摘要 超、特高压变压器绝缘电场强度接近设计极限，高电场强度下由于局部放电引发击穿的过程具有快速发展的特点。在出厂及交接试验中频繁发生多起“快速发展型”放电故障案例，即从检测到局部放电再到主绝缘击穿或临近击穿仅几分钟，对变压器运行造成极大隐患。为探究“快速发展型”放电故障形成原因及其对油纸绝缘的损伤特性，该文研究油纸绝缘在极不均匀电场下的U-t特性曲线及电寿命模型，提出采用U-t特性曲线区分“普通型”和“快速发展型”放电故障。研究结果表明，在极不均匀电场下，油纸绝缘的电寿命U-t特性服从反幂函数模型，可采用不同电场区域反幂函数模型中电压耐受指数n值作为两种放电类型的区分依据。从油纸绝缘的损伤痕迹来看，“快速发展型”与“普通型”放电具有相似处和各自特点：两种放电都会产生电晕和滑闪放电，且伴有白斑和气体产生；不同点在于，“快速发展型”放电发展速度快，对纸板损伤严重，会产生明亮的放电通道和表面的树枝状碳痕，而“普通型”放电发展相对缓慢，且对纸板损伤较轻，只会在针尖处产生点状碳痕。树枝状碳痕是“快速发展型”放电故障的主要特征，其生长分为快速生长和缓慢生长两个阶段，并且符合绝缘材料中电树枝的生长规律。研究成果可为区分“快速发展型”和“普通型”放电故障提供参考依据，为掌握“快速发展型”放电故障规律并进行有效预警和诊断奠定基础。
关键词：“快速发展型”放电故障 “普通型”放电故障 油纸绝缘 U-t特性 碳痕生长 模型
超、特高压变压器绝缘电场强度接近设计极限，具有高电位差和高电场强度的特点，极易由于局部缺陷导致放电的发生，且与低电压等级变压器中的“普通型”局部放电相比，呈现出一些新的放电特征。在对超、特高压变压器进行出厂和交接试验时，多次发生从检测到局部放电到主绝缘击穿或临近击穿仅需几分钟的“快速发展型”放电故障。与“普通型”放电故障相比，该类故障具有起始电场强度高、发展速度快、对绝缘纸板造成不可逆的树枝状损伤痕迹等特点，对设备安全运行造成较大威胁，且目前没有很好的预警方法。
目前，国内外采用局部放电特征参量表征放电发展严重程度的研究颇多。文献[1]提出采用局部放电相位分布作为划分放电发展阶段的依据。文献[2]提出以局部放电视在放电量作为特征参数以推测绝缘材料的剩余寿命。文献[3]认为正半周的偏斜度
可用于评估绝缘缺陷的发展状态。文献[4-6]基于局部放电能量对油纸绝缘的放电发展阶段进行了识别和划分。文献[7]通过放电量相位分布（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）模式的变化将油纸绝缘的放电损伤过程划分为5个阶段，并对其损伤过程中油浸绝缘纸的表面生成物及气体进行了分析。上述研究均针对局部放电特征参量在较长时间（数小时～数天甚至更长）发展过程中的变化趋势。而由于“快速发展型”放电故障产生和发展的速度较快，将呈现一些新特征，无法再采用之前的研究结果予以表征。
研究表明，对于超、特高压变压器中的油纸绝缘结构，在短时过电压的作用下，一旦形成局部放电，将会迅速发展为树枝状放电，最终引发绝缘纸板击穿[8]。由于“快速发展型”放电故障在短时间内就会引发变压器故障，其产气速度远大于气体的溶解速度[9]，且由于放电量大，对纸板的损伤极其严重，在进行局部放电监测时，放电量可能会出现测量仪器的限幅值。因此，传统的监测手段如油中溶解气体、视在放电量等适用性较差。因此，研究“快速发展型”放电故障的形成原因，探索“普通型”和“快速发展型”放电故障的界定方法，分析“快速发展型”放电故障对油纸绝缘损伤所表现出来的新特征，对实现该类放电故障的诊断和预警具有重要价值。
本文以针-板电极下油纸绝缘的放电发展过程为研究对象，研究放电模型的U-t特性曲线及电寿命特性，探索区分和界定“普通型”和“快速发展型”放电故障的方法；并预期通过观测不同电场强度下油纸绝缘从放电产生到击穿的整个失效过程中纸板损伤痕迹的发展变化来分析“普通型”和“快速发展型”放电故障对油纸绝缘的损伤特性，以实现“快速发展型”放电故障的诊断和预警。
试验研究平台由电老化试验系统和碳痕观测系统两部分组成，如图1所示。其中，Rx为限流电阻，电阻值为5kW；CK为耦合电容，电容值为1 000pF；ZD为检测阻抗，将脉冲电流信号转化为电压信号并输入到示波器中；示波器型号为Lecroy8054，采用宽带脉冲电流法对局部放电脉冲信号进行检测，用来测量针-板电极下纸板的起始放电电压。该示波器的带宽范围为500MHz～4GHz，最高采样速率为40GS/s。使用工业图像传感器（Charge-Coupled Device, CCD）对纸板表面的放电损伤痕迹进行实时拍摄，并通过高清晰多媒体接口（High Definition Multimedia Interface, HDMI）传输到液晶显示器（Liquid Crystal Display, LCD）中。CCD镜头的最大放大倍数可达100倍。为了尽量减少背景噪声以及环境的干扰，该试验在电磁屏蔽室中进行，其背景噪声在10pC以下。
图1 局部放电监测及碳痕发展观测平台
