膜脈沖電容器局部分析論文

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摘要：對全膜結構脈沖電容器在直流條件下進行了局部放電試驗研究。與壽命試驗結果相結合，找出了一些用以判斷脈沖電容器絕緣狀況的試驗參數。

關鍵詞：脈沖電容器局部放電放電次數

1引言

隨著工作時間的加長，電容器的絕緣逐漸劣化，并最終以絕緣擊穿而告壽命結束。對電容器絕緣特性的變化，可以通過測量其電氣參數來進行判斷。產生局部放電的條件取決于絕緣裝置中電場分布及絕緣材料的電氣物理性能。因此，測定局部放電的特性，就可能評價不同結構設計、制造工藝的脈沖電容器絕緣質量，揭示其缺陷，甚至可能用局部放電特性試驗結果為基礎，確定絕緣介質的工作場強，預測電容器的壽命。

脈沖電容器中介質的工作場強高于交流工作條件下的同樣的電容器。由于浸漬劑承受的場強低于絕緣膜，故有可能在層間、局部電場集中處及某些殘存氣泡的地方出現局部放電。局部放電處的輻射、發熱、化學作用等會逐步損壞絕級，導致絕緣緩慢劣化直至擊穿。

長期以來，絕大多數電氣設備均運行在工頻交流電壓下，局部放電研究也針對交流電壓工作條件進行，直流條件下局部放電的研究進行得很少［1］。由于脈沖電容器的工作條件隨用途而變化，故無統一的試驗標準。作者對全膜脈沖電容器進行了大量的局部放電試驗研究，試圖找出局部放電參數與壽命、擊穿電壓等電容器特性之間的關系。

2PD檢測試驗方法

工頻高壓設備中出現的局部放電，往往發生在交流電壓一定的相位范圍內。脈沖電容器以充一放電的方式工作，并不存在與交流電壓對應的特定相位；相反，考慮到充電持續階段的特點，以直流高壓施加于電容器，然后測量其局部放電更接近實際。因此，對脈沖電容器局部放電的測量，作者選擇在直流電壓下進行，采用電檢測法［2］。

圖1是試驗裝置主回路接線及檢測系統原理框圖，低壓側電壓經隔離變壓器、濾波器

和穩壓電源供電。電流傳感器CT接在試品CX的接地側。檢測系統刻度因素的確定方法仍采用交流電壓試驗標準中的規定方法（即在試品的端子間注入電荷）。整套裝置在試驗電壓范圍內測得的干擾水平為8～10pC。

T1-調壓器T2-隔離變壓器T3-高壓試驗變壓器R-限流電阻

D-硅堆CT-電流傳感器CK耦合電容CX-試品

試品電容器的結構如下：三層15μm雙面粗化聚丙烯薄膜，電極為鋁箔，浸漬劑為S油。元件壓緊系數分別為0．78、0．81、0．84、0．86四種，單個試品元件電容量0．63μF。

試驗中選擇記錄如下PD參數：

（1）第一次出現大于規定的PD量Q0時的外加直流電壓值U1。受試驗裝置的干擾水平限制，試驗中取Q0＝10pC。

（2）規定時間內的放電次數Nt（t的單位為min）。指在一定的直流電壓作用下，規定時間t內，放電量大于Q0的次數。Nt的多少取決于介質中PD發展過程及電場恢復過程，此參數與絕緣的性能密切相關，該值越小越好。

（3）自行放電時，規定時間內（1min）PD次數N0。指元件加壓到規定值時斷開充電電源，電容器自行放電時在規定時間內大于Q0的放電次數。若電容器元件的泄漏電阻較小，則自行放電速度加快，電容器兩端電壓下降變快將導致N0減小。

（4）視在放電量的最大值Qm。指在規定時間內，試品PD視在放電量的最大值。

試驗方法為：按500V／s的速度升壓到規定值，穩定一段時間（0～10min）后，電容器自行放電（1～2min），最后經大電阻釋放全部電荷。

3試驗結果

3．1PD參數的重復性試驗

通過對同一試品的多次重復試驗來檢測測量參數的重復性。每次試驗時對電容器元件升到規定電壓值后，讓電容器自行放電2min，再經大電阻值接地。試驗中記錄U1、N0及Qm。試驗結果表明，元件第一次出現明顯的局部放電幾乎都是在升壓過程中出現。究其原因，可能因為在變化的電壓作用下，電容元件介質中PP膜、S油或空隙雜質等承受電壓是按介電常數分配的，油和氣隙承受的電場強度較高，而空氣及油的擊穿場強低于PP膜。

試驗得到如下結果：在穩定電壓U≤11kV時，被試元件每次測量的PD參數U1、N0及Qm均在一定的范圍內，測量參數分散性較小，因此可以用這些參數反映電容器元件的PD特性。而當U＞11kV時，由于絕緣性能可能受到損傷，PD特性越來越差，PD參數的分散性較大。

