图1 套管检测实验平台
Fig.1 Diagram of the bushing inspection test circuit
摘要 油纸电容式变压器套管因性能好、成本低而被广泛采用。当电容屏存在边缘破损工艺缺陷时易发生局部放电，进而会改变油纸绝缘性能，缩短套管使用寿命，严重时危及电网设备安全运行。为研究电容屏破损局部放电过程变化规律，明确放电发展阶段，该文搭建了缺陷套管放电实验模型分析局放过程中相位谱图、放电量等参数发展规律，并基于实验规律及流体漂移扩散理论、固体双极电荷传输理论，建立了末屏缺陷针板沿面放电过程仿真模型，结合仿真中电荷形态变化、放电时间及油纸界面电荷密度分布对电容屏破损放电过程进行阶段划分：放电初始阶段，铝箔尖端电荷聚集发生电晕放电；放电发展阶段，尖端处带电粒子在电场作用下向油纸发展，小部分达到油纸界面产生沿面放电；放电破坏阶段，经过长时间沿面放电进入油纸发生预击穿，电场强度更大使带电粒子能量更高，冲击油纸表面造成油纸表面纤维素断裂炭化形成通道。仿真结果与实验结论相对应，证明了仿真的有效性。该文的研究成果进一步阐明了油纸套管电容屏工艺缺陷局部放电的过程及机理。
关键词：油纸套管 电容屏工艺缺陷 针-板沿面放电 电荷分布仿真 放电过程阶段
变压器套管是变压器设备的重要组成部分，现在使用的变压器套管以油浸式为主，据CIGRE报告显示，因套管故障导致变压器火灾或爆炸事故占变压器所有部件故障的37.3%[1]，套管故障严重影响了电力系统的安全稳定运行。国网统计2013—2018年交流套管故障类型显示，套管局部放电（局放）赫然位于前三[2]。
加工制造过程中局部工艺问题导致的结构性缺陷是阻碍套管安全运行的主要因素之一[3-5]。使用脉冲电流法[6]对不合格套管内部放电信号进行检测并解体发现，大多铝箔电容屏有细小破损、皱褶或毛刺的工艺缺陷。因此，推测在铝箔卷制、运输或运行检修过程中造成的细小破损和皱褶是局部放电过大的原因。电容屏细小破损和皱褶处电场分布畸变，空间电荷分布异常，发生持续局部放电，电场畸变进一步加剧[7]，造成绝缘老化甚至失效。
目前，对于套管整体性缺陷的研究较多，各研究团队主要针对绝缘受潮和油纸绝缘层劣化展开研究。重庆大学廖瑞金等[8]研究表明芯体老化时损耗和电容值会显著增大。华北电力大学卢斌先等[9]研究了高压电气设备内部缺陷电晕放电影响机理。清华大学张贵新等[10]研究了套管强垂直分量对沿面局放过程的影响。西安交通大学穆海宝等[11]研究了含有水分缺陷对干式套管绝缘结构介电特性的影响。
对于油浸纸板的放电及电荷特性，虽然电声脉冲法[12]等方法可以测量其视在电荷分布，但就目前的实验方法来说，无法对套管内的放电特征变化规律和局放发展过程进行测量。为此，G. E. Georghiou等[13]及A. J. Davies[14]提出了利用对流扩散模型耦合泊松方程表示空间电荷对电场的作用。J. G. Hwang等[15]将此方法代入液体放电，实现了对液体内流注过程的仿真。随后，J. Jadidian[16]将此方法融合有限元分析，得到了不同参数下的针板放电模型。
目前针对交直流油纸绝缘套管电容屏工艺缺陷的局部放电过程及机理的研究较少。因此，建立电容屏缺陷套管下局部放电仿真模型，研究套管电容屏油纸绝缘放电方式，对于套管局部放电机理和其安全运行是必要的。针对这一问题，为了更全面地研究极板电容屏缺陷下套管芯子局部放电和电荷分布情况，本文通过试验套管芯子局放相位图、放电量及解体的现象探究油纸套管芯子内极板放电过程，并通过分析流体动力学电荷漂移-扩散模型和双极电荷传输模型，对正极性电压下电容屏工艺缺陷的电荷分布和放电过程机理进行仿真验证。
本文搭建了一套220 kV套管绝缘缺陷放电实验平台，主要由220 kV的交流加压装置、等比套管模型、局放检测装置、介损检测装置和温度传感器组成，如图1所示。采用扬州华电电气有限公司高精密电压电容电桥及智能局部放电检测仪，灵敏度为0.02。根据局放仪说明，额定电压值为Un的油浸纸套管在1.05 Un时的允许放电量为10 pC，采用阻塞阻抗Z、耦合电容和协调电容Cx的形式对脉冲信号进行测量，实验室噪声为1.6～1.7 pC。
图1 套管检测实验平台
Fig.1 Diagram of the bushing inspection test circuit