Fig.1 Partial discharge monitoring and carbon mark development observation platform
通过对超、特高压油浸式变压器“快速发展型”放电故障典型绝缘结构的调研和分析，发现该类放电故障经常发生在变压器围屏处、没有电屏蔽的铁心柱楞角处、引线的拐角对油箱壁处、绕组端部对上下铁轭处、绕组端部对绝缘压板的压钉处等部 位[10]。对结构特征及缺陷的电位梯度分析表明其通常是尖对板的极不均匀电场。基于此，本文采用如图2a所示的针-板电极模型对“快速发展型”放电故障进行模拟。其中，高压电极为一长度为8mm的紫铜针电极，针尖曲率半径为30mm，置于纸板的上方，与纸板的夹角为30°；接地电极为90mm× 10mm×3mm（长×宽×厚）的黄铜板电极，置于纸板的下方。这样做的目的是可以实现放电沿着纸板的表面和内部发展，减小电极之间发生沿面闪络的概率。针电极的针尖处与贴近纸板的板电极一端的水平距离为5mm。为减小试验结果的分散性，每次试验前均更换新的针电极，并采用砂纸对针电极进行擦拭以去除氧化层。为保证每次试验电极位置和角度的一致性，电极设置了3个螺母以对其进行调节，如图2b所示。其中，螺母1配合游标卡尺调节高低压电极间的水平距离，螺母2用于调节针尖与纸板之间的角度，螺母3调节接地导电杆的垂直位置。
图2 电极模型结构和实物
Fig.2 Structure and physical of electrode model
试验采用1mm厚、60mm×60mm大小的正方形绝缘纸板。绝缘油采用25号变压器油，油中微水含量为6.4mg/mL。试验前首先将纸板在120℃，50Pa的条件下静置并真空干燥48h，然后将其浸泡在变压器油中，在90℃，50Pa的条件下真空浸油24h。为模拟变压器的实际运行状态，让纸板自然受潮，并通过卡尔费休测水仪测得纸板的水分含量在3%左右。
结合工程现场实际可以得出，“快速发展型”放电故障相比于“普通型”放电故障，其对绝缘结构造成的损伤更为严重，并且会在短时间内就发生击穿，使得变压器来不及动作就发生故障，严重影响变压器的正常运行。因此，对“快速发展型”与“普通型”放电故障进行界定，就显得尤为重要。但从目前来看，尚无这两种放电类型的界定方法。
对比两种放电类型可以发现，“快速发展型”放电故障是由于高电场强度引发的放电并快速演化的结果，这是与传统的低电场强度下引发的“普通型”放电故障最本质的区别。考虑到油纸绝缘作为一种绝缘材料，是满足U-t特性的，且不同电场强度区域内其U-t特性曲线会发生改变[11]，本文通过油纸绝缘的U-t特性曲线来对“快速发展型”和“普通型”放电故障进行界定。
试验研究中常使用U-t特性来表征油纸绝缘在给定电场下的寿命，电寿命t与电压U之间关系的经验模型为反幂函数模型[12]，有
（1）式中，t为油纸绝缘在电压U下的电寿命；U为施加在油纸绝缘上的电压；n为电压耐受指数，是常数，与材料、电老化机理等有关；A为累积损伤值，是绝缘失效所需达到的累积电损伤量[13]。
对式（1）两边同时取以10为底的对数可得
（2）如果以lgt为横坐标，lgU为纵坐标，则可以在双对数坐标系中得到一条斜率为-1/n，截距为(1/n)lgA的一条直线，由此可以得到电压耐受指数n值的大小。
文献[14]指出，对于油纸绝缘等其他绝缘材料，在一定的电场强度范围内，n值并不为一个确定的常数，不同电场强度下的U-t特性曲线呈现如图3所示的规律。
图3 交流电压下油纸绝缘的U-t特性曲线
Fig.3 U-t characteristic curve of oil-paper insulation under AC voltage
按照失效机理的不同可以将该U-t特性曲线分为3个区域：区域Ⅰ的失效时间通常小于1h，该区域的失效机理以电击穿为主；区域Ⅱ的失效时间相对较长，失效机理以电-热击穿为主；区域Ⅲ则是在较低的电场作用下，经历非常长的时间发生击穿，该区域的失效机理除了电-热击穿以外，电化学击穿起到了较大的作用[15]。在这几个区域中，电压耐受指数n呈现逐渐增大的趋势，即nⅠ＜nⅡ＜nⅢ[13]。由于区域Ⅲ的电场强度值一般要低于变压器中油纸绝缘的工作电场强度，因此在工程上一般重点关注区域Ⅰ和区域Ⅱ[16]。同时文献[16]指出，n值是老化速度的度量，不同的n值意味着老化速度的不同，n值越小，老化速度越快，寿命时间越短，对绝缘结构的破坏就越严重。因此，油纸绝缘电寿命U-t特性曲线中对应的n值可作为“快速发展型”和“普通型”放电故障的界定依据，基于U-t特性曲线可以对阈值电压Uth进行确定。
目前，油纸绝缘的U-t特性及电寿命模型主要集中在均匀电场和稍不均匀电场中进行研究[17-19]。在极不均匀电场中油纸绝缘的U-t特性及电寿命模型研究较少。本文采用恒压法来对具有极不均匀电场的针-板电极模型进行研究。首先在同样的试验条件下进行了5次预试验，控制升压速率为1kV/s，每次均记录起始放电电压与击穿电压，试验结果如图4所示。可以看出，在本文中，油纸绝缘样品的起始放电电压约为24kV，短时击穿电压在35kV左右，且分散性不大。
