交流電壓下典型平板油紙絕緣結構油流帶電特性

林 林陳慶國高 源何子蘭陳少杰

（1.哈爾濱理工大學工程電介質(zhì)及其應用教育部重點實驗室 哈爾濱 150080 2.南方電網(wǎng)有限責任公司科學研究院 廣州 510080）

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交流電壓下典型平板油紙絕緣結構油流帶電特性

林 林1陳慶國1高 源1何子蘭2陳少杰2

（1.哈爾濱理工大學工程電介質(zhì)及其應用教育部重點實驗室 哈爾濱 150080 2.南方電網(wǎng)有限責任公司科學研究院 廣州 510080）

摘要為研究交流電壓作用下油紙絕緣的油流帶電特性，在實驗室搭建了典型平板電極結構的油紙絕緣模型，利用密閉油循環(huán)系統(tǒng)開展了油流帶電的試驗研究，并探討了交流電壓作用下沖流電流與外施電壓幅值及溫度之間的關系。試驗結果表明：無外施電壓作用時，油紙絕緣沖流電流特性與溫度及油流速度有關，低溫下沖流電流隨流速的增加呈線性增加；高溫下沖流電流與流速呈冪函數(shù)的關系。在外施交流電壓作用下沖流電流大小與外施電壓的幅值有關，當交流電壓幅值較低時沖流電流變化較小，而當外施電壓幅值提升超過一定值后沖流電流隨電壓幅值升高而明顯增大。溫度對沖流電流有較大的影響，隨溫度的增加沖流電流呈指數(shù)增加，且流速較高時溫度對沖流電流值影響更加明顯。對試驗結果的理論分析表明：外施交流電壓下油流帶電程度的提高應歸因于紙中離子遷移對界面處電荷產(chǎn)生速度的促進；溫度通過影響油紙絕緣中離子遷移和擴散速度以及電場分布而影響油流帶電特性。

關鍵詞：油紙絕緣 交流電場 油流帶電 離子遷移

國家自然科學基金（51277047），特高壓工程技術（昆明、廣州）國家工程實驗室開放基金（NEL201517）和黑龍江省杰出青年基金（JC2010-09）資助項目。

0 引言

近年來隨著電力變壓器電壓等級和容量的提升，靠絕緣油自然冷卻方式已經(jīng)不能夠滿足變壓器的散熱要求，因此在很多場合，高壓大容量變壓器采用強迫油循環(huán)冷卻方式。絕緣油流速的增加，其副作用是加劇了絕緣油與固體絕緣表面的電荷分離，并削弱了油中游離電荷的泄放能力，即加劇了油流帶電[1]。自1980年以來，我國已有數(shù)臺500kV電力變壓器發(fā)生與油流帶電有關的絕緣事故，油流帶電問題已成為威脅超高壓變壓器安全和影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要因素之一[2]。

H.Miyao等對交流電壓作用下的油流帶電進行了研究，認為交流電壓作用下油中離子發(fā)生振動，使得雙電層中正離子在油中的分布變寬，絕緣油流動帶走更多電荷，從而導致沖流電流增加[3]。在H.Miyao等研究的基礎上，I.A.Metwally等計算得到了交流電場下沖流電流與外加電場幅值和頻率的關系[4]。J.K.Nelson、S.Shimizu和R.Tamura等在試驗中觀察到外施交流電壓下沖流電流隨溫度升高出現(xiàn)峰值[5-7]。清華大學涂愈明也對交流電壓下油流帶電進行了研究，提出了變壓器油流帶電的數(shù)學模型[8]。但以上研究中試驗溫度均在70℃內(nèi)，溫度變化范圍較小，不能完全反映油流帶電的規(guī)律。

鑒于以上研究現(xiàn)狀以及國內(nèi)超高壓變壓器安全運行的實際需求，本文開展了交流電壓下典型平板油紙絕緣結構油流帶電特性的研究，并探討流速、電壓幅值及溫度等因素對油流帶電的影響，以期為后續(xù)開展降低變壓器油流帶電、提高變壓器整體絕緣性能提供參考。

1 試驗系統(tǒng)及材料處理工藝

1.1 試驗系統(tǒng)及試驗模型

本文所搭建的試驗系統(tǒng)由緩沖器、循環(huán)泵、流量計、松弛箱、油流帶電箱、測量箱和溫控設備等部分構成，如圖1所示。

圖1　油流帶電試驗系統(tǒng)Fig.1 Flow electrification experiment system

圖1中，緩沖箱內(nèi)的絕緣油由循環(huán)泵泵出，流經(jīng)流量計后進入松弛箱；松弛箱用來對油中原有電荷充分泄放以保證絕緣油在流入油流帶電箱之前呈電中性；油流帶電箱中的絕緣模型采用圖2所示的電極結構，并在電極上施加交流高壓以建立交流電場；帶電箱內(nèi)油紙接觸產(chǎn)生電荷所形成的電流在帶有屏蔽的測量箱處由微電流計（Keithley 6517A）測得；而后絕緣油回到緩沖容器待進入下一次循環(huán)。

圖2　油流帶電箱結構示意圖Fig.2 The schematic diagram of oil-flow electrification chamber

圖2中，電極分為上、下兩個平行極板，電極總長度1m，電極寬度180mm，電極表面覆蓋厚度為d＝0.25mm的絕緣紙。油隙寬度為2a＝5mm。電極平行放置并由聚四氟絕緣件固定于不銹鋼箱體內(nèi)部。在試驗中，對上極板施加高壓，下極板接地。