为了模拟电容屏破损缺陷下放电规律及现象，本文制作了电容屏边缘工艺缺陷模型。解体时在末屏边缘发现褶皱和破损如图2所示。套管厂家在对大部分油纸绝缘套管局放测试不合格产品进行解体时，并未发现明显放电炭化痕迹或放电点，而在部分铝箔电容屏边缘处发现未折边或破损，即存在细小毛刺；或铝箔电容屏边缘卷制皱褶，即铝箔卷曲折叠形成“凹口”，分别如图3a、图3b所示，因此将电容屏缺陷等效为尖端。
图2 解体时在末屏边缘发现褶皱和破损
Fig.2 Folds and breaks were found at the edge of the end layer during disassembly
图3 套管电容屏工艺缺陷示意图
Fig.3 Schematic diagram of defective condenser foil layer of bushing
在1 000 V及以上电容式高压套管的设计标准GB/T 4109—2008[17]及电容屏边缘局部放电的经验公式[18]的基础上设计了一组额定电压为40.5 kV的工频缺陷套管。在末屏边缘设置6个均匀尖端，尖端三角形的高度和底边长分别为30 mm和20 mm，模拟套管电容屏缺陷，如图3c、图3d所示。为避免层间击穿，主绝缘部分按照四层结构的油纸绝缘芯子并配合有机玻璃外壳组成，如图4所示。图4a为实验套管实物，图4b为电容芯子平面示意图。
图4 油纸实验套管实物及电容芯子示意图
Fig.4 Physical drawing and schematic diagram of oil-paper insulation test bushing
根据IEC 60641[19]油浸纸绝缘套管的工艺标准，对该实验芯子模型按照芯子卷制、干燥、真空浸油等步骤进行制作。实验用油为45号克拉玛依变压器油，实验用绝缘纸为德奥芙特生产的0.13 mm厚牛皮纸，采用条卷卷制方式，并在110℃下烘干24 h，再置于80℃、50 Pa条件下浸油96 h，确保再无气泡产生，每层绝缘纸浸渍完善。
对铝箔破损实验套管顶部导电杆施加不同幅值的50 Hz激励电压，在套管末屏引线获得电流响应信号。对套管施加的交流激励电压幅值以10 kV 为步长，逐步升压，分别为30、40、50、60 kV，待参数稳定进行测量并记录。实验过程中法兰始终接地，每两次测试间隔15 min。同时在线监测局放放电量、局放相位和电容量的变化情况。由于温度对套管的特性有一定影响[20]，测试过程中室内处于恒温恒湿环境，使用测温探头保证套管最外层油浸纸温度为15℃不变。
根据IEC 60270标准[21]记录发生局部放电并超过环境放电量时的外施电压为起始局放电压。等梯度电压下电容屏缺陷时，放电量随电压升高的变化情况如图5所示。
图5 等梯度电压下电容屏缺陷的局放放电量
Fig.5 PD quantity of condenser foil layer defect with equal gradient voltage
电容屏工艺缺陷模型在实验电压达到30 kV时开始出现放电信号。逐渐升高测试电压至60 kV并在上升过程中维持局放15 min，记录放电量和放电相位，取放电信号中较为典型的四个相位谱图，如图6所示。
当实验电压达到局放起始电压30 kV时，根据图6a显示局放相位集中在60°～90°和220°～330°，局放量为10～115 pC，且220°～330°幅值较大。相位谱图显示为油中尖端电晕放电信号[22]特征，因此判断此时高压铝箔尖端电荷聚集发生电晕放电。
图6 不同电压下末屏尖端局放相位图
Fig.6 Phase diagram of tip partial discharge at different voltages
当实验电压升高至40 kV时套管周围伴有电流声，根据图6b显示，局放相位开始产生偏移并集中在60°～150°和240°～330°且放电量在636～2 000 pC之间。根据文献[22]，表明局放相位谱图符合尖端放电混合沿面放电特征。因此，此时为尖端电晕放电到沿面放电的过渡阶段，由于尖端处带电粒子在电场强度的作用下向油纸发展并撞击油纸表面，油纸界面会出现小部分空间电荷产生沿面放电，但此时油纸纤维素完整并未出现断裂或炭化，空间电荷不会对油纸造成破坏。
