脈沖電壓下纖維素絕緣紙局部放電特性的綜合實驗設計

嚴家明， 周一恒， 陳 奎， 徐瑞東

（中國礦業大學a.電氣工程學院；b.信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著“雙碳”目標的推進，越來越多的電力電子變壓器在新型電力系統中投入使用，成為新型電力系統能量轉換和傳輸的核心［1-2］。電力電子變壓器受到上升時間短、頻率高、幅值大的重復方波脈沖電壓長期作用，其中的油紙絕緣面臨更加嚴酷的電磁環境，極易發生局部放電（簡稱局放），導致絕緣提前失效［3-5］。因此，研究脈沖電壓下纖維素絕緣紙的局部放電特性，對于創造新型耐局部放電絕緣紙，提高絕緣故障診斷效率，進而保障變壓器及電網的安全運行，具有重要的理論意義及實際應用價值。

目前，脈沖電壓下絕緣的局部放電研究主要集中在聚酰亞胺、環氧樹脂、聚乙烯等電機電纜類絕緣材料［6-8］；纖維素絕緣紙的局部放電研究主要在單一的交流電壓、直流電壓或交直流復合電壓下進行［9-12］，獲得了相應條件下絕緣紙的局部放電特性及破壞機理，并基于局部放電探討了絕緣紙健康狀態的診斷技術。對于脈沖電壓下纖維素絕緣紙的局部放電，文獻［13-15］中研究了納秒脈沖電壓或沖擊脈沖電壓累積作用損傷后油浸紙的擊穿規律和“工頻”局部放電特性；雖然文獻［16-18］中研究了諧波電壓作用下油紙絕緣的局部放電特性及其失效模型，但諧波電壓的上升（或下降）時間遠高于脈沖電壓的上升（或下降）沿。目前，脈沖電壓下纖維素絕緣紙的局部放電特性研究還鮮見深入報道。

培養“多元化、創新型”的卓越工程人才已成為“新工科”建設的一個主要目標［19］。局部放電實驗在工程實踐中在已成為評估電力設備絕緣狀態的常規預防性實驗之一，在實踐教學中也已成為電力類學生必須重點掌握的專業實驗項目之一。但傳統局放實驗教學主要在交流電壓下開展，重點進行放電信號的檢測、特征量提取及發展規律分析，實驗內容相對陳舊，難以向學生展示最新的學科前沿成果；同時，傳統局放實驗教學主要依托于信息學科的理論與技術，學科層次單一，忽視了放電信號的發生、發展與材料理化性能的關聯，不利于學生知識多元化復合培養；另外，傳統局放實驗教學中，實驗的內容、方法及步驟等往往由教師提前設定好，學生只需被動接受和執行，學生參與實驗的積極性和主動性不高。隨著特高壓技術的發展及新型電力系統的建設，亟待優化電力專業中局部放電實驗教學的內容及模式。

本文設計了脈沖電壓下纖維素絕緣紙局部放電特性實驗，利用掃描電鏡、微水測試儀和高阻儀，測量了絕緣紙的表面形貌、水分含量、表面及體積電導率；參考局部放電測量標準，并利用高速示波器檢測了絕緣紙的放電起始電壓、單次及周期局部放電信號；對比了脈沖和交流電壓下絕緣紙的放電特性，并分析了理化性能與放電特性之間的關聯。實驗設計基于教師科研成果；實驗內容涉及物理、化學、材料和電氣等多學科交叉；實驗過程涵蓋材料處理、模型制作、數據采集及測量結果對比分析等多環節配合；同時，采用類比推演的教學方法引導學生由傳統實驗逐漸走近學科前沿。

