楊 鑫 李衛(wèi)國 魏 斌 張宏杰 丘 明

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410114 2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206 3.中國電力科學(xué)研究院超導(dǎo)電力研究所 北京 100192)

G/E在液氮和變壓器油中的雷電沖擊沿面閃絡(luò)特性對比

楊 鑫1李衛(wèi)國2魏 斌3張宏杰3丘 明3

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410114 2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206 3.中國電力科學(xué)研究院超導(dǎo)電力研究所 北京 100192)

隨著超導(dǎo)電力裝置電壓等級的提高，研究液氮中沿面閃絡(luò)特性的意義愈加重要。玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(G/E)是應(yīng)用于超導(dǎo)設(shè)備的重要絕緣和支撐材料。為了深入探索液氮中沖擊沿面閃絡(luò)過程的特性，通過實驗，比較液氮和變壓器油兩種環(huán)境中不同電壓施加方式下，G/E的閃絡(luò)電壓、放電時延和閃絡(luò)痕跡的不同特點。經(jīng)分析可知，變壓器油和液氮環(huán)境兩種介質(zhì)本身特性的不同，造成兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)時材料表面溫度驟變產(chǎn)生應(yīng)力的不同，以及氣化層形成過程、成分和分解產(chǎn)物的不同，從而造成兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)表現(xiàn)出不同的特性。通過對比，進一步揭示了液氮中沖擊沿面閃絡(luò)的特性，為超導(dǎo)電力裝置的絕緣設(shè)計提供了原理參考。

雷電沖擊沿面閃絡(luò) 液氮 變壓器油 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 氣化層

0 引言

近年來，超導(dǎo)電力裝置的研制水平得到了極大的提高[1-6]。以超導(dǎo)電纜為代表，自20世紀90年代以來，輸電電壓等級的超導(dǎo)電纜的研制相繼在美國、日本、丹麥和韓國等取得了突破性的進展[7,8]，國內(nèi)正在對已研制的1km長的110kV/3kA冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜試運行。隨著超導(dǎo)電力裝置電壓等級的提高，液氮環(huán)境中，液氮和固體交界面的沿面閃絡(luò)問題成為制約超導(dǎo)電力裝置研制水平的關(guān)鍵問題之一，需要專門研究液氮環(huán)境中沿面閃絡(luò)的特性，為液氮環(huán)境中高壓電力設(shè)備的外絕緣設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。而該領(lǐng)域的研究所見報道較少。

文獻[9，10]通過實驗得到了液氮中不同電場條件下玻璃纖維增強塑料(GlassFiberReinforcedPlastic，GFRP)在一定絕緣間距內(nèi)，服從韋伯分布的0.1%閃絡(luò)概率的沖擊、工頻閃絡(luò)電壓與絕緣間距的關(guān)系。文獻[11]使用GFRP材料制作超導(dǎo)電纜電流引線的套管，將其制成表面形狀為帶圓環(huán)狀突起(shet)的柱狀，通過測試其在液氮中沿面閃絡(luò)電壓，提出了縮短電流引線在液氮部分有效長度的方法。文獻[12]對比了圓柱形的G10型GFRP在空氣和液氮中的交流、直流沿面閃絡(luò)特性，認為液氮環(huán)境中沿面閃絡(luò)過程有兩個主要的推動因素：①三結(jié)合點處的場增強效應(yīng)和絕緣體表面的光電子發(fā)射；②與空氣中相比，液氮中的沿面閃絡(luò)電弧具有更高的能量。文獻[13]研究了在超導(dǎo)限流器的特殊電場結(jié)構(gòu)下，液氮中G10型GFRP的沿面閃絡(luò)特性。上述成果主要體現(xiàn)在兩個方面：①用于超導(dǎo)電力裝置外絕緣設(shè)計的絕緣距離測試；②對液氮中沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的特性進行了初步探討。

