全膜脉冲电容器局部放电试验研究

关键词：脉冲电容器 局部放电 放电次数

1　引言

　　随着工作时间的加长，电容器的绝缘逐渐劣化，并最终以绝缘击穿而告寿命结束。对电容器绝缘特性的变化，可以通过测量其电气参数来进行判断。产生局部放电的条件取决于绝缘装置中电场分布及绝缘材料的电气物理性能。因此，测定局部放电的特性，就可能评价不同结构设计、制造工艺的脉冲电容器绝缘质量，揭示其缺陷，甚至可能用局部放电特性试验结果为基础，确定绝缘介质的工作场强，预测电容器的寿命。
　　 脉冲电容器中介质的工作场强高于交流工作条件下的同样的电容器。由于浸渍剂承受的场强低于绝缘膜，故有可能在层间、局部电场集中处及某些残存气泡的地方出现局部放电。局部放电处的辐射、发热、化学作用等会逐步损坏绝级，导致绝缘缓慢劣化直至击穿。
　　长期以来，绝大多数电气设备均运行在工频交流电压下，局部放电研究也针对交流电压工作条件进行，直流条件下局部放电的研究进行得很少^［1］。由于脉冲电容器的工作条件随用途而变化，故无统一的试验标准。作者对全膜脉冲电容器进行了大量的局部放电试验研究，试图找出局部放电参数与寿命、击穿电压等电容器特性之间的关系。

2　PD检测试验方法

　 　工频高压设备中出现的局部放电，往往发生在交流电压一定的相位范围内。脉冲电容器以充一放电的方式工作，并不存在与交流电压对应的特定相位；相反，考虑到充电持　　续阶段的特点，以直流高压施加于电容器，然后测量其局部放电更接近实际。因此，对脉冲电容器局部放电的测量，作者选择在直流电压下进行，采用电检测法^［2］。
　 　图1是试验装置主回路接线及检测系统原理框图，低压侧电压经隔离变压器、滤波器
和稳压电源供电。电流传感器CT接在试品C_X的接地侧。检测系统刻度因素的确定方法仍采用交流电压试验标准中的规定方法（即在试品的端子间注入电荷）。整套装置在试验电压范围内测得的干扰水平为8～10pC。

T₁-调压器  T₂-隔离变压器  T₃-高压试验变压器  R-限流电阻
D-硅堆  CT-电流传感器  C_K耦合电容  C_X-试品

　　试品电容器的结构如下：三层15μm双面粗化聚丙烯薄膜，电极为铝箔，浸渍剂为S油。元件压紧系数分别为0．78、0．81、0．84、0．86四种，单个试品元件电容量0．63μF。
    试验中选择记录如下PD参数：
　　 （1）第一次出现大于规定的PD量Q₀时的外加直流电压值U₁。受试验装置的干扰水平限制，试验中取Q₀＝10pC。
　　 （2）规定时间内的放电次数N_t（t的单位为min）。指在一定的直流电压作用下，规定时间t内，放电量大于Q₀的次数。N_t的多少取决于介质中PD过程及电场恢复过程，此参数与绝缘的性能密切相关，该值越小越好。
　　 （3）自行放电时，规定时间内（1min）PD次数N₀。指元件加压到规定值时断开充电电源，电容器自行放电时在规定时间内大于Q₀的放电次数。若电容器元件的泄漏电阻较小，则自行放电速度加快，电容器两端电压下降变快将导致N₀减小。
　　 （4）视在放电量的最大值Q_m。指在规定时间内，试品PD视在放电量的最大值。
试验方法为：按500V／s的速度升压到规定值，稳定一段时间（0～10min）后，电容器自行放电（1～2min），最后经大电阻释放全部电荷。

