基于PEA的测试信号处理的研究现状

国内外普遍采用电声脉冲法(PEA)来测量固体电介质中空间电荷的分布。但受固体介质的声学特性和系统频带响应的影响,所测信号的波形会产生畸变,一方面,信号幅值产生衰减,波形脉宽展宽;另一方面,信号产生过冲,严重影响对空间电荷形成机理及分布的判断。针对引起波形畸变的两个主要因素:介质的衰减和色散及测量系统的频带响应引起的非线性相位失真和损耗,综述了国内外关于不同固体电介质形状的空间电荷波形恢复的方法,对比了不同方法的恢复效果,并指出了基于PEA的波形恢复的发展方向和要求。

传导电流可测的PEA空间电荷测试系统

传导电流可以反映电介质中载流子运输过程的许多微观特性。为了研究传导电流与空间电荷分布之间的关系,基于电声脉冲法(PEA)开发研制了一套可以同步测量电介质材料空间电荷与传导电流的系统。该测试系统重点设计了电极系统,通过将下电极分区域进行设计,实现了同步测量传导电流和空间电荷的功能。利用本系统分别对PE材料和ZnO材料进行了空间电荷及传导电流的测试,测量结果与相关文献的测试结果对比表明,该系统可以很好地对电介质材料进行空间电荷的测试,并能够同步测量材料的传导电流。

基于PEA的聚四氟乙烯空间电荷测量及其温度特性

聚四氟乙烯(PTFE)薄膜与硅油构成的复合绝缘材料在干式高压电器有着广泛的应用。但是聚四氟乙烯作为复合绝缘的关键组成部分,其空间电荷分布特点还不清楚,而已有的研究表明,空间电荷对绝缘放电有着不可忽略的影响。本文采用电声脉冲法对聚四氟乙烯薄膜在不同温度下的空间电荷分布进行了测量。结果表明,在外加直流电场的作用下,PTFE介质中容易积聚负极性空间电荷。其次温度的提高有助于加快聚四氟乙烯介质的空间电荷消散速率,有助于电荷消散。但是,温度的提高同样会导致PTFE的空间电荷注入、积聚速度加快,并促进介质中杂质电离,使得PTFE介质中积聚更多的空间电荷。因此,从尽量消除介质空间电荷的角度,建议PTFE绝缘介质尽量避免在高温下运行工作。

全尺寸直流电缆脉冲电声法(PEA)空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿

脉冲电声法(PEA)空间电荷测量是交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆材料选型与评价的主要技术手段,被广泛应用于直流电缆薄膜试样。但应用该方法测量厚尺寸平板试样和大尺寸同轴试样以研究材料体效应对空间电荷的影响时,声波信号在材料中传播时的衰减与色散将直接影响电荷密度测量的精度和空间分辨率。提出了在空间电荷校准过程中利用理论计算直流电场的方法确定内外电极表面的电容电荷密度,然后计算确定在绝缘介质中传播的脉冲声波信号传递函数(该函数含有衰减和色散系数),再对原始信号进行反卷积分运算以去除系统响应。在频域利用测量信号乘以传递函数获得脉冲声波信号经过衰减、色散恢复后的信号,从而保证大尺寸直流电缆试样测量中电荷密度及空间分辨率的测量精度。同时,设计了全尺寸直流电缆空间电荷测量系统,并在Lab VIEW环境下开发了数据采集与处理系统。

