鄭含博 楊 杭 鳳永吉 呂偉杰 彭慶軍

雷電沖擊下天然酯的長間隙擊穿特性仿真研究

鄭含博1楊 杭1鳳永吉1呂偉杰1彭慶軍2

（1. 廣西電力裝備智能控制與運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)） 南寧 530004 2. 云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 昆明 650200）

天然酯作為一種環(huán)保低碳液體電介質(zhì)，被普遍認(rèn)為是礦物油的良好替代品，但其在高場強(qiáng)、長間隙下的放電特性及絕緣性能尚不清晰。該文以天然酯絕緣油為研究對象，基于電流體動(dòng)力學(xué)方程，考慮多種參與電離的甘油三酯分子的電離能、分子數(shù)密度和溫度對載流子遷移率的影響，建立天然酯流注放電仿真模型，研究不同雷電沖擊電壓和放電間隙的流注發(fā)展特性及典型分子的電離情況，分析流注模式轉(zhuǎn)換與甘油三酯分子電離的聯(lián)系，以及油隙對擊穿電壓的影響。結(jié)果表明，天然酯的擊穿特性不同于礦物油；流注模式轉(zhuǎn)換與高電離能分子電離有關(guān)；間隙小于100 mm時(shí)，該模型有利于對雷電沖擊電壓與油隙關(guān)系進(jìn)行模擬判斷。該文可為研究天然酯流注發(fā)展特性提供新的思路和依據(jù)。

天然酯 仿真 流注放電 長間隙 高場強(qiáng) 甘油三酯分子

0 引言

液體電介質(zhì)具備比氣體絕緣介質(zhì)更高的擊穿強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，擁有比固體絕緣介質(zhì)更強(qiáng)的延展性和自愈能力，使其廣泛應(yīng)用于防范或快速熄滅變壓器、電容器等高壓絕緣設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的放電。鑒于目前電網(wǎng)設(shè)備的綠色發(fā)展趨勢，且與傳統(tǒng)的液體電介質(zhì)礦物油相比，天然酯絕緣油具有更高的燃點(diǎn)和更好的生物降解率，因而成為前者的潛在替代品[1-5]。此外，天然酯的介電常數(shù)更高，使得油紙絕緣系統(tǒng)的電場分布更為均勻[6-8]。盡管天然酯具有眾多優(yōu)秀的物化特性，但其與礦物油在成分和分子結(jié)構(gòu)上的差異造成了兩者絕緣性能的差別。在高壓應(yīng)力作用下，液體電介質(zhì)中的流注放電是電介質(zhì)擊穿的前奏。文獻(xiàn)[9]對比雷電沖擊電壓下流注在天然酯和礦物油中的傳播特性得出，相對于礦物油，天然酯中的流注更容易轉(zhuǎn)變成第三模式快流注。此外，天然酯在工作條件下存在顯著缺陷，即在局部高場強(qiáng)及較大的放電間隙下的雷電沖擊耐受性不足，并且隨著電場強(qiáng)度增強(qiáng)和電介質(zhì)體積增大，缺陷暴露得更明顯[10-11]。因此，研究高場強(qiáng)和長間隙下液體電介質(zhì)中的流注放電具有重要意義。

當(dāng)電場強(qiáng)度超過液體電介質(zhì)的電氣耐受程度，產(chǎn)生局部放電時(shí)形成的預(yù)擊穿通道被稱為流注。G. A. Hebner最早提出流注模式這一概念，O. Lesaint根據(jù)流注的極性和傳播速度，將正流注分為四種模式：在流注發(fā)展初期，速度緩慢，此時(shí)流注屬于速度1 km/s以下的第一模式慢流注；當(dāng)達(dá)到擊穿電壓時(shí)，流注處于第二模式，速度可達(dá)到1 km/s；隨著電壓達(dá)到加速電壓閾值，流注會(huì)發(fā)展成速度高達(dá)10 km/s的第三模式甚至更快的第四模式快流注[12]。礦物油主要由芳香烴、鏈烷烴和環(huán)烷烴組成，而天然酯的主要成分是甘油三酯，在分子結(jié)構(gòu)上與礦物油有較大的區(qū)別，分子結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致它們在分子的電離能、參與電離的分子數(shù)密度和介電常數(shù)等參數(shù)都不盡相同。文獻(xiàn)[13]開展了天然酯和合成酯的擊穿實(shí)驗(yàn)，與礦物油對比發(fā)現(xiàn)，酯類電介質(zhì)的流注擊穿電壓與礦物油相近，但加速電壓卻有顯著差別，天然酯在防止快速高能流注發(fā)展方面的能力較差。文獻(xiàn)[14]分析了沖擊電壓下不同間隙的測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，由于酯類對快速流注的耐受性相對較低，在較大的間隙下，天然酯的雷電擊穿電壓可能低至礦物油的40%。

