陳　曦,王　悠，江天炎，畢茂強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶　401121；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司，重慶　402760；

3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司，重慶　401336)

Study on the Mechanism of Surface Discharge in Oil Paper InsulationCHEN Xi1,WANG You2,JIANG Tianyan3,BI Maoqiang1

(1.State Grid Chongqing Electric Power Company Electric Power Research Institute，Chongqing 401121,China;

2. State Grid Chongqing Bishan Power Supply Company, Chongqing 402760,China;

3. State Grid Chongqing Nanan Power Supply Company, Chongqing 401336,China)

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油紙絕緣沿面放電及發(fā)展機(jī)理

陳曦1,王悠2，江天炎3，畢茂強(qiáng)1

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401121；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司，重慶402760；

3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司，重慶401336)

Study on the Mechanism of Surface Discharge in Oil Paper InsulationCHEN Xi1,WANG You2,JIANG Tianyan3,BI Maoqiang1

0引言

油紙絕緣作為目前電氣設(shè)備采用的最主要的絕緣方式，其絕緣性能的下降程度是決定變壓器壽命的主要因素。因制造、運(yùn)輸和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的局部缺陷在運(yùn)行電壓的作用下加速絕緣系統(tǒng)老化，常常成為變壓器絕緣事故的主要誘因。常見(jiàn)的局部缺陷有由于不完全浸漬、高濕度的紙、油的過(guò)飽和，或空腔造成的充氣空腔內(nèi)部放電；金屬尖端之間或尖端對(duì)平板電極的油中電暈放電；沖片棱角對(duì)絕緣紙的滑閃放電等[1-2]。目前，研究學(xué)者對(duì)于局部放電的研究主要集中于電信號(hào)的監(jiān)測(cè)與提取，以及放電信號(hào)處理方法[3-7]。然而，對(duì)于液體介質(zhì)特別是工程復(fù)合絕緣介質(zhì)中局部放電物理過(guò)程的研究甚少。一是因?yàn)橐后w介質(zhì)中的放電產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程比氣體放電更為復(fù)雜，放電理論尚不完善；二是已有文獻(xiàn)關(guān)于局部放電發(fā)展機(jī)理的描述一般是基于氣隙放電模型[8-12]，對(duì)于同樣常見(jiàn)的沿面放電和電暈放電的機(jī)理的研究卻少有涉及。因此，論文對(duì)油紙絕緣沿面放電開(kāi)展了機(jī)理分析和仿真研究。

文獻(xiàn)[13]將氣體中沿面放電發(fā)展的物理過(guò)程分為3個(gè)階段——起始放電、放電發(fā)展及擊穿。然而，由于環(huán)境條件的不同，研究學(xué)者對(duì)于其發(fā)展機(jī)理有不同的解釋[13-22]。液體介質(zhì)中的放電過(guò)程則更為復(fù)雜，它包括電、熱及機(jī)械應(yīng)力在內(nèi)的共同作用[12, 23]。近年來(lái)發(fā)展的液體流注理論表明，由于影響因素的不同，液體介質(zhì)中的流注發(fā)展過(guò)程和擊穿特性會(huì)大不相同。影響的因素包括電極形狀、加壓類(lèi)型、液體屬性及純度、溫度和流體靜壓力等[23-26]。論文結(jié)合氣體介質(zhì)中的沿面放電理論以及液體流注理論對(duì)交流耐壓下的油紙絕緣沿面放電的物理過(guò)程進(jìn)行了分析。文章認(rèn)為在高純度的油中，局部高場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致的電子發(fā)射是導(dǎo)致該絕緣系統(tǒng)初始放電形成的主要原因。在沿面放電的發(fā)展過(guò)程中，由于電、熱和機(jī)械應(yīng)力的作用下，油紙絕緣系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生微小的氣泡。在外加電場(chǎng)的作用下，這些微小的氣泡會(huì)導(dǎo)致液體中的空間電場(chǎng)發(fā)生畸變。電場(chǎng)畸變?cè)斐傻哪芰糠植疾痪鶆蛴謺?huì)促進(jìn)更多的氣泡產(chǎn)生，最終導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生。

