聚酰亚胺高频绝缘特性与沿面放电演化过程研究

发布时间：2020-07-22 20:01

【摘要】：基于功率器件的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是未来智能电网中进行能源互联、调度和控制的路由器,可实现交流与直流以及不同直流电压等级间的灵活变换,在可再生能源大规模可靠并网方面具有很好的应用前景,且特别适用于对电能变换设备的体积、重量有特殊要求的场合。高频电力变压器是PET中实现电气隔离和电压等级变换的核心组件,在高频电压作用下其匝间、层间、相间、对地绝缘和气-固界面绝缘将面临损耗发热严重、局部/沿面放电、绝缘过早失效等一系列问题,且绝缘性能受到电压参数(波形、频率、幅值、上升时间等)和温度等多因子耦合作用的影响。为推进高频变压器向高电压、大功率、小型化和高频率发展,有必要针对高频电应力作用下的局部放电与沿面放电特性、放电损伤导致的绝缘寿命衰减行为及其内在物理机制等关键问题,开展系统性的探索研究,这对于高频变压器的绝缘设计和性能评估具有重要的基础理论价值和现实指导意义。通过搭建高频加速老化实验平台和放电信号采集处理系统,在50Hz～30kHz的宽频范围内,研究了电压频率对聚酰亚胺绝缘局部放电特性(涉及放电起始电压、放电相位谱图、放电幅值及放电次数等)和绝缘寿命的影响,发现随着电压频率的升高,单周波放电次数和平均放电幅值先增长后下降,存在“频致拐点”现象;为揭示该现象的产生机理,从空间电荷与放电特征参量的关联规律、温度对局部放电特性的影响机制分析着手,结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响,建立了“频致拐点”现象的理论模型。采用频率为1kHz的正弦波、三角波、双极性方波、单极性方波和振荡脉冲5种不同的电压波形,以及具有不同上升时间的双极性方波电压,研究了电压波形、极性以及上升时间对聚酰亚胺绝缘局部放电行为和绝缘寿命的影响规律;在此基础上从局部放电测试(涉及放电起始电压、平均放电幅值、单周波放电次数、单周波总放电幅值)和绝缘寿命测试两个角度出发,建立了不同高频电压波形之间以及工频与高频电压之间的等价性准则,另外,还通过引入峰-峰值因子、有效值因子和形状因子,实现了电压波形参数对绝缘老化速率的量化表征。基于正交实验设计理论,在5～30kHz、1.5～3.0kV、13～180℃范围内测试了不同频率、幅值和温度下聚酰亚胺试样的绝缘寿命,首先结合极差和方差分析法讨论了三种因素及其交互作用对绝缘老化速率的影响,确定了影响因素的主次顺序以及交互作用的强弱程度;进一步获得了各因素水平变化对电-热应力耐受系数的影响规律,以及单因素独立作用、多因素协同作用下的加速老化系数,证明了多因素间交互作用的存在性;最后,计算了各影响因素及其交互作用对绝缘寿命的影响系数大小,并据此建立了考虑因素间交互作用的多因子寿命预测模型,并通过验证组实验证明了预测模型的可靠性。采用针-棒电极结构,研究了电压频率和温度对空气-聚酰亚胺绝缘沿面放电起始电压、闪络电压和沿面绝缘寿命的影响规律,统计分析了沿面放电不同发展阶段的放电特性(放电形态、相位谱图和放电特征参量);发现电压正、负半波的放电相位谱图间具有明显的极性效应,并基于放电统计特征的变化规律提出了沿面放电发展程度的表征参量以及临近沿面闪络的预警信号;结合不同放电阶段的绝缘材料界面特性分析(表面电荷分布、表面形貌和特征官能团),揭示了气-固界面沿面放电的发展演化规律以及沿面放电与界面特性的交互影响,并基于表面电荷积聚对沿面电场分布的影响分析,阐释了正、负半波极性效应的产生原因。采用反应集方法实现了对空气放电中粒子反应的大幅简化,基于流体动力学理论,通过对粒子输运方程、泊松方程和等离子化学反应的耦合表征,并充分考虑带电粒子在绝缘介质表面的反应与累积过程,建立了高频绝缘局部放电和沿面流注的混合数值模型;据此实现了球-板电极结构下局部放电、针-棒电极结构下沿面流注发展过程的动态模拟,获得了放电过程中带电粒子浓度、表面电荷密度、电场强度等参量的时空演化规律;进一步分析了局部放电与材料表面电荷累积、空间电荷分布的相互作用,电压幅值和频率对放电电流的影响,沿面流注发展的微观物理机制,以及温度、气压、二次电子发射系数等对沿面流注的影响机理;同时,利用已开展的实验研究结果与该数值模型仿真结果进行交互验证。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM433
【图文】：