变压器油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷输运特性

为得到换流变压器中使用的矿物油浸普通牛皮绝缘纸和油浸热稳定绝缘纸在直流电场中的空间电荷输运特性,对试样在3种不同等级外施直流电场作用下采用电声脉冲法(PEA)进行了空间电荷密度分布测量实验,分析了试样在加压时和去压后的空间电荷总量及其演变规律。实验发现:油浸普通牛皮绝缘纸的空间电荷注入起始阈值比油浸热稳定纸低,其体内易于注入电荷。加压时,油浸普通牛皮绝缘纸的空间电荷注入、输运和集聚现象比油浸热稳定绝缘纸试样更显著,且电荷注入量和注入速度均会随外施场强的升高而增大;去压后,油浸普通牛皮绝缘纸体内残留空间电荷量较油浸热稳定绝缘纸多,电荷消散所需时间较长。油浸普通牛皮绝缘纸介质体内陷阱是以相对油浸热稳定绝缘纸更高密度的浅陷阱分布为主。油纸绝缘介质材料差异对空间电荷输运特性的影响机制还有待深入研究和分析。

直流电压下多层油纸绝缘介质的界面空间电荷特性

空间电荷对油纸复合绝缘结构电气性能的影响由于测量上的困难而至今尚未明了,多层复合绝缘结构使得空间电荷特性更加复杂。为此,应用电声脉冲(PEA)方法研究了电压极性对纸-纸和纸-油这2种双层绝缘结构中以及界面处空间电荷特性的影响。研究发现在2种结构的界面处积聚的空间电荷极性与施加电压的极性一致。对2种结构中空间电荷特性进行了比较,结果表明纸-油结构中空间电荷的运动速率比纸-纸结构中慢,并且具有更深的陷阱能级。通过分析认为双层介质界面处存在的势垒导致了界面电荷的积聚,其极性由电极的电荷注入、界面的陷阱、电场和介质的电导等因素协同决定;绝缘材料陷阱能级的不同是造成2种绝缘结构空间电荷运动速率不同的因素之一。

直流电场下油纸绝缘介质界面处的空间电荷特性

换流变压器是直流输电系统的核心设备,其油纸复合绝缘结构的空间电荷特性复杂,工程实践表明其对绝缘放电的影响不可忽略,因此针对油纸复合绝缘开展空间电荷特性的研究对换流变绝缘结构设计和运行分析有指导意义。为此,应用电声脉冲(PEA)法研究了电场对双层油浸纸介质中空间电荷特性的影响以及界面处的空间电荷特性。指出在双层油浸纸的界面处将积聚负电荷,无论是极化还是去极化过程,双层油纸介质中的空间电荷的积聚和消散均较缓慢。在较高场强的作用下,阳极电荷注入过程的加强掩盖了阳极附近的电离过程。研究认为双层介质界面势垒是造成介质内部空间电荷运动缓慢的根本原因。而界面处负空间电荷的积聚则由势垒陷阱捕获和界面两侧场强差异导致电导差异两个过程共同决定。

温度梯度对直流电压极性反转过程中瞬态电场的影响

高压电缆运行中由于导体发热而引起绝缘由内到外形成温度梯度。直流电压下温度梯度的存在必然会影响电荷的注入和迁移、加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低绝缘击穿强度,也造成了电缆在断电或电压极性反转时的早期破坏。为此,基于电声脉冲(PEA)法,测量了聚乙烯板状试样在不同温度梯度场、50kV/mm直流电场协同作用下加压和极性反转过程中的空间电荷分布和最大瞬态场强。结果表明:温度梯度场-直流电场协同作用下,最大稳态电场出现在试样低温侧;而温度梯度场-电压极性反转协同作用下,最大瞬态电场却出现在高温侧。

一种纳秒级高压脉冲发生器的研制

电声脉冲法(PEA)是一种目前较为流行的空间电荷分布测量技术,使用该法的一个前提条件是必须产生一个幅值大于400 V、脉宽小于20 ns的高压脉冲。笔者研制了一种纳秒级高压脉冲发生器,利用水银继电器作为开关,贮能电容通过此开关对匹配负载放电,经试验能产生脉冲幅值600 V、脉宽小于10 ns的陡脉冲电压信号。