流注發(fā)展過程中電場強(qiáng)度的變化及流注中載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律難以通過實(shí)驗(yàn)測量，數(shù)值仿真為探究流注放電微觀過程提供了新思路[15]。J. G. Hwang等基于泊松方程和載流子對流擴(kuò)散方程建立了礦物油電流體動(dòng)力學(xué)（Electro-Hydro Dynamics, EHD）流注仿真模型，借助仿真模型探究了礦物油流注放電不同模式轉(zhuǎn)變的背后機(jī)制，該模型受到了后續(xù)學(xué)者們的廣泛認(rèn)可[16]。陳剛等利用載流子密度擾動(dòng)模擬流注放電過程中的光電離及熱電離等其他電離源，建立植物油流注放電分支模型[17]，并將模型應(yīng)用至天然酯納米基絕緣油，驗(yàn)證了納米基絕緣油抑制流注傳播能力的優(yōu)勢[18]。但目前對于天然酯在高場強(qiáng)下?lián)舸┨匦暂^差的背后機(jī)理研究，以及其長間隙下放電的研究，特別是針對天然酯中甘油三酯分子的電離情況與流注放電機(jī)制的聯(lián)系的研究還較少。

本文基于電流體動(dòng)力學(xué)方程的液體介質(zhì)流注仿真模型，利用密度泛函理論和分子模擬等量子化學(xué)方法，求取了表征天然酯的液相電離能數(shù)值，考慮載流子的遷移率會(huì)受溫度的影響，建立了天然酯流注放電仿真模型。計(jì)算得到不同雷電沖擊電壓下和不同放電間隙的流注發(fā)展特性及典型分子電離情況，分析并討論流注的電場分布狀況、天然酯中甘油三酯分子的電離情況和各種載流子的分布特性，模擬長間隙下?lián)舸╇妷号c放電間隙的關(guān)系。本文的研究成果可為研究天然酯流注發(fā)展特性提供新的思路和依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 控制方程

本文采用基于電流體動(dòng)力學(xué)（EHD）方程的液體介質(zhì)流注仿真模型，利用流注中載流子的連續(xù)介質(zhì)模型來解釋電荷的產(chǎn)生與捕獲機(jī)制，從微觀角度研究流注發(fā)展的物理過程，特別關(guān)注放電動(dòng)態(tài)過程中電荷密度、電場強(qiáng)度等參量的變化[19]。式（1）～式（3）分別表示正離子、負(fù)離子和電子的產(chǎn)生和捕獲過程，通過泊松方程（式（4））耦合了正負(fù)離子密度和電子密度，又引入熱擴(kuò)散方程（式（5））來模擬液體中溫度的變化及油氣的產(chǎn)生。

電流體動(dòng)力學(xué)通過式（5）中的耗散項(xiàng)將電場和溫度耦合在一起，其中耗散電流密度為

式（6）反映了在電場影響下，自由電荷載流子在油中運(yùn)動(dòng)的電功率耗散或產(chǎn)生的焦耳熱。

與氣態(tài)和固態(tài)不同，液體的分子結(jié)構(gòu)和行為更為復(fù)雜，對于液體電介質(zhì)高場強(qiáng)主導(dǎo)的電離機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一。文獻(xiàn)[20]借助仿真模型與放電實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，證實(shí)了場致電離可能在流注發(fā)展過程中起主導(dǎo)作用。場致電離是一種直接電離機(jī)制，極高的電場水平導(dǎo)致中性分子中的價(jià)電子上升到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自由電子和正離子。正因?yàn)楫a(chǎn)生的電子和正離子遷移率的不對稱性，在流注發(fā)展的時(shí)間尺度內(nèi)，液體電介質(zhì)中才能形成顯著的空間電荷區(qū)，與外加電場強(qiáng)度疊加，從而驅(qū)動(dòng)流注的發(fā)展與傳播。因此，本文選擇場致電離作為流注電荷的產(chǎn)生機(jī)制。