当实验电压升高至50～60 kV时，图6c和图6d显示局放量持续升高。60 kV实验电压下初始放电量为1 880～5 000 pC，并且随着放电时间的增加，局放量大幅增加，最高达到30 000 pC左右后又逐渐回落，如图7所示。此过程中经历了长时间的沿面放电，带电粒子在高电场强度作用下冲击油纸表面造成局部温度急剧升高，促进了油纸内表面分解以及纸内的水分和气体以气泡的形式析出并附着在油纸表面[23]。电容屏缺陷相位如图8所示。图8中，部分局放信号集中在0°～90°，显示出金属电极与介质间有气泡放电的特征。继续升压，并经过长时间沿面放电，沿面放电进入预击穿阶段，由于电场强度更大且带电粒子能量更高，冲击油纸表面造成油纸表面纤维素断裂、炭化形成通道，炭化通道的形成使得油纸电导率增大并阻碍放电进一步发展[24]，因此局放仪检测到放电量幅值下降。
图7 60 kV局放量随持续时长变化
Fig.7 60 kV PD quantity changes with duration
图8 电容屏缺陷局放-电压-相位
Fig.8 Voltage-phase-quantity diagram for tip PD
电容屏工艺缺陷在经过高局放前后，电容量变化如图9所示。由图9可知，电容量降低了1.5 pF左右，说明绝缘中存在部分绝缘失效，推测为绝缘劣化甚至是绝缘纸部分击穿。
图9 电容屏工艺缺陷高局放前后电容量变化
Fig.9 Change in capacity after high partial discharge of tip
在维持30 min实验电压50 kV后解体发现外表面无明显炭化痕迹且无层间击穿现象，在末屏含尖端的电容屏下层油纸上发现较细的放电炭化通道，为沿面放电炭化通道，且放电通道单一，为单流注放电，如图10a所示。在电压等级60 kV时局放量为7 880～30 000 pC，其流注分支较少，炭化通道如图10b所示。此时，电压等级较高且放电量在 10 000 pC以上，其放电炭化分支较为明显，由一些细丝组成，主放电通道清晰，炭化通道更长。
图10 高局放30 min后油纸上产生的炭化通道
Fig.10 Carbonization channel on the paper after 30 min of high PD
因此，电压升高，炭化通道更长，且含有明显分支。根据文献[24]，流注形状与电压等级有明显联系。
套管电容芯子末屏边缘电场较为集中，且电场分布以径向电场为主[25]，因此对实验中套管沿面放电模式做了等效处理，将实验模型等效为尖端针板沿面放电模型。套管电容屏缺陷仿真模型数据如图11所示。放电电子崩由图11中边界1破损电容屏发生，沿着电介质材料发生闪络和流注放电现象。实际套管中心导杆和相邻电容屏，会与末屏边缘缺陷处形成压降，末屏电场与边界3处等效。因此，针对铝箔缺陷局部放电类型特点建立针板沿面放电等效模型。
套管厂家对出、返厂局部放电测试不合格油纸绝缘套管进行解体，统计发现大多数局部放电过大的原因是铝箔的细小破损和皱褶的缺陷。图11a为套管截面仿真模型及数据信息，其中铝箔极板实际厚度约为0.01 mm，折边后约为0.02 mm，绝缘油纸厚0.13 mm，按照条卷方式堆叠为0.26 mm，设置缺陷半径为0.01 mm。图11b为从表面看到的缺陷极板数据，表1为模型边界条件。
图11 套管电容屏缺陷仿真模型数据
Fig.11 Diagram of bushing condenser foil layer defect simulation model with size
表1 模型边界条件
Tab.1 Boundary conditions of the model
边界静电场电荷传输 1电压对流通量 2通量 3通量
使用有限元软件建立二维模型，使用流体漂移扩散模型和电荷传输模型来描述套管绝缘油和油纸面之间的电荷传输过程，即
（1）
式中，
为界面电荷密度；m为绝缘油中电荷迁移率；
为油纸电导率；E为油纸系统电场强度。
本文使用流体动力学对流-扩散模型，考虑了绝缘油中电子（e）、正离子（p）和负离子（n）的产生、迁移、消散过程，模拟绝缘油中的电荷传输过程。
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
式中，因油隙放电及沿面放电发生时间极短，油的速度可以忽略不计；q为电荷；
、
、
分别为正离子、负离子和电子的电荷密度；mp、mn、me分别为正离子、负离子和电子的迁移率；Rpn、Rpe分别为从正离子-负离子和正离子-电子复合系数；中性分子对解离形成正离子和负离子表示为
