端口接入、电能质量高度控制、多能变换与利用等一系列优势被广泛应用于新能源并网、电动汽车充电桩、海洋群岛供电、智慧城市电网建设等领域,是构建能源互联网和新能源电力系统的关键核心... 详细信息

融合电力电子技术的高频变压器因具有交直流多端口接入、电能质量高度控制、多能变换与利用等一系列优势被广泛应用于新能源并网、电动汽车充电桩、海洋群岛供电、智慧城市电网建设等领域,是构建能源互联网和新能源电力系统的关键核心装备。聚酰亚胺(Polyimide,PI)因其介质损耗小,热稳定性好,绝缘性能高等优点,被广泛应用于高频变压器绕组的匝间包覆绝缘。相较于传统的工频电力变压器,高频电力变压器的工作环境更加复杂恶劣,绝缘材料往往经受微秒陡度、百千伏电压导致的瞬变重复脉冲波形、高频正弦电应力,复杂的电-热耦合的作用更易导致绝缘材料中局部电场畸变,聚酰亚胺薄膜在损耗发热和微放电作用下发生绝缘击穿。当前,针对聚酰亚胺材料的高频放电与绝缘失效行为已经开展了大量的实验研究,然而采用传统的宏观实验表征手段很难深入理解聚酰亚胺基复合材料的击穿过程与失效机理。近年来,相场理论被用来模拟纤维增强复合材料的裂纹拓展过程,借鉴裂纹与击穿发展的相似性,本文基于热力学自由能最小化原理,考虑不同外场的驱动力,建立了聚酰亚胺击穿损伤的相场模型,采用傅立叶谱迭代分析法和半隐式傅立叶谱方法求解泊松方程和与之耦合的Ginzburg-Landau方程,实现击穿路径的可视化。通过对纯聚酰亚胺击穿二维模拟,验证了相场模型的有效性,揭示了局部电场与击穿路径的关联关系。为了研究纳米改性增强绝缘的复合机理,首先研究了填料排列、形状和取向、介电常数对复合材料电场分布的影响,仿真结果表明填料的引入使得复合材料内部界面上产生电场畸变,且当填料沿电场方向距离较近时将产生电场叠加效应,进一步增大电场;介电击穿的相场模拟表明纳米颗粒和纳米片在击穿相的发展过程中均起到了阻碍作用,相较于纳米颗粒,片状纳米纤维因具有更大得阻挡面积从而有更高得击穿场强。进一步构建了气固界面沿面击穿的相场模型,研究了聚酰亚胺-空气沿面击穿的发展过程,研究发现沿面击穿的过程分为三个阶段,击穿首先开始于击穿强度较低的空气中,当电场畸变增大到聚酰亚胺击穿场强时,击穿将从界面上空气进入聚酰亚胺内部,并沿着界面发展,最终发展为界面上的闪络,在通道内聚集大量静电能。为了研究包含高热应力和高电应力的高频作用对聚酰亚胺绝缘击穿过程的影响,进一步探究了频率、温度和高温下纳米填料对介电击穿的影响。结果表明:频率极大增加了击穿过程中的焦耳热驱动力,击穿发展速度随频率升高而增大;温度升高增大了材料的介质损耗因数,从而增大了焦耳热能,使得在高温下在较低的电场强度下发生击穿,当温度从300K上升到473K时,击穿场强从212kV/mm下降到了 161kV/mm;在低温下介质损耗因数较低,击穿起始发展主要依靠静电能,在高温下介质损耗因数较高,击穿发展向依赖焦耳热能转变。含纳米填料的复合模型会在击穿过程中出现“生长停滞点”,纯PI和随机纳米颗粒以及随机纳米片的击穿相发展到90%的时间步数分别为600、660以及690,与电场方向垂直的纳米片复合模型有着更长的发展时间,是纯PI模型的1.15倍,含纳米片复合模型拥有更长的寿命和耐击穿能力。

关键词：高频电力变压器聚酰亚胺介电击穿相场模拟复合绝缘

功能化改性聚酰亚胺薄膜的高频绝缘特性与增强设计

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功能化改性聚酰亚胺薄膜的高频绝缘特性与增强设计

作者：董紫薇华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

近年来为解决分布式能源并网问题,高频电力电子变压器被广泛应用于能源互联网中。聚酰亚胺(Polyimide,PI)作为高频电力电子变压器的匝间包覆绝缘,长期工作在高频电应力冲击下,加速其老化、裂化甚至绝缘失效的过程,导致其短时击穿性能以... 详细信息