場致電離源項(xiàng)為

式中，n（=1, 2,…）為可電離的分子數(shù)密度；為分子間距；為普朗克常數(shù)；為分子質(zhì)量；Δ（=1, 2,…）為參與電離的分子電離能；為電離勢能函數(shù)參數(shù)。

1.2 電離能參數(shù)設(shè)置

液體電介質(zhì)的擊穿與液體性質(zhì)密切相關(guān)，由式（7）可知，電離能是評估流注起始和傳播難易程度的重要分子描述符，流注放電過程中電荷的產(chǎn)生取決于液體中可電離分子的數(shù)密度和電離能[21-23]。天然酯主要成分為甘油三酯分子，是通過對大豆油、棕櫚油等植物油進(jìn)行精煉、漂白、脫臭等工藝得到的一種新型絕緣電介質(zhì)，在電離能、介電常數(shù)和可電離分子的數(shù)密度等方面與礦物油存在差異。這些因素一起決定了液體絕緣油的放電行為，沿用礦物油的電離能數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地反映天然酯的放電行為。為了準(zhǔn)確地建立天然酯流注放電仿真模型，本文利用密度泛函理論和波函數(shù)分析，從微觀角度研究天然酯主要成分分子的電離性質(zhì)，在高精度泛函分析中計(jì)算出天然酯主要分子液相下的電離能。選取了分子結(jié)構(gòu)、幾何空間結(jié)構(gòu)，以及由結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的性質(zhì)不同的甘油三亞油酸酯、甘油三油酸酯、甘油三棕櫚酸酯和甘油三硬脂酸酯四種主要甘油三酯分子作為典型分子。模擬盒子空間中容納的分子數(shù)密度為6.43×1026m-3，四種分子的比例為2:8:9:1，四種分子比例的選取是對標(biāo)棕櫚油基天然酯實(shí)際質(zhì)量比例。文獻(xiàn)[19]表明典型碳?xì)湟后w的分子數(shù)密度約在1027～1028m-3之間，而參與電離的分子只占了其中的小部分。甘油三酯分子體積比環(huán)烷烴、鏈烷烴分子都要大，同體積下，天然酯中分子數(shù)密度小于礦物油中分子數(shù)密度是符合實(shí)際情況的。

模擬計(jì)算得到液相下天然酯主要分子的電離能與分子數(shù)密度見表1。天然酯中的甘油三酯電離能梯度較小，處于7.50～8.88 eV范圍內(nèi)。而礦物油中典型高電離能分子為環(huán)己烷，液相下環(huán)己烷的電離能高達(dá)9.90 eV；低電離能的芳香烴在礦物油中的比例僅有5%，其電離能僅為7.05 eV。有文獻(xiàn)表明，在純環(huán)己烷中加入低電離能的芘后，低電離能的芘有效地增加了流注的加速電壓，明顯抑制了油中快速流注的發(fā)展[24]。J. G. Hwang等仿真研究了不同電離能分子對流注模式的影響，驗(yàn)證了P. Biller的猜想，得出了礦物油中含量少、電離能較低的芳香烴是流注發(fā)展為第二模式的主要原因，油中含量較多且電離能較高的鏈烷烴和環(huán)烷烴是流注從第二模式轉(zhuǎn)換成第三模式甚至第四模式的原因[16]。天然酯中主要分子的電離能比較接近，并且高電離能分子與低電離能分子的數(shù)密度差距不大，這也可能是天然酯有別于礦物油，即其擊穿電壓和加速電壓如此接近的重要原因。

表1 液相下天然酯主要分子的電離能與分子數(shù)密度

Tab.1 Ionization potential and molecular number density of the main components of insulating liquids in the liquid phase

