0 引言
饱和电抗器是特高压直流换流阀中保护晶闸管的重要设备，饱和电抗器的绝缘失效会威胁到换流阀的安全运行[1]。进一步研究发现，饱和电抗器绝缘环境承受的电场情况复杂，其环氧树脂绝缘材料在每个工频周期都会经历开通暂态、关断暂态和断态三个过程。在开通和关断的暂态过程中电流的快速变化会在饱和电抗器两端感应出双极性指数衰减脉冲电压[2]，其环氧树脂绝缘材料承受的工频脉冲电场，上升沿陡峭，电场强度幅值大。在脉冲电场作用下，由于制造工艺引起的内部缺陷所造成的局部电场畸变将加速绝缘电老化[3]，对饱和电抗器的绝缘造成巨大的挑战。国内关于换流阀饱和电抗器绝缘设计的研究严重不足，饱和电抗器的绝缘设计参考正弦电压作用下的局部放电机制，而实际饱和电抗器主绝缘承受的指数衰减脉冲电压，对饱和电抗器的主绝缘构成非常大的潜在威胁。因此，研究饱和电抗器环氧树脂在指数衰减脉冲电压作用下的局部放电机制具有重要意义。
环氧树脂在正弦电压作用下的局部放电机理已比较清晰，正弦电压频率、幅值和温度对环氧树脂局部放电特性的影响规律已有很多学者展开了研究并取得了很多成果[4-6]。相比而言，环氧树脂在脉冲电压作用下的局部放电研究非常缺乏，而其他材料在脉冲电压作用下的局部放电研究已有开展。文献[7-8]最早提出了有别于交流正弦电压的高频方波脉冲电压放电模型并发现了高频方波脉冲电压下绝缘薄膜表面电荷与放电的关系。文献[9]比较和分析了双绞线样品在正弦波、方波、三角波和其他不同形状波形电压下的局部放电特性及其对双绞线样品寿命的影响。此外，文献[10]对低压感应电动机绕组绝缘在方波电压和正弦电压作用下的局部放电特性进行了比较。与正弦波形相比，在脉冲电压下的起始放电电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）更低，局部放电幅值更大，数量较少。
国内吴广宁等对电机绝缘电磁线在方波脉冲电压下老化后的局部放电特征进行研究发现，较小脉冲电压占空比（脉冲电压持续时间小于100μs）时局部放电分布特性非对称，下降沿处的放电相位较小[11-12]，放电发生概率较小，放电幅值较小。脉冲电压持续时间大于100μs时，脉冲电压上升沿和下降沿处局部放电分布逐渐趋于对称。研究还表明，方波脉冲的上升时间对局部放电脉冲的幅值和频谱有显著的影响[11-12]。
综上所述，国内对环氧树脂的局部放电研究大多基于正弦电压，其他材料的局部放电研究大多基于对称方波脉冲电压和正弦电压。而饱和电抗器绝缘承受指数衰减脉冲电压，其放电行为与传统交流电压不同。鲜有学者对环氧树脂在指数衰减脉冲电压作用下的局部放电特性进行研究。指数衰减脉冲电压由于其特殊的上升沿和下降沿会显著地影响局部放电统计分布特性。本文将研究特高压直流换流阀饱和电抗器环氧树脂在指数衰减脉冲电压作用下的局部放电特性，并与工频正弦电压作用下的局部放电特性进行对比；考虑到饱和电抗器环氧树脂的局部热点可能达到110℃[13]，同时对比分析了环氧树脂样品在25℃和110℃下的局部放电特性，实验结果可为饱和电抗器制定工频指数衰减脉冲电压下的绝缘设计提供依据。
1 环氧树脂局部放电测试系统
1.1 局部放电缺陷模型
固定金属突出物缺陷以高压导体表面毛刺为典型代表，因为它能产生相对稳定且有一定强度并可定量和重复出现的局部放电信号，本试验在环氧树脂内部径向安装一根不锈钢针来模拟这种放电类型。局部放电采用的环氧树脂针-板放电模型如图1所示，所用环氧树脂的型号为E51，固化剂为甲基四氢苯酸酐，高温固化在真空环境中完成，保证针头和环氧树脂紧密接触，样品无气泡。环氧树脂的尺寸为30mm×20mm×5mm，针的直径为1mm，针尖的曲率半径为15μm，针电极与试样底面间距为1mm。
图1 针-板缺陷示意图
Fig.1 Schematic diagram of the needle-plate defect
在进行局部放电实验前，需要严格控制环氧树脂样品的分散性。首先准备大量样品，然后利用显微镜进行观测筛选，通过测量针-板间隙距离和观察 针尖形状来筛选合格样品。显微镜下观察得到的环氧树脂样品如图2所示。借助显微镜筛选的样品规格为针-板间隙0.95～1.05mm，针尖形状尺寸等基本一致。
图2 显微镜下针-板间隙图像
Fig.2 Image of needle-plate gap under microscope