基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制

研制了基于电声脉冲法(PEA)直接测量聚合物中空间电荷分布的测试装置。首先分析了普通电声脉冲法测量空间电荷的原理和测试系统传递函数,得到了一种基于测试系统传递函数倒数的陡脉冲输入波形,以消除由系统硬件带宽限制而引起的过冲;根据一种线脉冲发生器原理研制的脉冲发生器能产生脉宽8 ns的陡脉冲。通过对压电传感器引出线的特殊设计,减少了因接触气隙而导致的声脉冲色散。最后通过对测试系统的实验和标定,表明该装置能有效去除过冲,并得到样本中的实际电荷密度值,并以此装置实测了聚酰亚胺膜中空间电荷的分布。

温度梯度效应对油纸绝缘材料空间电荷分布特性的影响

针对换流变压器及直流套管中油纸绝缘系统存在的内外温度不同的温度梯度效应对油纸绝缘中空间电荷分布的影响，利用电声脉冲法（PEA）研究了不同温度差下（△θ=0～40℃），在场强分别为10～40kV／mm时单层油纸中空间电荷特性及场强分布。实验结果表明：在各个电压及温度梯度下异极性电荷始终存在，这表明油纸绝缘中的杂质电离在空间电荷积聚中起主要作用。并且随着温度梯度的增大，低温侧异极性电荷越来越多，从而使低温侧的场强畸变越来越大。但是，随着施加场强的升高，低温侧场强畸变率却减小；该研究结果为换流变压器油纸绝缘结构优化设计提供了实验依据。

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲(PEA)法测量了不同热老化程度下试样在直流电场(20 kV/mm)作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明:随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。

空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律及其对电场分布的影响

空间电荷是影响和制约变压器油纸绝缘材料耐电强度,导致其老化和引起绝缘故障的重要因素。对于换流变压器油纸绝缘系统,理解空间电荷对绝缘系统电场分布的畸变尤为重要。为此采用改进的电声脉冲测试系统测试分析了多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷动态迁移特性,运用COMSOL软件对多层油纸绝缘混合体系的电场分布进行了仿真,首次推演了空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律,细致对比研究了空间电荷加入前后对多层油纸绝缘混合体系电场强度分布的影响。结果表明:油隙与油浸纸板交界面处积聚的电荷极性与油浸纸板另一侧积聚的电荷极性相反,根据该2~4层结构油纸绝缘混合体系空间电荷积聚模型,可以推演更多层结构油纸绝缘混合体系的空间电荷积聚行为;考虑空间电荷积聚效应计算所得场强分布与传统基于麦克斯韦尔—瓦格纳方程计算所得的电场分布差异明显,空间电荷的存在明显畸变了油纸绝缘混合体系的电场分布。

不同交联程度交联聚乙烯的空间电荷特征

为研究交联程度对聚乙烯空间电荷特征的影响,选用过氧化二异丙苯为交联剂并以低密度聚乙烯为基料,制备了交联程度不同的交联聚乙烯试样,分别对各试样进行了电荷注入阈值电场强度试验、加压时空间电荷累积试验和去压时空间电荷消散试验。然后以平均电荷密度为特征参量,分析了加压试验和消散试验中的空间电荷分布图谱,获得了交联程度对低密度聚乙烯空间电荷特征的影响。结果表明:交联向聚乙烯中引入了负电荷陷阱,并且增加了较深电荷陷阱的密度;交联能够显著提高聚乙烯的电荷注入阈值电场强度,其中氧化二异丙苯质量分数为3%样品的阈值电场强度最高;交联使得加压时电荷不易注入,而去压后当电场强度较低时电荷主要分布于电极附近,电场强度较高时电荷分布较深。