借助于有限元仿真分析軟件COMSOL Multiphysics，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，本文建立了相應(yīng)的仿真物理模型對(duì)其電場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，并研究了微小氣泡等環(huán)境因素對(duì)于沿面放電發(fā)展過(guò)程的影響。仿真結(jié)果表明柱電極與油紙絕緣交界處的三角形區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該系統(tǒng)其它區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)，約為紙板中間區(qū)域承受場(chǎng)強(qiáng)的3倍。因此該區(qū)域的高場(chǎng)強(qiáng)可能導(dǎo)致初始電子的發(fā)射。此外，仿真結(jié)果還表明微小氣泡的存在對(duì)于電場(chǎng)分布有很強(qiáng)的畸變作用，很可能是導(dǎo)致油紙絕緣沿面放電發(fā)展甚至擊穿的主要原因。

1油中沿面放電機(jī)理

1.1初始電子的產(chǎn)生

目前，氣體放電過(guò)程中初始電子的產(chǎn)生機(jī)理已經(jīng)研究得較為清楚，而液體介質(zhì)中的機(jī)理研究尚不完善。液體放電中初始電子產(chǎn)生的解釋主要有兩種：一是當(dāng)液體中氣泡含量較大時(shí)，由于氣泡介電常數(shù)相對(duì)較小，電場(chǎng)導(dǎo)致氣泡和液體的交界面上場(chǎng)強(qiáng)集中發(fā)射出初始電子[23,24]；二是與氣體放電理論類(lèi)似，由于液體系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)所致，局部高場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致的電子發(fā)射[25,26]。針對(duì)高純度的變壓器油紙絕緣系統(tǒng)，一般認(rèn)為第二種理論較為適用。沿面放電模型中高壓電極和油紙絕緣交界處的三角形區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)最高，最容易發(fā)射出初始電子。

1.2氣體中的沿面放電發(fā)展機(jī)理

氣體沿面放電發(fā)展過(guò)程中，自由電子的傳播可能分為3種方式[13]：① 二次發(fā)射電子崩(SEEA)過(guò)程；② 電子撞擊陰極表面引起電子發(fā)射，形成局部電子小瀑布；③ 電子與固體絕緣表面完全彈性碰撞。分別由上至下依次如圖1所示?；赟EEA，初始電子產(chǎn)生以后，在電場(chǎng)的作用下加速對(duì)固體絕緣表面進(jìn)行撞擊，釋放出多個(gè)電子并沿著絕緣表面移動(dòng)。然后部分二次撞擊產(chǎn)生的電子再次撞擊絕緣表面，再次釋放電子。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，循環(huán)往復(fù)，最終導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生?；谠摍C(jī)理，沿面放電的發(fā)展過(guò)程不是瞬時(shí)完成的，一般來(lái)說(shuō)適用于解釋微秒級(jí)而不是納秒級(jí)的沿面放電。

圖1　經(jīng)典理論中沿面放電的發(fā)展路徑

Anderson 和 Brainard通過(guò)其研究認(rèn)為固體絕緣表面吸附的氣體分子對(duì)于沿面放電的發(fā)展有重要作用[14]。他們提出基于SEEA理論，電子轟擊固體絕緣表面，釋放出固體絕緣層中吸附的氣體分子，并形成局部極化的氣泡云。在電場(chǎng)的作用下，帶正電荷的氣泡進(jìn)一步加強(qiáng)空間電場(chǎng)的分布，直至擊穿瞬時(shí)發(fā)生。Cross[19]認(rèn)為由于電子轟擊釋放出的氣體分子形成極性氣體分子小橋，貫穿陰極和陽(yáng)極，將導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生。