随后，以1kV为步长选取27～33kV共7个不同电压开展对应的电寿命试验。考虑到固体绝缘击穿的随机性和分散性，根据IEC推荐标准，每个电压下重复开展5次电寿命试验[20]，使用式（3）所示的双参数Weibull分布[21]对数据进行分析。
图4 5次预试验下的起始放电和击穿电压
Fig.4 Initial discharge voltage and breakdown voltage under five pre-tests
（3）式中，y为试样的击穿时间t（s）；
为对应于参数y的失效概率（%）；a 为尺度参数，表示失效概率为63.2%时的特征击穿时间（s）；b 为形状参数，表示试验数据的分散性。该分布下每级电压样品击穿寿命的失效概率
[22]为
（4）
式中，F(i, m)为样本的失效概率；i为样本秩，i=1, 2,, 5；m为样本总量，m=5。
图5给出各试验电压与对应电寿命试验数据的Weibull概率分布。可以看出，不同电压下，油纸绝缘样品击穿时间数据均满足Weibull分布，且直线斜率近似相等，说明这些试验电压下油纸绝缘样品的失效机理相同。因此，可以认为该电极模型下，油纸绝缘电老化失效时间服从双参数Weibull分布，试验数据可进行进一步的电老化寿命模型分析。
图5 不同电压下击穿时间Weibull分布
Fig.5 Weibull distribution of breakdown time under different voltages
通过极大似然法对双参数Weibull分布中的两特征参数a、b 进行估计[23]，结果见表1。取a 值作为试样的电寿命，将不同电压下的a 值和对应的电压值绘制在双对数坐标系中。根据油纸绝缘U-t特性的分区域特征，本文通过分阶段线性拟合，得到的结果如图6所示。根据图6可以判定，在极不均匀电场下油纸绝缘的U-t特性仍然符合反幂函数模型，且两条拟合直线的拟合优度分别为0.95和0.93，说明反幂函数模型对极不均匀电场下油纸绝缘的电寿命特性具有良好的拟合度。
表1 两参数Weibull分布特征参数估计结果
Tab.1 Two-parameter Weibull distribution characteristic parameters estimation result
电压/kVWeibull分布特征参数aWeibull分布特征参数b 33111.184.62 32138.734.92 31168.035.04 30291.985.31 29456.355.89 281 527.63.41 2714 703.56.03
图6 不同电压下电寿命的反幂函数模型拟合曲线
Fig.6 The IPM fitting curve of the electrical life under different voltages
对比表1和图6可以发现，在本文的电极模型下，击穿时间t和电压耐受指数n在电压为29kV时均发生突变，并且图6中短时域（区域I）的电压耐受指数（n1=11.63）明显小于较长时域（区域Ⅱ）的电压耐受指数（n2=49.26）。同时在试验过程中发现，在该电压上下的放电发展存在着明显不一样的特点：当试验电压高于该电压时，其击穿发生速度快，纸板损伤极为严重；而当试验电压低于该电压时，其放电速率明显缓慢，即使较长时间的持续放电也不会在纸板表面产生严重的碳化损伤。因此，可以认为29kV为本文放电模型的“快速发展型”和“普通型”放电的阈值电压Uth，此时在缺陷处的电场强度为阈值电场Eth。值得一提的是，Uth的大小会受到电极模型、纸板水分和老化程度等众多因素的影响，具体取值需在特定条件下开展大量电寿命试验，并进行统计分析后确定，这里得到的Uth仅适用于本文的电极及试验条件。
在对超、特高压变压器进行预防性试验时，如果缺陷处电场超过Eth，将会导致放电快速发展。而对于低电压等级变压器，由于绝缘设计裕度较大，施加电压相对较低，超过阈值电场Eth的可能性较小，即使存在放电，也可以持续很长时间都不会导致击穿。
为了进一步区分“普通型”和“快速发展型”放电故障，研究“快速发展型”放电故障出现的新特征，本文分别在不同的电压下对两种故障类型的纸板表面损伤痕迹进行观察，分析了“普通型”和“快速发展型”放电故障从开始放电到最终纸板击穿整个失效过程中纸板损伤的特点，并对其相同点和不同点进行了研究。
选取27kV恒定试验电压，观察“普通型”放电对纸板的损伤痕迹及发展规律。一共进行了5次试验，由于发展规律相似，图7以其中一次试验结果为例，展示了从放电到击穿整个失效过程中纸板损伤痕迹的发展过程。
图7 “普通型”放电故障下纸板损伤痕迹发展过程
Fig.7 The development process of pressboard damage marks under the “ordinary type” discharge failure
