图1 交流-冲击叠加电压试验平台
Fig.1 Test platform schematic for AC and impulse superimposed voltage
摘要 高压电气设备在遭受过电压侵袭时绝缘将同时承受运行电压与过电压的共同作用，严重威胁设备的运行安全。考虑与实际工程背景相切合，该文设计了一套冲击叠加相位可控的交流与冲击叠加试验系统，对工频交流与标准操作冲击叠加电压下SF6气体中沿面局部放电特性进行了研究分析。当交流电压分别为试品的90%局部放电起始电压（PDIV）与110% PDIV时，在工频相位0°～360°，以45°为步长叠加峰值为两倍交流PDIV的操作冲击。试验结果表明，冲击叠加相位对交流电压下沿面局部放电特性影响显著。当在工频相位45°～135°之间叠加冲击时，冲击过后交流电压下的局部放电被激发或得到增强，而在其他相位叠加冲击时对交流电压下的局放无明显影响。冲击对交流局放的影响具有明显的极性效应，冲击过后仅交流电压负半周发生明显放电或放电得到增强，而对正半周的局放无激发或促进作用。冲击对交流下局放的影响与交流电压的幅值相关，交流电压幅值越高，在相同相位叠加冲击时所激发的局放幅值与次数越大。
关键词：高压电气设备 过电压 交流叠加冲击 SF6 沿面局部放电
高压电气设备内部的绝缘隐患对其安全稳定运行造成了严重威胁。现场耐压试验是现场交接试验规程中的重要项目，包括工频耐压试验和冲击耐压试验[1-2]。随着近几年我国特高压、超高压输电线路的大规模建设和投运，实际运行经验发现，已通过耐压试验的电气设备在运行中依然会出现绝缘故障，也出现了通过交流耐压试验的电气设备在进行冲击耐压试验时发生闪络的现象。
利用冲击耐压试验进行设备绝缘故障的诊断一直是国内外研究的热点。学者们不仅希望通过耐压试验能获得设备的整体绝缘状况，还希望发现可能的局部绝缘缺陷。近年来，国内外学者对电气设备绝缘材料在工频过电压或冲击过电压下的局部放电特性进行了大量的试验研究与理论分析，取得了丰硕的研究成果[3-22]。以往对于气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）、电力变压器、电力电缆及其附件等高压电力设备局部放电特性的研究主要集中在电气设备受到单独的工频电压或冲击电压作用的情况下，对于电气设备在交流叠加冲击电压作用下的局部放电特性鲜有研究，然而，实际运行中的设备除了承受正常的工频交流电压外，不可避免地会遭受操作过电压和雷电过电压的侵袭，此时设备绝缘将同时承受两种电压的共同作用，严重威胁设备的绝缘性能。通过上述分析论述可知，研究GIS、电力变压器、电力电缆及其附件等电气设备绝缘缺陷在交流叠加冲击电压作用下的局部放电特性具有重要的实际工程意义，同时对于电气设备的绝缘优化也具有重要的指导意义。
为探究过电压对工频交流电压下SF6气体中沿面局部放电特性的影响，本文设计了一套叠加相位可控的交流-冲击叠加电压试验系统。当交流电压分别低于和高于局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）时，在工频交流电压不同相位叠加标准操作冲击（273/2 856ms），对叠加电压下的沿面局部放电特性进行了研究分析。
IEC 60060-1[23]提出可采用联合与合成电压进行设备绝缘试验，根据此，设计了交流叠加冲击电压的施加方法。本文所设计的交流-冲击叠加电压试验平台如图1所示，各元器件参数见表1。试验平台主要由交流试验系统、冲击电压发生回路、球隙触发控制回路、测量回路及相应保护元件组成。C1为主电容，Rt为放电电阻，Rf为波前电阻，g1为放电触发球隙，g2为冲击电压发生器保护球隙，C2为试品，R1、R2为交流试验变压器保护电阻，T为试验变压器。
图1 交流-冲击叠加电压试验平台
Fig.1 Test platform schematic for AC and impulse superimposed voltage
表1 交流-冲击叠加电压试验平台参数
Tab.1 Test platform parameters for AC and impulse superimposed voltage
参 数数 值 充电电容C1/mF9.69 波前电阻Rf /kW176 放电电阻Rt /kW400 分压器/pF500 试品C2/pF50 保护电阻R1/MW1 保护电阻R2/kW5
为避免持续的交流电压对冲击电压发生器造成损坏，在试品与冲击电压发生器之间串联一隔离保护球隙g2。为防止电压叠加过程中冲击电压对交流试验变压器造成损坏，在交流试验系统输出端与试品之间串联一电阻R1来保护交流试验变压器。