1 實驗設計

1.1 實驗材料及模型

（1）實驗材料。實驗采用厚度0.5 mm的普通纖維素絕緣紙（即牛皮紙），克拉瑪依25＃礦物絕緣油。首先，將絕緣紙裁剪成直徑70 mm圓片；然后，根據實際變壓器絕緣處理工藝［20］對絕緣紙進行預處理：將裁剪好的絕緣紙在溫度90 ℃、真空度＜50 Pa 條件下脫氣并干燥48 h，以盡可能脫去紙中水分；隨后，在溫度40 ℃、真空度＜50Pa條件下用已脫氣的新礦物油將絕緣紙充分浸漬24 h。

（2）實驗模型。制作如圖1 的局部放電模型，其中電極參考標準GB／T 1048.1—2016《絕緣材料電氣強度試驗方法（第1 部分：工頻下試驗）》制作；預處理后的油紙試品置于上、下電極之間；整個電極浸于充滿礦物油的有機玻璃容器中；同時，模型帶有循環裝置以控制油流狀態。

圖1 局部放電模型

1.2 實驗過程

（1）實驗系統搭建。搭建如圖2 的油紙局部放電實驗系統：將一批放電模型置于恒溫箱中，并根據標準GB 1094.2-2013《電力變壓器第2 部分：液浸式變壓器的溫升》，設置恒溫箱為80 ℃以模擬油紙實際運行環境；將試驗變壓器或脈沖電源通過保護電阻向放電模型分別施加工頻交流電壓或方波脈沖電壓；同時，利用高壓探頭（Tektronix P6015A）測量施加電壓的大小及相位，并利用高速示波器（LeCroy WaveRunner 604Zi）檢測油紙試品的局部放電信號。

圖2 實驗系統電路

（2）實驗電壓施加。為便于觀測，選擇在低頻電壓、靜止油體下進行油紙局部放電破壞實驗：當施加交流電壓時，交流工頻，且以工頻交流下油紙放電起始電壓的1.5 倍作為施加電壓；當施加脈沖電壓時，以與工頻交流施加電壓同頻率、同峰值的雙極性連續方波脈沖電壓作為施加電壓，脈沖邊沿（上升或下降沿）100 μs。

根據前期預備實驗，施加本文設定的工頻交流電壓和方波脈沖電壓后，油紙將分別在約200 h和約160 h后發生沿面閃絡擊穿，一旦發生沿面閃絡擊穿則放電破壞過程結束。

1.3 特性測量

將整個放電破壞過程平均分為5 個階段：初始（前期）、中前期、中期、中后期、后期；在每一階段，采集放電信號，并取出部分絕緣紙及絕緣油試品分別進行理化及放電特性測量。

每階段取樣時間分別為：交流電壓下“初始（0 h）、中前期（45 h）、中期（90 h）、中后期（135 h）、后期（180 h）”；脈沖電壓下“初始（0 h）、中前期（30 h）、中期（60 h）、中后期（90 h）、后期（120 h）”。

（1）理化性能。利用掃描電鏡（SEM，型號JSM-6460LV）觀測油紙的微區形貌；利用由卡爾菲休庫倫滴定儀（型號DL32）與干燥爐（型號DO308）聯用的微水測試儀，測量絕緣油和絕緣紙中的水分含量。

根據GB／T 1410—2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》，采用高阻儀（型號Agilent 4339B），測量油紙的表面電導率和體積電導率，并取5個試品的測量均值。

（2）放電特性。參考GB／T 7354—2018《局部放電測量》，利用高速示波器實時采集由脈沖電流傳感器感應的油紙放電信號，其中以1G／s 采樣率采集單次放電信號、以500M／s采樣率采集周期放電信號。

同時，基于實驗模型中的電極系統，參考放電測量標準GB／T 7354，采用階梯升壓法（升壓速度0.2 kV／s）分別在交流電壓下和脈沖電壓下測量油紙的放電起始電壓，并取5 個試品的測量均值。