可以看到，当对纸板施加27kV的电压后，在针尖处首先出现油中电晕放电。在10min左右出现滑闪放电，即放电从油中的局部放电过渡到油纸交界面上的放电，同时会出现针状的放电火花，并伴随有清脆的放电响声。这一阶段放电持续给纸板造成损伤，在板电极附近和针电极处相继出现白斑。白斑的产生主要是由于油分子和水分子在放电过程中被电离溢出纸板所致。20min左右，针尖处的滑闪放电开始消失，白斑面积变大；40min左右，白斑消失，并且在针尖处出现点状的碳痕；120min左右，针尖处碳痕颜色加深，表明放电开始进入到纸板的内部发展；180min左右，针尖处又开始产生放电，并且突然有大量的气体溢出，随后纸板发生击穿。击穿后纸板的正反面形貌如图8所示，正反面都留下了黑色的击穿孔洞。
图8 “普通型”放电故障下纸板击穿后的正反面形貌
Fig.8 The morphology of front and back of pressboard after breakdown under the “ordinary type” discharge failure
选取恒压32kV对“快速发展型”放电故障下纸板的损伤痕迹发展过程进行研究。共进行了5次试验，由于发展规律相似，图9以其中一次试验结果为例展示整个失效过程中纸板损伤痕迹的发展 过程。
图9 “快速发展型”放电故障下纸板损伤痕迹发展过程
Fig.9 The development process of pressboard damage marks under the “rapid development type” discharge failure
纸板表面首先出现的仍然是电晕放电，此时放电并不会对纸板造成明显损伤。随后便快速进入到滑闪放电阶段，38s时可以看到，板电极处产生树叶状白斑。60s后，放电又进入到一个新的阶段，此时白斑的面积进一步扩大，在纸板表面出现明亮的放电通道，并且贯穿两极，放电的亮度也由原来的暗蓝色变成亮红色。该阶段产生的放电通道也是后面碳痕发展的通道，即放电通道的产生会引发树枝状碳痕的生长。在这个发展阶段下同时也会有大量的气体产生，气体产生原因是局部放电释放的能量使变压器油的分子键断裂，形成了CH4、H2等分解气体。90s后，明亮的放电通道消失，纸板表面开始出现明显的碳痕，碳痕沿着之前形成的放电通道向前发展，最后发展到临近板电极处纸板击穿。最终击穿后纸板的正反面的形貌如图10所示，在纸板的正面留下树枝状碳痕，在纸板的反面有着被击穿的孔洞。
图10 “快速发展型”放电故障下纸板击穿后的正反面的形貌
Fig.10 The morphology of front and back of pressboard after breakdown under the “rapid development type” discharge failure
对比分析“快速发展型”和“普通型”两种放电故障下纸板从开始放电到最终击穿的整个过程，归纳两种故障类型下纸板损伤特性发展规律的异同，结果见表2。可以看出，两种放电故障对纸板的损伤各有特点，其主要是由于累积放电能量的不同引起的，累积放电能量的求取方法可参考文献[24]。阈值电压Uth所对应的累积放电能量的阈值为Wth[25]。当累积放电能量低于Wth时，纸板的损伤较轻，为“普通型”放电故障；当累积放电能量高于Wth时，也即电压超过Uth，纸板才会产生严重的碳化损伤，引发碳痕生长，并产生“快速发展型”放电故障。“快速发展型”放电故障相比于“普通型”放电故障，具有产生放电通道和树枝状碳痕的特点，这是区分“快速发展型”放电故障和“普通型”放电故障的主要特征。这些特征对预警和诊断“快速发展型”放电故障具有一定的参考和借鉴价值。
表2 “快速发展型”和“普通型”放电故障的损伤特性对比分析
Tab.2 Comparative analysis of damage characteristics of the “rapid development type” and the “ordinary type” discharge failure
故障类型“快速发展型”“普通型” 相同点初始阶段均有电晕放电和滑闪放电发生，都有白斑产生，在发展过程中都会产生大量的气体 不同点发展速度快，从开始放电到击穿时间短。会产生明亮的放电通道，并沿着放电通道产生树枝状碳痕。气体在纸板出现明亮的放电通道就开始产生发展速度缓慢，从开始放电到击穿时间长。会在针尖处出现持续的电晕放电，并且只在针尖处出现点状碳痕。随着加压时间的进行，白斑可能会消失。只有在纸板临近击穿时才会有大量的气体产生
相比于“普通型”放电只会在纸板表面的针尖处产生点状碳痕，“快速发展型”放电会在油纸绝缘表面出现树枝状碳痕，且这种树枝状碳痕会随着发展进程从针尖处向前发展，最终发展到板电极处引发纸板击穿。暂不考虑碳痕向纸板的内部发展，仅研究纸板表面的碳痕发展特点，对“快速发展型”放电时油纸绝缘表面树枝状碳痕发展特性进行分析，并建立相应的数学模型，对于诊断和预警“快速发展型”放电故障具有一定参考和借鉴价值。
