姚婧玥，張馳宇，張豈凡，張曉菁

（中國核電工程有限公司，北京 100000）

變壓器在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，國家大規(guī)模電網(wǎng)重視變壓器的安全運(yùn)行，而其安全運(yùn)行主要取決于穩(wěn)健的絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代變壓器中，繞組用紙包裹，并浸入礦物油或合成酯等變壓器油中，可有效防止變壓器擊穿。擊穿測試有助于了解測試油的絕緣能力，變壓器在投入實(shí)際使用之前必須通過工廠測試，以證明其具有高絕緣能力，即有效地避免了經(jīng)濟(jì)損失并確保了安全。該測試是絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分析擊穿特性的重要參考對象，其中流注的形狀、傳播速度、面積和停止長度等特性仍然具有深入研究的意義。在本文中，通過改變電極類型，即在脈沖電壓下使用針-平面和環(huán)-平面模型來研究流注特性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)電路

整個(gè)電路由3個(gè)主要部分組成：脈沖發(fā)生器、高壓分壓器和紋影光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示[1]。

圖1 脈沖電壓下?lián)舸?shí)驗(yàn)電路圖

脈沖發(fā)生器使用高壓固態(tài)晶體管開關(guān)，可以將電壓從5 V直流電壓轉(zhuǎn)換為高達(dá)45 kV的高壓。該電路使用2 000 000Ω的RC作為保護(hù)電阻，以保護(hù)直流電壓源；使用2個(gè)600Ω的電阻Rs1和Rs2，以保護(hù)固態(tài)晶體管開關(guān)免受并聯(lián)電容器產(chǎn)生的高頻振蕩和噪聲影響。通過對電路中電容和電阻的計(jì)算，使該電路穩(wěn)定生成標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形1.2/50μs用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

紋影光學(xué)系統(tǒng)（Schlieren Optical System）被引入到實(shí)驗(yàn)電路中，可通過光學(xué)回路將實(shí)驗(yàn)單元中流注發(fā)展情況清晰地由SIM16相機(jī)記錄并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。SIM16相機(jī)具有1.2μs的延遲以待實(shí)驗(yàn)單元的波形達(dá)到峰值，然后每1μs拍攝16張照片，可以準(zhǔn)確捕捉流光傳播和擊穿現(xiàn)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 電極

動(dòng)態(tài)蝕刻的標(biāo)準(zhǔn)程序是反復(fù)將直線從電解液中提起。為了獲得不同的尖端半徑，改變浸入電解液中金屬的次數(shù)，并在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中調(diào)整數(shù)量。每次蝕刻導(dǎo)線時(shí)，IEC 60897—1987《絕緣液體的雷電沖擊擊穿電壓的測定方法》要求使用顯微鏡檢查尖端半徑[2]，并相應(yīng)增加浸漬時(shí)間。本文采用2.5 mol/L氫氧化鉀溶液和15 V直流電源組成電路，氫氧化鉀為電解液，溶液中的直流電壓為陰極，鎢絲為陽極。顯微鏡拍攝了實(shí)驗(yàn)得到的鎢針圖像，如圖2所示。

圖2 鎢針蝕刻圖像

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不同尖端半徑的鎢針蝕刻方法匯總見表1。

表1 不同尖端半徑的鎢針蝕刻方法總結(jié)

環(huán)形電極與針形電極不同，用半徑為20μm的鎢絲將環(huán)圈成圈，做成環(huán)形半徑2、4和6 mm的鎢環(huán)用于對比流注起始位置、擊穿電壓、長度和速度。游標(biāo)卡尺將用于檢測半徑準(zhǔn)確度，最大限度地減少誤差。

1.2.2 變壓器油

幾十年來，變壓器油都使用的是礦物油，為安全運(yùn)行提供絕緣條件。現(xiàn)如今的研究集中在使用更環(huán)保和高效的酯油替代礦物油以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，Midel7131是一種結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的合成酯油，已廣泛用于工業(yè)[3]。實(shí)驗(yàn)中所用的Midel9131經(jīng)過過濾、脫水和脫氣，最大程度減少了雜質(zhì)、濕度和氣體的影響。過濾過程由孔徑為0.2μm的NalgeneMF 75尼龍膜過濾器在真空泵操作下進(jìn)行[4]。過濾后，酯油使用氮?dú)饷撍? h，并在真空烘箱中脫氣0.5 h，確保油的濕度低于5%。在此基礎(chǔ)上，將根據(jù)IEC 60897—1987《絕緣液體的雷電沖擊擊穿電壓的測定方法》[2]進(jìn)行擊穿測試。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了比較流注特性、流注發(fā)展和擊穿電壓，采用線半徑為20μm及環(huán)半徑為2、4和6 mm的鎢環(huán)作為電極，與采用尖端半徑為20μm和10μm的鎢針作為電極，在脈沖電壓下的擊穿實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)單元中電極距離設(shè)置為5 mm。脈沖電壓采用升壓法，施加的初始電壓設(shè)置為預(yù)期擊穿電壓的70%，隨后以1 kV的增量逐步增加。對于每種電極條件，應(yīng)當(dāng)至少有20個(gè)值以確保結(jié)果的可信度。尤其是環(huán)-平面電極相關(guān)的擊穿電壓參考較少，因此將使用大范圍的電壓等級(jí)來定位擊穿電壓電平。為了最大限度地減少?zèng)_擊電壓對油樣的累積影響[4]，每次沖擊之間需要至少60 s的間隔。通過比較流注的起始位置、發(fā)展速度和擊穿電壓，可以清楚地顯示出尖端半徑和環(huán)形電極的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 環(huán)-平面電極流注形狀及長度