2 實驗結果及分析

2.1 油紙理化性能

2.1.1 表面形貌

利用SEM測得的放電破壞過程中油紙表面形貌如圖3 所示。初始階段：表面纖維紋路清晰、完整，且具有較強立體感和辨識度（圖3（a））。中期階段：在交流電壓放電破壞下，纖維表面更加平整，立體感消失（圖3（b）中①）；而在脈沖電壓放電破壞下，纖維出現明顯的分絲帚化現象，甚至形成網狀分絲（圖3（b）中②）。后期階段：在交流電壓放電破壞下，纖維也出現分絲帚化現象，并有輕微斷裂出現（圖3（c）中①）；而在脈沖電壓放電破壞下，纖維已出現明顯裂痕，并有鏤空出現，且纖維表面有晶狀固體生成（圖3（c）中②）。

圖3 油紙表面形貌SEM圖

因此，脈沖電壓放電過程中，油紙表面纖維逐漸破壞，粗糙度逐漸加深，且放電破壞較同期交流電壓下的放電破壞更加嚴重。

2.1.2 水分含量

水分是絕緣的天敵［21］，嚴重影響材料的絕緣性能。實驗測得的油紙體系水分含量如圖4 所示：放電破壞過程中，不論交流還是脈沖電壓下，絕緣紙和絕緣油中的水分含量均呈逐漸增長趨勢，但水分主要分布在絕緣紙中；同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，絕緣紙和絕緣油中的含水量均“高”于同期交流電壓放電破壞作用下的含水量。

圖4 油紙體系水分含量

絕緣紙和礦物油均由含碳（C）、氫（H）、氧（O）的化合物混合構成。在放電作用下，碳氫鍵（C—H）和碳氧鍵（C—O）易被打斷，形成游離態的碳（C）、氫（H）、氧（O）；游離態碳（C）沉積于絕緣表面形成油泥斑點，游離態氫（H）和氧（O）極不穩定，易結合形成水分（H2O）；故放電破壞過程中油紙體系的水分含量逐漸增長、表面沉積碳逐漸增多。油紙體系中水分分布是個動態平衡過程，由于絕緣紙中纖維素分子的羥基（OH）易于吸引水分（H—OH）而形成氫鍵（O—H…O），故水分主要分布于絕緣紙中［22］。同時，脈沖電壓邊沿突變（du／dt→0）產生的瞬時電場力，加速了放電過程中油紙分子共價鍵的斷裂，導致形成更多的游離態碳（C）、氫（H）、氧（O），進一步加劇了水分及沉積碳的形成，從而在脈沖電壓放電破壞作用下，絕緣紙和絕緣油中的含水量以及表面碳的沉積量均“高”于同期交流電壓放電破壞作用下的含量。

2.1.3 電導率

絕緣材料在運行中須保持低電導特性，這是保障電氣設備安全運行的基本要求。

實驗測得的油紙表面及體積電導率如圖5 所示：放電破壞過程中，不論交流還是脈沖電壓下，油紙的表面及體積電導率均呈逐漸上升趨勢；同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙的表面及體積電導率均“高”于同期交流電壓放電破壞作用下的表面及體積電導率。

圖5 油紙表面電導率（γS）及體積電導率（γV）

水分和碳均具有“高電導”秉性。隨著放電破壞過程中絕緣紙水分含量的增長以及表面沉積碳的增多，直接導致了油紙的表面及體積電導率上升。放電破壞過程中，絕緣紙在脈沖電壓下的含水量本就“高”于同期交流電壓下的含水量，伴以脈沖電壓放電破壞作用下油紙表面較交流電壓放電破壞作用下更加粗糙，導致油紙表面更多的分絲帚化微細纖維突出到絕緣油中并與其密切接觸，將加劇絕緣紙對油中水分的吸附，則進一步提升了絕緣紙在脈沖電壓放電破壞作用下的含水量；同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙表面的碳沉積量也“高”于同期交流電壓放電破壞作用下的碳沉積量；因此，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙中水分和沉積碳的更高含量也直接導致了其表面及體積電導率均“高”于同期交流電壓放電破壞作用下的表面及體積電導率。