并非所有理論都認(rèn)為SEEA是沿面放電發(fā)展的決定性因素，Avdienko 和 Malev 就認(rèn)為在薄的固體絕緣層的情況下，由于局部電流的熱效應(yīng)導(dǎo)致固體絕緣局部熱擊穿，進(jìn)而降低整體的電阻率(ρ<1 012 Ωcm)[20]。但是，我們可以看到，該理論成立的前提條件是外加電壓脈沖時(shí)間不能太長(zhǎng)也不能太短。太短則熱效應(yīng)效果不明顯，太長(zhǎng)將會(huì)直接導(dǎo)致固體絕緣熱擊穿。

Jaitly和Sudarshan[21]等認(rèn)為沿面放電過(guò)程中的等離子體現(xiàn)象和空間電場(chǎng)畸變對(duì)于放電的發(fā)展有重要影響。

1.3油紙絕緣沿面放電機(jī)理

如同前一節(jié)所述，氣體中的沿面放電機(jī)理認(rèn)為SEEA過(guò)程以及釋放出的固體絕緣層中附著的氣體分子是影響放電發(fā)展的主要因素。然而試圖基于該機(jī)理解釋液體介質(zhì)中的放電現(xiàn)象時(shí)，則出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題：一是液體介質(zhì)密度一般較大(一般是氣體的106倍左右)，在自由電子的傳播過(guò)程中，電子碰撞率很高而平均自由行程很短，極有可能導(dǎo)致碰撞能量不足以導(dǎo)致電子崩的形成。二是液體介質(zhì)中的固體絕緣并未直接跟空氣接觸，其吸附的是何種氣體，并且氣泡如何產(chǎn)生？

借助于近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的流注理論對(duì)油紙絕緣沿面放電電子崩的形成過(guò)程解釋如下。初始放電在場(chǎng)強(qiáng)集中的區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)使得油局部汽化，形成局部密度較低的區(qū)域。由于能量遷移的連續(xù)性導(dǎo)致放電通道和裂痕的形成(Fowler-Nordheim 原理及隧道理論)[22]。一方面，當(dāng)局部密度一定程度降低的時(shí)候，該區(qū)域的碰撞電離率下降，平均自由行程增加，自由電子在電場(chǎng)加速下獲得的能量較高，從而導(dǎo)致局部電子崩的形成。另一方面，由于密度發(fā)生變化，局部區(qū)域介電常數(shù)降低，使得場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步增加，提高電子崩形成的可能性。

在液體中流注發(fā)展的定量計(jì)算的研究中，主要有場(chǎng)致液體分子電離和場(chǎng)致離子理解兩種理論。離子離解后的產(chǎn)物為正離子和負(fù)離子，由于兩者質(zhì)量都很大，漂移速度慢，從而較難形成流注。而在場(chǎng)致液體分子電離過(guò)程中，極高的場(chǎng)強(qiáng)將分子中的自由電子拖離出來(lái)，留下正離子。分子電離以后形成的自由電子由于質(zhì)量小，漂移速度快，因此會(huì)導(dǎo)致液體中形成明顯的網(wǎng)狀空間電荷密度分布[27]。目前的液體分子電離模型仍然基于Zener的固體介質(zhì)電子隧道理論[28]，公式如下：

(1)

但是由于公式中的相關(guān)參數(shù)在變壓器油中的值尚未確定，所以對(duì)場(chǎng)致電子發(fā)射的微觀計(jì)算還有一定難度。

變壓器油中微氣泡一般有3種來(lái)源：①液體介質(zhì)的呼吸作用，主要?dú)怏w成分為空氣；②局部電場(chǎng)集中導(dǎo)致的過(guò)熱是液體分子汽化；③局部缺陷產(chǎn)生的電動(dòng)力和熱效應(yīng)導(dǎo)致液體分子斷鍵，形成低碳有機(jī)化合物，主要?dú)怏w成分為甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等[29-30]。在強(qiáng)場(chǎng)作用下，油與微氣泡交界面上場(chǎng)致電子發(fā)射，電子進(jìn)一步轟擊固體絕緣層表面，釋放出更多的微氣泡，促使沿面放電發(fā)展直至擊穿。

