直流叠加谐波电压下的油纸绝缘局部放电和电荷积聚特性研究
(Study on partial discharge and charge accumulation characteristics of oil-pressboard insulation under DC superimposed harmonic voltage)
1.研究背景
换流变压器阀侧油纸绝缘承受脉动方波电压作用。电压包含大量直流分量和高次谐波，谐波分量的存在会使得换流变内部局部放电和电荷积聚特性较为复杂，更易引发绝缘失效问题。因此，本文设置直流叠加谐波电压下的试验，研究谐波频率、直流分量对油纸绝缘局部放电和电荷积聚的影响，并探究电荷动态行为与局部放电的相互关联机制。
2.试验平台
直流叠加谐波电压的局部放电试验平台如图1所示。试验装置可模拟换流变阀侧主绝缘实际承受的叠加谐波下的复合电压。
图1局部放电试验平台
基于电声脉冲法的空间电荷测量系统如图2所示，能够满足叠加高次谐波电场下的空间电荷测量需求。
图2空间电荷测量系统
设置谐波直流比例为1:1的复合电压，设置不同频率（50Hz、150Hz、250Hz、300Hz、350Hz）的谐波电压，探究直流分量和谐波频率对局部放电和电荷分布特性的影响。另外，设置谐波直流电压比例为1:3，作为对照。
3.试验结果
如图3所示，对直流叠加不同频率谐波电压下的局部放电特征参量进行统计。可以看到当谐波直流电压比例相同时，最大放电量、平均放电量和放电重复率均随着谐波频率的升高而增大。当叠加谐波频率相同时，特征参量均随着直流分量的增加而减小。由此可见直流电压的存在抑制了高次谐波对局部放电的促进作用。
（a）最大放电量 （b）平均放电量
（c）放电重复率
图3直流叠加不同频率谐波电压下的局部放电特征参量
如图4所示为谐波直流比例1:1时，直流叠加50Hz谐波的复合电场下不同相位处的空间电荷波形。在交直流复合电场下电荷分布呈现非对称性，不同相位处空间电荷分布随外施极化电压波形的变化而改变。
图4直流叠加50Hz谐波电场下不同相位处空间电荷波形
4.讨论
高次谐波对残余电荷的积聚和消散过程具有重要影响。气隙内壁界面电荷消散呈指数衰减趋势。外施谐波电压频率越高，电荷消散作用减弱，残余电荷量变多，由此导致残余电场
越大。当外施电压极性反转后，仍然存在上半个周期积聚的残余电荷形成残余电场促进反向放电的发生。
统计直流叠加不同频率谐波下相位为270°时的空间电荷波形如图5所示。随着叠加谐波频率的增大，纸板内部正极性空间电荷积累量逐渐增大。复合电压中的直流分量使得正极性电荷不断被注入，并使电荷产生定向移动。谐波频率的升高降低了电荷的有效迁移距离，使得纸板内部积累空间电荷变多，场强畸变越严重。
图5直流叠加不同频率谐波下的空间电荷波形
不同时间下叠加不同频率谐波电压的最大电场畸变率ΔEmax如图6所示。由图6可知，相同谐波与直流电压比例下，极化时间越长，ΔEmax越大。相同极化时间下，最大电场畸变率ΔEmax随叠加谐波电压频率升高而变大。电场畸变将加剧局部放电，甚至导致绝缘击穿。
图6不同时间下叠加不同频率谐波电压的最大电场畸变率
当下纸板承受正极性电场时，电荷输运与复合过程如图7所示。
图7局部放电时气隙缺陷的电荷输运和复合过程
5结论
随着叠加谐波频率的升高，纸板内部电荷积累变多，导致电场畸变。电荷频繁注入和抽出的同时伴随着电荷复合次数增多，能量的大量释放会破坏油纸绝缘的微观结构，加速其侵蚀劣化速率，形成更多的陷阱使得电场畸变更为严重，进而促进了局部放电的产生。直流分量的存在建立了固定的直流反向电场，削弱了外施电场强度，增加了界面注入势垒，对局部放电起到抑制作用。
作者中文名：
李姝奇，王强，何东欣，王良凯，李清泉，司雯
作者简介：
李姝奇，本文第一作者，山东大学电气工程学院硕士研究生，主要从事油纸绝缘劣化机理方面的研究。
何东欣，山东大学电气工程学院副教授，入选中国科协第七届青年人才托举工程和山东大学青年学者未来计划，担任全球能源互联网大学联盟学校联络人、中国电工技术学会青工委和工程电介质专委会委员。主要从事固体绝缘电荷特性与失效机理研究。主持国家自然科学基金3项、山东省重大创新工程课题等项目，以第一作者和通讯作者发表高水平期刊论文40余篇，授权发明专利10余项。荣获中国电工技术学会青年工作委员会2020年度突出贡献委员、优秀组织奖和山东电机工程学会“五四”青年科技工作者等荣誉。
李清泉，本文通讯作者，山东大学电气工程学院教授、博士生导师，副院长。兼任山东省特高压输变电技术与装备重点实验室主任，中国电机工程学会高电压专委会委员，中国电工技术学会等离子体及应用、绝缘材料与绝缘技术专委会委员等职务。长期从事电力设备绝缘的劣化特性、状态评估、绝缘及电磁结构优化、电力大数据应用等方面的研究和开发工作。先后主持过国家及省部级纵向课题10余项，承担国家电网公司、南方电网公司等的科技项目40余项；发表学术论文200余篇；参与主编学术专著2部，主译专著1部；获省部级一等奖1项、二等奖2项，省教育教学成果二等奖1项。作为项目负责人目前正承担国家自然科学基金智能电网联合基金（重点类）、山东省重点研发计划-重大科技创新工程等项目的研究工作。
司雯，高电压与绝缘技术博士，山东建筑大学信息与电气工程学院讲师，电气工程及其自动化专业教研室副主任。主要研究方向为变压器内绝缘及检测技术。承担山东省自然基金、参与国家自然基金等多个项目。发表SCI等高水平学术论文十余篇。
本文作者来自山东大学电气工程学院特高压输变电技术与装备科研团队，团队依托山东省特高压输变电技术与装备重点实验室、山东大学电气工程学院高电压与绝缘技术研究所，主要的研究领域包括高电压绝缘诊断技术、电力设备状态在线监测、高压测试技术、高压复合绝缘劣化机理及绝缘评估等。近三年团队承担国家自然基金（包括重点项目、面上项目、青年科学基金项目）10 余项，省部级科技项目（包括省重点研发计划等）10 余项，国家电网科技项目等横向课题50 余项；纵向科技项目和横向科研项目经费合同额超过 4000 万；在国内外期刊和高水平国际会议共发表文章SCI 收录 90 余篇，EI 收录论文 200余篇。
