黃 蕊

（大慶石化建設(shè)有限公司電氣分公司，黑龍江大慶 163700）

0 引言

電力變壓器是輸電線路中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它的安全性和可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的整體可靠性。在高壓油流和溫差換熱條件下，變壓器內(nèi)的絕緣油一直是流體，并伴隨著油路中的流體流動(dòng)，含有泡沫的變壓器油在流體中的失效機(jī)制并不明確。在大容量的變壓器中，其絕緣油質(zhì)量直接關(guān)系到整體的絕緣效果。由于變壓器油中含有大量的泡沫，使得其絕緣性能大為降低。懸浮泡是變壓器油的一種典型的絕緣缺陷，它具有較弱的介電性能和較高的內(nèi)電強(qiáng)度，極易引發(fā)PD（Partial Discharge，局部放電），從而使變壓器油劣化，甚至造成變壓器油的損壞、導(dǎo)致變壓器失效。

針對(duì)這一問(wèn)題，建立了一套用于測(cè)量各種流量下的汽化變壓器油層的汽蝕試驗(yàn)，并依據(jù)汽蝕過(guò)程中汽泡性能的差別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文主要介紹泡沫式變壓器油在油液中的流動(dòng)速率對(duì)其破壞機(jī)理。

1 含氣泡流動(dòng)變壓器油的典型擊穿過(guò)程

本文首次對(duì)含有泡沫的變壓器油在流態(tài)下進(jìn)行了工頻沖擊試驗(yàn)，設(shè)定油流速率0.12 m/s，油溫60 ℃。大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，絕緣體的失效與泡沫的特性有很大的相關(guān)性，其破壞與其工作頻率的正負(fù)半周值有著緊密聯(lián)系，在前打孔過(guò)程中，泡沫沒(méi)有從上部電極分離，也沒(méi)有斷裂；在工頻正半周出現(xiàn)一種工作頻率正半周的故障。在50 個(gè)試驗(yàn)中，正、負(fù)半周的破裂約為50%，而在負(fù)半周的情況下，I 型工頻的發(fā)生概率比負(fù)半周高出1 倍。

1.1 在工頻負(fù)半周的擊穿過(guò)程

以變壓器油中穿線電弧出現(xiàn)的瞬間為零點(diǎn)參考時(shí)間，在-2.007 ms 內(nèi)，汽泡迅速擴(kuò)張，并逐步出現(xiàn)不規(guī)則的“尖端”；-1.627 ms 內(nèi)，汽泡“尖端”數(shù)目顯著增加，而當(dāng)汽泡“尖端”出現(xiàn)-0.747 ms 時(shí)，汽泡從上部極板處彈出，這時(shí)汽泡破碎并產(chǎn)生大量細(xì)小的汽泡；泡團(tuán)從上往下逐步接近，在與下層的泡沫層發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的電弧，從而使整體空隙快速破裂。在擊穿過(guò)程中，由于高壓變壓器油的溶解而產(chǎn)生了一個(gè)顯著的氣體流路，之后在這一過(guò)程中連續(xù)出現(xiàn)了大量的斷續(xù)放電，同時(shí)還出現(xiàn)氣體通道的擴(kuò)張和縮小。

空穴引起的PD 在-2.10 ms 內(nèi)開始于零點(diǎn)出現(xiàn)，此時(shí)相應(yīng)的相為270°。零點(diǎn)以后，脈沖放電信號(hào)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的強(qiáng)烈振動(dòng)，并在20 ms 內(nèi)出現(xiàn)斷續(xù)的脈沖輸出。

1.2 在工頻正半周的擊穿過(guò)程

雖然兩個(gè)周期的正半周時(shí)都存在氣泡，但是在正半周時(shí)它的工作特性和負(fù)半周時(shí)的有很大差異。

在預(yù)擊破階段，氣泡的擴(kuò)張速度從-0.480 ms 起加快，“尖端”在-0.150 ms 內(nèi)顯現(xiàn)，-0.004 ms 時(shí)，由高速攝影機(jī)拍攝到的分支和纖絲流，一種是暗流、另一種是光流（因?yàn)樵囼?yàn)條件所限，沒(méi)有能捕獲到枝狀流和纖絲狀流）。國(guó)內(nèi)和國(guó)外已有的一些文獻(xiàn)顯示，在正閃電作用下，枝狀流比長(zhǎng)絲流更快地發(fā)展，也就是說(shuō)，亮流是在暗流發(fā)展到某一時(shí)期以后形成的。在零點(diǎn)處，極板上的電壓快速下降至約0 kV，說(shuō)明該電極之間的放電通路導(dǎo)電性能較好，在擊穿時(shí)間的外部施加的電壓為92°，在擊穿之前0.520 ms出現(xiàn)一次正PD。在0～20 ms 內(nèi)，外施電壓發(fā)生較大幅的振動(dòng)，相應(yīng)的放電訊號(hào)也較強(qiáng)，且外施加的放電訊號(hào)與輸出訊號(hào)有明顯的同步特性。