2油紙絕緣沿面放電物理模型及有限元分析

2.1礦物油

礦物油因具有良好的滅弧、傳熱和氧化安定性等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于電力變壓器中，因此礦物油也稱(chēng)為變壓器油。礦物油由原油精煉而成，是天然碳?xì)湓亟M成的烴類(lèi)化合物。原油中烴類(lèi)的主要成分是烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴[31]。不同廠家不同型號(hào)的變壓器油的屬性參數(shù)有所不同，本文研究以國(guó)內(nèi)變壓器使用較廣的25#變壓器油為例，其基本參數(shù)如表1所示(50Hz,60℃)。

表1　變壓器油基本物理參數(shù)

需要說(shuō)明的是，油中水分和油中溶解氣體含量均是影響變壓器油的老化速度和絕緣性能的重要指標(biāo)，運(yùn)行中的變壓器油在不同的老化階段其溶解水分和氣體的含量差異較大。本文研究對(duì)象為不含水分、灰塵和纖維等雜質(zhì)的純凈油，由于氣體會(huì)或多或少地溶解于油中，本文在分析機(jī)理的過(guò)程中，先分析不含氣體的純凈油，然后討論微氣泡對(duì)于沿面放電發(fā)展過(guò)程的影響。

2.2絕緣紙

絕緣紙/板等是以木漿為原料，經(jīng)未酸化的硫酸鹽浸漬而成，其主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等[32]。在工頻電壓下，20℃時(shí)，纖維素的相對(duì)介電系數(shù)為6.5。在變壓器的油紙絕緣結(jié)構(gòu)中，絕緣紙的相對(duì)介電系數(shù)是指油浸紙復(fù)合體的相對(duì)介電系數(shù)，它與絕緣紙的吸油率有關(guān)。此外，研究表明油浸絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)與溫度、濕度和加壓頻率由密切關(guān)系，本文選取在50Hz,60℃條件下的浸漬紙作為研究對(duì)象，其相對(duì)介電系數(shù)在2.2～4.0之間，良好浸泡的情況下為3.0左右。電導(dǎo)率約為10-14S·m-1。

2.3沿面放電物理模型

根據(jù)CMII (CIGRE Method II)電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸[33-35]，本文建立了沿面放電的仿真柱板模型，如圖2所示：電極是由20mm(直徑)×45mm (厚度)的高壓電極和一塊60mm(直徑)×10mm(厚度)的地電極構(gòu)成，電極材料為黃銅，具有良好的導(dǎo)電性；兩電極之間為絕緣紙板，厚度1mm，直徑80mm。電導(dǎo)率約為10-14S·m-1，相對(duì)介電系數(shù)3.0；電極模型浸泡于變壓器油中，變壓器油參數(shù)如表1所示。

圖2　油紙絕緣沿面放電仿真模型

2.4有限元方法求解電場(chǎng)分布

電場(chǎng)求解首先應(yīng)該確定的是求解模型屬于靜電場(chǎng)還是時(shí)變電場(chǎng)。通過(guò)電荷弛豫時(shí)間公式：

(2)

式中：ε是傳播介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù);σ是介質(zhì)的相對(duì)電導(dǎo)率;τ是弛豫時(shí)間常數(shù)。計(jì)算可知τ的數(shù)量積在1 012～1 014 s之間，對(duì)于工頻周期來(lái)說(shuō)τ?t,因此該電場(chǎng)分布求解問(wèn)題屬于靜電場(chǎng)分布問(wèn)題。