3　试验结果

3．1　PD参数的重复性试验

　　 通过对同一试品的多次重复试验来检测测量参数的重复性。每次试验时对电容器元件升到规定电压值后，让电容器自行放电2min，再经大电阻值接地。试验中记录U₁、N₀及Q_m。试验结果表明，元件第一次出现明显的局部放电几乎都是在升压过程中出现。究其原因，可能因为在变化的电压作用下，电容元件介质中PP膜、S油或空隙杂质等承受电压是按介电常数分配的，油和气隙承受的电场强度较高，而空气及油的击穿场强低于PP膜。
　　 试验得到如下结果：在稳定电压U≤11kV时，被试元件每次测量的PD参数U₁、N₀及Q_m均在一定的范围内，测量参数分散性较小，因此可以用这些参数反映电容器元件的PD特性。而当U＞11kV时，由于绝缘性能可能受到损伤，PD特性越来越差，PD参数的分散性较大。

3．2　不同寿命的电容器的PD检测对比试验

    选择了两组电容器试品进行PD试验：一组为在一定电压（充电电压15kV）进行过重复充放电试验1000次的元件，另一组是未做过寿命试验的元件。目的是通过PD试验，找出两者PD参数的差距。对比试验的方法为：升压后自行放电1min，期间测PD参数。试验结果如表1所示。表中N₁表示稳定电压作用下第一分钟内PD电荷量大于Q₀的次数。

　　从表1可以看出，经过寿命试验的绝缘已有不同程度老化的试品与未经寿命试验的试品的PD检测有以下差别：
　　 （1）老化了的试品的U₁（平均4kV）远小于未经试验的元件的U₁（平均7kV）。第一次PD都是在升压过程中出现，而老化了的试品的重复充放电试验后，经强电场、大电流的作用，试品绝缘材料被劣化，膜及油中出现炭化微粒或产生的气泡增多，在升压的过程中气泡、杂质中易出现PD造成U₁下降。可见，用U₁的大小能反映出同样结构的绝缘的优劣。
　　 （2）老化了的试品的N₁通常都大于N₀，且N₀接近于0；而未经验的试品的N₁与N₀无明显差别。

　　表2为多个试品的在外加稳定电压4min的条件下测得的PD参数的统计结果电压U₁取3个范围，表中N₄表示稳定加压后第4min内PD量大于Q₀的次数。

    （3）元件出现大量PD时临界电压的确定。
　　 试验情况表明，随着外加直流电压的升高，试品出现PD的次数及放电量都会增加。重复充放电试验结果证实，当电容器元件在稳定直流电压作用阶段，每分钟出现大于10pC的PD量达到30次以上时，脉冲电容器运行在这种状态下时将加快绝缘劣化，寿命大为下降。设出现大量PD时的最小外加稳定直流电压为临界电压U_PD，确定脉冲电容器局部放电试验的U_PD值对电容器结构参数的设计很有价值。
　　 图3为U_PD与t的关系曲线。由图可以看出，随着t的上升，U_PD迅速减小。而当外加电压低于9kV时，即使t＞10min试品也不会出现大量的PD。
　　 由于U_PD与加压时间t密切相关，因此，需要选择一个稳定加压时间的U_PD。图4是对20个试品在稳定加压条件下，记录的第四分钟内出现大量PD的概率。当外加电压达到12kV，大量PD出现的概率为47％。此时的电压小于电容器击穿电压，对电容器绝缘不造成损伤。若设定此时对应外加电压为临界电压，则该批试品的平均U_PD可选10～12kV范围，试验时加压时间可选4min左右。　　　

4　结论

　　 （1）脉冲电容器元件的PD特性可用出现第一次大于规定PD量时的外加直流电压值U₁、规定直流电压下规定时间内放电次数N_t、自行放电时间内的N₀及最大视在放电量Q₀等参数来表征。
　　 （2）绝缘性能良好的电容器的U₁值较高，且N_t较小，并有N_t≈N₀的现象，寿命也比较长。可以据此判断脉冲电容器元件的绝缘性能优劣。
　　 （3）根据寿命试验结果及PD试验结果，选择合适的试验电压U_PD，在该电压作用下，出现次数有限的PD，测量该电压下固定时间内局部放电的电量和次数，有助于判别绝　　缘的优劣。

参考文献：