1.3 載流子遷移率設(shè)置

載流子的遷移率也是影響天然酯絕緣油流注擊穿過程的關(guān)鍵參數(shù)，對預(yù)擊穿過程中空間電荷區(qū)的產(chǎn)生和局部的焦耳加熱起著重要的作用。目前，針對獲得電介質(zhì)液體的電荷載流子遷移率，通常有兩種實(shí)驗(yàn)測量方法：飛行時(shí)間（Time of Flight, ToF）法和空間電荷限制電流（Space Charge Limited Current, SCLC）法[25]。其中ToF法用于獲得準(zhǔn)均勻電場中的載流子的運(yùn)動(dòng)，而SCLC法用于在點(diǎn)面電極拓?fù)渲挟a(chǎn)生的高度發(fā)散電場的情況下獲得電荷載流子遷移率，并且施加的電場范圍也比ToF法的大。文獻(xiàn)[26]報(bào)道了使用ToF法測得的載流子遷移率比使用SCLC法測得的遷移率值大約低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。薛晴江等利用ToF法和SCLC法，獲得了礦物油、天然酯的電荷載流子遷移率。在ToF法下，即準(zhǔn)均勻電場下，礦物油的電荷載流子遷移率最高，達(dá)到了5.3×10-9m2/(V·s)，而天然酯的電荷載流子遷移率為1.2×10-9m2/(V·s)；使用SCLC法測得天然酯的電荷載流子遷移率為6×10-9m2/(V·s)，高于礦物油的4.6×10-9m2/(V·s)[27]。載流子遷移率與流注傳播息息相關(guān)。非均勻電場下，礦物油和天然酯的擊穿特性存在著顯著差異，較低的雷電沖擊測試電壓就使得天然酯中的正流注迅速發(fā)展成為高能快流注，因此SCLC法測得的天然酯電荷載流子遷移率高于礦物油[14]。電場的均勻性對于流注擊穿特性也存在影響，因此本文選擇外加電場強(qiáng)度較高，且適用于非均勻場的SCLC法測得的電荷載流子遷移率。

④運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)：運(yùn)動(dòng)方式必須是在保證孕婦及胎兒安全的前提下進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)的形式以有氧運(yùn)動(dòng)及能長期堅(jiān)持為原則，如散步、上肢運(yùn)動(dòng)、孕婦體操等。運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度以中強(qiáng)度為宜，自測心率＜120次/min。運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間從10 min開始，逐步增加至 30～40 min，餐后1 h進(jìn)行。

而對于液體電介質(zhì)中電子的遷移率，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電荷載流子遷移率，且易受到溫度的影響。此外粘度與溫度密切相關(guān)，外推粘溫關(guān)系可以確定遷移率與溫度的關(guān)系[16,19]。利用洛倫茨半徑公式，將天然酯中電子的遷移率與粘度結(jié)合。在介電常數(shù)為e的介質(zhì)中，電子可被建模成一個(gè)電荷密度為，半徑為e的均勻帶電小球。

組裝帶電小球的能量為

根據(jù)愛因斯坦的相對論，組裝電荷所需的功以能量的形式存儲(chǔ)，聯(lián)立質(zhì)能方程=ec，其中為自由空間中的光速，e為電子靜止質(zhì)量，可以得到電子半徑的表達(dá)式為

其中，=1.6×10-19C，e=9.1×10-31kg，可求得e= 5.44×10-16m。

利用瓦爾登法則可以計(jì)算得到電子的遷移率為

式中，為天然酯絕緣油粘度的代表值。聯(lián)立式（9）和式（10）求得不同溫度下的電子遷移率，見表2。利用非線性擬合函數(shù)對電子遷移率隨溫度變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到電子遷移率隨溫度的變化方程和曲線，如圖1所示。

表2 不同溫度下的粘度與電子遷移率

Tab.2 Viscosity and electron mobility at different temperatures

圖1 不同溫度下電子遷移率變化曲線

1.4 其他參數(shù)設(shè)置

本文選取了符合IEC 60897標(biāo)準(zhǔn)的針-球電極，針電極的曲率半徑為40 μm，球電極的半徑為6.35 mm。為探究較長間隙的放電特性，間隙設(shè)置為50 mm。

在針電極施加國際電工委員會(huì)定義的由兩個(gè)指數(shù)函數(shù)相減的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，即