1.2 局部放电测试系统
局部放电实验系统如图3所示，整个实验系统由电源系统、实验腔体和局部放电信号检测回路组成。电源包括工频正弦电压源和工频指数衰减脉冲电压源，用于给环氧树脂样品施加电场应力。实验腔体部分所用的老化试验箱为多禾试验设备公司的DSC系列（DHTH-100-40-P-SDM, DOAHO）产品，温控范围为-40～180℃，精度为0.1℃。采用皮尔森电流传感器（2877, Pearson Electronics）采集局部放电信号，R1为保护电阻，电源的输出电压通过高压探头（P6015A, Tektronix）进行采集，示波器（Wavepro 760Zi-A, Lecroy）同时显示传感器的输出信号和电压源的输出电压，利用通用接口总线（GPIB）数据传输卡和计算机实现数据的传输和实时存储[12]。局部放电实验平台满足IEC 60270- 2001[14]和IEC/TS 61934-2011[15]的局部放电测量标准。
1.3 局部放电实验方案
图3 局部放电实验系统
Fig.3 Partial discharge experimental system
本文采用的指数衰减脉冲电压和正弦电压的参 数见表1，与文献[2]中饱和电抗器绝缘承受的电压波形参数一致。指数衰减脉冲电压源的输出波形如图4所示，由间隔时间为8ms的正负脉冲组成。指数衰减脉冲电压和正弦电压的一个周期均为20ms。根据正弦电压下的局部放电测试标准，环氧树脂样品在正弦电压下的局部放电实验在1.5倍PDIV下进行。分析环氧树脂样品在指数衰减脉冲电压和正弦电压作用下的局部放电特性，使指数衰减脉冲电压的峰值与正弦电压的峰值一致并进行局部放电实验。此外，本文使用OriginPro对数据进行统计分析，并将结果表示为平均值±标准偏差。每次局部放电测试具有相同的环境参数，每个样本获取200个周期的局部放电信号，每次实验至少使用5个样本以获得统计特性。
表1 正弦电压源和指数衰减数脉冲电压源输出波形参数
Tab.1 Sinusoidal voltage source and exponential decay pulse voltage source output waveform parameters
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图4 脉冲电压源的输出波形
Fig.4 Output waveforms of the pulse voltage source
首先将环氧树脂样品固定在由石英制成的方形玻璃容器中，然后将样品浸入硅油中以避免沿样品表面闪络。将处理后的样品放入实验系统后，记录每次测试的环境温度、湿度和开始时间。在施加每个电压之后比较传感器的输出波形，并记录每个样品的起始放电电压。测试大量样品以确定环氧树脂样品的起始放电电压。在每次测试中，电压达到设定值后，等待10min，以获得环氧树脂样品中电树枝发展过程中的局部放电信息。
2 局部放电信号提取方法
由于指数衰减脉冲电压源具有极陡的上升沿，传感器耦合的局部放电信号包含了大量的干扰信号成分，在正极性脉冲上升沿的起始处产生幅值和相位稳定的脉冲型干扰，将其波形进行局部放大，可以很好地将局部放电信号和脉冲电源干扰信号区分开，如图5所示。为了准确地分析环氧树脂样品的局部放电特性，滤除低频电源干扰，本文利用小波变换对原始局部放电信号进行处理，利用db1小波基进行6层分解，消除电源干扰和高频噪声并进行小波重构，得到典型的单个局部放电波形如图6所示。
图5 局部放电原始波形
Fig.5 Original waveform of partial discharge
图6 单个放电脉冲
Fig.6 Single discharge pulse