电流波形,电力电子,拓扑分类,变压器

按照包含的ＡＣ／ＡＣ、ＡＣ／ＤＣ或ＤＣ／ＡＣ变换环节的多少（高频变压器也作为一逡逑个ＡＣ／ＡＣ变换环节），可将现有拓扑分为三级型、四级－Ｉ型、四级－ＩＩ型和五级逡逑型四种基本类型［１（）］，如图１－１所示。其中，五级型由于模块化程度高、具有多逡逑种交直流端口、滤波电路简单，在实际研制中获得了最广泛的关注和研究。需逡逑要说明的是，五级型拓扑中同时包含了直流变压器［１，５］，即由ＤＣ／ＡＣ、高频变压逡逑器、ＡＣ／ＤＣ三个环节组成的中间部分。逡逑除传统交流变压器的电压变换和电气隔离功能外，电力电子变压器还具备逡逑以下优点：１）重量轻、体积小，容量固定时变压器体积约正比于频率／的－３／４逡逑方［１１］；邋２）原方电流、副方电压与功率高度可控，不存在铁心磁饱和导致的电压、逡逑电流波形畸变问题，供电电能质量高；３）可实现功率双向流动、无功补偿以及逡逑功率因数校正，能够提高系统的动态响应速度和稳定性；４）兼有断路器的功能，逡逑可以快速关断故障大电流

波形,高频变压器,波形

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｖｏｌｔａｇｅ邋ａｎｄ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ邋ｂｙ邋ＨＦＰＴ逡逑高频变压器面临的绝缘问题主要有，逡逑（１）高频变压器承受的电压波形具有频率高、幅值大、上升时间短的特点，逡逑对变压器绝缘来说是一种非常规的特殊应力冲击。现有研究表明，电压波形参逡逑数对绝缘老化和放电行为有很大影响，高频电压会大大缩短绝缘材料的失效时逡逑间。例如，工频交流电压下可运行１５年的变频电机在高频电压下的寿命仅有逡逑１？２年，甚至几个月内就会出现绝缘故障［３６＿３８１。逡逑（２）高频条件下集肤效应和邻近效应显著，变压器铁心损耗、绕组铜耗、逡逑绝缘材料介质损耗以及功率器件的开关损耗等，都将远远高于工频电压，导致逡逑变压器产热严重、运行温度升高。运行经验表明，高频电力设备的正常工作温逡逑度可达１５０？２00。０２９，３９，４（）］，电压频率每升高１１＾２，变频电机定子棒的温度约升逡逑高邋１０ｏＣ［４１］。逡逑（３）电压频率的提高会显著缩小变压器的体积和重量，紧凑的结构设计非逡逑常不利于热量的散失，容易导致局部热点的出现；同时还提高了不同单元间的逡逑耦合度，易导致不均匀的电场分布，在绝缘薄弱处引发放电。图１－３所示为容逡逑

损伤过程,绝缘材料,局部放电

邋＋３０逦逦邋５．１邋ｋｇ逡逑图１－３高频与低频变压器体积对比逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｖｏｌｕｍｅ邋ｏｆ邋ＨＦ邋ａｎｄ邋ＬＦ邋ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ逡逑目前高压大容量的高频变压器尚无统一的制作工艺或参考标准，不同样机逡逑采用的绕组结构、铁心材料、绝缘形式、绝缘材料、冷却方式等也有很大差异。逡逑在固体绝缘材料选择方面，常用的有聚酰亚胺薄膜（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ，邋；ＰＩ）、ＰＥＴ聚酯逡逑薄膜、聚氨酯薄膜、Ｎｏｍｅｘ纸、改性ＤＭＤ绝缘纸、环氧树脂、ＰＦＡ薄膜、云逡逑母带等［２９＇３0，３５，４２＿４３］。其中，聚酰亚胺是目前已知的最适用于高频绝缘的聚合物材逡逑料，其为主链上含有酰亚胺环（－ＣＯ－ＮＨ－ＣＯ－）的一类芳杂环高分子化合物，长逡逑期使用温度范围－２００？３００°Ｃ，绝缘性能高，介电损耗小，具备优良的电气、机逡逑械、耐高低温、耐酸碱腐蚀、耐辐射等性能，且在合成方面也有突出优势，被逡逑广泛应用在变频电机、航空、航天、微电子、功率器件等领域。逡逑尽管国内外研宄一致表明，高频电压下变压器会面临散热、局部／沿面放电、逡逑过早失效等一系列的绝缘问题

【参考文献】