式中，V0為本文所期望施加的電壓峰值；K為無量綱補(bǔ)償因子，以保證施加電壓的峰值等于V0；和為時(shí)間參數(shù)，通過調(diào)整和可以調(diào)整沖擊電壓的上升沿和下降沿時(shí)間。由于ns級(jí)脈沖電壓作用時(shí)間短，介電擊穿場強(qiáng)極高，符合本文探究高場強(qiáng)下天然酯的流注傳播特性，因此選擇上升時(shí)間為100 ns的雷電沖擊電壓[28]。和分別選擇695.6和69.56，計(jì)算選取K=1.432。針電極外加電壓波形如圖2所示。模型中其他主要仿真參數(shù)見表3。

表3 其他主要仿真參數(shù)

Tab.3 Other main simulation parameters

2 結(jié)果討論

2.1 天然酯模型與礦物油模型的流注對比

本節(jié)給出了基于場致電離的天然酯流注放電模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，模型所使用的電離能、分子數(shù)密度及其他各項(xiàng)參數(shù)見表1和表3。圖3是天然酯流注發(fā)展傳播過程電場分布形貌，該圖展示了一個(gè)典型的流注放電過程。采用上升時(shí)間為100 ns的100 kV雷電沖擊電壓，外加電壓在間隙產(chǎn)生非均勻的拉普拉斯電場。在場致電離的帶電粒子產(chǎn)生機(jī)制作用下，甘油三酯分子電離出正離子和電子，受外加電場作用，兩者在油中沿著相反方向運(yùn)動(dòng)。由于電子的遷移率要比正離子的遷移率高出大約105倍，這使得電子迅速離開電離區(qū)往陽極運(yùn)動(dòng)，留下的正離子形成了空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)與拉普拉斯電場產(chǎn)生疊加，驅(qū)動(dòng)著流注沿著軸往油中更深處發(fā)展。在=90 ns時(shí)，電場強(qiáng)度的峰值為2.23×108V/m，此時(shí)電離出的電子和正離子有限，電場增強(qiáng)區(qū)域局限于尖銳的針電極附近，流注發(fā)展平均速度為0.22 km/s，處于第一模式。隨著施加電壓不斷增大，當(dāng)=160 ns時(shí)電場強(qiáng)度達(dá)到3.3×108V/m，距離針尖最遠(yuǎn)的流注尖端電場增強(qiáng)效果最大，流注發(fā)展平均速度達(dá)到4.53 km/s，流注轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙Ｊ健?/p>

圖3 天然酯流注發(fā)展傳播過程電場分布形貌

天然酯和礦物油在電離能、介電常數(shù)等各種參數(shù)上的差異導(dǎo)致了流注發(fā)展傳播的差異。天然酯和礦物油不同電壓下流注速度的對比情況如圖4所示。圖中天然酯和礦物油流注速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[29]。對比可知，天然酯和礦物油在50 mm間隙的流注傳播速度存在著巨大差異，天然酯流注速度在突破1 km/s后持續(xù)顯著增加并快速突破10 km/s，流注迅速完成了從第一模式慢流注到第三模式快流注的轉(zhuǎn)變，這也符合天然酯擊穿電壓和加速電壓十分接近的特性。而礦物油的流注速度則緩慢上升，當(dāng)電壓達(dá)到250 kV時(shí)流注才轉(zhuǎn)變成快流注，其加速電壓是擊穿電壓的兩倍多，具有較強(qiáng)的抵抗高場強(qiáng)快速流注的能力。礦物油流注仿真模型的相關(guān)參量設(shè)置參考文獻(xiàn)[30]，處于第二模式的礦物油流注速度仿真數(shù)據(jù)接近并略高于實(shí)驗(yàn)速度數(shù)據(jù)，但達(dá)到加速電壓后，仿真流注速度并未驟增，流注并未轉(zhuǎn)變成第三模式快流注，速度反而有下降的趨勢。原因在于該文獻(xiàn)中模型的相關(guān)參量設(shè)置，針對礦物油的電離能參量只設(shè)置了代表芳香烴、電離能為7.25 eV的低電離能分子。當(dāng)外加電壓繼續(xù)升高時(shí)，含量較低的低電離能分子未能電離出足夠的電子和正離子以維持流注的發(fā)展與傳播，已有文獻(xiàn)[16]證明芳香烴等低電離能分子是流注維持第二模式的主要原因，而高電離能的烷烴、環(huán)烷烴是礦物油流注轉(zhuǎn)變成第三模式快流注的主要原因。