2.2 油紙放電特性

2.2.1 放電干擾

實驗采集的單次及周期局部放電信號分別如圖6和圖7 所示：不論交流還是脈沖電壓下，局部放電信號均遭受高頻干擾；另外，脈沖電壓下放電信號還將疊加低頻振蕩干擾（如圖6（b））。高頻干擾均勻分布在整個電壓周期內，主要為電氣設備熱噪聲引起的白噪聲，它構成了放電測試中的主要干擾；低頻振蕩干擾發生在脈沖電壓的邊沿處，主要為脈沖邊沿突變在系統中引起的低頻振蕩，其疊加在放電信號中。

圖6 單次局部放電信號

圖7 周期局部放電信號

小波包可以實現對信號高頻和低頻分量的分解，從而可分離出信號中的高頻及低頻干擾［23］。對放電信號利用小波包分離出干擾并進行濾波后，可重構出高信噪比的近似純凈放電信號。本文對實時采集的放電信號均利用小波包進行濾波處理，分離出的高頻、低頻干擾及濾波后重構的放電信號分別如圖8 和圖9 所示。故此，脈沖電壓下采集的局部放電信號，不僅受常規白噪聲干擾影響，還遭受低頻振蕩干擾影響。

圖8 高頻及低頻干擾

圖9 濾波后的單次放電信號

2.2.2 放電起始電壓

放電起始電壓表征了絕緣發生局部放電的難易程度，也是衡量絕緣耐電性能的重要指標。

實驗測得的油紙放電起始電壓如圖10 所示，放電破壞過程中，不論交流還是脈沖電壓下，油紙放電起始電壓均呈逐漸下降趨勢；同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙的放電起始電壓均“低”于同期交流電壓放電破壞作用下的放電起始電壓。

圖10 油紙放電起始電壓

放電發生的首要條件是須產生能形成電子崩的初始電子［24］。隨著放電破壞的持續，油紙絕緣的表面電導率逐漸上升，相應地材料中的陷阱深度逐漸降低，使電子脫陷趨于容易［25］，即在較低電壓下就能產生放電所需的初始電子，從而導致放電起始電壓降低。同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙的表面電導率高于同期交流電壓放電破壞作用下的表面電導率，相應地油紙中的陷阱深度變得更淺［25］，從而使得此時油紙的放電起始電壓低于同期交流電壓放電破壞作用下的放電起始電壓；另外，同頻率、同幅值條件下，交流電壓的上升（或下降）時間遠大于脈沖電壓的上升（或下降）沿，放電通道中產生的空間電荷在交流電壓緩慢上升（或下降）期間因時間充裕將逐漸擴散而消失，但在脈沖電壓短暫的上升（或下降）沿內因來不及完全擴散而富集，此時富集的空間電荷易于在較低電壓下轉變為放電發生所需的初始電子，故脈沖電壓的短暫邊沿將進一步加劇油紙的放電起始電壓低于同期交流電壓放電破壞作用下的放電起始電壓。

2.2.3 放電相位

實驗采集的油紙周期局部放電變化如圖11 ～13所示。交流電壓下放電可發生于整個電壓周期內且分布對稱均勻，但脈沖電壓下放電主要集中于脈沖邊沿處；放電破壞過程中，不論交流還是脈沖電壓下，放電相位均有逐漸展寬的趨勢，即交流電壓放電逐漸向半周期點0°（或180°）擴展甚至超過半周期點，脈沖電壓放電逐漸向電壓平頂區蔓延。

圖11 初始階段周期局部放電

如交流電壓下：初始階段，放電分布在半電壓周期的上升區（圖11（a））；中期階段，放電分布朝半周期點（圖12（a））擴展；后期階段，放電分布進一步擴展甚至超過半周期點（圖13（a））。脈沖電壓下：初始階段，放電集中在脈沖邊沿處（圖11（b））；中期階段，電壓平頂區出現零星放電（圖12（b））；后期階段，電壓平頂區零星放電逐漸增多（圖13（b））。

圖12 中期階段周期局部放電

圖13 后期階段周期局部放電

隨著放電破壞的持續，油紙局部放電起始電壓逐漸降低，放電的發生變得越來越容易，即在較低電壓下就能發生局部放電，從而導致放電相位逐漸展寬；特別在脈沖電壓平頂區，放電場強主要由絕緣表面聚集的放電電荷在擴散后減小其反向電場而獲得，但絕緣表面電導率較低、電荷擴散較慢，放電場強的形成需要較長時間，故電壓平頂區放電分布零星且稀疏。

2.2.4 放電量及放電次數

對每階段采集的50 周期局部放電進行統計的結果如圖14 所示，放電破壞過程中，不論交流還是脈沖電壓下，油紙的放電量、放電次數均呈逐漸增加趨勢；同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙的放電量均“高”于同期交流電壓放電破壞作用下的放電量，但其放電次數均“低”于同期交流電壓下的放電次數。采集的油紙周期局部放電變化也直觀地表征了這一特征。

圖14 油紙平均放電量及放電次數

隨著放電破壞的持續，油紙的表面電導率逐漸上升，相應地材料中淺陷阱數量逐漸增多，將促使更多電子能夠脫陷而參與電子崩增殖運動并形成放電脈沖［25］，從而局部放電量逐漸增加；油紙表面電導率的上升也將引起其放電起始電壓下降，即在較低電壓下就能發生放電，從而導致油紙的放電在相位擴展的同時其點位也越來越密集，相應地放電次數逐漸增加。

同時，在脈沖電壓放電破壞作用下，油紙的表面電導率均高于同期交流電壓放電破壞作用下的表面電導率，相應地脈沖電壓放電破壞作用的油紙中淺陷阱數量變得更多［25］，從而使得此時油紙的放電量高于同期交流電壓放電破壞作用下的放電量；放電通道中產生的空間電荷在脈沖電壓短暫的邊沿內富集，將為放電脈沖提供更多的參與電荷，也更進一步提高了脈沖電壓放電破壞作用下的放電量。

另外，在脈沖電壓放電破壞作用下，雖然油紙的表面電導率均高于同期交流電壓放電破壞作用下的表面電導率，理論上油紙的放電次數有高于同期交流電壓放電破壞作用下放電次數的趨勢，但脈沖電壓短暫的邊沿使得發生放電的時間區間變短，且脈沖電壓平頂區僅出現零星稀疏放電，故此時油紙的放電次數較交流電壓放電破壞作用下的放電次數低。

3 教學模式及特色

3.1 教學模式

類比推演是將某一類對象的屬性、內容或方法等引申推演至另一類對象，它是引導人們發現、認識和分析新問題的有效途徑。但在傳統的實驗教學中，往往是教師事先設定好了實驗的內容、方法及步驟等，學生被動接受和執行，而忽視了根據認識規律對學生進行的引導，學生的積極性和主動性不高，影響了實驗教學效果。

本實驗采用類比推演的教學方法，從傳統的絕緣紙交流電壓放電入手，將交流電壓放電實驗的實驗設計—特性測量—結果分析環節的內容、方法等類比推演至脈沖電壓放電，即由傳統實驗推演擴展至學科前沿，引導學生循序漸進地認識并逐步展開分析，提高了學生參與實驗的積極性，使學生在掌握絕緣紙傳統交流電壓放電的基礎上，拓展其對絕緣紙脈沖電壓放電的理解，提高了實驗教學效果。

3.2 教學特色

（1）科教協同，培養科研創新意識。科教協同是實現新工科建設目標的主要手段之一，也是培養學生創新能力的重要驅動途徑。但傳統實驗教學的內容相對陳舊，且往往長期不變，難以反映學科的當前研究成果及發展前沿，降低了學生們的探索熱情，也不利于創新能力的培養。

本實驗利用教師的科研成果反哺于實驗教學，優化實驗教學設計，在傳統的絕緣紙交流電壓局部放電實驗基礎上，探索絕緣紙脈沖電壓放電特性這一前沿問題，拓展了學生的視野，使學生能夠近距離接觸學科發展前沿，激發了學生的實驗興趣及探索熱情，培養了學生的創新意識。

（2）多學科交叉，提高知識綜合運用能力。學科層次多元交叉、滲透、融合是實現問題全面、深入解決的重要手段，也是創新問題解決方法的重要源泉。但傳統實驗教學中往往實驗內容、實驗手段單一，且以單學科知識點為主，實驗也多側重于過程的演示和結果的驗證，缺乏與其他學科的融合交叉，忽視了學生多學科知識綜合運用能力的培養。

本實驗不僅涉及物理、化學、材料及電氣等學科的相關理論知識，還包括多種理化測試儀器及測量手段的綜合使用，同時在測量基礎上還對理化性能與放電特性之間的關聯進行了交叉分析，鍛煉了學生操控多類型儀器設備的實踐動手能力以及運用多學科知識分析解決問題的綜合應用能力，實現了對人才的多元化復合培養。

（3）多環節配合，鍛煉團隊協作精神。科學問題特別是重大科學問題的解決，往往需要通過頂層設計，并由多部門、多學科層層協作共同完成，故需要科研人員具有優良的團隊協作精神和品質。

本實驗周期較長、測試內容較多，涉及模型制作、材料處理、數據采集以及測試結果對比分析等多環節配合，需多人分工協作共同完成，這就要求實驗任務須有合理的分工、實驗過程須有規范的交接流程及完善的合作制度，這將極大地培養和鍛煉學生的合作意識和團隊協作精神。

另外，本實驗多次運用電力行業標準及規范，需要學生自行檢索并熟悉，提高了學生的文獻檢索文獻能力，并豐富了學生的行業知識。

3.3 教學實踐效果

基于上述實驗平臺和教學方法開展了3 個教學周期的教學實踐，學生參與實驗的積極性大幅提高，實驗過程中較多學生能主動提問并與同組學生進行討論；提交的實驗報告質量也有大幅提升，且大部分報告中都有研究與討論的內容。對學生實驗報告及滿意度問卷統計表明：學生實驗報告優良率達80%以上，學生滿意度達93%以上，兩項指標均達較高水平。

同時，以該實驗平臺為基礎，已有5 人次學生申請了國家級及省級大學生創新訓練項目，并有多人次學生在互聯網+大學生創新創業大賽和電氣工程創新大賽等賽事中獲獎。

4 結語

本文設計了脈沖電壓下絕緣紙的局部放電實驗，測試并對比分析了脈沖電壓和交流電壓下油紙的放電起始電壓、放電干擾、放電次數、放電量等放電特性以及放電破壞后油紙的形貌、水分及電導率等理化性能，同時探討了其放電特性與理化性能之間的關聯。該實驗能使學生在掌握絕緣紙傳統交流電壓放電特性的基礎上，拓展其對絕緣紙脈沖電壓放電特性的理解。

本綜合實驗基于教師科研成果進行實驗設計，使實驗教學緊跟學科前沿以實現科教協同，培養了學生的創新意識；實驗內容涉及物理、化學、材料和電氣等多學科交叉，并有多類型理化實驗儀器和手段的綜合使用，擴展了學生視野，提高了學生多類型儀器及實驗手段的操控能力及多學科知識的綜合運用能力；實驗過程包含材料處理、模型制作、數據采集及測量結果對比分析等多環節配合，鍛煉了學生實踐動手能力及團隊協作精神；同時，采用類比推理的教學方法引導學生由傳統實驗逐步走向學科前沿，提高了學生參與實驗的積極性。

本實驗還可作為各類大學生創新創業訓練項目或電氣創新大賽等的實踐平臺。