蘇敬芳，張艷敏，王志勇，郝巧紅

（河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001）

0 引言

礦物變壓器油作為全世界電力變壓器中使用最廣泛的液體電介質(zhì)之一，在保持絕緣系統(tǒng)的絕緣性能和冷卻性能中發(fā)揮著重要作用[1-2]。一般將液體中的放電過程稱為流注放電。對(duì)于沖擊電壓下的流注，流注放電具有明顯的極性效應(yīng)，根據(jù)施加電壓極性的不同，將流注分為正極性流注（簡(jiǎn)稱正流注）和負(fù)極性流注（簡(jiǎn)稱負(fù)流注）。在流注發(fā)展過程中，正流注發(fā)展速度更快，擊穿電壓更低，相比負(fù)流注更危險(xiǎn)[3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)正流注開展了大量試驗(yàn)，研究其發(fā)展特性。根據(jù)流注發(fā)展速度的差異，將正流注分為初級(jí)模式、二級(jí)模式、三級(jí)模式和四級(jí)模式。其中，二級(jí)模式流注直接影響擊穿電壓，對(duì)變壓器絕緣的性能尤為重要。

近年來，隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和輸送容量的不斷提高，大容量、高電壓變壓器對(duì)絕緣強(qiáng)度提出了更高要求[4]。因此，有必要尋找提高變壓器油絕緣強(qiáng)度的有效途徑，這對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)，有些添加劑能明顯改變單一成分液體中流注的發(fā)展過程，進(jìn)而影響液體電介質(zhì)的擊穿電壓[5-8]。在環(huán)己烷等純凈液體電介質(zhì)中添加具有較低電離勢(shì)的添加劑（比如四鈦-二甲氨基-乙烯TDAE等）后，正流注更容易起始，發(fā)展速度更快，相比純凈液體電介質(zhì)的擊穿電壓更低[5]。而加入電子捕捉劑三氯乙烯（TCE）后，正流注擊穿電壓能得到一定的提高[6]。也有研究表明，在正烷烴中加入低電離勢(shì)的添加劑，會(huì)抑制流注的發(fā)展，擊穿電壓得到提高[7]。由此可見，添加劑對(duì)絕緣液體的作用效果不僅與添加劑有關(guān)，還與液體電介質(zhì)本身特性有著密切的關(guān)系。然而，目前添加劑的改性研究大多以單一液體為研究對(duì)象。相比單一液體，我國(guó)常用的礦物變壓器油組成復(fù)雜，其由環(huán)烷烴（占70%）、鏈烷烴和芳香烴等物質(zhì)組成[9]，而目前添加劑對(duì)變壓器油的影響規(guī)律尚不清晰。因此，有必要開展添加劑對(duì)變壓器油擊穿特性和流注放電特性影響的研究，探索提高變壓器油絕緣性能的途徑。

本研究選擇具有低電離勢(shì)特性的四甲基苯二胺和具有電子捕捉特性的全氟正己烷作為添加劑，制備了含有不同濃度添加劑的變壓器油，分析不同濃度添加劑對(duì)變壓器油雷電沖擊擊穿電壓的影響，測(cè)試變壓器油中流注放電形態(tài)、長(zhǎng)度和速度，進(jìn)一步分析添加劑對(duì)擊穿特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 油樣制備

采用昆侖KI25X型變壓器油作為添加劑流體基液。首先過濾得到純凈變壓器油，然后對(duì)其進(jìn)行干燥除氣處理。添加劑選取不同特性的兩種添加劑，分別是具有低電離勢(shì)的四甲基苯二胺（tetramethyl-pphenylenediamine，TMPD）和具有電子捕捉能力的全氟正己烷（perfluoro-n-hexane，PH），體積濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mol/L。為了方便表述，添加TMPD的變壓器油簡(jiǎn)稱為1號(hào)油，添加PH的變壓器油簡(jiǎn)稱為2號(hào)油。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 雷電沖擊擊穿電壓試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 21222—2007中的雷電沖擊擊穿電壓測(cè)試方法，對(duì)油樣施加波形為1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)正極性雷電沖擊脈沖。試驗(yàn)采用針-球電極，采用逐級(jí)試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試，取待測(cè)油樣6次擊穿電壓的平均值作為該試樣的擊穿電壓。

1.2.2 流注拍攝方法

流注拍攝平臺(tái)由流注拍攝裝置和數(shù)據(jù)采集裝置兩個(gè)部分組成。試驗(yàn)腔體采用聚四氟乙烯材料，前后兩面采用光學(xué)玻璃，電極結(jié)構(gòu)采用針-球（間距35 mm）結(jié)構(gòu)。流注拍攝平臺(tái)是基于陰影法的拍攝平臺(tái)，由激光器、激光擴(kuò)束鏡、凸透鏡、試驗(yàn)腔體和高速相機(jī)（PI-max 3）組成，如圖1所示。激光器采用600 MW功率、532 nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束鏡和凸透鏡后，成為均勻且平行的圓形光束。平行光穿過測(cè)量區(qū)域，再經(jīng)聚焦鏡到達(dá)高速相機(jī)[10]。在雷電沖擊脈沖波產(chǎn)生的同時(shí)，利用高速觸發(fā)電路觸發(fā)高速相機(jī)捕捉圖像，相機(jī)曝光時(shí)間為100 ns。觸發(fā)電路由電壓跟隨電路和電壓比較電路組成，沖擊電壓經(jīng)分壓器后輸出的電壓作為輸入信號(hào)。

圖1 流注拍攝系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of streamer photograph system

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 雷電沖擊擊穿特性

2.1.1 低電離勢(shì)添加劑對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響

添加了低電離勢(shì)TMPD變壓器油的雷電沖擊擊穿電壓如表1所示。從表1可以看出，隨著TMPD濃度的升高，擊穿電壓先降低后升高。在TMPD濃度較小時(shí)，擊穿電壓出現(xiàn)了少許的下降，在TMPD濃度為0.10 mol/L時(shí)，擊穿電壓最低，相比純變壓器油下降了6.3%。在TMPD濃度為2.00 mol/L時(shí)，擊穿電壓提高幅度最大，相比純變壓器油提高了14.8%。從上述結(jié)果可以看出，添加適量的TMPD可以提高變壓器油的擊穿電壓。

表1 1號(hào)油的雷電沖擊擊穿電壓測(cè)試結(jié)果Tab.1 Results of lightning impulse breakdown voltage for 1#transformer oils

當(dāng)提高TMPD濃度時(shí)，1號(hào)油的擊穿時(shí)間也呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，與擊穿電壓變化趨勢(shì)一致，如表 2所示。在TMPD濃度為0.10 mol/L時(shí)，擊穿時(shí)間最短，相比純變壓器油減少了9.1%。當(dāng)TMPD濃度為2.00 mol/L時(shí)，擊穿時(shí)間相比純變壓器油增加了27.8%。

表2 1號(hào)油的擊穿時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of time to breakdown for 1#transformer oils

2.1.2 電子捕捉劑對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響

添加了電子捕捉劑PH的變壓器油雷電沖擊擊穿電壓如表3所示。從表3可以看出，與TMPD對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響作用不同，添加PH后，擊穿電壓隨添加劑濃度的增加而迅速升高。當(dāng)PH濃度為0.20 mol/L時(shí)，2號(hào)油的擊穿電壓達(dá)到84.52 kV，相比變壓器油提高了18.1%，明顯高于1號(hào)油的擊穿電壓。進(jìn)一步提高添加劑濃度后，2號(hào)油的擊穿電壓增長(zhǎng)趨于平緩，在PH濃度為2.00 mol/L時(shí)，擊穿電壓達(dá)到最大值，相比變壓器油提高了23.6%。

表3 2號(hào)油的雷電沖擊擊穿電壓測(cè)試結(jié)果Tab.3 Results of lightning impulse breakdown voltage for 2#transformer oils

表4為2號(hào)油的擊穿時(shí)間隨添加劑PH濃度的變化規(guī)律。從表4可以看出，與擊穿電壓的變化趨勢(shì)相似，擊穿時(shí)間隨PH濃度的增加而增加。在PH濃度為2.00 mol/L時(shí)，擊穿時(shí)間提高幅度也達(dá)到最大值45.8%?？梢娞砑覲H顯著延長(zhǎng)了變壓器油的擊穿時(shí)間。

表4 2號(hào)油的擊穿時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.4 Results of time to breakdown for 2#transformer oils

2.2 流注放電特性

變壓器油的擊穿電壓和擊穿時(shí)間與流注放電過程密切相關(guān)。為了進(jìn)一步研究添加劑對(duì)變壓器油擊穿性能的影響機(jī)理，選取對(duì)擊穿電壓提升效果較好濃度（兩種添加劑的濃度均選1.00 mol/L）的油樣作為待測(cè)油樣，拍攝了3種油樣中的流注放電過程。

圖2～4分別為流注在不同時(shí)刻的圖像。從圖2可以看出，當(dāng)流注放電出現(xiàn)時(shí)，針尖周圍電場(chǎng)強(qiáng)度較大，超過變壓器油的電離能后引起電離，向四周產(chǎn)生較多的放電分支，3種油樣中流注都呈現(xiàn)團(tuán)簇形態(tài)。

圖2 3種油樣流注放電形態(tài)（t=0.5 μs）Fig.2 Streamer shapes of three types of oils(t=0.5 μs)

圖3 3種油樣流注放電形態(tài)（t=10 μs）Fig.3 Streamer shapes of three types of oils(t=10 μs)

圖4 3種油樣流注放電形態(tài)（t=20 μs）Fig.4 Streamer shapes of three types of oils(t=20 μs)

從圖3～4可以看出，隨著流注放電的發(fā)展，3種油中流注形態(tài)出現(xiàn)差異。在變壓器油中，有些流注分支停止了發(fā)展，分支慢慢消失，使得分支數(shù)量減少，僅剩3～4條較細(xì)的主放電分支，且主分支上旁支較少。在電場(chǎng)作用下，流注通道徑直向地電極發(fā)展。對(duì)于添加低電離勢(shì)TMPD的1號(hào)油，流注主通道上產(chǎn)生許多旁支，流注通道較粗，長(zhǎng)度較短。對(duì)于添加電子捕捉劑PH的2號(hào)油，流注分支減少，僅剩1～2條主分支，且流注長(zhǎng)度明顯變短。

流注發(fā)展長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化如圖5所示。從圖5可以看出，3種油樣中的流注長(zhǎng)度隨時(shí)間逐漸增大，在放電后期趨于穩(wěn)定。在放電初期，1號(hào)油中的流注發(fā)展較快。隨著流注的發(fā)展，1號(hào)油中的流注發(fā)展速度減慢，流注長(zhǎng)度小于變壓器油中的流注長(zhǎng)度。2號(hào)油中的流注發(fā)展長(zhǎng)度始終最短。根據(jù)流注長(zhǎng)度隨時(shí)間變化曲線的斜率可計(jì)算流注的速度，得出變壓器油流注的最大速度為1.34 km/s，與文獻(xiàn)中二級(jí)模式流注速度相近[11-12]。而1號(hào)油和2號(hào)油中的流注最大速度分別為0.92 km/s和0.83 km/s，相比純變壓器油下降了31.3%和38.1%。

圖5 流注發(fā)展長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化Fig.5 Streamer lengths versus propagation time in three types of oils

3 添加劑對(duì)擊穿電壓的影響機(jī)理分析

在沖擊電壓作用下，變壓器油的擊穿性能是由變壓器油中流注放電過程決定的[1,11]。由于物理、化學(xué)特性的差異，液體電介質(zhì)的放電過程與氣體和固體的放電過程不同，且更為復(fù)雜[3,13]。傳統(tǒng)液體電介質(zhì)擊穿理論可分為小橋放電理論與流注放電理論。而在沖擊電壓下，液體電介質(zhì)中的氣泡或雜質(zhì)不能在短時(shí)間內(nèi)形成小橋，小橋理論不適用，所以常用流注理論進(jìn)行解釋[14-15]。對(duì)于正極性流注來說，流注起始的最小場(chǎng)強(qiáng)約為108V/m。當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)大于流注最小起始場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，流注開始發(fā)展[13-14]。流注發(fā)展過程中，流注前端不斷電離產(chǎn)生新的電子和正離子。在電場(chǎng)作用下，電子快速運(yùn)動(dòng)，與液體分子碰撞進(jìn)一步電離產(chǎn)生新的電荷，促進(jìn)流注的發(fā)展。

變壓器油中的電離物質(zhì)以芳香分子為主，可近似以芳香烴的電離勢(shì)（7.8 eV）作為變壓器油的電離勢(shì)[16-17]。對(duì)于具有低電離勢(shì)的TMPD，其電離能為6.75 eV，小于變壓器油分子的電離能。因此在高場(chǎng)強(qiáng)下，TMPD更容易電離產(chǎn)生電子，導(dǎo)致油中自由電子更多。當(dāng)TMPD添加濃度較低時(shí)，更多的電子促進(jìn)了電離過程，使得流注發(fā)展更快，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?；但?dāng)TMPD濃度增大到一定程度時(shí)，增強(qiáng)的電離導(dǎo)致流注產(chǎn)生更多的分支和旁支，如圖3和4所示。由于流注多分支之間的電場(chǎng)屏蔽作用，流注前端電場(chǎng)被削弱。而且，流注分支分布更均勻，減少了對(duì)電場(chǎng)的畸變，從而抑制了流注的進(jìn)一步發(fā)展。因此，流注形態(tài)表現(xiàn)為長(zhǎng)度先快速增大，之后增長(zhǎng)緩慢的變化趨勢(shì)。與變壓器油中流注相比，1號(hào)油中流注的最大截止長(zhǎng)度及速度明顯降低，說明TMPD抑制了流注的發(fā)展。因此，添加TMPD后，提高了變壓器油的雷電沖擊擊穿電壓及擊穿時(shí)間。

對(duì)于具有電子捕捉能力的PH，其電子吸附能力較強(qiáng)，將快速運(yùn)動(dòng)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣容^慢的負(fù)離子[5,18]。變壓器油中自由電子減少，抑制了電離過程，不利于流注的進(jìn)一步發(fā)展。因此，電子捕獲劑PH降低了流注發(fā)展速度，減小了流注發(fā)展長(zhǎng)度，提高了擊穿電壓。

4 結(jié)論

（1）添加具有低電離勢(shì)的TMPD后，變壓器油的擊穿電壓和擊穿時(shí)間隨濃度增大先減少后增加。當(dāng)TMPD濃度超過0.50 mol/L時(shí)，其擊穿電壓超過純變壓器油的擊穿電壓。與純變壓器油相比，添加TMPD的變壓器油擊穿電壓提高率可達(dá)14.8%。

（2）添加具有電子捕捉能力的PH后，變壓器油的擊穿電壓和擊穿時(shí)間隨濃度增大逐漸增加。與純變壓器油相比，其擊穿電壓提高率可達(dá)23.6%。

（3）加入添加劑后，變壓器油中流注發(fā)展特性發(fā)生了改變。由于TMPD具有較低的電離勢(shì)，更容易被電離，因此流注主通道更多、分支更多、更密集，分支間的屏蔽作用抑制了流注的發(fā)展，流注發(fā)展速度變慢，長(zhǎng)度變短，從而提高了擊穿電壓。而PH可以捕捉電子，減少了變壓器油中的自由電子，抑制了流注的發(fā)展，使得流注長(zhǎng)度變短，從而顯著提高了擊穿電壓。