為了能夠合理設(shè)計高壓超導(dǎo)電力裝置的外絕緣，需要對液氮中固體電介質(zhì)沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的機理和特性進行深入探討。文獻[14]對通過實驗發(fā)現(xiàn)真空、變壓器油和液氮三種環(huán)境中，在相同實驗條件下，圓臺形固體電介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓隨圓臺傾角的變化關(guān)系相似，認為真空、變壓器油和液氮三種環(huán)境下，固體電介質(zhì)的沿面閃絡(luò)過程具有相似的機理(存在共性)，進而提出了液氮中沖擊沿面閃絡(luò)的發(fā)展過程。

然而，液氮介質(zhì)具有溫度極低，內(nèi)部極易發(fā)生氣化，氣化后的N2氣體電負性小等特性，使得液氮中的沿面閃絡(luò)具有自身的獨特性。文獻[15]對玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和聚四氟乙烯兩種材料在液氮中的沖擊沿面閃絡(luò)特性進行了對比分析，從固體絕緣材料的角度探討了液氮中的沿面閃絡(luò)特性，認為液氮中沿面閃絡(luò)電弧的溫度較高，閃絡(luò)電弧所需能量較大，并得到了兩種材料在液氮中0.1%閃絡(luò)概率的沖擊閃絡(luò)電壓與爬電距離的函數(shù)關(guān)系。

為了更進一步地探索液氮中沿面閃絡(luò)過程的特性，需要通過與相似環(huán)境中相同實驗條件下的結(jié)果對比來實現(xiàn)。

玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(GlassFiberReinforcedEpoxyCompositeMaterial，G/E)具有良好的機械性能和電氣性能，在液氮中常被用做固體支撐和絕緣材料。雷電沖擊電壓是校驗超導(dǎo)電力裝置絕緣性能的常用電壓形式。變壓器油環(huán)境和液氮環(huán)境是常規(guī)和超導(dǎo)電氣設(shè)備普遍的工作環(huán)境，兩種環(huán)境中的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象研究均具有重要的工程實用價值，且具備相關(guān)的研究基礎(chǔ)，已證實存在相關(guān)共性[14]。為了更深入探索液氮中沿面閃絡(luò)的特性，本文選擇G/E為試品，分別測試了其在變壓器油和液氮中的雷電沖擊沿面閃絡(luò)特性。通過對比，以進一步探索液氮環(huán)境中微秒級脈沖下氣化層的特點和放電過程，探討其沿面閃絡(luò)特性。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

整體實驗裝置如圖1所示。電源為400kV沖擊電壓發(fā)生器，提供波前時間和波尾時間分別為1.2μs和50μs(誤差分別在30%和20%以內(nèi))的標準雷電沖擊波。分壓器為電壓比為420∶1的BHT400kV阻容式分壓器。電壓信號經(jīng)分壓器以及衰減器進入TektronixTDS3012C型示波器用于捕捉波形。

圖1 沿面放電實驗裝置Fig.1 Equipment for flashover experiment

試品浸漬的環(huán)境為液氮和變壓器油兩種環(huán)境。液氮盛放于長方體的泡沫容器中，泡沫容器壁厚50mm，長、寬、高分別為400mm、300mm和300mm。液氮注入后，通過一段時間的靜置，液氮上方會出現(xiàn)一層氣霧，對減少熱交換能起到一定的作用，保證液氮不沸騰。變壓器油為25號變壓器油，盛放于一個長、寬、高分別為300mm、200mm、300mm的有機玻璃容器內(nèi)。

實驗電極選擇環(huán)對環(huán)電極，試品為G/E，做成外徑為40mm、長為120mm的棒形，與電極配套，如圖2所示。電極間距d分別設(shè)定為5mm、10mm、15mm、20mm。

圖2 實驗用電極Fig.2 Electrodes for experiment

1.2 實驗方法

為了分析G/E在液氮和變壓器油中沖擊沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的區(qū)別，在實驗中采用了兩種不同的方法，測量同一間隙連續(xù)閃絡(luò)時閃絡(luò)電壓、放電時延等的變化情況。具體實驗方法如下：