本節(jié)將展示流注發(fā)展情況，并將擊穿電壓擬合為概率曲線，以查看具有不同環(huán)半徑的環(huán)形電極的50%擊穿電壓。環(huán)-平面電極具有獨(dú)特流注起始位置和形狀特征，其形狀不同于針-平面間隙中啟動(dòng)的拖纜形狀：從鎢環(huán)的側(cè)點(diǎn)開始的流注，樹形形狀受中心電場的影響，中心區(qū)域具有更多的直枝。由于電應(yīng)力的變化，流注遠(yuǎn)離平面電極的分枝擴(kuò)展得更廣。圖3可以清楚地看到流注形狀，其長度可以從攝像機(jī)拍攝的照片中獲得，并總結(jié)于圖4。

圖3 脈沖電壓下典型的流注發(fā)展和擊穿現(xiàn)象

圖4 脈沖電壓下流注長度與鎢環(huán)電極半徑的關(guān)系

從圖4可以得出流注長度與時(shí)間呈線性關(guān)系，其斜率表明改變環(huán)形電極的半徑時(shí)流注發(fā)展沒有太大的差異。多次實(shí)驗(yàn)證明，無論拍攝時(shí)間的開始和結(jié)束，擁有較大半徑的環(huán)形電極在任何時(shí)間點(diǎn)都具有較大的流注長度。由于SIM16相機(jī)存在一定誤差，加之發(fā)生擊穿現(xiàn)象時(shí)流注發(fā)展速度加快，所以開始和結(jié)束獲取的照片有較大誤差。因此，曲線忽略了開始和結(jié)束的流注情況從而使匯總的數(shù)據(jù)更具有參考價(jià)值。

短暫等待不僅能提高孩子的自控力，還有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)作用。孩子總歸要進(jìn)入集體生活，在學(xué)校、在社會(huì)中，別人不再像爸爸媽媽一樣關(guān)注他隨時(shí)給他回應(yīng)，從小練習(xí)過短暫等待的孩子適應(yīng)起來應(yīng)該容易很多，也更能體諒他人。

2.2 環(huán)-平面電極流注起始位置

圖5展示了眾多流注起始和擊穿現(xiàn)象中相當(dāng)特殊的情況：從環(huán)形電極引出2條流注，其引出位置幾乎與環(huán)形中心線對稱。這種情況是相對罕見的，大約在200次擊穿測試中發(fā)生1次。

圖5 環(huán)-平面間隙流注發(fā)展的特殊情況

由于流注起始位置的多樣性，證明對起始位置的分析也有重要參考價(jià)值，主要位置如圖6所示。

圖6 環(huán)-平面間隙的流注不同起始位置

表2總結(jié)了起始位置，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算了不同位置發(fā)生擊穿的次數(shù)及概率。通過建立環(huán)-平面電極的三維模型從而獲得電場分布，驗(yàn)證了流注起始位置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同起始位置的流注發(fā)生概率

如圖7和表3所示，建模結(jié)果在環(huán)形電極到平面電極的最近點(diǎn)處具有最大電場。除此之外，當(dāng)θ達(dá)到30°和90°時(shí)，電場略有增加，導(dǎo)致流注起始位置分散；而實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果不能完全吻合。在θ=60°處出現(xiàn)流注的高概率不能匹配對應(yīng)點(diǎn)的電場強(qiáng)度，這可能是由于直徑為0.4 mm的鎢絲的材料柔性導(dǎo)致的環(huán)形電極形狀變形造成的?？傮w來說，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但流注起始位置仍存在問題，需要研究和驗(yàn)證。

圖7 鎢環(huán)電極上的電場分布及電極示意圖

表3 沿環(huán)形電極0°至90°的電場分布

2.3 環(huán)-平面電極擊穿電壓和流注速度

流注速度和擊穿電壓也是研究預(yù)擊穿及擊穿現(xiàn)象的重要指標(biāo)之一，其中50%概率擊穿電壓是用于對比擊穿現(xiàn)象的重要參數(shù)。每個(gè)電壓等級(jí)均向電路施加20個(gè)脈沖波形，以獲得不同實(shí)驗(yàn)條件下的準(zhǔn)確概率。表4顯示了施加電壓以1 kV為間隔，從33 kV到100%擊穿電壓期間發(fā)生擊穿現(xiàn)象的次數(shù)。