圖4 天然酯和礦物油不同電壓下流注速度的對比

針對本文的天然酯流注仿真模型對照發(fā)現(xiàn)，在流注處于第一模式慢流注時(shí)，仿真流注速度接近且略低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著外加電壓達(dá)到97 kV，仿真流注速度和實(shí)際流注速度均驟增并迅速突破10 km/s，流注轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌Ｊ娇炝髯?。但處于第三模式的仿真流注速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際流注速度。模型中設(shè)置了表征天然酯的四種不同電離能的甘油三酯分子，模擬得出天然酯擊穿電壓和加速電壓接近、流注容易從慢流注發(fā)展成為快流注的特性，但對于載流子的產(chǎn)生源只設(shè)置了場致電離一項(xiàng)，忽略了流注發(fā)展過程中可能的碰撞電離、熱電離和光電離等機(jī)制。由于缺少多機(jī)制的共同作用，載流子的產(chǎn)生數(shù)量受到了限制，從而限制了第三模式的仿真流注速度。通常認(rèn)為流注以恒定速度傳播，在擊穿之前，流注的速度由停止長度與傳播時(shí)間的比值計(jì)算，一旦發(fā)生擊穿，則以放電間隙距離和擊穿時(shí)間來確定。然而，受仿真時(shí)間與仿真難度的影響，第三模式仿真流注速度略低的原因也在于該速度并非是流注擊穿或流注停止傳播前的速度，而是設(shè)置的外加雷電沖擊電壓達(dá)到峰值時(shí)的流注速度。

2.2 流注發(fā)展中不同電離分子的電離情況

由2.1節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，礦物油流注模型缺少高電離能分子參與電離，達(dá)到加速電壓后，流注速度沒有驟增反而呈下降趨勢，無法從慢流注轉(zhuǎn)變?yōu)榭炝髯?。而天然酯模型加入了四種不同電離能的甘油三酯分子，模擬出了天然酯的擊穿電壓和加速電壓相近、對高能快流注的耐受性相對較低的特性。由此可知，參與電離的分子對流注模式的轉(zhuǎn)變有著至關(guān)重要的作用。

圖5是天然酯中不同電離能的甘油三酯分子在不同電壓下的電離情況。圖中電離分子種類參考表1，1和2分別代表電離能為7.50 eV的甘油三亞油酸酯和電離能為7.62 eV的甘油三油酸酯，3和4分別代表電離能為8.80 eV的甘油三棕櫚酸酯和電離能為8.88 eV的甘油三硬脂酸酯；軸是場致電離項(xiàng)的對數(shù)值，反映電離分子的電離情況。

圖5 天然酯中各甘油三酯分子的電離情況

在50～70 kV低電壓下，低電離能分子率先電離，而高電離能分子的電離程度有限，此時(shí)流注處于第一模式。隨著電壓達(dá)到擊穿電壓，低電離能分子電離速度驟增，產(chǎn)生大量的電子和正離子，驅(qū)動(dòng)流注的發(fā)展與傳播，流注轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙Ｊ?。由于天然酯不同電離分子之間電離能和分子數(shù)密度差距并不大，隨著電壓繼續(xù)升高，高電離能分子參與電離，給第二模式的流注注入了更多自由電子和正離子，流注速度驟增，轉(zhuǎn)變成第三模式快流注。當(dāng)流注處于第三模式時(shí)，各電離能分子的電離趨勢放緩，基本不再增加，高電離能分子的電離程度整體小于低電離能分子。由于缺少光電離、熱電離等多機(jī)制的共同作用，達(dá)到第三模式之后，電離速度放緩，導(dǎo)致仿真下第三模式流注速度明顯低于實(shí)驗(yàn)流注速度。