为了得到“快速发展型”放电故障下纸板表面碳痕发展的统计性规律，对在32kV下进行的5次试验（S1～S5）中纸板表面的最大碳痕长度L（mm）随时间变化趋势进行统计分析，结果如图11所示，最大碳痕长度L是指碳痕长度的最远端到针尖的直线距离。可以看出，树枝状碳痕的生长过程大致可以分为两个阶段：快速生长阶段和缓慢生长阶段。在第一个阶段内，碳痕呈现快速增长的趋势，有的增长速率逐渐变大，有的则近似线性增长；而到了第二个阶段，碳痕的增长速率则明显下降。最终当碳痕发展到临近板电极时，引发纸板击穿。很多学者也观察到了与上述现象类似的规律[26-28]，并将碳痕缓慢发展的现象归因于放电产物的电场均化效 应[29]，即碳痕的产生使高压电极端部电场得到了改善，高压电极端部电场强度被削弱。
图11 最大碳痕长度L随时间变化趋势
Fig.11 Trend of maximum carbon mark length L with time
文献[30]对交联聚乙烯（cross-Linked Polyethylene, XLPE）中生成的电树枝的发展过程进行了描述，认为XLPE电树枝的发展过程可以分为三个阶段：引发阶段、滞长阶段和迅速发展阶段。结合本文可以看出，“快速发展型”放电故障产生的表面树枝状碳痕与XLPE中电树枝的生长规律是较为相似的，也具有阶段性特征。
根据“快速发展型”放电故障下油纸绝缘表面碳痕生长的阶段性特征可以看出，在对超、特高压变压器进行预防性试验时，如果在碳痕出现前或者在碳痕出现的快速生长阶段内变压器能够及时动作，将会极大地保护到变压器，减少更大的经济损失。
为了建立更为合理的表面树枝状碳痕发展的数学模型，进一步对“快速发展型”放电故障下加压时间t和最大碳痕长度L分别求取对数，并在双对数坐标中绘制散点图，进行线性拟合，得到的结果如图12所示。
根据图12拟合得到的曲线，可以得到“快速发展型”放电故障下最大碳痕长度L与加压时间t的通用数学表达式为
图12 最大碳痕长度L在双对数坐标下的拟合曲线
Fig.12 The fitting curves of maximum carbon mark length L in double logarithmic coordinates
（5）式中，k1、k2分别为拟合后得到的参数值。
文献[31]提出在给定温度下，交流电压下绝缘材料中电树枝的生长规律可以表示为
（6）式中，x为电树枝的长度；k3、b为系数；t为加压时间；d为电树枝的分形维数，用于描述电树枝在发展空间的填充系数，在二维空间中是1～2之间的数值，常用于代表电树枝的密度[30]，其求取方法可参考文献[32]；Eth为缺陷处的电场阈值；E为缺陷处施加的电场强度。暂不考虑各对应变量的物理意义，可以发现，式（5）和式（6）的数学模型形式是一致的，说明油纸绝缘“快速发展型”放电故障产生的树枝状碳痕的生长规律是符合绝缘材料电树枝生长规律的。这一发现可作为识别故障类型和判断故障发展严重程度的依据，可为“快速发展型”放电故障的诊断提供参考。
同时文献[31]认为，只有在电场阈值Eth以上，绝缘材料才会有电树的产生和发展，而在电场阈值Eth以下，空间电荷不会向绝缘材料内注入，电树也不会向前生长。这验证了“快速发展型”放电故障是需要高于一定的电场阈值才会发生的，也进一步验证了利用油纸绝缘的U-t特性来界定“快速发展型”和“普通型”放电故障是合理并且正确的。因此，在进行超、特高压变压器预防性试验时，为减少和预防“快速发展型”放电故障的发生，对电场阈值Eth的界定就显得至关重要。
本文研究了“快速发展型”和“普通型”两种放电故障的界定方法，对比分析了两种放电类型对油纸绝缘的损伤规律，得出以下结论：
1）试验发现，以针-板电极为代表的极不均匀电场下，油纸绝缘电寿命U-t特性曲线满足反幂函数模型，提出将U-t特性曲线作为区分“快速发展型”和“普通型”放电故障的依据。U-t特性曲线在双对数坐标系中表现为不同斜率的直线，其交点所对应的电压值即为“快速发展型”和“普通型”放电故障的阈值电压。
2）通过对“快速发展型”和“普通型”放电故障下油纸绝缘的损伤特性进行研究，得到了两种放电类型对纸板损伤的异同。相同点是两种放电类型都会产生电晕和滑闪放电，并且都有白斑和放电气体产生。不同点在于“快速发展型”放电故障发展速度快，对纸板损伤严重，会产生明亮的放电通道和树枝状碳痕，而“普通型”放电故障发展相对缓慢，对纸板损伤较轻，只会在针尖处产生点状碳痕。其中，树枝状碳痕是“快速发展型”放电故障最主要的特征。
参考文献
[1] 米彦, 桂路, 刘露露, 等. 环氧树脂针-板缺陷在指数衰减脉冲和正弦电压作用下的局部放电特性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(2): 425-434.
Mi Yan, Gui Lu, Liu Lulu, et al. Partial discharge characteristics of epoxy resin needle-plate defect under exponential decay pulse and sinusoidal voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 425-434.