3．2不同壽命的電容器的PD檢測對比試驗

選擇了兩組電容器試品進行PD試驗：一組為在一定電壓（充電電壓15kV）進行過重復充放電試驗1000次的元件，另一組是未做過壽命試驗的元件。目的是通過PD試驗，找出兩者PD參數的差距。對比試驗的方法為：升壓后自行放電1min，期間測PD參數。試驗結果如表1所示。表中N1表示穩定電壓作用下第一分鐘內PD電荷量大于Q0的次數。

從表1可以看出，經過壽命試驗的絕緣已有不同程度老化的試品與未經壽命試驗的試品的PD檢測有以下差別：

（1）老化了的試品的U1（平均4kV）遠小于未經試驗的元件的U1（平均7kV）。第一次PD都是在升壓過程中出現，而老化了的試品的重復充放電試驗后，經強電場、大電流的作用，試品絕緣材料被劣化，膜及油中出現炭化微?；虍a生的氣泡增多，在升壓的過程中氣泡、雜質中易出現PD造成U1下降?？梢?，用U1的大小能反映出同樣結構的絕緣的優劣。

（2）老化了的試品的N1通常都大于N0，且N0接近于0；而未經驗的試品的N1與N0無明顯差別。

3．3不同壓緊系數試品的PD比較試驗

表2為多個試品的在外加穩定電壓4min的條件下測得的PD參數的統計結果電壓U1取3個范圍，表中N4表示穩定加壓后第4min內PD量大于Q0的次數。

由表2可以看出：

（1）壓緊系數K與U1值的大小對應關系。

總體看來K小的電容器元件的U1值稍高。如K＝0．78、0．81的試品中，U1＞10kV的占試驗總數的60％，而在K＝0．84、0．86的試品中僅占18％。分析其原因，可能在于

K值大的試品，介質中的三層膜之間、膜與鋁箔之間的貼合更緊密；在真空干燥和浸漬時，K值大的元件中S油的滲透比較困難，氣泡難以脫出；升壓過程中氣隙易發生局部放電，因而U1值較小。

（2）在相近的外加穩定電壓范圍內（10．5～12kV），放電次數與K值的大小也呈相應關系。

如穩定加12kV的電壓4min，則K＝0．78和0．81的試品的N4遠大于K＝0．84和0．86的試品。前者的N4＞N0，可見K小的試品在穩定耐壓條件下，絕緣性能劣于K值大的試品。壽命試驗結果證實了這一點，充電電壓為15kV的充放電壽命試驗結果如圖2所示。

（3）元件出現大量PD時臨界電壓的確定。

試驗情況表明，隨著外加直流電壓的升高，試品出現PD的次數及放電量都會增加。重復充放電試驗結果證實，當電容器元件在穩定直流電壓作用階段，每分鐘出現大于10pC的PD量達到30次以上時，脈沖電容器運行在這種狀態下時將加快絕緣劣化，壽命大為下降。設出現大量PD時的最小外加穩定直流電壓為臨界電壓UPD，確定脈沖電容器局部放電試驗的UPD值對電容器結構參數的設計很有參考價值。

圖3為UPD與t的關系曲線。由圖可以看出，隨著t的上升，UPD迅速減小。而當外加電壓低于9kV時，即使t＞10min試品也不會出現大量的PD。

由于UPD與加壓時間t密切相關，因此，需要選擇一個穩定加壓時間的UPD。圖4是對20個試品在穩定加壓條件下，記錄的第四分鐘內出現大量PD的概率。當外加電壓達到12kV，大量PD出現的概率為47％。此時的電壓小于電容器擊穿電壓，對電容器絕緣不造成損傷。若設定此時對應外加電壓為臨界電壓，則該批試品的平均UPD可選10～12kV范圍，試驗時加壓時間可選4min左右。

4結論

（1）脈沖電容器元件的PD特性可用出現第一次大于規定PD量時的外加直流電壓值U1、規定直流電壓下規定時間內放電次數Nt、自行放電時間內的N0及最大視在放電量Q0等參數來表征。

（2）絕緣性能良好的電容器的U1值較高，且Nt較小，并有Nt≈N0的現象，壽命也比較長?？梢該伺袛嗝}沖電容器元件的絕緣性能優劣。

（3）根據壽命試驗結果及PD試驗結果，選擇合適的試驗電壓UPD，在該電壓作用下，出現次數有限的PD，測量該電壓下固定時間內局部放電的電量和次數，有助于判別絕緣的優劣。

參考文獻：

［1］U．Formm，InterpretationofPartialDischargesatDCVoltage，IEEETrans．Vol．DEI－2，No．5，761－769，1995

［2］華中工學院，上海交通大學合編．高電壓試驗技術，北京：水利電力出版社，1983