；另一种为中性分子在电解离形成正离子和自由电子，表示为GFP；GT为碰撞电子电荷密度产生率；J为电流密度；ta为电子附着时间常数，表示为电子衰减长度和电子速度的商，即
（7）
式中，电子衰减长度l为1 mm。
式（5）为泊松方程，表示空间电荷对电场的影响。式（2）～式（4）为电流连续方程，满足Langevin定律[16]，对于等式右边的液体中的电离理论有三种不同的机制[16]，场电离、碰撞电离和光电离。其中最直接的电离机制是在高电场下的分子电离，其电离电荷密度产生率用GF表示。Onsager理论中在外加高电场[26]的液体电介质中，场电离主要包含两部分：GFD、GFP。使用Zener模型总结场电离密度产生率[27]，有
（8）
（9）
（10）
式中，
为油电导率；
为油的相对介电常数；n0为可电离数量密度；m为电子质量；k为玻耳兹曼常数；Δ和
为电离势表达式参数；I1为第一类修正贝塞尔函数；其他参数见表2。
表2 漂移扩散模型及双极电荷传输模型参数
Tab.2 Parameters of the hydrodynamic model and bipolar charge transport model
参数数值 电子迁移率me/[m2/(V∙s)]1´10-9 正离子迁移率mp/[m2/(V∙s)]1´10-9 负离子迁移率mn/[m2/(V∙s)]1´10-4 正离子-负离子复合率Rpn/[m3/s]1.64´10-17 正离子-电子复合率Rpe/(m3/s)1.64´10-17
（续）
参数数值 电子附着时间常数τa/s1´10-6 玻耳兹曼常数k/(J/K)1.380 6´10-23 普朗克常数h/(J∙s)6.626´10-34 理查德森常数A/[MA/(m2∙K2)]1.2 油密度r/(kg/m3)880 油比热容c/(kg/m3)1700 分子分离距离a/m3´10-10 自由电子迁移率mem/[m2/(V∙s)]1´10-14 自由空穴迁移率mhm/[m2/(V∙s)]1´10-14 电子最大入陷密度Net0/(C/m2)100 空穴最大入陷密度Nht0/(C/m2)100 电子入陷率Be/s-15´10-3 空穴入陷率Bh/s-15´10-3 电子脱陷率De/s-13´10-4 空穴脱陷率Dh/s-13´10-4 陷阱空穴-陷阱电子复合率S0/[m3/(C∙s)]0 陷阱空穴-自由电子复合率S1/[m3/(C∙s)]5´10-3 自由空穴-陷阱电子复合率S2/[m3/(C∙s)]5´10-3 自由空穴-自由电子复合率S3/[m3/(C∙s)]5´10-3 温度T/K293 电子注入势垒wei/eV1.18 空穴注入势垒wni/eV1.19
根据碰撞电离Townsend理论[28]，自由电子在高电场作用下加速与中性分子发生碰撞并使得中性分子中电子能量激增跃带，产生另一组正离子与自由电子，也是一种电离电荷产生机制。其碰撞电子电荷密度产生率GT表示为
（11）
式中，At和Bt分别为碰撞系数和碰撞指数项系数；其他参数见表2。
根据油中流注形态和发光强度[29]，流注尖端更亮，绝缘油中放电同时存在光电离，但绝缘油属于非均匀混合物，吸收系数及吸收长度等参数未知[30]，因此将此项忽略。
油纸电容式套管的绝缘结构是按照纸-油-极板结构分布，纸内陷阱均匀分布，极板油中放电后自由电子达到固体绝缘纸中会被介质中陷阱捕获，也会脱离陷阱。自由电子（em）、陷阱电子（et）、自由空穴（hm）和陷阱空穴（ht）四种载流子在固体绝缘纸中复合、迁移的电荷传输为
（12）
（13）
（14）
（15）
（16）
式中，
、
、
、
分别为自由电子、陷阱电子、自由空穴和陷阱空穴的电荷密度；S0、S1、S2、S3为不同复合系数；Be、Bh分别为自由电子和自由空穴入陷系数；De、Dh分别为陷阱电子和陷阱空穴脱陷系数；mem、mhm分别为自由电子和自由空穴迁移率；Net0、Nht0分别为电子和空穴最大入陷密度；
为电势；其他参数见表2。
自由电子与空穴从油中注入固体绝缘纸内，注入电流密度Jein、Jhin与绝缘纸温度及电场强度有关，其电流密度可以用肖特基热离子发射描述[31]。
（17）
（18）
式中，Jein、Jhin分别为电子和空穴的注入电流密度；Eein和Ehin分别为电子和空穴的有效注入势垒；A为理查德森常数；