1)多次初始沿面閃絡(luò)電壓測量。在各個設(shè)定的電極距離下，開始施加一個較低的電壓，如果沒有發(fā)生閃絡(luò)，則增加2kV電壓繼續(xù)進行，直到發(fā)生閃絡(luò)為止。固定電極位置，在同一表面用相同方法繼續(xù)測量閃絡(luò)電壓。每次閃絡(luò)后間隔5min再進行下一次測量，每個間距下試品同一表面位置連續(xù)測量多次閃絡(luò)電壓。該方法的特點是電壓從低向高發(fā)展，可以區(qū)別試品在兩種環(huán)境中的沿面閃絡(luò)特性。

2)多次過壓沿面閃絡(luò)電壓測量。沖擊電壓發(fā)生器設(shè)定一個電壓等級(該電壓高于試品的沿面閃絡(luò)電壓)，在該電壓等級下對試品同一間隙進行10次沿面閃絡(luò)實驗，每兩次之間的間隔為5min。該方法通過施加一個較高的電壓，可以對試品在兩種環(huán)境中的沿面閃絡(luò)特性進行更嚴格的檢測。

2 實驗結(jié)果

2.1 G/E在兩種環(huán)境中多次初始沿面閃絡(luò)的電壓值

按照1.2節(jié)所述的實驗方法1)，對G/E分別在液氮和變壓器油中進行實驗。液氮中，各個電極間隙下，測量同一位置連續(xù)兩次閃絡(luò)電壓為一組，更換位置后，按相同方法測量5組，所得結(jié)果如圖3所示。其中，每個電極間距對應(yīng)10根柱，第1、2根表示同一位置的連續(xù)兩次閃絡(luò)電壓，第3、4根表示更換位置后的連續(xù)兩次閃絡(luò)電壓，依次類推，共5組。變壓器油中，各個電極間隙下，同一位置連續(xù)5次的沿面閃絡(luò)電壓值，如圖4所示，其中每個間距下的5根柱代表同一位置處連續(xù)5次閃絡(luò)電壓值。

圖3 液氮中連續(xù)兩次閃絡(luò)時的閃絡(luò)電壓Fig.3 Sequential flashover voltages in LN2

圖4 變壓器油中各個間距下同一位置5次初始沿面閃絡(luò)電壓Fig.4 5 initial flashover voltages on the same position at every distance in transformer oil

由圖3可見，在液氮環(huán)境中，G/E同一間隙連續(xù)兩次沿面閃絡(luò)電壓的特點：各個間距下，同一位置處第2次閃絡(luò)電壓相比首次沿面閃絡(luò)電壓，均有較大幅度下降；而且隨電極間距的增大，電壓下降率也隨之增大。

圖4說明，在變壓器油中，G/E各電極間距下的同一表面位置5次初始沖擊沿面閃絡(luò)電壓的變化范圍都不大，表現(xiàn)出良好的沖擊沿面閃絡(luò)電壓重復(fù)性。

比較圖3和圖4的結(jié)果可知，兩種環(huán)境中的同一位置多次初始沿面閃絡(luò)電壓的重復(fù)性出現(xiàn)了非常大的差異，說明閃絡(luò)電弧對試品表面的破壞程度不同。

2.2 G/E在兩種環(huán)境中過電壓方式下的沿面閃絡(luò)電壓值

過電壓實驗方式，是對各電極間距統(tǒng)一施加一個固定的沖擊電壓，該電壓值大于其沿面閃絡(luò)電壓。通過這種方式可以更嚴格地檢驗沿面閃絡(luò)特性。

在變壓器油和液氮環(huán)境中，選定的電極間距和沖擊電壓發(fā)生器設(shè)定的沖擊電壓等級見表1。可見，系列2比系列1在相同電極間距下設(shè)定的電壓高30kV。液氮中電壓設(shè)定與油中系列1相同。

表1 兩種環(huán)境中各間距下過電壓實驗時設(shè)定的電壓施加等級

Tab.1Voltagedegreesettingofover-voltagetestateverydistanceintwoenvironments

電極間距d/mm變壓器油設(shè)定電壓/kV系列1系列2液氮設(shè)定電壓/kV51015209012015018012015018021090120150180

按表1中的設(shè)定，在各電極間距下，G/E在變壓器油中按2.2節(jié)中的實驗方法2)進行實驗，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 G/E在變壓器油中過電壓施壓方法下的閃絡(luò)電壓Fig.5 Surface flashover voltages tested by over-voltage method for G/E in transformer oil