在靜電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)路積分恒等于零，說(shuō)明靜電場(chǎng)是一個(gè)守恒場(chǎng)。不管在常規(guī)中媒質(zhì)如何分布，只要是靜電場(chǎng)都存在這一關(guān)系。這是因?yàn)閳?chǎng)中有介質(zhì)存在時(shí)，可以用極化電荷來(lái)考慮其附加作用。極化電荷與自由電荷一樣，都能產(chǎn)生電場(chǎng)。積分形式的靜電場(chǎng)基本方程為

(3)

(4)

通過(guò)微分形式的靜電場(chǎng)基本方程，可以推導(dǎo)出同一均勻介質(zhì)中的泊松方程：

(5)

當(dāng)空間無(wú)電荷分布，即空間電荷密度ε=0時(shí)，導(dǎo)出拉普拉斯方程：

(6)

靜電場(chǎng)能量泛函為

(7)

由于泊松方程為二階非線性偏微分方程，對(duì)求解區(qū)間的連續(xù)性要求較高(二階連續(xù))，當(dāng)采用數(shù)值解法時(shí)，受剖分密度、邊界條件和邊界點(diǎn)條件的影響，當(dāng)出現(xiàn)奇點(diǎn)時(shí)二階函數(shù)不連續(xù)，產(chǎn)生的系數(shù)矩陣是病態(tài)矩陣，收斂速度慢甚至不收斂，此時(shí)，利用泛函定理，將微分方程轉(zhuǎn)換為求其等效積分形式的極值問(wèn)題，對(duì)偏微分方程進(jìn)行分步積分，降低變量的階數(shù)，從而可以將二階連續(xù)性要求變?yōu)橐浑A連續(xù)，求解矩陣便轉(zhuǎn)換為精確的雅可比矩陣，收斂效果較為理想[18]。同時(shí)由于弱解形式等價(jià)于泛函的變分，得到的剛度矩陣對(duì)稱(chēng)，給求解帶來(lái)方便，所以本文基于有限元軟件，利用微分方程的弱解形式對(duì)二維物理模型的泊松方程求解。

求解該微分方程還需要設(shè)定邊界條件，邊界條件方程組為

(8)

式中：n2是介質(zhì)2的法向矢量；E1、D1、E2、D2分別是介質(zhì)1和介質(zhì)2的場(chǎng)強(qiáng)及電位移矢量；ρs為面電荷矢量。

3仿真結(jié)果及討論

3.1交流電壓下沿面模型電場(chǎng)分布

由于沿面放電起始電壓并無(wú)相應(yīng)的公式計(jì)算，大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。相似結(jié)構(gòu)的沿面放電實(shí)驗(yàn)起始電壓在13～18kV之間[2,35]。本文對(duì)仿真模型中高壓電極施加15kV的工頻電壓。其電場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3　沿面放電模型等位線分布

從圖3我們可以看到高壓柱電極模型與絕緣板及變壓器油交界區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)最為集中。進(jìn)一步對(duì)圖3的黑框區(qū)域做場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。絕緣紙板上表面在交流電壓作用下的場(chǎng)強(qiáng)分布示于圖5。對(duì)比以上兩圖我們發(fā)現(xiàn)柱電極與油紙絕緣交界處的三角形區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)最高，達(dá)27kV/mm，是紙板中部承受場(chǎng)強(qiáng)的3倍左右。因此，在無(wú)雜質(zhì)氣泡的理想情況下，高場(chǎng)強(qiáng)將導(dǎo)致該區(qū)域釋放出初始電子。該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[36]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。此外，通過(guò)計(jì)算不同外施電壓情況下模型最高場(chǎng)強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)在無(wú)雜質(zhì)的理想條件下沿面模型的最高場(chǎng)強(qiáng)Emax與外加電壓Vapplied為線性關(guān)系，如圖6所示。

圖4　三角形區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)分布(單位：kV/mm)

圖5　絕緣紙板電場(chǎng)分布圖

圖6　模型最高場(chǎng)強(qiáng)與外加電壓關(guān)系圖

3.2微氣泡對(duì)電場(chǎng)分布的影響

從第一章的分析可知，無(wú)論是在液體介質(zhì)還是氣體介質(zhì)中，微氣泡的產(chǎn)生和存在對(duì)沿面放電的發(fā)展并導(dǎo)致最后擊穿有著重要影響。

