低压开关柜高温局部放电试验

叶 彬

（国网江苏省电力有限公司常州市金坛区供电分公司）

0 引言

低压设备的小型化导致了更小的绝缘距离， 从而减少间隙距离以及增加电场强度。如果平均场强大于1kⅤ/mm， 峰值电压超过700Ⅴ， 按照规定应进行局部放电 （PD） 测量。由于电极布置不均匀， 即使没有超过这些标准， 也可能发生局部放电。此外， 当导体接触非导电物料或绝缘介质时， 亦可能会有表面放电。对于模压在绝缘体内部的导体， 或者与导体直接接触的外壳， 可能会发生内部局部放电。所需的高电场强度发生在导体和绝缘体之间的空腔内或空隙中[1-2］。这些局部放电的来源通常容易获得。

因此， 在这项工作中局部放电的条件是测试在两个基本模型安排不同工作温度的低电压进行。两种布置都在聚四氟乙烯外壳内部， 它们由接地平面和锥形电极组成， 两者之间有绝缘材料样品， 如图1所示。

图1 聚四氟乙烯外壳内绝缘试样

产生两种排列的不同之处在于， 在一种情况下， 不均匀的电极与绝缘材料接触， 因此表现为由电极、 空气和绝缘材料组成的三点。在另一种情况下， 在电极和绝缘材料之间存在气隙， 形成具有气隙的介质护套布置。三点排列还考虑了导电距离的问题， 而带气隙的排列考虑了间隙距离的情况。这两种安排代表了一个典型的设计案例， 其中PD起始条件可以在不同的温度进行。

1 技术分析

低压开关柜高温局部放电试验是对低压开关柜在高温条件下的电气性能进行测试的一种方法。该试验主要通过在高温环境下施加高压电源， 在开关柜内部产生放电， 以检测开关柜内部电气绝缘的性能是否符合要求。

在进行该试验时， 需要注意以下几点： 高温环境的选择： 根据实际使用条件， 选择合适的高温环境进行试验； 试验电压的确定： 试验电压应符合开关柜的额定电压， 同时应满足试验要求； 试验时间的控制： 试验时间应根据实际情况和要求进行确定， 一般建议在4-8h左右； 试验结果的分析： 根据试验结果进行评估和判定，如果发现局部放电异常， 则需要进行修复和再次测试。

本文通过对低压开关柜局部放电测试结果的讨论，提出了测试程序和参数。此外， 首次提出了局部放电特性极限值的假设。

2 测量设置

局部放电测量是在一个电气屏蔽舱内进行的， 其特点是在测试电压变压器和电网之间安装滤波器， 以抑制电网产生的干扰。测试电压变压器产生测试电压， 并连接50Ω 电阻， 以通过电压供应抑制局部放电干扰。此外， 由于电阻的作用， 局部放电的测量信号主要通过测量电容CK和耦合装置K。

其中， CK=1200pf的电容器与局部放电测量系统的耦合阻抗装置K串联， 并与大地相连。与此平行的是一个绝缘材料盘测试的装置 （DUT） 。使用一种厚度为2mm的具有阻燃剂 （PA） 的普通聚酰胺。绝缘材料PA本身是聚四氟乙烯制成的设置， 以确保在实验温度下的不可燃性， 实现大多数均匀的温度分布和不同温度的可比性。图2所示的聚四氟乙烯外壳设置在加热炉中。电极由黄铜制成， 顶点电极的球半径为1mm， 底面电极的直径为25mm， 边缘半径为1mm。整个顶部电极的重量约为270克。

图2 测量电路原理图

加热装置可以设置为150°C的最高温度， 并具有自行开发的衬套[3-5］， 以保证高电压电位接地加热装置没有局部放电干扰。如图3 所示， 所描述的电路符合试验标准。

图3 保温材料PA的相对电容率超温

3 改进模型分析

基于所给出的实验图， 开发了一个增强模型。电极与样品接触， 因此与周围的空气形成三相点。由于固体绝缘相对电容率较高， 电场被转移到空气中， 因此高电场强度处于气隙的三相点。

随着温度的升高， 相对电容率也随之增加。对于这种PA 绝缘材料， 使用自动平衡电桥在10kHz 下电压为5Ⅴ， 如图3， 这已经得到了示例性的证实。但是， 这个相对电容率是针对贮存在64% （±5%） 的条件样本而得出的。湿度和温度21∘C （±2°C） 超过24h。

随着相对电容率的增加， 电场线从固体绝缘移动到三点空气间隙， 在给定电压下增加气相中的电场强度。这个例子如图4所示。

图4 三点电场位移， 相对电容率εr = 1 （左）， εr = 10 （右）

增加的场应力降低了局部放电起始电压。同时， 气体密度也随之降低， 根据上图3 曲线可知，导致介质气体击穿所需的电压降低。采用前人提出的等效压强， 即PE=293P/T， PE是应用上图3 曲线的压强， P 和T 分别是实测压强和温度。因此可得， 0.02mm 间隙击穿所需的电压， 如表1所示。