由圖5可知，分別按系列1和系列2的電壓設(shè)定進行實驗，各電極間距下得到的10次沿面閃絡(luò)電壓變化規(guī)律完全不同。按系列1的電壓設(shè)定進行實驗的結(jié)果顯示，各電極間距下，10次實驗數(shù)據(jù)偏差很小，表現(xiàn)出了良好的沿面閃絡(luò)電壓重復(fù)性；按系列2的電壓設(shè)定進行實驗時，各間距下的沿面閃絡(luò)電壓從第2次起相對于第1次均有較大程度的下降，從第2次至第10次的數(shù)值趨于穩(wěn)定。

按表1中的電壓設(shè)定，對G/E各間隙下液氮環(huán)境中10次沿面閃絡(luò)進行測量，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 G/E在液氮中按系列1電壓設(shè)定的閃絡(luò)電壓Fig.6 Surface flashover voltages tested by series 1over-voltage method for G/E in LN2

由圖6的實驗結(jié)果可得，試品在液氮環(huán)境中各間距下的沿面閃絡(luò)電壓具有與油中按系列2的電壓設(shè)定進行實驗時類似的結(jié)果，即各間距下的沿面閃絡(luò)電壓從第2次起相對于第1次均有較大程度的下降，從第2次至第10次的數(shù)值趨于穩(wěn)定。

2.3 G/E在兩種環(huán)境中過電壓加壓方式下的放電時延

G/E在變壓器油中按系列2電壓設(shè)定方式下的沿面閃絡(luò)電壓與液氮中的變化規(guī)律相同,繼而對其放電時延特性進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 試品在液氮和按系列2電壓設(shè)定方式的油中沿面閃絡(luò)放電時延

Tab.2SurfaceflashovertimeofspecimensinLN2andoiltestedbyseries2method

電極間距d/mm變壓器油中的放電時延(系列2)/μs液氮中的放電時延/μs第1次閃絡(luò)第2～10次閃絡(luò)第1次閃絡(luò)第2～10次閃絡(luò)51.321.46101.88小于11.97小于1152.062.17202.532.84

由表2可見，兩種情況下放電時延的變化規(guī)律相同：首次閃絡(luò)放電時延一般為1～3μs；從第2～10次閃絡(luò)，放電時延大幅降低，小于1μs。

根據(jù)同一間隙放電的伏秒特性曲線特點，沿面閃絡(luò)電壓降低時，放電時延會相應(yīng)增加。而G/E在液氮中和變壓器油中按系列2電壓設(shè)定方式下的過電壓沿面閃絡(luò)所反映的閃絡(luò)電壓和放電時延變化規(guī)律與伏秒特性曲線明顯不符，因而可推斷是沖擊沿面閃絡(luò)電弧使G/E發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致了與伏秒特性曲線相反的規(guī)律。

2.4 同一施加電壓下，兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)放電時延的對比

由于液氮中同一位置連續(xù)測量時，從第二次起閃絡(luò)電壓即出現(xiàn)明顯下降，閃絡(luò)時延也明顯縮短，無法與相同電壓等級下按系列1的設(shè)定在油中得到的數(shù)據(jù)比較。為了能夠統(tǒng)一比較液氮中和油中沿面閃絡(luò)的放電時延，測量在不同間隙位置下(每次的測量間隙之前均未發(fā)生過沿面閃絡(luò))，G/E在液氮中間距d=15mm，施加電壓150kV下9次的首次沿面閃絡(luò)電壓，統(tǒng)計了它們的放電時延。與變壓器油中的比較，所得數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 間距d=15 mm，150 kV沖擊電壓下變壓器油和液氮中的10次沿面閃絡(luò)放電時延Fig.7 10 flashover times at d=15 mm，150 kV impulse voltage in LN2 and oil