为油纸的相对介电常数。其他具体参数见表2。
为了研究电容屏工艺缺陷的局部放电过程中电压对放电过程和电荷分布的影响，采用阶梯升压法，按照实验顺序的30、40、50、60 kV逐步提高导电杆电压。
图12所示为40 kV时实验套管末屏电势及电场分布，尖端电场为极不均匀电场，仿真得到的不同电场下电容屏局放形态随时间的变化，不同时刻电荷分布及电荷数密度最大值、最小值，如图13所示。
图12 尖端电势及电场分布
Fig.12 Potential and electric field distribution at the tip
图13a显示为起始放电电压下电容屏缺陷尖端产生电晕放电现象，根据图12尖端电场分布规律，由于针尖处电场强度较大，此时针尖附近电荷聚集，绝缘油电离产生带电粒子与自由电荷，在尖端处产生电晕放电现象。带电粒子及自由电荷在电场作用下漂移但并未达到油纸界面。图13b显示当测试电压为40 kV时，电容屏缺陷尖端对绝缘油电离、极化作用更加显著，针尖处的电晕放电现象逐渐减弱，少部分带电粒子及自由电荷在电场作用下可以达到油纸界面但电荷消散很快，不会对油纸界面产生影响。图13c及图13d显示测试电压为50 kV及60 kV时电容屏缺陷尖端导致的电离电荷在电场作用下不断冲击油纸界面，沿油纸界面发展为明显的沿面放电现象。当电荷到达油纸界面后沿面发展速度下降，油纸内陷阱捕获部分电子，冲击产生的高温使油纸界面产生炭化通道。
图13 不同电压下放电过程
Fig.13 Discharge process at different voltages
结合图14不同电压下放电时长的变化可以得出，30 kV时随着放电时间增加，放电向外发展，但放电过程并未达到绝缘纸面而结束。40 kV下的放电时间从400 ns缩减至325 ns。从图13c、图13d可得，当升压至50 kV时，150 ns左右放电发展至油纸界面，60 kV时放电发展到达绝缘纸面的时间缩短到100 ns左右，随后发生沿面闪络，总放电时间缩短至175 ns。铝箔尖端电压等级越高，套管极板放电速度越快，放电时间随电压等级的增加呈线性减小。
图14 不同电压下放电发展时间
Fig.14 Development time of discharge at different voltages
根据放电发展仿真分析及液体内放电理论，推测套管铝箔极板破损尖端的局部放电过程为：尖端电晕放电、油中放电和沿面放电。
尖端电晕放电如图13中5 ns时刻所示，尖端附近电荷密度最高；油中流注放电由尖端电晕放电发展并形成流注，在油中开始向外放电；沿面放电是流注沿油纸界面发生闪络放电。高压电极电压在30～40 kV时，局部放电只存在尖端电晕放电、油中流注放电；在50 kV以上时，开始出现沿面放电。
因此，铝箔尖端电压等级越高，套管极板放电速度越快，形态变化越剧烈。流注头部的电场在接触纸板瞬间直接作用于纸板表面，接触瞬间对纸板的损耗较大。
流注在未到达油纸界面时，绝缘纸面自由电荷几乎为零，此时流注头部的电荷密度最大。随着流注发展至靠近绝缘纸过程中，受针尖电极y轴分量的电场强度的影响降低[33]，流注速度变慢且电荷密度降低。当流注接触到油纸界面，流注头部的大量电荷在接触到界面时被吸收，界面电荷密度开始增加，电场强度增加，并沿面逐渐增大，如图15所示。
图15 60 kV时油纸界面电荷密度分布
Fig.15 Oil-paper interface charge density distribution under 60 kV
套管位于交流电场中，外加交变电压使得电容芯子极板产生静电效应[34]，作用在极板边缘电场变大,尤其是存在缺陷的位置产生电场畸变从而使油中电荷迁移，形成流注放电。针尖缺陷电容屏基于电场极不均匀的针板模型，针尖部分为高压正极，电场很大，碰撞电离会先发生在针尖附近，碰撞形成的正离子密度增加形成流注，负离子在针尖处复合，在局放实验中也证实了此放电特性。
放电初始电容屏破损针尖处产生电晕放电，局放实验脉冲信号为油中电晕放电信号，图13放电仿真结果显示此时电容屏针尖附近电场强度最大，开始在针尖处释放自由电子且绝缘油中发生分子电离，产生大量离子和自由电子，并在电场加速下与其他分子碰撞引起电离，但碰撞能量没有达到电子崩，无法产生沿面放电。由于电晕放电过程具有声光电特性[35]，因此实验中在放电初期开始出现电流声，随着电压强度增大，局放量显著提高。