2.3 不同間隙的流注發(fā)展情況

在均勻場及稍不均勻場雷電沖擊電壓下，天然酯與礦物油的絕緣性能相當(dāng)。在長油間隙（一般指間隙≥50 mm）下，非均勻場的研究結(jié)果表明，天然酯的擊穿電壓總體上是低于礦物油的。文獻(xiàn)[31]針對長油隙條件下的擊穿特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)長油隙不均勻場條件下天然酯絕緣油的擊穿電壓與加速電壓均低于礦物絕緣油，并且油隙越長，天然酯的擊穿電壓與加速電壓越接近。圖6是不同間隙下液體電介質(zhì)的擊穿電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[32]。電極參數(shù)設(shè)置采用1.4節(jié)中符合IEC 60897標(biāo)準(zhǔn)的針-球電極。

圖6 不同間隙下液體電介質(zhì)的擊穿電壓

當(dāng)放電間隙較小時(shí)，天然酯和礦物油的擊穿電壓相近，隨著間隙增大，天然酯的擊穿電壓緩慢上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦物油擊穿電壓。在較長間隙下，天然酯承受高壓的能力相對較差。由于更長的間隙的擊穿需要施加更高的電壓，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣油受到了更高電場強(qiáng)度的作用，天然酯與礦物油在電離能等方面的差異更是加劇了二者在不同間隙下?lián)舸┬阅艿谋憩F(xiàn)。本文仿真模型模擬了天然酯在不同間隙下的擊穿電壓，如圖6所示，隨著間隙的增加，該模型能在一定程度上有利于在更長油隙下對天然酯雷電沖擊擊穿電壓與油隙關(guān)系進(jìn)行模擬判斷。本模型目前所使用的電極形狀適用于符合IEC 60897標(biāo)準(zhǔn)的針-球電極，電極距離范圍在10～100 mm，外加電壓波形為上升時(shí)間為100 ns的雷電沖擊電壓。在后續(xù)的研究中，將考慮其他電極形狀以及更長油間隙等情況的電壓與油隙關(guān)系的模擬判斷。

3 結(jié)論

基于天然酯流注放電仿真模型，本文對比了天然酯與礦物油在不同電壓下的擊穿特性，探究了天然酯流注傳播過程中各甘油三酯分子的電離情況，模擬分析了長間隙下天然酯的放電及發(fā)展特征，所得到結(jié)論如下：

1）不同于礦物油，天然酯的擊穿電壓和加速電壓十分接近，導(dǎo)致天然酯容易從慢流注轉(zhuǎn)變?yōu)榭炝髯ⅰ７抡娼Y(jié)果表明，天然酯較弱的抵抗高能快速流注的特性與天然酯中不同電離能分子的電離狀況存在著緊密的聯(lián)系。

2）對流注發(fā)展中不同電離分子的電離情況討論發(fā)現(xiàn)，在流注發(fā)展的初期，低電離能分子的電離貢獻(xiàn)了大部分的自由電子和正離子，高電離能分子的電離程度有限。而隨著電壓的升高，由于天然酯高低電離能分子的電離能差距不大，高電離能分子很快參與電離，為第二模式流注注入足夠的載流子，流注完成從第二模式慢流注向第三模式快流注的轉(zhuǎn)變。

3）在較長的油隙中，天然酯的擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦物油。長間隙的擊穿需要較高的電壓，使得絕緣油受到了高電場強(qiáng)度的作用，天然酯與礦物油在電離能等方面的差異加劇了二者在不同間隙下?lián)舸┬阅艿谋憩F(xiàn)。本文仿真模型模擬了不同間隙下天然酯擊穿電壓的變化曲線，在一定程度上有利于對天然酯雷電沖擊擊穿電壓與油隙關(guān)系進(jìn)行模擬判斷。

由于天然酯獨(dú)特的擊穿特性與分子電離能緊密相關(guān)，而對于分子構(gòu)型所引起的天然酯電離能、電子親和能的分布特征相關(guān)研究目前還較少。雖然已有相關(guān)研究表明分子構(gòu)型與電氣性能存在一定關(guān)聯(lián)，但僅針對分子結(jié)構(gòu)相關(guān)的少數(shù)特征及電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)參數(shù)與電氣性能的構(gòu)效關(guān)系嘗試作出解釋，并未揭示分子結(jié)構(gòu)影響電氣性能的內(nèi)在機(jī)理。未來開展研究的方向應(yīng)當(dāng)明晰天然酯分子結(jié)構(gòu)與電氣性能的構(gòu)效關(guān)系，利用分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)天然酯電氣性能的改進(jìn)，拓展天然酯的應(yīng)用場景。