由圖7可見，間距d=15mm、150kV沖擊電壓下變壓器油中沿面閃絡(luò)放電時延普遍大于液氮中的放電時延。變壓器油中放電時延平均值為2.506μs，液氮中放電時延平均值為2.121μs，說明兩種環(huán)境中閃絡(luò)電弧的發(fā)展速度不同，液氮中的沿面閃絡(luò)電弧發(fā)展速度大于在變壓器油中的速度。

3 液氮環(huán)境中雷電沖擊沿面閃絡(luò)特性探討

3.1 液氮和變壓器油中沿面閃絡(luò)電弧對G/E試品表面造成的痕跡分析

對G/E在變壓器油中按系列2的加壓方式同一間隙多次沿面閃絡(luò)電壓進行測量時，沿面閃絡(luò)電壓開始出現(xiàn)了與液氮環(huán)境中過電壓實驗結(jié)果相似的現(xiàn)象，即閃絡(luò)電壓從第2次起相對于第1次出現(xiàn)了較大的下降，之后閃絡(luò)電壓趨于穩(wěn)定。

液氮中，第1次沿面閃絡(luò)后，把G/E試品放入真空干燥箱烘干后，用DL16-BD2671型數(shù)字兆歐表對環(huán)-環(huán)電極間兩種試品的表面電阻進行測量，并與原始表面進行對比。環(huán)-環(huán)電極間距設(shè)為5mm，施加1 000V的直流電壓，無任何破壞的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試品，表面電阻為2 873MΩ；具有閃絡(luò)痕跡的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試品，表面電阻為1 952MΩ?？梢?，閃絡(luò)電弧對玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表層材料的表面電阻有明顯影響，閃絡(luò)后的電阻率明顯下降，說明閃絡(luò)通道內(nèi)有新的電阻率較低的物質(zhì)生成。該物質(zhì)的生成導(dǎo)致從第2次閃絡(luò)往后，閃絡(luò)電壓有較大幅度下降。

G/E在液氮中閃絡(luò)后表面痕跡的照片(未放大)，用經(jīng)LEXT-OLS4000型工業(yè)激光共焦顯微鏡對液氮和變壓器油中閃絡(luò)電弧造成的痕跡進行掃描，放大200倍和400倍后的照片以及原始表面狀況的照片，分別如圖8～圖10所示。

圖8 G/R材料原始閃絡(luò)照片和原始表面(放大200倍)Fig.8 Initial surface(amplified 200 times) and initial surface flashover of G/E

圖9 G/R材料在液氮沿面閃絡(luò)痕跡的放大照片F(xiàn)ig.9 Microscope pictures of flashover surface trace for G/R in liquid nitrogen

圖10 G/E在油中沿面閃絡(luò)痕跡的放大照片F(xiàn)ig.10 Microscope pictures of flashover trace for G/E in oil

從掃描電鏡照片可見，G/E在油中的閃絡(luò)痕跡特征與液氮中相似，出現(xiàn)了明顯的橫豎條紋，即玻璃纖維布，說明兩種環(huán)境中的沿面閃絡(luò)電弧都僅使G/E中的環(huán)氧樹脂發(fā)生了分解，而玻璃纖維并未發(fā)生明顯熔化。該結(jié)論與文獻[15]中得到的G/E在液氮中沖擊沿面閃絡(luò)電弧造成的痕跡相同。因此，可認為兩種環(huán)境中G/E材料表面的電弧痕跡主要是環(huán)氧樹脂基體發(fā)生了熱分解導(dǎo)致的，黑色痕跡主要成分為碳。

文獻[16-18]中，從對G/E熱解反應(yīng)的實驗得到了G/E中環(huán)氧樹脂發(fā)生裂解的溫度為500～1 200K。據(jù)此可推測，兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)電弧使材料表面溫度達到500～1 200K。

由第2節(jié)的實驗結(jié)果可知，相同條件下，液氮中的沿面閃絡(luò)電弧更容易在G/E材料表面造成痕跡。造成這種現(xiàn)象的原因有兩點：①液氮介質(zhì)溫度在77K左右，而變壓器油溫度為常溫(300K左右)。電弧作用瞬間，液氮中G/E材料表面的溫差比變壓器油中大得多，材料表面溫差造成的應(yīng)力也更大，因而更容易導(dǎo)致表面開裂，產(chǎn)生痕跡。②液氮中沿面閃絡(luò)電弧能量大于變壓器油中的閃絡(luò)電弧能量[12]，導(dǎo)致相同條件下，液氮中閃絡(luò)電弧的溫度高于變壓器油中閃絡(luò)電弧的溫度。