运行中的高压电气设备遭受过电压的时刻没有预估性，过电压可能出现在工频交流电压的任一相位。为真实反映电气设备在遭受过电压侵袭时设备绝缘的耐受情况，试验系统必须能够产生冲击叠加相位可控的电压波形。基于此，本文设计了一种与工频相位完全同步的高压球隙触发控制电路，其工作原理如图2所示。利用分压器获取试验系统中的工频交流电压波形，通过滤波衰减电路去除工频交流电压中的直流及其他杂波分量。利用整形电路将正弦交流信号变为工频方波信号与倍频信号。将工频方波信号与倍频信号送入控制电路核心器件单片机中，以工频方波过零时刻作为倍频采样脉冲计数的开始，记录脉冲的个数，脉冲个数达到设定值后控制器输出控制信号控制高压球隙导通放电。
图2 相位同步控制系统原理
Fig.2 Phase synchronization control system schematic
信号测量系统如图3所示，主要由分压器1（1 000
1）、分压器2（1 0001）、高频电流传感器（High Frequency Current Transducer, HFCT）（800kHz～100MHz）和高分辨率数字示波器HDO9104组成。传感器的特性曲线如图4所示。
图3 信号测量系统
Fig.3 Signal measurement system
图4 传感器特性曲线
Fig.4 Sensor characteristic curve
分压器1用于测量试品上的电压波形，在信号传输线前端接一气体放电管，防止冲击叠加过程中信号异常突变对示波器造成损环。在信号传输线末端接一10～20倍的衰减器，以满足示波器测量高幅值电压波形时对量程的需求。分压器2用于采集系统中的工频相位信息，在信号传输线末端接一10～20倍的衰减器，信号经衰减后送入相位同步触发控制系统中进行处理分析。HFCT用于测量试品上的局部放电信号，试验时在信号传输线前端接一低通滤波器（25MHz），在信号传输线末端接一双极性稳压二极管（1N5338），此种设计可有效地抑制冲击叠加瞬间产生的大幅值过冲干扰对示波器的损坏。试验平台产生的输出电压波形如图5所示，波形参数见表2。
从图5与表2可以看出，交流-冲击叠加电压试验平台能够产生满足需求的试验电压。实测波形与仿真波形对比结果表明，实测波形效率略低于仿真结果，冲击电压的波前时间与波尾时间略大于仿真结果，但波形参数均满足IEC标准要求。
绝缘子表面放电的根本原因是绝缘子、高压导杆和SF6气体之间存在“三结合点”[11]。三结合点处电场非常集中，极易产生初始电子，初始电子一旦产生，可能导致沿面局部放电的形成与发展，进而导致沿面闪络。本文所采用的“三结合”沿面局部放电缺陷模型如图6所示。直径为38mm的环氧树脂板粘贴在同样尺寸的地电极上，曲率半径为3.5mm的半球形高压电极垂直放在环氧板正中央，将整个电极模型密封于装有0.5MPa SF6气体的罐中，这样在半球形高压电极与环氧树脂板的接触点处就形成了三结合点电场。
图5 交流-冲击叠加电压试验平台输出波形
Fig.5 Output waveforms of test platform for AC and impulse superimposed voltage
表2 交流-冲击叠加电压试验平台输出波形参数
Tab.2 Output waveform parameters of test platform for AC and impulse superimposed voltage
波形参数叠加相位/(°)Tf /msTt /msh(%) 试验902953 10080 2702853 08076 仿真902722 80083 2702712 80080
图6 沿面放电模型
Fig.6 Surface discharge model
为研究冲击叠加相位对局放特性的影响，试验时在工频不同相位叠加相同幅值的操作冲击。为研究冲击电压对交流PDIV的影响以及交流电压幅值对试验结果的影响，试验时分别取交流电压Uac为90% PDIV和110% PDIV。首先，在Uac单独作用下测得沿面放电模型的PDIV=12kV。然后，分别取Uac为90% PDIV和110% PDIV时，在工频相位（j）0°～360°，以45°为步长叠加峰值为两倍PDIV的操作冲击电压[24-25]。叠加电压作用下的试验结果如图7与图8所示。在不同相位叠加冲击时，冲击过后两个工频周期内的最大放电量Qmax与放电次数n的统计结果见表3，对应的变化曲线分别如图9与图10所示。
图7 Uac=90% PDIV时叠加电压下的局放
Fig.7 PD under superposition voltage at Uac=90% PDIV