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Simulation Study on Long Gap Breakdown Characteristics of Natural Ester under Lightning Shock

Zheng Hanbo1Yang Hang1Feng Yongji1Lü Weijie1Peng Qingjun2

（1. Guangxi Key Laboratory of Intelligent Control and Maintenance of Power Equipment Guangxi University Nanning 530004 China 2. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Corporation Kunming 650200 China）

Natural ester, which has a greater ignition point and a better rate of biodegradation than conventional dielectric liquid mineral oil, has emerged as a prospective substitute for the former in light of the present green development trend of power grid equipment. It differ from mineral oil in terms of chemical and molecular structure, which impacts how well they insulate. Dielectric breakdown is preceded by streamer in liquid dielectric under high electric field magnitude. Natural ester streamer has a higher propensity to become 3rd mode fast streamer when compared to mineral oil. Natural esters also suffer from the substantial issue of having insufficient lightning shock resistance when working in areas with strong local fields and wide discharge gaps. This paper develops an enhanced model of natural ester streamer to analyze the process underlying the unique breakdown characteristics of natural ester by investigating the streamer development characteristics.

First, the continuous medium model of carriers in streamer is used to explain the mechanism of charge generation and capture, and the physical process of streamer development is studied from a microscopic perspective, with special attention to the changes of charge density, electric field magnitude and other parameters during the dynamic process of discharge. Secondly, the ionization potentials of different triglyceride molecules representing natural esters were calculated with the help of density flooding theory (DFT) and wave function analysis. Third, considering the temperature for the carrier mobility in the streamer development, and finally adding the standard lightning impulse voltage simulated by subtracting the two exponential functions, the simulation data of the streamer development of natural esters are calculated.

Simulation results for natural esters show that unlike mineral oil, the breakdown voltage and acceleration voltage of natural esters are very close to each other, leading to the easy transition from slow to fast streamer. Discussion of the ionization of different ionized molecules in the development of streamer reveals that in the early stage of development, the ionization of low ionization potential molecules contributes most of the free electrons and positive ions, and the ionization of high ionization potential molecules is limited. And with the increase of voltage, as the ionization potential difference between high and low ionization potential molecules of natural esters is not large, the high ionization potentialy molecules quickly participate in ionization, injecting enough carriers for the 2nd mode streamer, and the streamer completes the transition from the 2nd mode slow streamer to the 3rd mode fast streamer. In long oil gaps, the breakdown voltage of natural esters is much smaller than that of mineral oil. The breakdown of long gaps requires higher voltage, which makes the insulating oil subject to high field magnitude. The difference in ionization potential and other aspects between natural ester and mineral oil intensifies the performance of both in breakdown under different gaps.

Since the unique breakdown properties of natural esters are closely related to the ionization potential of molecules, the distribution characteristics of ionization potential and electron affinity energy of natural esters induced by molecular configuration are less studied. Although some studies have been conducted to show the correlation between molecular configuration and electrical properties, only a few features related to molecular structure and the conformational relationship between electronic structure properties and electrical properties have been attempted to explain, and the intrinsic mechanism of molecular structure affecting electrical properties has not been revealed. The future direction should clarify the conformational relationship between the molecular structure and electrical properties of natural esters, use molecular design to improve the electrical properties of natural esters, and expand the application scenarios of natural esters.

Natural ester, simulation, streamer discharge, long gap, high electric field strength, triglyceride

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221558

TM214

國家自然科學(xué)基金（52277139, 51907034）和廣西科技基地和人才專項(xiàng)（2020AC19010）資助項(xiàng)目。

2022-08-11

2022-09-15

鄭含博 男，1984年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姽そ^緣新材料及智能配電網(wǎng)。E-mail：hanbozheng@163.com（通信作者）

楊 杭 男，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橐后w電介質(zhì)放電仿真。E-mail：yanghang0596@163.com

（編輯 李冰）