3.2 試品在變壓器油中沿面閃絡(luò)電壓的重復(fù)性優(yōu)于液氮中的情況的機理探討

由第2節(jié)的實驗結(jié)果和閃絡(luò)痕跡分析可得，兩種環(huán)境中的微秒級脈沖下氣化層中的沿面閃絡(luò)電弧表現(xiàn)出了不同的特性：①變壓器油中沿面閃絡(luò)電弧的溫度要低于液氮中的閃絡(luò)電弧溫度；②在液氮環(huán)境中沿面閃絡(luò)電弧的發(fā)展速度要高于變壓器油中，沿面閃絡(luò)過程在液氮環(huán)境中更容易得到發(fā)展。

結(jié)合固-液交界面沿面閃絡(luò)的機理，對兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)的特性分析進行分析。

3.2.1 液氮中的沿面閃絡(luò)

1)氣化層的形成和發(fā)展。

液氮介質(zhì)溫度極低，標準大氣壓下氣化溫度為77K(-196 ℃)，內(nèi)部一旦出現(xiàn)熱源，則極易發(fā)生氣化。在陰極三結(jié)合點處場致電子發(fā)射時由于碰撞電力等原因，會造成溫度的升高，液氮在該處開始發(fā)生氣化變成氮氣，氮氣構(gòu)成了氣化層的主要成分，隨著電弧向陽極發(fā)展，會有越來越多的液氮被氣化，氣化層的形成會加速流注的發(fā)展速度；而變壓器油的氣化溫度一般高于135 ℃，相對于液氮，氣化層的形成更困難，氣化的油的量相對較少，流注的發(fā)展會相對較慢。

2)氣化層內(nèi)物質(zhì)成分的分解對沿面閃絡(luò)發(fā)展的影響。

液氮中沿面閃絡(luò)過程氣化層的主要成分為N2。電子碰撞N2分子的電離可分為激發(fā)碰撞、電離碰撞、分解碰撞和分解電離碰撞四種類型[19-21]。

激發(fā)碰撞存在兩種碰撞過程，一種是電子激發(fā)碰撞

(1)

另一種是振動激發(fā)碰撞

(2)

電場強度較低時，發(fā)生振動激發(fā)的粒子數(shù)較多，占主要成分，而電子激發(fā)反應(yīng)幾乎沒有。隨著電場強度的增加，電子激發(fā)反應(yīng)開始逐漸增多。當(dāng)?shù)肿优c電子發(fā)生電子激發(fā)碰撞時，由于之間的能量交換，氮分子被激發(fā)到較高的能級，繼而因能級不穩(wěn)定的原因，會向較低的能級躍遷，從而釋放能量，同時發(fā)射出相應(yīng)波長的光子。

電離碰撞、分解及分解電離碰撞過程如下。

電離碰撞

(3)

分解碰撞

(4)

分解電離碰撞

(5)

3)閃絡(luò)時驟然溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。

相同條件下，液氮中沿面閃絡(luò)電壓的重復(fù)性比變壓器油環(huán)境中差的一個重要原因還在于液氮的低溫特性。沿面閃絡(luò)發(fā)生于固體電介質(zhì)的表面，而液氮的低溫特性會對材料本身尤其是材料表面造成一定的影響。閃絡(luò)時，電弧的短時高溫與液氮的低溫形成極大的溫差，溫度的驟然變化更易引起G/E材料本身表面應(yīng)力的變化，使表面應(yīng)力集中的地方更容易形成裂痕，進而影響表面狀況，在該處更易發(fā)生沿面閃絡(luò)。因而，液氮中，閃絡(luò)電弧更容易產(chǎn)生放電通道的痕跡；該痕跡一旦產(chǎn)生，由于材料本身的熱分解作用，會產(chǎn)生低電阻率物質(zhì)，從而使下次閃絡(luò)時的閃絡(luò)電壓下降。