本文采用不对称电极系统对叠加电压下的沿面局部放电特性进行研究，因此局部放电只发生在半球形电极（高压电极）周围。此种电极结构下，随着外施交流电压幅值的升高，首先在交流电压负半周出现幅值较小、次数较多的放电，接着在正半周出现幅值较大、次数较少的放电。这是因为高压电极在负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极产生二次电子发射，使得电极周围气体的起始放电电压降低。由试验结果可知，冲击对交流局放的影响主要由冲击叠加相位和交流电压幅值决定。当在交流电压45°、135°与90°叠加冲击时，冲击电压使得沿面模型三结合处发生有效电离。冲击过后电极周围正电荷的集聚使得后续交流电压负半周的放电变得容易，如图11所示。然而，当在交流电压其他相位叠加冲击时，冲击与交流叠加电压峰值较低，未能使试品三结合处发生有效电离，因此，其他相位叠加冲击时对交流电压下的局放无明显影响。
图8 Uac=110% PDIV时叠加电压下的局放电压
Fig.8 PD under superposition voltage at Uac=110% PDIV
表3 叠加电压下最大放电量Qmax、放电次数n统计
Tab.3 Statistics of maximum discharge Qmax and discharge number n under the superimposed voltage
叠加相位/(°)Uac=90% PDIVUac=110% PDIV Qmax/mV放电次数Qmax/mV放电次数 0002915 452888132 90301311537 13529109526 180004510 22500229 270005011 315003013
图9 最大放电量Qmax与冲击叠加相位对应关系
Fig.9 Maximum PD charge vs. superimposed phase
图10 放电次数与冲击叠加相位对应关系
Fig.10 PD pulses number vs. superimposed phase
图11 交流电压低于PDIV时冲击过后的逆放电
Fig.11 Reverse discharge after impulse when AC voltage below the PDIV
从图9与图10可以看出，冲击所激发的局放主要受两个因素影响，一是工频电压的幅值，二是冲击叠加的相位。这两个因素对试验结果的影响具体表现为：当在工频相位45°～135°之间叠加冲击时，冲击过后交流电压下的局部放电被激发或得到增强。当交流电压分别为90%与110% PDIV时，在相同相位叠加冲击，交流电压幅值越高，冲击所激发的放电幅值与次数越大。局部放电产生的两个必要条件分别为具有足够高的电场强度和初始电子的存在。随着试品上外施交流电压幅值的升高，三结合点处的场强畸变越严重，局部放电越容易产生。当交流电压为90% PDIV时，冲击叠加前三结合点附近不存在由局放导致的电荷累积，冲击过后仅有冲击叠加瞬间放电产生的累积电荷参与后续交流局放的产生与发展。然而，当交流电压为110% PDIV时，冲击叠加前三结合点附近存在由交流局放导致的电荷累积，冲击过后冲击叠加瞬间放电产生的累积电荷与冲击叠加前交流局放导致的电荷累积共同参与并促进后续交流局放的产生与发展。因此，交流电压幅值越高，冲击对交流局放的促进作用越明显。
对于气体中的沿面放电而言，金属电极表面发射、气体中负离子的场致分离与绝缘子表面发射是初始有效电子的主要来源[26-27]。初始电子产生时间ts的理论估计为
（1）式中，tc为有效电离开始的时刻；
、
与
分别为金属电极表面发射电子产生率、绝缘
子表面发射电子产生率与气体中负离子的场致分离电子产生率，其表达式分别为
（2）
（3）
（4）
式中，S为发射电子的材料表面特性；T为材料表面温度；A为发射电子区域的面积；k为玻耳兹曼常数；p为气体压强；FM为金属电极表面电子发射功函数；FD为绝缘子表面电子发射功函数；Ez、Er分别为轴向与径向电场；d 为电场决定的场致碰撞分离系数[26]；n-为负离子平均浓度；e为元电荷。
有效电离系数
是电离系数a 与吸附系数h 之差，对于给定的气体，有效电离系数可定义为
（5）式中，W为比例常数；(E/p)cr为与压力相关的电离临界电场强度；b 为指数因子。对于给定的气体和试验条件，这三个参数是固定的。
由式（5）可以看出，当电场强度E大于电离的临界电场强度Ecr时，有效电离系数主要取决于参数C、(E/p)cr和b。
当放电沿着绝缘子表面发展时，放电通道内的电场强度Ech由电离、吸附以及通道内电荷的迁移特性共同决定[28]，与电离的临界电场强度Ecr近似成正比，有
（6）式中，比例系数g 由气体、气固交界面与流注的极性共同决定。
根据文献[26, 29]，沿面放电由电子崩转变为流注的条件为
（7）式中，xcr为流注起始时的临界电离通道长度；Kcr为流注起始时的临界电子数；
为净电离系数。
SF6气体中沿固体介质表面放电发展的相关参数见表4[26]。
表4 SF6气体中气固交界面流注放电相关参数
Tab.4 Streamer relevant parameters of SF6 gas-insulator interface