表1 0.02mm间隙的击穿电压

现在考虑到PRPD 模式， 观察到的局部化也可能是由于相对电容率的变化引起的， 正如前文所提出的， 其中PD 事件的平均相位角随着相对电容率的增加而增加。此外， 表面电荷与施加的电压成正比， 电压降低， 因此也会出现较低的表面电荷， 从而导致局部化模式。此外， 在干燥条件下， 由于相对电容率较低， 起始电压高于自然条件的情况， 如图4 和表2 所示。

表2 局部放电评估

对于有间隙的情况， 起始电压、 测得的最大电荷和局部放电次数基本保持不变。这可以用电晕放电来解释。它们主要取决于电极间隙和电极几何形状。如果达到起始电压， 放电将开始， 但应该保持独立于相对电容率的变化， 因为当固体绝缘距离较远时， 由于空气间隙， 场位移不会引起很大的变化。此外， 近似恒定的PD 数和最大测量的电荷， 如表所示， 负荷推理结果。起始电压也可以给出如下方程。

U1就是间隙中的电压，U施加的电压，s1间距，s2绝缘试样的厚度，εr1空气的相对电容率，εr2绝缘材料的相对电容率， 由此产生的电压在制表1 中给出。可以看出， 在干燥情况下的电压保持相当恒定， 包括增加的间隙距离。

4 局部放电测试分析

对于用低电压器件进行局部放电测试来说， 根据所提供的结果， 有两个标准来判断器件是否通过了局部放电测试。即起始和消失电压， 以及测量的电荷的局部放电。这在表2 中显示。这里假定10pC的局部放电电荷为极限qlimit， 这意味着在测试期间，电荷小于10pC 被视为没有局部放电。在第一种情况下， 当局部放电起始和消失电压至少比最大工作电压Uop 高20%时， 则在工作期间不能开始局部放电， 并且器件已通过。在这种情况下， 最大表面电荷只能低于qlimit， 否则起始电压将低于工作电压。当起始电压和消失电压低于最大工作电压时， 测量的电荷必须即可消失。如果局部放电电荷qmeasured保持在qlimit以下， 该装置可以假定为“通过”， 但当它高于或等于qlimit时， 该装置已经失效。

由于需要人工对老化设备进行长期测量或短期测量， 因此设备中允许的局部放电电荷值的定义很难设置。但是， 在低电压配置的几种情况下， 定义了10pC 作为最大允许电荷的值。在这项工作中已经得到随着温度的升高， 局部放电电荷减少， 所以需要较低的局部放电电荷。因此， 10pC 被认为是一个有效的第一假设。

在室温下， 测试设备将显示有无负面的局部放电行为。但在操作过程中， 温度升高， 可能导致连续局部放电， 从而可能导致设备提前失效。根据电荷的不同， 超过10pC 的连续或重复PD 导致固体绝缘的侵蚀或形成次级效应， 如臭氧。因此， 局部放电测试不仅应包括室温测量， 而且还应包括较高工作温度下的测量， 因为它们可以大大降低起始电压。在这里， 测量结果为75°C 和100°C， 但数值可根据待测设备和操作温度进行调整。

此外， 根据这里给出的结果， 使用“自然条件”样品进行测试， 显示了较低的起始电压。与此同时， “自然条件”样品在操作过程中比“干燥”条件下更有可能出现低起始电压。此外， 在较高的温度下， “干燥”和“自然条件”情况的行为和数值变得相似。

5 结束语

本文提出了在不同温度下进行PD 测试的装置，代表了固体绝缘常见的两种基本布置。一种是与两个电极直接接触的绝缘介质； 另一种是额外的气隙。用于测量的绝缘介质是一种常用的具有阻燃剂的聚酰胺， 已经在两种不同的条件下进行了研究。它在“干燥条件”（<10%相对湿度超过24 小时） 和“自然条件”分别储存， 没有任何特殊处理。PD 测量显示， 在两种条件下 （干燥和自然条件）， 直接接触布置的起始电压随着温度的升高而降低。起始电压甚至低于低压开关设备的工作电压， 从而允许在正常操作期间启动连续的局部放电。由于电极和绝缘材料之间只有一个气隙， 起始电压在温度范围内保持相当恒定， 并且明显高于工作电压。

基于这两个结果， 提出了一个改进模型来解释观得到的现象。对于气隙， 可以假设电晕放电， 而对于导体和绝缘材料的直接接触， 可以假设放电起源于固体绝缘、 空气和电极的三相点。

随后， 对低压器件的PD 试验提出了以下建议：由于局部放电的起始电压和消失电压取决于温度，所以局部放电试验应在室温和工作温度下进行。

局部放电起始定义的局部放电电荷必须推导出来； 结果表明在起始条件下该值为10pC。

PD 测试在进行之前不需要进行条件调节， “条件调节”意味着在规定的环境条件下（如湿度和温度） 存储， 根据文献和本文研究所的结果， 推荐PD电荷的极限值， 但应该进行进一步的测量， 特别是使用电老化设备， 以确定相关的PD 电荷和限值。