电容屏尖端处发生碰撞电离获得足够能量时，在极化泳动力作用下运动并持续发展为沿面放电。根据图8局放-电压-相位量关系和图13中电荷到达油纸界面处开始产生沿面放电的现象，油纸界面会出现小部分电荷产生沿面放电，但油纸纤维素并未出现断裂或炭化，不会造成绝缘破坏。
放电流注在高电场强度及静电力的作用下沿油纸进行沿面放电，铝箔尖端电压等级越高，套管极板放电速度越快，放电时间随电压等级的增加呈线性减小，形态变化剧烈，流注头部电场在接触纸板瞬间直接作用于纸板表面，接触瞬间对纸板的损耗较大产生高温。实验中长时间沿面放电导致局部高温高场强，绝缘油纸内的水分及气体以气泡形式[36]析出并附着在油纸界面上；同时电容屏缺陷局放的产生加剧了绝缘纸的老化和氧化分解，其产物中的气体也附着在界面上，形成小桥，诱发放电流注偏向纸面并沿面爬电[37]。高温使得油纸表面纤维素断裂炭化形成通道如图10所示，炭化通道的形成使得油纸电导率增大并阻碍放电进一步发展，如图7所示放电量回落。通过实验验证在套管极板放电仿真中，可以推测铝箔破损形成的极板针电极局部放电过程分三个阶段：放电初始阶段、放电发展阶段和放电破坏阶段。
本文研究电容屏缺陷局部放电过程的发展规律并进行阶段划分，通过搭建实验套管局放测试平台，建立电容屏破损局放仿真模型，对电容屏沿面放电发展过程、放电形态进行实验与仿真的对应分析，并通过仿真分析电容屏破损局放的电荷密度分布及油纸界面电荷密度等规律，得到主要结论如下：
1）通过分析局放实验物理参量变化过程，从开始电晕放电到沿面放电发展，随着测试电压升高局放量增大，60 kV时油纸析出气泡使得放电量不断增大，绝缘纸纤维素断裂并形成炭化通道增大了电导率，导致放电量再次降低，且发生在电容屏内侧绝缘油纸上。
2）电容屏破损后电容量几乎不受电压等级的影响，但局放测试后电容量减少1.5 pF左右。
3）通过采用扩散漂移电荷传输理论和双极性电荷传输理论的针板沿面仿真模型，得到套管电容屏破损情况下破损边缘形成的尖端局放过程，主要有三个阶段：放电初始阶段，在尖端形成电晕；放电发展阶段，在高电场强度的电离作用下产生放电流注并沿面放电；放电破坏阶段，沿纸面放电并破坏油纸表面。缺陷局放实验中物理参数变化及放电炭化痕迹验证了仿真的有效性。
4）通过油纸炭化痕迹及局放仿真过程可以推测，电压等级会导致放电过程、形态、放电时长变化。电压等级小于40 kV时电容屏破损尖端局放为第一、二阶段，高于40 kV经历三个阶段，且电压幅值越大电树枝分支越多、放电时间越短、油纸界面吸收电荷更多。
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Abstract Oil-paper capacitive transformer bushings are widely used. However, partial discharge (PD) is a serious threat to safe and stable operation of power system. In order to study the variation law of PD process with condenser foil layer damage and clarify the PD development stage, this paper establishes a defect bushing PD model to analyze the development law of parameters. Based on fluid drift diffusion theory and solid bipolar charge transfer theory, a simulation model for the surface PD process of the end screen defect needle plate is established, which combines the changes in voltage, charge morphology, PD duration and the charge density distribution at the oil-paper interface.