参 数数 值 气固交界面SF6 (E/p)cr/[V/(Pa·m)]89 b1 C/(Pab-1mb-1Vb-1)2.8×10-2 Kcr10.5 g1
当SF6气体的压强为0.5MPa时，结合表4计算可得沿面电离的临界电场强度Ecr=445kV/cm。
试验中试品上持续的工频交流电压可定义为
（8）式中，A为电压峰值；q 为初相位。
操作冲击可定义为
（9）式中，U2m为电压峰值；x 为冲击电压发生器回路系数；s1、s2为时间常数。
交流与冲击叠加电压可定义为
（10）式中，j 为冲击叠加在工频交流电压上的相位。
当在交流电压45°、90°与135°相位叠加操作冲击时，试品沿面电场强度分布曲线如图12所示。由图12可知，当在交流电压45°、90°与135°叠加操作冲击时，三结合处的最高场强大于临界电离场强Ecr，三结合处发生放电。
图12 叠加电压下试品沿面电场强度分布曲线
Fig.12 Electric field distribution along the surface of the specimen under superimposed voltage
本文近似用式（11）所示的双指数函数对图12所示沿面电场强度分布曲线进行拟合，式（11）中a、c为指数项系数。式（12）为在交流电压45°与135°叠加操作冲击时的拟合结果，式（13）为在交流电压90°叠加操作冲击时的拟合结果。
（11）
（12）
（13）
将Ecr=445kV/cm代入式（12）与式（13）中，计算得到在45°、135°与90°叠加冲击时的电离区域的截面长度d分别约为0.26mm与0.63mm。结合式（5）、式（7）、式（12）与式（13），计算可得到电子崩转变为流注时的临界电离通道长度xcr。计算结果表明，在45°、135°与90°叠加冲击时电离区域的截面长度d均远大于xcr，如图13所示，叠加电压作用下在介质表面存在流注放电。
图13 叠加电压下电离区域示意图
Fig.13 Schematic diagram of ionization area under superimposed voltage
在交流电压45°、135°与90°叠加操作冲击时，沿面模型三结合处背景电场强度Eb满足Eb＞Ecr，该区域发生有效电离。电离通道长度d满足d＞xcr，放电发展为流注放电。如图14a所示，当放电沿着绝缘子表面发展时，在气体中存在气体分子的电离（电离系数a）与电子的吸附（吸附系数h）过程，同时在绝缘子表面存在电子的发射（表面电子发射系数as）与吸附过程（表面电子吸附系数hs）。气体分子电离以及绝缘子表面发射产生的自由电子朝向流注头部的正空间电荷区域运动，电子进入流注通道以后在电场的作用下继续沿着电离通道向电极方向迁移。电子在电离通道内部迁移过程中，一部分电子受强电负性的SF6气体分子吸附形成负离子，另一部分电子被固体介质表面陷阱捕获形成残留电荷。如图14b所示，冲击过后随着外施电压的降低背景电场强度Eb也随之降低，当Eb与空间电荷形成的反向电场（Er）之差小于临界电离电场强度Ecr时，放电熄灭。放电熄灭后在电极附近聚集了大量的正电荷。如图14c所示，试品上的交流电压过零点后反向增大，与此同时，背景电场强度Eb也随之反向增大，当Eb与正电荷形成的反向电场Er之和大于临界电离电场强度Ecr时，在电极附近发生剧烈的逆放电现象。
图14 叠加电压下的沿面放电发展过程示意图
Fig.14 Schematic diagram of the development process of surface discharge under superimposed voltage
本文搭建了交流与冲击叠加电压试验平台，对交流与操作冲击叠加电压下SF6气体中固体绝缘沿面局部放电特性进行了研究分析。可得以下结论：
1）冲击叠加相位对交流电压下的沿面局部放电影响显著。当在工频相位45°～135°之间叠加冲击时，冲击过后交流电压下的局部放电被激发或得到增强，而在其他相位叠加冲击时对交流电压下的局放无明显影响。
2）冲击对交流局放的影响与交流电压的幅值相关。交流电压幅值越高，在相同相位叠加冲击时，冲击所激发的放电幅值与次数越大。
3）冲击对交流局放的影响具有明显的极性效应。冲击过后正电荷的分布特性使得后续交流电压负半周发生明显的逆放电过程，而对正半周的局放无激发与促进作用。
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Surface Partial Discharge Characteristics in SF6 under AC and Switching Impulse Superimposed Voltage