[2] 唐志国, 蒋佟佟, 于智强, 等. 高频电流法用于电容器出厂局部放电检测的研究[J]. 电机与控制学报, 2019, 23(3): 18-25.
Tang Zhiguo, Jiang Tongtong, Yu Zhiqiang, et al. High frequency current for the factory inspection of capacitor PD detection[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(3): 18-25.
[3] 廖瑞金, 段炼, 汪可, 等. 交流电压下油纸绝缘针板放电特性[J]. 高电压技术, 2014, 40(3): 648-654.
Liao Ruijin, Duan Lian, Wang Ke, et al. Partial discharge characteristics of point-plane model in oil-paper insulation under AC voltage[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(3): 648-654.
[4] 齐波, 魏振, 李成榕, 等. 交直流复合电场中油纸绝缘沿面放电现象及特征[J]. 电工技术学报, 2016, 31(10): 59-67.
Qi Bo, Wei Zhen, Li Chengrong, et al. The phenomena and characteristics of oil-paper insulation surface discharge under AC and DC voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(10): 59-67.
[5] 满玉岩, 董艳唯, 王伟, 等. 基于局部放电能量的油纸绝缘典型缺陷放电严重程度评估方法[J]. 高压电器, 2019, 55(8): 223-229.
Man Yuyan, Dong Yanwei, Wang Wei, et al. Discharge severity evaluation method for typical defects of oil-paper insulation based on partial discharge energy[J]. High Voltage Apparatus, 2019, 55(8): 223-229.
[6] 解浩, 唐建伟, 严家明, 等. 热老化过程中油浸绝缘纸局部放电能量特性分析[J]. 绝缘材料, 2018, 51(4): 69-74.
Xie Hao, Tang Jianwei, Yan Jiaming, et al. Analysis of partial discharge energy characteristics of oil- immersed insulating paper during thermal ageing process[J]. Insulation Materials, 2018, 51(4): 69-74.
[7] 廖瑞金, 严家明, 杨丽君, 等. 局部放电对油浸绝缘纸表面损伤特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(10): 129-137.
Liao Ruijin, Yan Jiaming, Yang Lijun, et al. Characteristics of partial discharge-caused surface damage for oil-impregnated insulation paper[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(10): 129-137.
[8] 毛一之, 王秀春. 超高压变压器绝缘结构中的树枝状放电[J]. 电工技术学报, 1999, 26(5): 40-43.
Mao Yizhi, Wang Xiuchun. The electrical tree in the insulation of the ultra-high voltage transformers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 1999, 26(5): 40-43.
[9] 韩贵, 王文端, 王淑娟, 等. 电力变压器围屏爬电故障诊断[J]. 高电压技术, 1990, 7(2): 16-20.
Han Gui, Wang Wenduan, Wang Shujuan, et al. Diagnosis of creeping failure of power transformer enclosure[J]. High Voltage Engineering, 1990, 7(2): 16-20.