Firstly, build a test sample bushing with process defect. According to a set of 220 kV test apparatus to test the relationship between the voltage level and PD parameters, capacitance, and discharge carbonization trace. Then based on the hydrodynamic drift-diffusion model and the bipolar charge transport model, a needle-plane surface PD simulation model was built to simulate the process and space charge distribution of PD. Finally, with the experimental phenomenon and simulation results, the 3 stages PD process and space charge distribution at different applied voltage are provided.
Simulation and experiment results show that the bushing in the AC electric field causes the capacitor core plate to generate static electricity and causes electric field distortion, which results in charge migration and forming streamer. Tip defective foil layer is at extremely inhomogeneous electric field, the needle tip part of the high voltage positive pole, collision ionization will occur first at the tip, collision formation of positive ion density increases to form streamer, negative ions at the tip of the compound. Through experimental verification in needle-plane surface discharge simulation, it can be assumed that the process of PD is as follows: (1) At the initial stage, corona discharge at the tip of the foil layer can be observed. At this time the electric field strength near the tip of the foil layer is the largest, which releases of free electrons and molecular ionization. But the collision energy did not reach the electron avalanche. (2) At the development stage, the collisional ionization at the tip acquires sufficient energy to move and develop continuously under the action of the polarization swimming dynamics. Due to the local high temperature and high field strength, the moisture and gas within the insulating oil paper form bubbles and adheres to the oil paper interface, and the gas in its products also adheres to the interface and forms small bridges, leading to the streamer towards to the paper surface and breakdown along the surface. (3) At the damage stage, surface PD affect the space charge distribution within the oil-paper and start to breakdown discharge phenomenon on paper surface. High temperature and high field strength from discharge lead to paper insulation failure, resulting in carbonization traces.
The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: (1) By the process of physical parameter changes in PD experiments, from corona PD to the development of surface discharge, the amount of PD increases with the increasing voltage. At 60 kV, oil paper bubbles precipitate, causing a continuous increase in PD. The insulation paper cellulose breaks and forms carbonization channels, increasing conductivity and causing a further decrease in PD capacity. (2) Based on diffusion drift charge transfer theory and bipolar charge transfer theory to simulate surface PD, the tip PD process formed by the damaged edge of the bushing condenser foil layer is obtained. There are mainly three stages. (3) Based on carbonization traces and the simulation process of PD, the voltage level will cause changes in the PD process, morphology, and duration. When the voltage level is less than 40 kV, the PD is in the first and second stages, and when the voltage level is higher than 40 kV, it goes through three stages. The larger the voltage amplitude, the more branches of the electrical tree, the shorter the discharge time, and the more charges absorbed by the oil-paper interface.
keywords：Oil-impregnated paper bushing, condenser foil layer defect, needle-plane surface discharge, charge distribution simulation, discharge process stage
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230357
中图分类号：TM216
国家重点研发计划项目（2021YFB2401700）和国家电网总部科技项目（5500-202220136A-1-1-ZN）资助。
收稿日期 2023-03-21
改稿日期 2023-05-08
杨 帆 男，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为输变电设备多物理场计算、电力装备数字孪生。E-mail：yangfan@cqu.edu.cn
张玉琛 女，1996年生，硕士研究生，研究方向为变压器套管多物理场计算和放电仿真。E-mail：zhangyuchen@cqu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）