热老化对纤维素绝缘纸的空间电荷及陷阱特性的影响

为理解变压器用纤维素绝缘纸在其热老化过程中的空间电荷特性演变规律及其影响机制,采用电声脉冲法研究不同老化程度绝缘纸在不同电压等级(30、15和5kV/mm)下的加压和去压后的电荷密度分布规律,分析了绝缘纸热老化程度与其空间电荷特性演变规律间的联系。结果表明:纤维素绝缘纸体内电荷注入量及注入速率与外施电场等级成正比关系。热老化能够降低纤维素绝缘纸空间电荷注入的起始阈值,并减缓绝缘纸体内电荷注入和迁移的速率,从而削弱了体内电荷的复合现象。随着热老化程度的增加,纤维素绝缘纸体内陷阱的分布密度和陷阱能级的深度都将增大,致使材料体内残留电荷不仅总量逐渐增大,而且衰减速率逐渐降低。研究成果为理解热老化对纤维素绝缘纸空间电荷积聚和消散的影响机制提供了理论支撑。

NOMEX合成纤维绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为提升变压器内绝缘水平,延长变压器使用寿命,合成纤维绝缘纸因其优良的介电、机械、热稳定、抗潮等性能而被广泛应用在绝缘介质工程领域。采用电声脉冲(PEA)法测量分析以NOMEX纸为代表的油浸合成纤维绝缘纸在直流电场中的空间电荷注入、积聚、消散时的密度分布特性,并与传统油浸植物纤维素绝缘纸进行对比,结合材料频域介电谱特性研究合成纤维绝缘纸的空间电荷输运特性。结果表明:在直流电场中,合成纤维绝缘纸具有较低的空间电荷注入起始阈值场强,材料内易于注入和积聚空间电荷,去压短路后试样体内积聚电荷消散速率较慢。合成纤维绝缘纸的空间电荷注入、积聚和消散特性与材料微观形貌的本征特性而形成的能级陷阱分布以及介电特性有紧密联系,这些特性在一定意义上有利于抑制空间电荷在介质体内进行输运。

伽马射线对低密度聚乙烯的空间电荷陷阱特征影响

为研究伽马射线辐照后的低密度聚乙烯材料在直流电场作用前后的空间电荷形成和衰减的陷阱特征,在60Co伽马射线的辐照源下得到最大辐照剂量为50 kGy的聚乙烯样品,利用电声脉冲法测量其空间电荷分布,进而提出了一种离散陷阱分布模型来解释射线辐照的空间电荷衰减特征。结果表明:在阴极附近出现异号的正电荷积累并随着辐照剂量增加而增加;分析认为射线辐照后样品出现的异号正电荷是由于材料发生了化学变化(氧化)而导致更深能级陷阱的产生;同时,利用所提出的模型计算了陷阱的能级深度和陷阱密度参数,并分析了它们与辐照氧化的微观机制。由陷阱能级和陷阱密度围成的曲线族变化可作为材料辐照老化的特征参量。

纳米碳化硅/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷分布特性

空间电荷的积聚会引起局部电场的畸变,从而引起局部放电(PD)和电树枝的产生与发展,成为导致聚合物绝缘性能降低的重要因素。针对此问题,采用电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法研究了利用不同偶联剂(包括KH-560偶联剂和A-171偶联剂)进行表面改性后的纳米SiC添加到低密度聚乙烯(LDPE)中所制备得到的SiC/LDPE复合材料的空间电荷分布。实验结果表明,纳米SiC粒子与LDPE本体之间的界面是陷阱的主要来源,添加纳米粒子对同极性电荷的注入具有一定的抑制作用;而偶联剂对陷阱的性质和能级有重要的影响,不同复合材料的空间电荷分布是不同的,KH-560SiC/LDPE复合材料中存在大量正极性亲和性的深陷阱,而A-171SiC/LDPE复合材料中则分布大量正极性亲和性的浅陷阱,从而影响载流子迁移,改变原有LDPE的介电性能。分析认为此现象源于不同偶联剂的分子结构差异,含有不对称侧链和端基的KH-560偶联剂更容易产生深陷阱,而含有烯烃结构的A-171偶联剂则容易产生浅陷阱。