表4 不同電壓水平下發(fā)生擊穿現(xiàn)象的次數(shù)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Weibull分布擬合于圖8，可以清晰地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與概率的關(guān)系，顯示出擊穿電壓的顯著特征，并得出不同半徑環(huán)形電極的50%概率擊穿電壓，具體見表5。

圖8 不同環(huán)形電極半徑Weibull分布的擊穿電壓擬合結(jié)果

表5 Weibull分布獲得的不同環(huán)半徑電極的50%擊穿電壓

不同環(huán)半徑電極的擊穿電壓擬合曲線表明，改變環(huán)形電極的環(huán)半徑對擊穿電壓水平影響不大；50%擊穿電壓范圍為38.5 kV至39.5 kV。實(shí)驗(yàn)過程中，記錄了每一次擊穿現(xiàn)象的擊穿時(shí)間，如圖9所示。因此，根據(jù)之前獲得的長度，流注發(fā)展速度的關(guān)系如圖10所示。

圖9 不同環(huán)半徑電極在不同擊穿電壓條件下的擊穿時(shí)間

圖10 不同環(huán)半徑電極在不同施加電壓下的流注發(fā)展速度

由于SIM16相機(jī)拍攝照片存在1μs間隔，所獲得的擊穿時(shí)間誤差較大，但從整合的曲線上仍可以看到大致趨勢：當(dāng)增加施加的脈沖電壓時(shí)，電場強(qiáng)度隨之增加，導(dǎo)致流注發(fā)展速度增加，擊穿時(shí)間減少，環(huán)半徑較小時(shí)受到的影響更大，即環(huán)半徑較小的電極流注速度增加得更快。

2.4 針-平面擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用尖端半徑為10μm和20μm的蝕刻鎢針作為電極，在間隙距離為5 mm的脈沖電壓下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖11、圖12所示。

圖11 不同尖端半徑鎢針在脈沖電壓下的流注長度

圖11和圖12展示了針形電極流注長度和發(fā)展速度隨時(shí)間和施加電壓的變化趨勢：尖端半徑10μm電極的流注發(fā)展速度慢于20μm電極的流注，且其擊穿現(xiàn)象發(fā)生較晚。這是由于針的幾何形狀導(dǎo)致的，尖端半徑為10μm的鎢針具有更加不均勻的電場，即可以更容易地在較低的電壓水平下產(chǎn)生流注。

圖12 不同尖端半徑鎢針在不同施加電壓下的流注傳播速度

2.5 分析

針-平面電極和環(huán)-平面電極具有相對不同的預(yù)擊穿特點(diǎn)和擊穿現(xiàn)象。對比兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，環(huán)形電極半徑對流注長度的影響很小，但對于較小的環(huán)半徑，流注發(fā)展速度對施加電壓的變化更敏感。針形電極則與之相反，尖端半徑對流注長度和發(fā)展速度有較大的影響：尖端半徑小將有較大的發(fā)展速度和較低的起始電壓。由于構(gòu)成環(huán)形電極的鎢針半徑為20μm與針形電極的尖端半徑相同，這也是導(dǎo)致環(huán)半徑越小的環(huán)形電極與尖端半徑20μm的針形電極擁有相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因，即其幾何形狀可近似于針形電極。

2.6 場增強(qiáng)因子

本文引入電場增強(qiáng)因子來分析電場的不均勻性，電場不均勻性對預(yù)擊穿和擊穿現(xiàn)象有直接影響。場增強(qiáng)因子定義為

式中：Emax為最大電場；Eave為針尖平均電場；V為施加的電壓；d為兩電極間距。在之前的研究中提到，當(dāng)具有從2.8到77[5]的場增強(qiáng)因子時(shí)，會(huì)出現(xiàn)快速流注。通過上文建立的三維模型模擬電場情況，也可得到表6中不同電極設(shè)置下的場增強(qiáng)因子。

表6 三維建模計(jì)算的場增強(qiáng)因子

仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。對于環(huán)形電極和尖端半徑為20μm的針形電極，會(huì)引發(fā)快速流注，并出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。擊穿現(xiàn)象與場增強(qiáng)因子的相關(guān)性尚未得到深入研究，這將是未來一個(gè)非常有意義的研究課題。

3 結(jié)束語

本文主要研究不同類型電極設(shè)置在脈沖電壓下的預(yù)擊穿和擊穿現(xiàn)象。通過高壓實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，研究了預(yù)擊穿、擊穿現(xiàn)象和電極變化的相關(guān)性，總結(jié)了在不同電極設(shè)置下的流注形狀、發(fā)展速度、起始位置和擊穿電壓，同時(shí)也引入了場增強(qiáng)因子來分析電場不均勻性。已發(fā)表的大量研究對針-平面、球-平面和桿-平面電極進(jìn)行了深入的研究，然而關(guān)于環(huán)-平面電極的研究較少，在實(shí)際變壓器中使用類似幾何形狀的情況下，研究這種電極配置是有意義的。