3.2.2 變壓器油中的沿面閃絡(luò)

與液氮中的情況相比，變壓器油中沿面閃絡(luò)氣化層內(nèi)的分解過程則十分復(fù)雜。變壓器油主要成分是各種烴類化合物組成的混合物。一方面，氣化的油層內(nèi)物質(zhì)成分比較復(fù)雜，且大多數(shù)成分的穩(wěn)定性要高于氮氣，加大了碰撞電離的難度，流注相對較難發(fā)展；另一方面，電子撞擊氣化的油層時，高溫分解會產(chǎn)生比較復(fù)雜的生成物，包括過氧化物、酸、水分、醇、醛、酮等以及油泥。在變壓器油中沿面閃絡(luò)時可以觀察到有黑色物質(zhì)生成，說明在氣化的油層中分解產(chǎn)生了油泥等固體生成物。分解產(chǎn)物中包括一些電導(dǎo)率較低的固體物質(zhì)，這些物質(zhì)會增加通道的電導(dǎo)，從而促進放電的發(fā)展，相比于液氮中氮氣化層，減少了各種電離、復(fù)合作用產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致相同條件下閃絡(luò)電弧的溫度低于液氮中沿面閃絡(luò)的情況。

總之，造成兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)電壓、放電時延和閃絡(luò)痕跡不同的原因在于兩種介質(zhì)本身特性的不同，影響閃絡(luò)時材料本身的表面應(yīng)力，并導(dǎo)致沿面閃絡(luò)過程氣化層的不同特性。液氮中氣化層形成相對容易，成分主要為氮氣，電離和分解的產(chǎn)物主要是氣態(tài)粒子，電子崩發(fā)展過程伴有大量的熱和光產(chǎn)生。而變壓器油中氣化層形成較難，氣化的量較少，成分復(fù)雜，電離較難，影響了流注的發(fā)展；電離分解產(chǎn)物包含了電導(dǎo)率較低的固體殘余物，減少了電子崩過程產(chǎn)生的熱量，使閃絡(luò)電弧溫度相比于液氮中低。

3.3 液氮中沿面閃絡(luò)過程的特性探討

結(jié)合沿面閃絡(luò)發(fā)展過程的機理[18]，N2氣體分子的電離過程和兩種環(huán)境中閃絡(luò)特性的對比分析如下：

1)液氮中，陰極三結(jié)合點發(fā)射的初始電子在經(jīng)過一個平均自由程后，與N2分子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致碰撞電離，形成電子崩。隨著電子崩的發(fā)展，電離過程中將產(chǎn)生大量的熱量以及頻繁的復(fù)合作用而輻射出的大量光子，碰撞電離、熱電離和光電離等因素進一步促進了流注的快速發(fā)展，導(dǎo)致更多的電子以及N2+、N和N+等粒子。由于大量的熱輻射，并伴有的發(fā)光現(xiàn)象，引發(fā)液氮持續(xù)氣化，使主要成分為N2氣體的氣化層向陽極延伸。氣化層內(nèi)的主放電將以流注的形式發(fā)展。氣化層內(nèi)碰撞電離、熱電離和復(fù)合因素等，將輻射出大量光子，產(chǎn)生大量熱，使得電弧溫度較高。

2)初始電子以及氣化層內(nèi)的電子與N2分子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的二次電子中的一部分會撞擊固體介質(zhì)的表面，在固體介質(zhì)的表面會出現(xiàn)新的二次電子發(fā)射崩(SecondaryElectronEmissionAvalanche，SEEA)機制，或者出現(xiàn)電子觸發(fā)的極化松弛現(xiàn)象而導(dǎo)致的電子和光子發(fā)射(ElectronTriggeredPolarityRelaxation，ETRP)機制。同時還會導(dǎo)致固體介質(zhì)表面吸附的氣體脫附，增加了氣化層的氣體來源。這些于固體介質(zhì)表面新產(chǎn)生的二次電子將進一步促進氣化層內(nèi)電子崩的發(fā)展。