Abstract When high voltage electrical equipment is subject to overvoltage attack, the insulation will be stressed by AC and overvoltage at the same time, which seriously threatens the reliability of equipment operation. Considering the actual engineering operation, this paper designed a set of AC and impulse superimposed voltage test system with fully controllable superposition phase, and studied the surface partial discharge characteristics in SF6 gas under AC and standard switching impulse voltage. When the AC voltage is 90% and 110% of partial discharge inception voltage (PDIV) of the test sample respectively, the switching impulse with amplitude of about twice of PDIV was superimposed on different phases of AC voltage. The phase of impulse superposition was changed from 0° to 360° with a step size of 45°. The test results show that the phase of impulse superposition has a significant effect on the AC surface partial discharge. When the impulse is superimposed from 45° to 135° of AC voltage, partial discharge (PD) under the AC voltage is excited or enhanced after impulse, but there is no influence on the AC PD activities when the impulse is superimposed on other phase. The effect of the impulse on the AC PD activities has a significant polarity effect, the AC PD is only excited or enhanced in the negative half cycle of AC voltage after impulse, but there is no obvious effect on PD in the positive half cycle. The effect of impulse on AC PD activities is related to the amplitude of AC voltage. The higher the amplitude of AC voltage, the greater the amplitude and number of PD excited by impulse when the same phase is superimposed.
keywords：High voltage electrical equipment, overvoltage, AC superimposed impulse, SF6, surface partial discharge
中图分类号：TM855
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190167
国家自然科学基金资助项目（51877169）。
收稿日期2019-02-19
改稿日期 2019-05-04
何 聪 男，1990年生，博士研究生，研究方向为电气设备局部放电检测。E-mail: 469153729@qq.com
李军浩 男，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为电力设备在线监测、电力设备绝缘故障诊断与状态评估以及电力设备新型试验等。E-mail: junhaoli@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 赵 鹏）