近年来为解决分布式能源并网问题,高频电力电子变压器被广泛应用于能源互联网中。聚酰亚胺(Polyimide,PI)作为高频电力电子变压器的匝间包覆绝缘,长期工作在高频电应力冲击下,加速其老化、裂化甚至绝缘失效的过程,导致其短时击穿性能以及长时耐压寿命难以满足实际运行工况中的绝缘需求,所以亟需对其开展改性优化设计工作。目前对聚酰亚胺绝缘性能的研究局限在直流电压、工频电压领域,缺乏在高频电应力下相关的实验数据和理论分析,导致聚酰亚胺在高频下的击穿机理和电晕损伤机制尚不明晰,因此无法展开功能化改性对聚酰亚胺高频绝缘性能调控机制的研究。为此本文进行了大量的实验探究和理论分析,取得的主要研究结果如下:提出了采用体相改性和表面改性相结合的方案,完成了对聚酰亚胺的优化设计。通过原位聚合法分别引入二氧化硅(SiO2)和笼型聚倍半硅氧烷(POSS)对PI进行纳米复合改性,以及共混法将二硅氧烷(GAPD)嵌入PI分子主链进行分子结构改性,改性填料的质量分数为1wt%、5wt%和10wt%。对体相改性后的薄膜实现表面改性,复合薄膜在强碱溶液中完成水解后,置于氯化铝溶液4h进行离子交换,水解时间为15min、30min、60min、90min以及120min,经过再次热亚胺化后铝离子在表面形成氧化铝(Al2O3),最终得到了Al2O3-硅氧-Al2O3“三明治”结构的聚酰亚胺复合薄膜。表征了不同改性方式下复合薄膜的红外光谱、表面和断面形貌、结晶度和力学强度等基本理化特性,验证了改性方案设计的合理性。纳米复合改性存在分相问题,SiO2含量过高时会出现局部团聚,影响了分子链的排列,结晶度有所下降;POSS的分散性良好,以自身的笼型中空结构最大程度上增加了 PI的共轭体系,电荷转移络合作用增强最为明显,紫外光谱的红移现象最明显。分子结构改性改变了 PI基体的聚集态,引入GAPD后分子间作用力增强,结晶度和拉伸强度均有所提升。红外光谱显示表面改性保留了体相改性的结构,二次亚胺化后形成了 Al2O3增加了表面的粗糙程度,且随着水解时间越长Al2O3含量越多,结晶度和拉伸强度均降低。测试结果表明,虽然PI经过不同改性方法的理化特性有所区别,但基本能满足实际应用。搭建了高频绝缘性能测试实验平台,研究了聚酰亚胺薄膜改性前后的短时击穿特性和长时耐压特性。采用Weibull方法统计了各试样高频下的击穿强度和耐电晕寿命,高频电压下PI的击穿电压随着厚度的增加呈非线性增长,即击穿场强随厚度的增加而降低,产生的线性相对误差率越大,频率越高误差越显著。各类薄膜的击穿场强随频率增加出现非线性下降,当频率由5kHz提升至20kHz,击穿场强下降了 28.96%～35.13%,体相改性在掺杂含量为5wt%对击穿强度的提升效果较为优异,同一频率下的击穿场强排序为POSS/PI>GAPD/PI>SiO2/PI>PI。基于电-热耦合击穿机理分析了高频下薄膜击穿后的表面烧蚀现象,根据热失衡理论推导了关于频率和温度的临界击穿场强表达式。表面改性中水解60min时,改性薄膜的耐电晕时长为56.5min,相比于PI的11.3min提升了 4.04倍,从电离过程、温度效应以及氧化腐蚀等方面阐述了高频下的电晕损伤机理。揭示了不同改性方式对聚酰亚胺绝缘性能的调控机制,为后续的调控改性方案提供了参考依据。基于薄膜的微观特性对高频绝缘性能的关联性,对比分析了不同改性方法对微观特性的作用效果。微观特性围绕着PI内部的极化响应过程和载流子输运情况展开,用介电常数和损耗表征极化响应能力,陷阱特性和电阻率反映载流子运动特性。介电、陷阱和电阻率的测试结果表明,引入SiO2后界面极化增强,GAPD主要影响取向极化,POSS则是空间电荷极化占主导,纳米复合改性主要提升深陷阱能级,分子结构改性主要增加深陷阱密度,能够捕获更多载流子,降低载流子的迁移率,均可以使电阻率升高,促使更多的电荷积聚在陷阱中削弱外部电场,从而提升了改性薄膜高频下的绝缘性能。