3)固體介質(zhì)表面留有的正電荷，將進一步加強對氣化層內(nèi)電子的吸引，增加電子撞擊固體介質(zhì)表面的動能，增加從固體表面向外發(fā)射電子的概率。同時加強了對電子崩的牽引，使閃絡(luò)電弧沿固體表面發(fā)展。隨著氣化層內(nèi)的電子崩不斷向陽極推動，最終將導(dǎo)致間隙的閃絡(luò)。

4 結(jié)論

1)G/E在變壓器油兩種環(huán)境中，相同條件下，同一間隙多次初始沿面閃絡(luò)和多次過電壓沿面閃絡(luò)下，閃絡(luò)電壓都表現(xiàn)出了良好的重復(fù)性，而液氮環(huán)境中沿面閃絡(luò)電壓的重復(fù)性則極差；從沿面閃絡(luò)放電時延的測量結(jié)果來看，相同條件下，液氮環(huán)境中沿面閃絡(luò)放電時延小于變壓器油中。說明液氮中沿面閃絡(luò)電弧能量更強，發(fā)展速度更快。

2)變壓器油和液氮兩種環(huán)境中的沿面閃絡(luò)過程有一定的相似性，但介質(zhì)本身特性的不同，造成兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)時材料表面溫度周邊產(chǎn)生應(yīng)力的不同，以及閃絡(luò)過程氣化層在形成過程、成分及分解產(chǎn)物的不同，從而造成兩種環(huán)境中沿面閃絡(luò)表現(xiàn)出不同特性。

3)從工程應(yīng)用角度來看，在設(shè)計超導(dǎo)電力裝置的外絕緣時，應(yīng)著重考液氮中沿面閃絡(luò)的特性，對材料表面溫度驟變產(chǎn)生的應(yīng)力，表面形狀以及材料本身的熱分解特性進行深入研究，進而進行合理選擇。

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Compare of Lightning Impulse Surface Flashover Characteristics for G/E in Liquid Nitrogen and Transformer Oil

Yang Xin1Li Weiguo2Wei Bin3Zhang Hongjie3Qiu Ming3

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineeringChangshaUniversityofScienceandTechnologyChangsha410114China2.SchoolofElectricalandElectronicEngineeringNorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206China3.SuperconductingElectricPowerDepartmentChinaElectricPowerResearchInstituteBeijing100192China)

Asthevoltagelevelofsuperconductingpowerdevicesincreasing，thesignificanceofthestudyonflashovercharacteristicsinliquidnitrogenbecomesmoreandmoreimportant.Glassfiberreinforcedepoxycompositematerial(G/E)isanimportantinsulatingandsupportingmaterialforHTSdevice.Fordeeperexploringthesurfaceflashovercharacteristicsinliquidnitrogen，thedifferencesofflashovervoltages，flashovertimeandflashovertracesforG/Ematerialarecomparedunderdifferentvoltageappliedmethodsinliquidnitrogenandtransformeroilbyexperiments.Itisbelievedthatbecauseofthedifferentcharacteristicsofliquidnitrogenandtransformeroil，therewouldhavedifferentstressescausedbytemperatureshockonthesurfaceofsoliddielectricanddifferencesonformingprocess，constituentsanddecompositionproductofgaslayerswhenflashoverinthetwoenvironments.Thosearethemainreasonsofdifferentflashoverphenomenoninthetwoenvironments.Bythemethodofcontrastiveanalysis，theimpulsesurfaceflashovercharacteristicsinliquidnitrogenaredeeperexplored，theresultscouldprovideprinciplereferencefordielectricdesignofHTSdevices.

Lightningimpulsesurfaceflashover，liquidnitrogen，transformeroil，G/E,asifyinglayer

國家自然科學(xué)基金面上項目(51277063)和國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51407013)資助。

2015-07-10 改稿日期2015-10-25

TM216

楊 鑫 男，1983年生，博士，講師，研究方向為低溫高壓絕緣技術(shù)和防雷接地技術(shù)等。

E-mail：yan_19830713@163.com(通信作者)

李衛(wèi)國 男，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力設(shè)備故障診斷和絕緣技術(shù)等。

E-mail：lwglixi@tom.com