2 含氣泡流動(dòng)變壓器油的擊穿機(jī)理

帶泡沫的變壓器油工作頻率正半周時(shí)和負(fù)半周時(shí)的不同，通常在正半周時(shí)沒(méi)有明顯的氣相溝槽。在泡體中，PD 產(chǎn)生了輕微的充氣，并且在底部形成一個(gè)細(xì)小的“尖端”，它的起泡和II級(jí)工作頻率的負(fù)半周現(xiàn)象相似。但是，由于在“尖端”處聚集了大量的正電荷，其局部的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，PD 出現(xiàn)后氣泡與極板等電位，這時(shí)具有“尖端”的氣泡就相當(dāng)于一個(gè)固定在頂板上的針形電極，在變壓器油中形成一個(gè)分支，將泡沫和下部的電荷相連，最后造成了整體的破裂。

在正弦周期的負(fù)半周中，可以觀察到在預(yù)擊破階段出現(xiàn)的微小泡團(tuán)或“尖端”，并在接近底板時(shí)逐漸擴(kuò)展；而在正半周時(shí)，在預(yù)擊破過(guò)程中，泡沫的擴(kuò)張與發(fā)展沒(méi)有顯著性，而在高壓下則產(chǎn)生了一種類似于分枝的流動(dòng)。其差別在很大程度上是由于在PD 出現(xiàn)后，泡腔中的空間電荷會(huì)向外移動(dòng)。在工作頻率的負(fù)半周，PD 出現(xiàn)后，由于高能電子的向下移動(dòng)，使得CH 破裂形成新的微小泡泡，從而形成“尖端”。在工作頻率的正半周時(shí)，當(dāng)PD 出現(xiàn)后，高能電子就會(huì)朝金屬極片方向移動(dòng)；由于新的自由電子的生成，使得正負(fù)離子在氣泡底部的移動(dòng)，局部電場(chǎng)發(fā)生了較大畸變，引起電力系統(tǒng)中的枝條流動(dòng)，造成電力系統(tǒng)的故障。

3 油流速度對(duì)含氣泡變壓器油擊穿特性的影響

3.1 油流速度對(duì)擊穿電壓的影響

在各種流量條件下，含有泡沫的變壓器油在流動(dòng)時(shí)其工作頻率的擊破電壓總是高于靜態(tài)的，并且隨油流速率的增加而增加；但在擊破后，其擊穿電流明顯增加，隨后趨于平穩(wěn)。

3.2 油流速度對(duì)擊穿過(guò)程的影響

在不同的流動(dòng)速度條件下，泡沫在預(yù)擊穿過(guò)程中表現(xiàn)出顯著的差別：在靜態(tài)狀態(tài)下，泡沫破碎所產(chǎn)生的微小氣泡群垂直地向下移動(dòng)，并且在接近臨界點(diǎn)之前，泡沫團(tuán)幾乎與上極片相連通；然后在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生了一道明亮的弧線，整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了2.060 ms。在低流速（0.12 m/s）情況下，通常含有泡沫的變壓器油的擊穿，在離開電極之前，泡沫沿斜面伸展為一個(gè)橢圓形狀，并且泡沫頂端的發(fā)展也發(fā)生了變化，而由泡沫破碎而產(chǎn)生的微氣泡組也呈現(xiàn)出傾斜的形態(tài)，這一點(diǎn)與在靜態(tài)的微氣泡組的布置存在顯著差異。在高流速（0.24 m/s）情況下，典型的打孔工藝是，在-21.93 ms 內(nèi)汽泡的膨脹速度加快，-20.99 ms 時(shí)與上部極板分離，在下極片移動(dòng)期間汽泡破碎，在-11.04 ms 內(nèi)汽泡群移動(dòng)至下部電極，但該階段沒(méi)有生成電弧。也就是說(shuō)，在-0.006 ms內(nèi)，這些微小的泡沫團(tuán)再次垂直地分布，然后形成貫穿兩個(gè)極點(diǎn)的電弧。

4 油流速度對(duì)含氣泡變壓器油擊穿特性的影響分析

由于含有泡沫的變壓器油的破裂是隨機(jī)的，因此在同樣的試驗(yàn)情況下，其破裂圖像和放電的特征也不盡一致。

圖1 是I 型工頻負(fù)半周在高流量（大于0.24 m/s）下的擊穿工藝，可以分成5 個(gè)階段。在破裂之前，油管中的氣泡沿斜向方向伸展橢圓，在第1 個(gè)階段出現(xiàn)了PD，在此過(guò)程中，泡體從上部極板分離出來(lái)、在下部產(chǎn)生頂端，然后在第3 個(gè)階段內(nèi)氣泡破裂，并在形狀上形成類似于斜面形狀的微小泡沫團(tuán)。與第一種類型的破裂相比，在這種情況下泡體處于傾角的位置，很難造成空穴的穿透，而在空腔中，隨著電場(chǎng)的作用力，泡團(tuán)中的負(fù)電荷會(huì)發(fā)生兩個(gè)泡團(tuán)；由于載著負(fù)電荷團(tuán)向下部板移動(dòng)時(shí)（第4 個(gè)階段），所以沒(méi)有引發(fā)放電。在工作頻率循環(huán)的1/2 之后，兩個(gè)泡泡的極性反向，同時(shí)對(duì)兩個(gè)泡泡的電場(chǎng)作用力也會(huì)反向（第5 個(gè)階段）；兩個(gè)泡團(tuán)之間的距離越來(lái)越近，產(chǎn)生了較大的電場(chǎng)失真，從而引起了油間隙的破裂。在預(yù)擊破過(guò)程中，從PD 開始直至出現(xiàn)破裂，大約需要20 ms。由于高流量，泡沫破碎后泡沫的排列分布比較分散，從而減少擊穿的可能性，使得到達(dá)擊穿狀態(tài)的周期變得更大。此外，還有這樣的情形：步驟5 中的泡泡不能引發(fā)電弧的生成，從而不能出現(xiàn)打孔。在高流量條件下，產(chǎn)生I 型破壞所需要的外部施加的壓力也隨之增加。

圖1 高流速下Ⅰ類工頻負(fù)半周擊穿過(guò)程示意

圖2 是高流量下II 級(jí)工作頻率的負(fù)半周破裂工藝，其與圖1 中低流率II 型的擊穿工藝的最大不同點(diǎn)是：圖2 中的泡沫形狀是傾斜的，并且泡“尖端”的增長(zhǎng)也是傾斜的，這相當(dāng)于增加了兩個(gè)極片之間的間距，從而使II 型工作頻率的負(fù)半周的擊破電壓隨著流量的增加而增加。

除了上述破壞作用之外，油液中的泡沫引起的PD 強(qiáng)度，明顯受到油液中氣泡誘導(dǎo)PD 強(qiáng)度的影響。這表明，在不同流量條件下，泡孔中PD 強(qiáng)度對(duì)擊破電壓有一定作用，這與理論分析結(jié)果相符。所以，在預(yù)擊破過(guò)程中，油流速率會(huì)對(duì)泡孔PD 產(chǎn)生較大作用，從而對(duì)沖擊電壓產(chǎn)生一定的作用。

除了改變PD 強(qiáng)烈度和打孔工藝等因素，油流量速率也會(huì)對(duì)空穴在油路中的穿越產(chǎn)生一定變化。靜態(tài)條件下，兩個(gè)電極間總是有一個(gè)空泡，流動(dòng)速度較大、空泡穿過(guò)通道的速度較快，減少了出現(xiàn)故障的可能性。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算不同的油流速率得出不同的油流速率對(duì)汽蝕電流的破壞機(jī)理，得出了不同的結(jié)論：

（1）在工作頻率為負(fù)半圓時(shí)，在由氣或氣相液相構(gòu)成的混合流路中出現(xiàn)打孔，在工作頻率正半周時(shí)液體相出現(xiàn)了打孔。

（2）在靜態(tài)條件下其擊穿電壓是最小的，而當(dāng)流速增加時(shí)擊穿電壓先升高、然后趨于平穩(wěn)。

（3）在預(yù)擊破過(guò)程中，由于氣泡的排布、氣泡尖端的發(fā)展趨勢(shì)和氣泡PD 的強(qiáng)弱變化，導(dǎo)致油流速率的變化。