关键词：高频电力变压器聚酰亚胺理化特性击穿场强耐电晕寿命

硅氧功能化聚酰亚胺薄膜的改性制备与高频沿面放电特性

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硅氧功能化聚酰亚胺薄膜的改性制备与高频沿面放电特性

作者：丁梓桉华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着能源互联网的发展,分布式能源的不稳定性给电网带来较大的挑战,而高频电力变压器是解决该问题的有效方案。作为高频电力变压器包覆绝缘的常用材料,聚酰亚胺需经受类高频电应力、热应力等复杂的应力环境,在相同电场强度下,相较于本... 详细信息

随着能源互联网的发展,分布式能源的不稳定性给电网带来较大的挑战,而高频电力变压器是解决该问题的有效方案。作为高频电力变压器包覆绝缘的常用材料,聚酰亚胺需经受类高频电应力、热应力等复杂的应力环境,在相同电场强度下,相较于本体击穿,薄膜更易发生沿面放电,是制约高频电力变压器向高电压、大容量、高可靠性发展的关键因素之一。研究表明,改性有助于提高材料绝缘性能,而向聚合物中引入硅氧结构有助于提高其综合性能,因此,利用不同种类的硅氧结构对聚酰亚胺进行改性与合成,系统研究改性聚酰亚胺在高频交流电应力下沿面放电特性对后续薄膜改性研究具有重要意义。本文取得的主要研究结果如下:搭建了聚酰亚胺薄膜改性制备平台,优化了制备流程和合成工艺。提升了聚酰亚胺的分子量、减少了杂质的引入并保证了薄膜的均匀度。选择纳米二氧化硅（SiO2）和二硅氧烷（GAPD）两种硅氧结构化合物对聚酰亚胺分别进行纳米复合改性和分子结构改性。将纯聚酰亚胺命名为P0,引入1%、2%、5%摩尔含量的GAPD并按照含量分别命名为G1、G2、G5,引入等摩尔含量的SiO2纳米粒子并按照含量分别命名为 Si1、Si2、Si5。针对改性制备的七种聚酰亚胺薄膜,采用红外光谱仪、紫外-可见分光光度计、扫描电子显微镜等基础仪器获得了薄膜的基本理化特性。研究结果表明:改性后的硅氧功能化薄膜在基本理化特性方面均能满足实际应用,但其理化特性有所区别。加入SiO2后,聚酰亚胺基体中均出现明亮的纳米粒子,但Si5中出现轻微团聚现象,紫外光谱略微红移,结晶度有所下降,表面电阻率和体积电阻率均下降,且SiO2含量越多下降越快,但玻璃化转变温度和力学性能却有所提升。引入GAPD后,聚酰亚胺基体聚集态改变,且GAPD含量越多,结晶度越高,紫外光谱红移越多,薄膜在紫外光区吸收越强,电荷转移络合作用更强,表面电阻率和体积电阻率越大,玻璃化转变温度和力学性能越优异。通过搭建恒温恒湿环境下的高频沿面放电实验平台,获得了硅氧功能化聚酰亚胺薄膜的高频沿面放电特性。测试结果表明,薄膜的沿面放电起始电压均在3.5～3.7 kV范围内,P0沿面闪络电压最低。引入两种硅氧结构均有助于提升薄膜沿面放电寿命,其中Si组Si5寿命最长,是P0的3.40倍,G组G5寿命最长,是P0的4.77倍。进一步研究长期电老化过程,采集并分析Si5、P0、G5的沿面放电信号,发现三种薄膜均呈现明显的极性效应,具体表现为正半周放电幅值、放电次数远大于负半周,且极性反转处放电剧烈;此外,三种薄膜的放电幅值中前期波动后期增加、放电次数持续增加、放电形态以密集放电为主,不同的是,G5全过程沿面放电幅值最低、放电次数最少,且增长速度最慢,Si5放电前期沿面放电特征与P0相近,但后期P0放电发展迅速且放电激烈程度大幅度增加。进一步研究了硅氧功能化改性对聚酰亚胺高频沿面放电特性的影响机制,建立了高频沿面放电特征参数之间的内在关联特性,揭示了理化特性改变对改性聚酰亚胺高频沿面放电特性的影响机制。研究结果表明,电阻率主要影响电晕在薄膜-空气界面的发展以及表面电荷的积聚与消散特性,结晶度主要影响表面电荷的脱陷和入陷过程,电荷转移络合作用和光吸收性主要影响材料紧凑性和空间光电离等过程,而材料结构则主要影响电子的散射等过程。此外,长期电老化过程中,不同理化特性对不同时期放电过程的影响也有所不同,且存在协同作用。两种改性方式在不同程度上改变了上述理化特性,导致了高频沿面放电特性的不同,为后续进一步调控改性方案提供了参考依据。

关键词：高频电力变压器聚酰亚胺硅氧功能化理化特性沿面放电