高頻變壓器用匝間絕緣材料沿面放電特性的實驗研究
來源：小編 作者：小編 瀏覽 次 時間：2022-04-08高頻變壓器具有體積小、質量輕、轉換效率高、適用面廣等突出優勢，最近幾年逐漸成為國內外的研究熱點之一。高頻高壓變壓器是直流變流器和電力電子變壓器當中必不可少的核心裝備，其主要功能是高頻升壓、功率傳輸并在工作過程中實現高壓側與低壓側的電氣隔離。
而作為高頻變壓器繞組絕緣的關鍵部分，匝間絕緣材料的高頻絕緣性能嚴重影響著高頻變壓器的整體耐壓水平及運行可靠性，更成為限制其大功率化、高頻化、小型化發展的重要因素。由于高頻變壓器長期工作在上升時間短、幅值大、頻率高的電壓波形下，匝間絕緣材料承受著高重復頻率的電應力沖擊，強電-熱耦合效應也會加劇其絕緣性能的下降和劣化。
現有研究表明，沿面閃絡的電場強度遠低于相同間隙的體擊穿場強，更易造成絕緣的損壞和過早失效。因此，開展匝間絕緣材料的高頻沿面放電特性實驗研究，對高頻變壓器絕緣結構的優化設計具有重要指導意義。
目前，國內外針對固體絕緣材料在工頻條件下的沿面放電特性已開展大量研究，研究結果表明，絕緣材料電阻率、表面粗糙度以及溫度等諸多因素均會對沿面閃絡電壓造成不同程度的影響。在絕緣材料的高頻沿面放電特性方面，現有研究往往圍繞頻率對放電發展過程、放電形態、材料老化特性等影響規律展開。
根據高頻變壓器實際運行工況，設計基于高頻方波信號的沿面放電實驗平臺，重點研究了間距、頻率對匝間絕緣材料沿面放電特性的影響，結合SEEA模型分析了高頻下絕緣材料表面的放電機制，同時得到起始放電電壓、閃絡電壓與沿面絕緣壽命隨頻率的變化規律，為高頻變壓器匝間絕緣的優化設計提供參考，并得到以下結論：
在雙極性高頻方波電壓下，不同類型絕緣材料的閃絡電壓隨電極間距的變化規律具有一定的差異性，帶電粒子的沿面發展階段極大地影響著閃絡的形成，該階段與材料類型及表面狀況密切相關。
電壓頻率對起始放電基本無影響，閃絡電壓隨頻率的升高而顯著下降。根據SEEA模型，頻率對初始電子的形成影響較小，在電子倍增階段，頻率增加導致二次電子雪崩的發展速率有所提高，與絕緣表面的熱效應共同導致閃絡電壓大幅下降。
頻率的提高使絕緣材料從產生電暈到形成閃絡的時間明顯縮短。在沿面放電發展階段，頻率對電介質極化損耗、表面電荷耗散時間以及表面熱效應產生極大影響，最終導致絕緣壽命的顯著下降。
對比四種匝間絕緣材料在高頻下的沿面絕緣性能，薄膜類絕緣材料的起始放電電壓高于復合絕緣紙，表明PET薄膜與聚酰亞胺薄膜均具備良好的耐電暈性能，而各頻率下PET薄膜的閃絡電壓平均值比聚酰亞胺薄膜高出0.05～0.65kV。此外，PET薄膜的絕緣壽命指數n小于其余絕緣材料，表明其電老化速率較低。
因此，綜合考慮耐電暈性能、電老化速率、閃絡電壓等因素，PET薄膜在1～20kHz頻率范圍內具有相對良好的沿面絕緣性能。然而，在工程應用中，仍需與高頻體擊穿特性共同作為高頻變壓器匝間絕緣材料選取的主要理論依據。