本文以空氣為例，研究了空氣微小氣泡對(duì)于局部電場(chǎng)的畸變作用，如圖7所示。因?yàn)闅馀莸慕殡姵?shù)小于油的介電常數(shù)，依據(jù)電通量守恒，所以氣泡的場(chǎng)強(qiáng)高于其周?chē)儔浩饔偷膱?chǎng)強(qiáng)。圖3和圖4對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)最大值為36.95kV/mm,集中在氣泡的外表面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30kV/cm，因此所加場(chǎng)強(qiáng)足以導(dǎo)致空氣隙自持放電，瞬時(shí)擊穿。同時(shí)釋放出能量極高的自由電子，撞擊油分子或者與其相鄰的氣體分子，進(jìn)一步促使流注的發(fā)生。此外，通過(guò)研究氣泡直徑與模型最高場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣泡越小，場(chǎng)強(qiáng)越高，如圖8所示。

圖7　微氣泡電場(chǎng)畸變(單位：kV/mm)

圖8　氣泡直徑與最高場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系圖

3.3其他影響因素

3.3.1流體靜壓

從上節(jié)分析可知，氣泡的存在對(duì)于電場(chǎng)有極強(qiáng)的畸變作用。類(lèi)似于氣壓與氣體放電的巴申定律曲線，可知液體中的靜壓對(duì)液體介質(zhì)中的放電發(fā)展也有類(lèi)似的關(guān)系。隨著液體靜壓的增大，氣泡直徑一般較小，如圖8所示，其承受場(chǎng)強(qiáng)增加，更容易導(dǎo)致電子發(fā)射；然而液體靜壓的增大也會(huì)降低電子崩發(fā)展的距離，從而使得單位體積的自由電子數(shù)量不能達(dá)到流注產(chǎn)生所需的108數(shù)量級(jí)，流注發(fā)展較為困難，宏觀上表現(xiàn)為流注速度降低。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[37]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因此對(duì)于沿面放電發(fā)展過(guò)程中的氣泡大小，氣體成分與放電發(fā)展特性的關(guān)系還有待研究。

3.3.2雜質(zhì)

由于變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在工程應(yīng)用時(shí)，或多或少得會(huì)存在如鐵屑、木屑等固體雜質(zhì)，當(dāng)這些雜質(zhì)散落在絕緣紙表面時(shí)，由于其電導(dǎo)率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油紙絕緣的電導(dǎo)率，在電場(chǎng)的作用下，會(huì)更容易形成提供導(dǎo)電通路的雜質(zhì)小橋，加速擊穿的形成。

3.3.3其他因素

在液體流注形成的過(guò)程中，會(huì)形成網(wǎng)狀空間電荷[33]。空間電荷將削弱外加電場(chǎng)的影響，計(jì)算公式如式(9)：

(9)

式中：Ei，induced表示第i個(gè)空間電荷層產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)；Eapplied為外加電場(chǎng)；Em為位于第m個(gè)空間電荷層外側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

此外，溫度升高不僅會(huì)改變絕緣系統(tǒng)的電氣特性而且能夠催化微氣泡的產(chǎn)生，紙板上的毛刺會(huì)造成局部場(chǎng)強(qiáng)集中等等，這些都是影響沿面放電發(fā)展的因素。

4結(jié)論

論文基于氣體沿面放電及液體流注理論，對(duì)油紙絕緣沿面放電發(fā)展機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了仿真物理模型，并對(duì)該模型的電場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，還考察了微氣泡產(chǎn)生及其他影響因素對(duì)于沿面放電發(fā)展的作用，得出如下結(jié)論：