正弦电压下通常采用固定窗口长度开窗的方法提取局部放电信息，取一个窗口中放电电压的最大值作为一次完整的放电。对于指数衰减脉冲电压，实验表明，在快速变化的上升时间内，多个局部放电脉冲会叠加在一起，传统的固定相位窗口长度开窗的方法不适用于提取指数衰减脉冲电压下的局部放电信号。由于窗口长度固定不变，当放电脉冲的 时间间隔太近时，可能会将两个或多个放电脉冲视为一次放电；当单个放电脉冲具有较长的振荡时间时，一次放电可能被视为两次或多次放电。本文采用双阈值φ -q-n算法提取局部放电信号[16]，双阈值即纵向阈值T1和横向阈值T2。T1用于确定最小放电的幅值，幅值过小的放电忽略不计。T2用于判断有效放电，临近的多个极值点视为1次有效放电，且取其中最大的极值点的位置计算其放电相位，多个极值点中的最大值被视为此次放电的幅值。使用双阈值φ -q-n算法，可以有效地提取和区分多个重叠脉冲的局部放电信息。双阈值φ -q-n算法提取的局部放电信息比传统的固定相位窗口长度开窗的方法更加全面和准确。利用双阈值φ -q-n算法可以容易地识别多个重叠脉冲，多个放电脉冲如图7所示。
图7 多个放电脉冲
Fig.7 Multiple discharge pulses
3 实验结果
3.1 局部放电特征量
3.1.1 PDIV
局部放电特征参量统计结果如图8所示。环氧树脂样品在正弦电压和指数衰减脉冲电压下的PDIV统计结果如图8a所示，每组数据都是5个样品的统计结果。对于正弦电压，环氧树脂样品在25℃下的PDIV为8.10kV，在110℃下的PDIV为2.30kV；对于指数衰减脉冲电压，环氧树脂样品在25℃下的PDIV为4.10kV，在110℃下的PDIV为1.4kV。可以看出，对于同一种电压形式，环氧树脂样品在110℃下的PDIV明显较25℃低。而对于同一种温度，指数衰减脉冲电压下的PDIV明显较工频正弦电压低。需要说明的是，当样品承受负脉冲电压时，没有产生局部放电，对于环氧树脂样品在指数衰减脉冲电压的局部放电实验，下文所提及的局部放电实验结果都是基于正脉冲电压得到的。
图8 局部放电特征参量统计结果
Fig.8 Statistical results of PD characteristic parameters
3.1.2 局部放电重复率
200个工频周期内，统计得到环氧树脂样品在25℃和110℃下的放电次数如图8b所示。正弦电压作用时，25℃下样品的放电总次数为4 100次，而在110℃下，放电总次数为664次，较25℃下的放电次数明显减少。指数衰减脉冲电压作用时，25℃下样品的放电总次数为1 150次，而在110℃下，放电总次数为200次，平均每个周期放电一次。可以看出，同种电压形式下，环氧树脂样品在110℃下的局部放电总次数明显较25℃下的放电次数多。在相同的温度下，环氧树脂样品在正弦电压作用下的局部放电总次数明显多于指数衰减脉冲电压下的放电总次数。
3.1.3 局部放电幅值
200个工频周期内，正弦电压和指数衰减脉冲电压在25℃和110℃下的平均每次放电幅值的统计结果如图8c所示。对于正弦电压，环氧树脂样品在25℃时的平均每次放电幅值不到2mV，在110℃下的放电幅值有所增加，为2.3mV左右。对于指数衰减脉冲电压，25℃下的平均放电幅值约为16.5mV，为正弦电压下的平均放电幅值的10倍左右；110℃时，其平均每次放电幅值为28mV左右，较25℃的放电幅值有所增加。可以得出，同种电压形式下，环氧树脂样品在110℃下的平均放电幅值明显较 25℃下的放电幅值大。在相同的温度下，环氧树脂样品在脉冲电压下的平均放电幅值明显较正弦电压作用下的平均放电幅值大。
3.2 局部放电统计分布
正弦电压下，对200个周期的局部放电信号进行统计分析，得到单周期局部放电散点图如图9所示。从该局部放电散点图可以看出，25℃下的局部放电分布呈三角形，放电多集中在正负半波的上升沿处，峰值处也有少量放电，正负半波下降沿处的放电稀少。放电幅值大多集中在1～2mV之间，正半波的放电相位集中在10°～110°之间。110℃下，局部放电次数明显减少，但是大幅值的局部放电数目明显增多，而且大幅值的局部放电大多集中在正负半波的低相位处。
图9 1.5倍正弦起始放电电压下的局部放电散点图
Fig.9 Partial discharge scatter plot under sinusoidal voltage at 1.5 PDIV
图10 指数衰减脉冲电压下的局部放电散点图
Fig.10 Partial discharge scatter plot under the exponential decay pulse voltage
为了对比分析环氧树脂样品在指数衰减脉冲电压和正弦电压下的局部放电特性，使指数衰减脉冲电压峰值与正弦电压峰值一致并进行局部放电实验。统计200个周期的局部放电信息，得到如图10 所示的局部放电散点图。25℃下，局部放电集中在指数衰减脉冲电压的上升沿处，峰值处也有少量放电，局部放电整体分布类似三角形，三角形特征不是很明显。环氧树脂样品在110℃下的局部放电分布较为集中，放电集中在外施电压的峰值处，放电幅值在20mV以上，放电谱图呈翼状。
4 分析和讨论
4.1 不同电压形式对局部放电的影响
上述实验结果表明，在环氧树脂针-板缺陷中，施加指数衰减脉冲电压与正弦电压相比，指数衰减脉冲电压下能观察到较高的放电幅值、较低的PDIV和较少的放电次数。
环氧树脂样品在正弦电压和指数衰减脉冲电压作用下的局部放电，其本质是电树枝通道放电，依据文献[17]，其局部放电机制可用电树枝的等效电路模型进行解释，如图11所示。该模型包含N条放电通道，每条放电通道可用等效电容Cg和并联火花间隙来代替，Cb为电树枝通道串联绝缘材料的等效电容，Cm为剩余绝缘材料的等效电容。R代表放电通道起始处由于局部放电破坏或电荷注入造成的低电阻率区域的电阻。跨R的电压VR与外施电压的时间导数成正比，作为火花间隙的触发电压。VR(t)可表示为
式中，C=CgCb/(Cg+Cb)；V(t)为外施电压，未发生局部放电时，相比Cg两端和Cb两端的电压而言，R两端的电压特别小，可以忽略不计，假设放电通道的相对介电常数为1，此时Cg两端的电压[18]为
式中，D为针板间隙的长度；L为放电通道的长度；εr为材料的相对介电常数；Vg(t)与外施电压V(t) 成正比。
图11 电树枝等效电路模型
Fig.11 Equivalent circuit model of electrical treeing
局部放电产生概率可表示为
式中，Vgth和VRth分别为放电通道的放电触发电压和火花间隙的触发电压；k为常数。当Vg(t)＞Vgth，同时满足VR(t)＞VRth时，局部放电才会产生。
基于式（3），得到正弦电压下放电通道电压、火花间隙电压和阈值电压之间的关系如图12所示，满足式（3）的时间区间长度为
图12 正弦电压下放电通道电压、火花间隙电压和 阈值电压之间的关系
Fig.12 Correlation among discharge path, trigger and threshold voltage under the sinusoidal applied voltage
由于放电通道残余电荷对放电的抑制作用，在ts3～ts5和ts4～ts5区间内的放电极少，环氧树脂样品在正弦电压下的局部放电多集中在极性反转后的上升沿区间ts1～ts2和ts3～ts4内，与图9中的实验结果一致。因此，正弦电压下的有效放电区间长度为
环氧树脂样品在指数衰减脉冲电压下放电通道电压、火花间隙电压和阈值电压之间的关系如图13所示，可以看出指数衰减脉冲电压下局部放电集中在上升沿的tp2～tp3区间内，与前述实验结果一致。指数衰减脉冲电压下的有效放电区间长度为
正弦电压下，其电压由0上升到峰值时间内的平均dVs/dt=12kV/5ms≈2.4×106V/s，同理，指数衰减脉冲电压下的平均dVp/dt≈4.4×109V/s≫dVs/dt。
图13 指数衰减脉冲电压下放电通道电压、火花 间隙电压和阈值电压之间的关系
Fig.13 Correlation among discharge path, trigger and threshold voltage under the exponential decay pulse voltage
因此，指数衰减脉冲电压下更容易同时满足VR(t)＞VRth和Vg(t)＞Vgth两个条件，其PDIV较低。当Vg(t) 超过起始放电电压达到Vi后，产生局部放电，局部放电处电压下降到残余电压Vr，放电幅值与Vi-Vr成正比，在指数衰减脉冲电压下，其dV/dt较大，在相同的统计延时τ 内，其过电压幅值比较大[17]，从而导致Vi-Vr比较大，因此具有较大的放电幅值。尽管指数衰减脉冲电压下的PDIV较低，放电幅值较大，但是脉冲电压作用下的有效放电时间区间长度ΔTp远小于正弦电压作用下的有效放电区间长度ΔTs，因此环氧树脂样品在正弦电压作用下的放电次数较脉冲电压作用下的放电次数多。
另外，本文指数衰减脉冲电压和正弦电压下的局部放电实验结果与文献[10]在类似形状的缺陷中采用方波电压和正弦电压进行局部放电实验具有同样的结论，即脉冲电压下具有较高的放电幅值、较低的PDIV和更少的局部放电次数。
4.2 温度对局部放电的影响
根据图8，较高的温度会导致更高的局部放电幅值、较低的PDIV和更少的局部放电次数。可以解释如下：
环氧树脂缺陷内部，针电极处局部电场集中，在指数衰减脉冲电压下，由于针电极的电荷注入和抽出，此过程中电子积累的能量频繁地撞击聚合物内部化学键，致使聚合物链断裂，从而形成狭长气隙放电。而局部放电的发生需满足以下两个条件：①缺陷处的电场强度达到局部放电起始放电电场强度；②出现激发电子崩的初始电子。
在高温条件下，金属内部大量自由电子会克服表面势垒，逸出金属进入介质，初始电子产生率λ遵循Richaedson-Schottky定律[19]，即
式中，N(t)为t时刻局部放电处电介质表面存在可发射电子或可电离离子的数量，主要由前期局部放电产生的表面电荷形成；υ0为光电离常数；ψ 为脱陷功函数，表示电子产生所需要的能量；qe为单位电荷；E为局部放电处的瞬时电场强度；ε0为真空中的介电常数；K为玻耳兹曼常数；T为热力学温度。可见，局部放电发生后，初始电子产生概率与前期局部放电产生的表面电荷成正比。温度的升高使得载流子获得足够的动能，易于克服逸出功的势垒[20]，因而提高了电极的热电子发射率，增大了绝缘介质和气隙的空间电荷注入量，容易产生大幅值放电。初始电子的产生概率增大，局部放电越容易产生，高温下PDIV较低，与图8一致。
随着温度的升高，环氧树脂的电导率也升高[21]，电导率的升高会导致其内部电荷的迁移率增大；同时，高温环境给电荷更大的能量，使之能更容易地注入到试样内部形成空间电荷[22]。这两方面的原因会导致高温下电极附近的电荷更容易迁移，形成放电初始条件的难度加大，因此降低了放电次数。
由图8可知，25℃下的局部放电次数明显较多，无论是外施电压的正半周波还是负半周波，每半个周波平均放电次数在8次左右，对于半个周波内的放电而言，上一次放电残留在狭长气隙表面的电荷对下一次放电有很大影响，而110℃下，每半个周波的局部放电次数为1次左右，上半个周波放电的残余电荷对下半个周波的放电影响很大。因此，25℃下，半个周波内放电之间的影响占主导，上一次同种性质电荷对下一次放电有抑制作用；110℃下，周波间的放电影响占主导，上一次不同性质的残余电荷对下一次局部放电有增强作用，导致高温下局部放电多集中于极性反转时刻，即每半个周波的低相位处，如图9b所示。
4.3 指数衰减脉冲和正弦电压对环氧树脂样品绝缘的影响
局部放电过程中产生的高能电子会频繁撞击绝缘材料内部的化学键，导致绝缘损坏。正如文献[23]所述，由于绝缘材料的损坏程度主要与局部放电过程中电子的能量有关，通过离解电子俘获机制（Dissociative Electron Attachment, DEA），高能电子破坏环氧树脂样品的C-H或C-C键使材料老化，大幅值的局部放电产生的电子能量往往较高，因此，一次幅值较大的局部放电对绝缘的损坏可能比多次幅值小的局部放电更大。
尽管环氧树脂样品在指数衰减脉冲电压下局部放电次数更少，但是大幅值放电次数较多，可以合理地认为指数衰减脉冲电压下一次幅值较大的局部放电对绝缘的损坏比正弦电压下多次幅值小的局部放电更大，幅值大局部放电过程中电子产生的能量足以破坏环氧树脂样品的主要化学键C-H键和C-C键，因此，在指数衰减脉冲电压下的局部放电可能会对绝缘材料造成更大的损坏。
5 结论
本文研究了环氧树脂样品在正弦电压和双极性指数衰减脉冲电压下局部放电特性，基于双极性指数衰减脉冲这一特殊电压形式，采用基于双阈值的φ -q-n算法有效地提取了指数衰减脉冲电压下的局部放电信息。本文从环氧树脂针-板样品的微电路模型对正弦电压和指数衰减脉冲电压下的局部放电结果进行了解释，阐述了环氧树脂样品在25℃和110℃作用下局部放电统计分布规律以及PDIV、放电次数、幅值和相位的变化规律。研究发现，温度升高，PDIV降低，平均放电幅值有所增加。110℃下，由于环氧树脂材料的电导率较大，空间电荷积累困难，导致局部放电次数有所减少。而对于指数衰减脉冲和正弦两种电压形式，脉冲电压由于较大的dV/dt，其局部放电幅值明显较正弦电压下的幅值大，但是由于脉冲电压下的有效放电时间较短，其放电次数较正弦电压作用下的放电次数少。
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