[10] 岳华山. 油纸绝缘针板放电发展过程的试验研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2010.
[11] 刘霞, 于钦学, 钟力生, 等. 高压XLPE电缆绝缘V-t特性研究综述[J]. 南方电网技术, 2015, 9(10): 57-63.
Liu Xia, Yu Qinxue, Zhong Lisheng, et al. Review on research of V-t characteristics of HV XLPE cables[J]. Southern Power System Technology, 2015, 9(10): 57-63.
[12] 莫洋, 杨丽君, 鄢水强, 等. 掺杂纳米Al2O3对纤维绝缘纸电寿命的影响及机理[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4618-4626.
Mo Yang, Yang Lijun, Yan Shuiqiang, et al. Influence and mechanism of doped nano-Al2O3 on electrical life of cellulose insulating paper[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4618-4626.
[13] 杨丽君, 李仲轩, 姚人允, 等. 获取XLPE绝缘直流电压耐受指数的步进应力试验参数选取方法研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(24): 5244-5251.
Yang Lijun, Li Zhongxuan, Yao Renyun, et al. Selection of step-stress test parameters for obtaining DC voltage endurance coefficient of XLPE insu- lation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(24): 5244-5251.
[14] Bian Haoran, Yang Lijun, Yao Renyun, et al. Method of selecting step stress test parameters for XLPE insulation DC voltage endurance coefficient[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 746-753.
[15] Bian Haoran, Yang Lijun, Ma Zhipeng, et al. Research on parameters of step-stress test to obtain life exponent of XLPE-material used in DC cable[C]//2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application, Athens, Greece, 2018: 10-13.
[16] 陈善同. 电压寿命公式中n值的探讨[J]. 电线电缆, 1979, 28(5): 35-44.
Chen Shantong. Discussion on the value of n in voltage life formula[J]. Wire and Cable, 1979, 28(5): 35-44.
[17] 杨丽君, 廖瑞金, 李剑, 等. 用逐步升压法和Weibull参数估计油纸绝缘寿命[J]. 高电压技术, 2004, 30(6): 4-6.
Yang Lijun, Liao Ruijin, Li Jian, et al. Estimating the life of oil-paper insulation using the step-up method and Weibull parameters[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(6): 4-6.
[18] 刁常晋. 油纸绝缘局部放电的发展规律及严重程度的诊断[D]. 北京: 华北电力大学, 2013.
[19] 聂洪岩, 张潮海, 顾哲屹, 等. 局部放电条件下干式空心电抗器匝间绝缘的电老化特性研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 3071-3079.
Nie Hongyan, Zhang Chaohai, Gu Zheyi, et al. The research on electrical aging characteristics of turn- to-turn insulation of dry-type air core reactor under partial discharge[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2018, 33(13): 3071-3079.
[20] Guide for the statistical analysis of electrical insulation breakdown data: IEC 62539—2007[S]. Piscataway: IEEE, 2007.
[21] 曹雯, 宋倩文, 申巍, 等. 环氧/纸复合材料直流耐压寿命模型的估计方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(18): 3750-3758.
Cao Wen, Song Qianwen, Shen Wei, et al. Estimation methods of DC withstand voltage lifetime model for epoxy/paper composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(18): 3750-3758.
[22] 刘英, 姜晖, 曹晓珑. 现役交流XLPE电缆绝缘切片试样的交、直流耐压性能对比[J]. 高电压技术, 2017, 43(11): 3559-3567.
Liu Ying, Jiang Hui, Cao Xiaolong. Comparison of AC and DC voltage endurance properties of insulation sheet samples spirally-cut from existing AC XLPE cables[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(11): 3559-3567.
[23] 吴凡, 罗林根, 王辉, 等. 基于接收信号强度功率和最大似然估计的特高频局部放电测向方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(12): 2689-2697.
Wu Fan, Luo Lingen, Wang Hui, et al. RSSI- power-based direction of arrival estimation using maximum likelihood estimator and antenna array[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(12): 2689-2697.
[24] 王伟, 张鑫, 冯军基, 等. 基于特征气体能量的油纸绝缘放电缺陷识别方法[J]. 绝缘材料, 2018, 51(8): 43-49.
Wang Wei, Zhang Xin, Feng Junji, et al. Identifi- cation method of oil-paper insulation discharge defects based on characteristic gas energy[J]. Insulation Materials, 2018, 51(8): 43-49.
[25] 蒋雄伟, 贾志东, 谢恒. 绝缘材料老化寿命模型的研究进展[J]. 高电压技术, 2000, 26(3): 44-46.
Jiang Xiongwei, Jia Zhidong, Xie Heng. The development of aging models of insulation materi- als[J]. High Voltage Engineering, 2000, 26(3): 44-66.
[26] 程养春, 魏金清, 李成榕, 等. 局部放电作用下变压器匝间油纸绝缘加速劣化规律[J]. 电工技术学报, 2015, 30(18): 203-212.
Cheng Yangchun, Wei Jinqing, Li Chengrong, et al. Development rules of accelerated degradation of oil-paper insulation between turns in transformer windings induced by partial discharge[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(18): 203-212.
[27] 杨国清, 刘庚, 王德意, 等. 超支化聚酯改性纳米SiO2/环氧树脂的电树枝生长特性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(20): 4415-4422.
Yang Guoqing, Liu Geng, Wang Deyi, et al. Growth characteristics of electric tree for nano-SiO2/epoxy resin modified by hyperbranched polyester[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4415-4422.
[28] 张晓虹, 石泽祥, 张双, 等. 基于局部放电特征研究蒙脱土/聚乙烯纳米复合材料的电树枝性能[J]. 电工技术学报, 2019, 34(23): 5049-5057.
Zhang Xiaohong, Shi Zexiang, Zhang Shuang, et al. Investigation on electrical tree resistance property of montmorillonite/polyethylene nanocomposites based on partial discharge characteristics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 5049- 5057.
[29] 韩贵, 王淑娟. 油浸纸板沿面放电特性的研究[J]. 变压器, 1990, 8(2): 5-9.
Han Gui, Wang Shujuan. Study on the surface discharge characteristics of oil-impregnated paper- board[J]. Transformer, 1990, 8(2): 5-9.
[30] 郑晓泉, Chen G, Davies A E. 交联聚乙烯电缆绝缘中的双结构电树枝特性及其形态发展规律[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(3): 79-85.
Zheng Xiaoquan, Chen G, Davies A E. Characteristic and developing law of a double structure electrical tree in XLPE cable insulation[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(3): 79-85.
[31] Montanari G C. Aging and life models for insulation systems based on PD detection[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4): 667-675.
[32] 张晓虹, 迟晓红, 高俊国, 等. 分形分析方法在电树枝结构研究中的应用[J]. 电工技术学报, 2013, 28(1): 14-20.
Zhang Xiaohong, Chi Xiaohong, Gao Junguo, et al. Application of practal analysis on researching shapes of electrical trees[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2013, 28(1): 14-20.
The Rapid-Development-Type Discharge Failure and Its Damage Characteristics to Oil-Paper Insulation
Abstract The insulation field strength of UHV transformers is close to the design limit, and the process of breakdown caused by partial discharge under high field strength has the characteristic of rapid development. There were many cases of “rapid development type” discharge failure frequently occurred in the delivery and handover tests of UHV transformers, only a few minutes from partial discharge generation to main insulation breakdown or near breakdown, which caused great hidden dangers to the operation of UHV transformers. In order to explore the forming reason of the “rapid development type” discharge failure and its damage characteristics to oil-paper insulation, this paper studied the U-t characteristic curve and electric life model of oil-paper insulation under extremely non-uniform electric field, and proposed to use U-t characteristic curve to distinguish between “ordinary type” and “rapid development type” discharge failures. The results indicate that under extremely non-uniform electric field, the electrical life U-t characteristic of oil-paper insulation follows IPM (inverse power model). The voltage tolerance index n in IPM of different electric field regions can be used as the basis for distinguishing the two types of discharge. From the damage marks of oil-paper insulation, the “rapid development type” discharge has similarities and respective characteristics with the “ordinary type” discharge. Both discharges produce corona discharge and gliding spark discharge, accompanied by white spots and gas generation. The difference is that the “rapid development type” discharge develops fast and the damage to pressboard is serious, which will produce bright discharge channel and dendritic carbon marks on the surface of pressboard, while the “ordinary type” discharge develops relatively slowly and has less damage to the pressboard, only dotted carbon marks are produced at the tip of the needle. Dendritic carbon marks are the main feature of the “rapid development type” discharge failure, which can be divided into two stages of rapid growth and slow growth, and conforms to the growth law of electrical tree in insulation materials. This paper can provide a reference for distinguishing between the “rapid development type” and the “ordinary type” discharge failures, and lay a foundation for mastering the “rapid development type” discharge failure rules and effective early warning and diagnosis.
keywords：“Rapid development type” discharge failure, “ordinary type” discharge failure, oil-paper insulation, U-t characteristic, carbon mark growth model
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200932
中图分类号：TM855
魏意恒 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为高压电气设备的状态监测和故障诊断。E-mail: wyhcqu@sina.com
杨丽君 女，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为高压设备绝缘状态和故障诊断的在线监测，以及电力变压器和电缆的老化机理和诊断。E-mail: yljcqu@cqu.edu.cn（通信作者）
收稿日期 2020-07-29
改稿日期 2020-10-27
国家电网有限公司总部管理科技资助项目（超、特高压变压器油纸绝缘快速发展型故障检测与诊断关键技术研究）。
（编辑 崔文静）