① 由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，油紙絕緣沿面放電模型的高壓電極與油紙絕緣交界面處的三角形區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)最高，約為絕緣紙板受到場(chǎng)強(qiáng)的3倍。在高純度的變壓器油中，該區(qū)域的高場(chǎng)強(qiáng)極有可能導(dǎo)致初始電子發(fā)射；

② 在沿面放電的發(fā)展過(guò)程中，由于電、熱和機(jī)械應(yīng)力的作用下，油紙絕緣系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生微小的氣泡。在外加電場(chǎng)的作用下，這些微小的氣泡會(huì)導(dǎo)致液體中的空間電場(chǎng)發(fā)生畸變。電場(chǎng)畸變?cè)斐傻哪芰糠植疾痪鶆蛴謺?huì)促進(jìn)更多的氣泡產(chǎn)生，最終導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生；

③ 氣泡直徑變小會(huì)提高油紙絕緣沿面放電模型的最高場(chǎng)強(qiáng)，但是過(guò)小的氣泡會(huì)降低單位體積的自由電子數(shù)量，從而阻礙流注的發(fā)展。這也說(shuō)明油中靜壓與其沿面放電發(fā)展有類(lèi)似氣體中巴申定律曲線的關(guān)系。

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(責(zé)任編輯：林海文)

(1.State Grid Chongqing Electric Power Company Electric Power Research Institute，Chongqing 401121,China;

2. State Grid Chongqing Bishan Power Supply Company, Chongqing 402760,China;

3. State Grid Chongqing Nanan Power Supply Company, Chongqing 401336,China)

摘要：相對(duì)于氣體介質(zhì)放電理論，對(duì)工程復(fù)合絕緣介質(zhì)放電物理過(guò)程的機(jī)理研究甚少。論文對(duì)交流耐壓下的油紙絕緣沿面放電進(jìn)行了機(jī)理分析和仿真研究。基于氣體中沿面放電和液體中流注理論，論文認(rèn)為沿面放電缺陷模型中的高壓電極與油紙絕緣交界面處的三角形區(qū)域的高場(chǎng)強(qiáng)將導(dǎo)致初始電子發(fā)射。在沿面放電的發(fā)展過(guò)程中，由于電、熱和機(jī)械應(yīng)力的作用下，油紙絕緣系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生微小的氣泡。在外加電場(chǎng)的作用下，微小氣泡導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變以及氣泡中的電子崩可能是導(dǎo)致沿面放電發(fā)展甚至擊穿的主要原因。通過(guò)COMSOL有限元分析軟件，建立了基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆抡嫖锢砟Ｐ?，?duì)其電場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，并研究了微小氣泡等環(huán)境因素對(duì)于沿面放電發(fā)展過(guò)程的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述機(jī)理分析的正確性。

關(guān)鍵詞：油紙絕緣；沿面放電；機(jī)理；物理模型；有限元

Abstract：The researches on mechanism of discharges in composite insulation dielectrics are less mature than that in gases dielectrics. In this paper, the theoretical analysis and simulation study on surface discharge in oil paper insulation under AC voltage is proposed. Based on streamer theory in liquids and surface discharge process in gas, the high field density in tri-angle area of interface between high voltage polar and oil paper insulation in defect model of surface discharge can lead to initial electron emission. During physical process of surface discharge, little air bubble will be produced in oil paper insulation system under electrical, thermal and mechanical stress effects. Influencing by external electric field, electric field distortion caused by little air bubble and the electron avalanche in air bubble are the main reason that lead to the development of surface discharge and breakdown. Then the physical model based on real experiment model is built by using COMSOL finite element analysis software, the electric field distribution is determined, and such environment factors as little air bubble that influence the development process of surface discharge are analyzed. In the end, the correctness of above mechanism analysis is verified by simulation results.

Keywords：oil paper insulation; surface discharge; mechanism; physical model; finite element method

作者簡(jiǎn)介：陳曦(1986—)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化，E-mail:cquchenx@gmail.com。

收稿日期：2014-08-14

文章編號(hào)：1007-2322(2015)03-0088-07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM211