周年榮，何 瀟，郭新良，何運(yùn)華，張林山，譚向宇，方正云

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011）

0 引言

絕緣油是一種重要的絕緣介質(zhì)，在電氣設(shè)備中運(yùn)用廣泛，例如最常見的斷路器、變壓器、套管等。植物絕緣油有著高燃點(diǎn)、可降解、油紙絕緣組合好等特點(diǎn)，是礦物絕緣油的理想替代品[1-3]。植物絕緣油的研究早在50年前就開始了，當(dāng)時(shí)國外的研究主要是對植物絕緣油的制取方法、理化性能、電氣性能等多個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[4]。植物絕緣油不僅擁有較好的絕緣性能，而且生產(chǎn)成本相對較低，但是植物絕緣油的理化性能仍有不足。隨著納米科技的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)向傳統(tǒng)礦物絕緣油中添加納米粒子可形成穩(wěn)定的溶膠體系，不僅可提高絕緣油的電氣強(qiáng)度，而且還可以改善絕緣油的散熱能力[5-8]。

鄒平[9]研制了Fe3O4納米改性植物絕緣油，使用寬頻介電譜測試儀對改性植物絕緣油進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測試頻率大于1 Hz時(shí)，F(xiàn)e3O4納米粒子改性植物絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)與空白油樣差異很小，而體積電阻率較空白油樣略大。司馬文霞等[10]對Al2O3納米改性礦物絕緣油的雷電沖擊特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)改性礦物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓相比純油有所提升，而負(fù)極性雷電沖擊電壓相比純油有所下降。Lü Y Z等[11-13]研究了TiO2和Fe3O4納米改性礦物絕緣油的正極性流注發(fā)展特性，繪制了90 kV電壓下普通礦物絕緣油和納米改性礦物絕緣油正極性雷電預(yù)擊穿圖像，發(fā)現(xiàn)兩種礦物絕緣油的雷電預(yù)擊穿圖像有所不同，普通礦物絕緣油在預(yù)擊穿一開始階段出現(xiàn)樹枝形狀，隨著樹枝越來越多呈灌木狀，而納米改性礦物絕緣油出現(xiàn)的灌木樹枝會出現(xiàn)較長的向周圍發(fā)散的分支。

本文搭建觀測納米改性絕緣油擊穿過程的光學(xué)平臺，研究TiO2納米粒子對植物絕緣油流注發(fā)展特性的影響，并觀測TiO2納米改性絕緣油在正-負(fù)極性雷電沖擊下的流注起始與傳播特征，通過分析TiO2納米粒子對絕緣油空間電場的影響，揭示TiO2納米改性植物絕緣油中流注形態(tài)發(fā)展的規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 雷電沖擊放電平臺

雷電沖擊放電平臺如圖1所示。放電平臺由沖擊電壓測試系統(tǒng)（阻容分壓器、示波器、電腦系統(tǒng)）和試驗(yàn)油箱（環(huán)氧絕緣筒）組成。沖擊電壓測試系統(tǒng)由兩部分組成：一是沖擊電壓發(fā)生器，二是測量與控制部分，可以在不同場強(qiáng)、不同間隙距離下進(jìn)行放電試驗(yàn)。沖擊電壓發(fā)生器有六級，額定輸出電壓等級為900 kV，總能量為33.75 kJ，可通過改變波頭、波尾電阻使其產(chǎn)生1.2（±30%）/50（±20%）μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電波，阻容分壓器能夠使沖擊電壓線性衰減上千倍以便測量，然后使其到達(dá)發(fā)生器工頻機(jī)的信息采集系統(tǒng)，從而記錄下電壓和電流的波形。

圖1 雷電沖擊放電平臺Fig.1 Lightning impluse discharge platform

電極使用針板電極，為保證試驗(yàn)放電的穩(wěn)定性，鎢針曲率半徑為（50±5）μm，板電極直徑為20 cm，材料為紫銅，模擬變壓器內(nèi)部的極不均勻電場。

1.2 雷電沖擊光路平臺

在絕緣油被擊穿的瞬間，放電通道會出現(xiàn)強(qiáng)光，與預(yù)擊穿狀態(tài)下相比，流注發(fā)展時(shí)間短且光線弱。另外，改性絕緣油有吸光性，并且光子在油杯內(nèi)會出現(xiàn)折反射，進(jìn)一步使光強(qiáng)削弱。因此放電過程采用高速陰影成像法進(jìn)行間接記錄，該光路平臺包括陰影成像系統(tǒng)和高速觸發(fā)系統(tǒng)。

（1）陰影成像系統(tǒng)

在均勻介質(zhì)中，折射率是個(gè)常數(shù)，因此光在均勻介質(zhì)中會沿直線進(jìn)行傳播，但當(dāng)介質(zhì)不均勻或發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，光在介質(zhì)中的傳播則不會再沿直線傳播，而是出現(xiàn)偏折。基于上述原理，流注陰影成像光路由光源、準(zhǔn)直透鏡、會聚透鏡、高速CMOS相機(jī)鏡頭及相機(jī)底片等設(shè)備構(gòu)成，如圖2所示。在還沒進(jìn)行雷電沖擊放電試驗(yàn)時(shí)，絕緣油可看作處于一個(gè)相對靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，光會通過透鏡及試驗(yàn)油箱的石英玻璃窗在高速CMOS相機(jī)鏡頭中呈現(xiàn)亮圓形。在施加雷電沖擊電壓時(shí)，高壓電極受到雷電沖擊波形的作用，此時(shí)的絕緣油承受著來自高壓電極的電場力和熱量，使得之前處于相對靜止?fàn)顟B(tài)的絕緣油出現(xiàn)低密度區(qū)，導(dǎo)致其介質(zhì)分布不再均勻，進(jìn)而在放電通道外形成一個(gè)折射區(qū)，導(dǎo)致光在透過絕緣油時(shí)發(fā)生偏折，使得在對焦參考面處形成類似M的亮圓形陰影流注圖，陰影流注圖經(jīng)過透鏡進(jìn)入高速CMOS鏡頭及底片，從而被記錄下來。

圖2 流注陰影成像光路原理圖Fig.2 Schematic diagram of streamer shadow imaging light path

（2）高速觸發(fā)系統(tǒng)

高速觸發(fā)系統(tǒng)對采用同步觸發(fā)實(shí)現(xiàn)流注放電瞬間產(chǎn)生信號的接收和成像記錄。使用帶力科WaveRunner610zi示波器采集電信號，采用高速CMOS相機(jī)拍攝。對于同步觸發(fā)，由分壓器輸出端獲得本系統(tǒng)的原始觸發(fā)信號，并通過同步起始信號觸發(fā)高速CMOS相機(jī)，原始輸入信號與CMOS間的時(shí)間小于標(biāo)準(zhǔn)雷電波波頭時(shí)間，因此這種同步觸發(fā)滿足高速CMOS相機(jī)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及使用性能。該型號高速相機(jī)受限于實(shí)時(shí)內(nèi)存技術(shù)，當(dāng)拍攝速度越快時(shí)，相機(jī)拍攝輸出的像素越低且拍攝范圍越小。因此，考慮到試驗(yàn)過程中針板油隙的距離范圍，試驗(yàn)過程中選擇每秒5～10萬幀的拍攝速度進(jìn)行流注放電圖像的拍攝，每張圖像的曝光時(shí)間為10μs，并選擇中央觸發(fā)的工作模式。

1.3 試驗(yàn)方法

本研究使用國家電網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院的沖擊電壓測試平臺對納米TiO2體積分?jǐn)?shù)分別為0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.125%的TiO2納米改性植物絕緣油及空白對照組（FR3植物絕緣油）共6個(gè)樣品進(jìn)行正、負(fù)極性的雷電沖擊擊穿測試，使用標(biāo)準(zhǔn)雷電波形（1.2/50 μs）作為沖擊電壓波形，正極性針-板電極間隙為25 mm，負(fù)極性針-板電極間隙為15 mm，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）使用待測樣品潤洗試驗(yàn)油杯，潤洗時(shí)需使?jié)櫹匆航欕姌O。取下厚度規(guī)，然后擰松針電極的固定螺絲，使電極間間隙歸零，再重新固定。使用厚度規(guī)將電極間距離設(shè)定為25 mm，將待測樣品倒入潤洗過的油杯中，將油杯重新組裝好。

（2）將待測樣品靜置5 min后，將沖擊電壓發(fā)生器的接地棒取下，打開沖擊電壓測試平臺電源。設(shè)定沖擊擊穿電壓，調(diào)整好球隙距離，然后開始充電。

（3）達(dá)到預(yù)定電壓后，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置，使球隙放電，產(chǎn)生沖擊電壓對樣品產(chǎn)生一次沖擊。沖擊電壓發(fā)生器分閘后讀取示波器顯示的雷電波形。若波形顯示樣品未擊穿，則繼續(xù)升高充電電壓，直至示波器波形顯示樣品被擊穿，記錄擊穿電壓和擊穿時(shí)間。

（4）測得5個(gè)擊穿電壓后，更換電極極性，并按照步驟（1）的方法將電極間距調(diào)為15 mm；再測得5個(gè)擊穿電壓后，更換電極極性，將電極間隙重新調(diào)為25 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊擊穿電壓

表1、表2分別為TiO2納米改性植物油的正極性、負(fù)極性雷電擊穿電壓。

表1 TiO2納米改性植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓Tab.1 The positive lightning breakdown voltage of TiO2nano-modified vegetable insulating oil

表2 TiO2納米改性植物絕緣油的負(fù)極性雷電擊穿電壓Tab.2 The negative lightning breakdown voltage of TiO2nano-modified vegetable insulating oil

由表1可知，F(xiàn)R3油原油本身便具有較好的雷電沖擊能力，其正極性雷電擊穿電壓平均值能達(dá)到70 kV以上。而經(jīng)TiO2納米改性的油樣雷電擊穿電壓都比原油高，說明TiO2納米粒子的添加能夠提高植物絕緣油的正極性雷電擊穿性能。但是，由表2發(fā)現(xiàn)，TiO2納米粒子的添加導(dǎo)致絕緣油的負(fù)極性雷電擊穿電壓較原油下降。將表1及表2數(shù)據(jù)繪制成折線圖如圖3所示。

圖3 TiO2納米改性植物絕緣油雷電擊穿電壓與納米體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 The relationship between lightning breakdown voltage and nano volume fraction of TiO2nano-modified vegetable insulating oil

由圖3可知，TiO2納米粒子能夠提升植物絕緣油的正極性雷電擊穿性能，當(dāng)TiO2體積分?jǐn)?shù)為0.125%時(shí)，植物絕緣油的雷電擊穿電壓提升了19.2%，且在一定體積分?jǐn)?shù)范圍（0.025%～0.075%）內(nèi)，TiO2納米改性植物絕緣油的雷電擊穿電壓隨體積分?jǐn)?shù)的增加提升較為明顯。當(dāng)TiO2納米體積分?jǐn)?shù)超過0.075%時(shí)，正極性雷電擊穿電壓的提升趨于穩(wěn)定。由此可推測，若TiO2納米體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，可能對于植物絕緣油正極性雷電擊穿性能的提升效果開始減小。然而TiO2納米粒子的添加導(dǎo)致負(fù)極性雷電擊穿電壓下降，并且隨著納米體積分?jǐn)?shù)的增加而下降得更多。這是因?yàn)橹参锝^緣油在針尖附近會被電離，從而產(chǎn)生電子崩，納米粒子在電場作用下形成電荷勢阱后，會捕獲電子，在負(fù)極附近產(chǎn)生速度較慢的帶負(fù)電荷的納米粒子，使其與負(fù)極之間的電場變?nèi)酰c板極之間的電場變強(qiáng)。與純油中的極性效應(yīng)相比，板極附近的電場會更大，導(dǎo)致?lián)舸╇妷簻p小。

2.2 流注發(fā)展形貌分析

選用TiO2納米改性植物絕緣油和FR3原油進(jìn)行正-負(fù)極性流注發(fā)展形貌的觀察和分析。由于TiO2納米粒子會提升植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓和降低負(fù)極性雷電擊穿電壓，觀察流注發(fā)展時(shí)添加納米粒子油樣的正極性雷電沖擊電壓相較原油稍高，而負(fù)極性雷電沖擊電壓相較原油稍低。使用高速CMOS相機(jī)對流注的形貌進(jìn)行拍攝，得到正極性雷電沖擊下的流注發(fā)展形貌特征如圖4～5所示。

圖4 原油在58 kV正極性雷電沖擊下的流注發(fā)展形貌Fig.4 The streamer propagation morphology of pure oil under the impact of positive lightning at 58 kV

圖5 TiO2納米改性絕緣油在62 kV正極性雷電沖擊下的流注發(fā)展形貌Fig.5 The streamer propagation morphology of TiO2nano-modified insulating oil under the impact of positive lightning at 62 kV

由圖4～5可知，原油的流注僅在針極附近出現(xiàn)較長分支，而通過TiO2納米改性的植物絕緣油在流注發(fā)展過程中會出現(xiàn)較長的向周圍發(fā)散的分支，導(dǎo)致流注發(fā)展通道比較大，這也是TiO2納米改性植物絕緣油的雷電擊穿性能得到提升的原因。分析認(rèn)為改性植物絕緣油中的TiO2納米顆粒會吸附周圍電子，導(dǎo)致電子較容易向四周遷移，進(jìn)而使得流注會形成較長的分支。圖6、圖7分別為原油和TiO2納米改性絕緣油在負(fù)極性雷電沖擊電壓下的流注發(fā)展形貌。由圖6～7可知，在負(fù)極性雷電沖擊電壓下，原油中的流注發(fā)展速度比改性植物絕緣油中的慢，而原油中的發(fā)展長度要比改性植物絕緣油中的長。這是因?yàn)楦男灾参锝^緣油中的TiO2納米粒子會吸附電子，導(dǎo)致流注會往四周發(fā)展，因此發(fā)展長度較短。同時(shí)改性植物絕緣油還會在負(fù)極附近產(chǎn)生大量遷移速度緩慢的帶負(fù)電荷的納米粒子，加強(qiáng)板電極與負(fù)極性納米粒子區(qū)域的電場，導(dǎo)致流注發(fā)展較迅速。

圖6 原油在68 kV負(fù)極性雷電沖擊下的流注發(fā)展形貌Fig.6 The streamer propagation morphology of pure oil under the impact of negative lightning at 68 kV

圖7 TiO2納米改性絕緣油在66 kV負(fù)極性雷電沖擊下的流注發(fā)展形貌Fig.7 The streamer propagation morphology of TiO2nano-modified insulating oil under the impact of negative lightning at 66 kV

2.3 流注擊穿形貌及其消散過程分析

在正極性雷電沖擊電壓下，原油和納米TiO2改性植物絕緣油在雷電沖擊下的流注發(fā)展及消散過程分別如圖8、圖9所示。

圖8 原油在64 kV的正極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.8 The streamer morphology of pure oil under 64 kV positive lightning impulse breakdown voltage

圖9 TiO2納米改性絕緣油在77 kV的正極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.9 The streamer morphology of TiO2 nano-modified insulating oil under 77 kV positive lightning impact breakdown voltage

由圖8～9流注發(fā)展擊穿過程可知，納米改性植物絕緣油中的流注通道要比原油中的大，并且在400 μs時(shí)，納米改性植物絕緣油中的流注通道比純油中黯淡，說明TiO2納米改性植物絕緣油的流注消散速度比純油中的快。這是因?yàn)門iO2納米粒子會捕獲帶電微粒，導(dǎo)致電荷較容易向四周進(jìn)行遷移，使得擊穿通道較大。

原油和TiO2納米改性植物絕緣油在負(fù)極性雷電沖擊擊穿電壓下雷電沖擊的流注發(fā)展及消散過程分別如圖10、圖11所示。

圖10 原油在76 kV的負(fù)極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.10 The streamer morphology of pure oil under 76 kV negative lightning impulse breakdown voltage

圖11 TiO2納米改性絕緣油在74 kV的負(fù)極性雷電沖擊擊穿下的流注形貌Fig.11 The streamer morphology of TiO2 nano-modified insulating oil under 74 kV negative lightning impulse breakdown voltage

由圖10～11可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)極性雷電擊穿電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的的流注發(fā)展通道相比原油更大，流注持續(xù)時(shí)間更長。這是由于TiO2納米粒子會捕獲帶電微粒，導(dǎo)致電荷較容易向四周進(jìn)行遷移，使得擊穿通道較大。

2.4 流注擊穿電壓與擊穿時(shí)間

表3、表4分別為正、負(fù)極性雷電擊穿電壓及擊穿時(shí)間。

表3 原油及TiO2納米改性植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓和時(shí)間Tab.3 The positive lightning breakdown voltage and time of pure oil and TiO2nano-modified vegetable insulation oil

表4 原油及TiO2納米改性植物絕緣油的負(fù)極性雷電擊穿電壓和時(shí)間Tab.4 The negative lightning breakdown voltage and time of pure oil and TiO2nano-modified vegetable insulation oil

由表3可知，在正極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的擊穿電壓要比原油的大，并且擊穿時(shí)間也比原油的擊穿時(shí)間長，說明在正極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米粒子不但能提升植物絕緣油的擊穿電壓，還能阻礙流注在絕緣油中的發(fā)展，延長擊穿時(shí)間。

由表4可知，在負(fù)極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的擊穿電壓要比原油的小，并且擊穿時(shí)間也比原油的短，說明在負(fù)極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米粒子不能提升植物絕緣油的雷電擊穿電壓。其原因是TiO2納米粒子在負(fù)極附近會形成遷移速度緩慢的帶負(fù)電荷納米粒子，使板電極與帶負(fù)電荷納米粒子區(qū)域間的電場得到加強(qiáng)，導(dǎo)致?lián)舸╇妷翰辉龇礈p。

3 結(jié)論

（1）TiO2納米改性植物絕緣油的正極性雷電擊穿電壓相比原油得到提升，最高可提升19.2%，說明向植物絕緣油中添加TiO2納米能夠提升絕緣油的正極性雷電沖擊性能。

（2）從所拍攝到的流注發(fā)展過程發(fā)現(xiàn)，在正極性雷電沖擊電壓作用下，TiO2納米改性植物絕緣油流注的發(fā)展速度相對來說比較緩慢，且流注通道比較大，這是因?yàn)門iO2納米粒子會捕獲電子，導(dǎo)致流注會往四周進(jìn)行發(fā)展，因此發(fā)展速度較慢且短。

（3）在負(fù)極性雷電沖擊電壓下，TiO2納米改性植物絕緣油的擊穿電壓及時(shí)間相比原油反而有所下降，這是由于TiO2納米粒子在負(fù)極性雷電沖擊下吸附電子后會加強(qiáng)板電極與負(fù)極性納米粒子之間的電場，因此相比原油流注發(fā)展速度更快。