1.2 試驗材料及預處理

本文采用與實際變壓器相同的絕緣紙和45號礦物變壓器油作為油紙絕緣材料。試驗前對絕緣材料進行了預處理，處理后的變壓器油含水量小于0.01%，在溫度為90℃時介質(zhì)損耗小于0.4%，可視為工程純凈變壓器油。絕緣紙經(jīng)干燥處理后含水量小于0.3%，制作成絕緣試樣后置入試驗箱，對試驗系統(tǒng)真空注油后靜置24h，待試樣充分浸油后進行試驗。

2 試驗現(xiàn)象與試驗結果

2.1 無外施電壓時油紙絕緣沖流電流特性

油流速度、溫度及外施電壓幅值對油流帶電程度均有影響，為研究絕緣油流速對油流帶電的影響及對比外施交流電壓幅值對油流帶電的提升程度，試驗對油紙絕緣無外施電壓時的帶電特性進行研究。

無外施電壓時，不同溫度下沖流電流值與流速及溫度的關系曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3　無外施電壓時沖流電流與流速的關系曲線Fig.3 Relationship between streaming current and flow velocity without external voltage

圖4　無外施電壓時沖流電流與溫度關系Fig.4 Relationship between streaming current and temperature without external voltage

由圖3可知，低溫時（30～60℃）沖流電流隨流速提高而線性增加，高溫時（70～90℃）在不同的速度區(qū)間沖流電流與流速的不同次方成比例關系，流速區(qū)間為0.6～0.8m/s時沖流電流出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。

由圖4可知，溫度對沖流電流具有較顯著的影響，無外施電壓情況下沖流電流隨溫度提高而指數(shù)增加，且流速較高時溫度對沖流電流值的影響較明顯。

2.2 外施交流電壓下油紙沖流電流特性

試驗得到各溫度下沖流電流隨外施電壓變化具有相同趨勢，圖5給出的是溫度為80℃時不同流速下沖流電流隨電壓變化曲線。

圖5　80℃時沖流電流與外施電壓幅值的關系Fig.5 Relationship between streaming current and amplitude of applied voltage at 80℃

由圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)隨外施電壓幅值的提高沖流電流有所提升，但外施電壓對沖流電流影響較??；當電壓超過一定值后，沖流電流隨外施電壓幅值的升高而明顯增大。

試驗得到?jīng)_流電流隨溫度變化具有相同趨勢，絕緣油流速為1.2m/s油流帶電量較大，不同幅值電壓下沖流電流隨溫度的變化如圖6所示。

圖6　外施交流電壓時沖流電流與溫度關系Fig.6 Relationship between streaming current and temperature under AC voltage

根據(jù)圖6可以看出，外施交流電壓下沖流電流隨溫度的升高呈指數(shù)上升。

3 試驗結果的討論與分析

3.1 油流帶電理論模型

絕緣紙和絕緣油接觸時，由于兩種材料對電子束縛能力的差異，將會在絕緣紙和絕緣油界面處發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成如圖7所示的雙電層結構[9]。在油紙絕緣雙電層中，靠近紙側為負離子層、靠近油側為正離子層。擴散作用下會使油側的正離子層形成緊貼油紙界面處的緊密層和油中分布的分散層。

圖7　油-紙界面處離子分布Fig.7 Ions distribution at the oil-prossboard interface

3.2 絕緣模型中流速分布

油紙絕緣油流帶電與油流狀態(tài)有關，為確定本文試驗中絕緣油的流動狀態(tài)，根據(jù)雷諾數(shù)的臨界值Rec對絕緣油的臨界平均流速進行計算。當雷諾數(shù)Re＜2 000時油流屬于層流流態(tài)，在Re≥2 000時油流屬于紊流流態(tài)，則對應臨界平均流速表達式為[10]

式中，dH為油道的水力直徑；ν為絕緣油運動粘度。

在本文的試驗模型中，油道的水力直徑為9.73mm，絕緣油運動粘度與溫度的關系如圖8所示。

圖8　絕緣油運動粘度隨溫度變化曲線Fig.8 The curre of oil viscosity versus temperature

因此，可根據(jù)式（1）得出不同溫度下臨界平均流速的計算結果，見表1。

表1　各溫度下絕緣油的臨界平均流速Tab.1 The critical average velocity of insulating oil under different temperatures

根據(jù)臨界雷諾數(shù)計算得到的不同溫度下臨界平均流速可知，絕緣油流速度低于umc時絕緣油流動狀態(tài)為層流、高于umc時為紊流。本文絕緣油流速范圍為0.2～1.2m/s，所以在高溫下絕緣油存在兩種流動狀態(tài)。

3.3 無外施電壓時油紙絕緣油流帶電特性分析

當油流達到穩(wěn)態(tài)時，雙電層中油側正離子（＋q）被油流剝離帶走形成沖流電流，對應的紙內(nèi)有等量的負離子（-q）失去庫侖力束縛成為自由離子。自由負離子在濃度梯度作用下向電極方向擴散，離開了界面的位置。這些位置隨后再次起電產(chǎn)生新的正、負離子，補充了被油流帶走的正離子和擴散離開界面的負離子。這一過程連續(xù)不斷地發(fā)生，分別在油中和絕緣紙中形成持續(xù)的沖流電流IS和擴散電流ID，如圖9所示。

圖9　油流動時離子穩(wěn)態(tài)運動Fig.9 Ions motion during oil flowing in steady state

Hirotaka Muto在試驗中得出穩(wěn)態(tài)下油流帶走的正離子數(shù)量q正比于界面處油流剪應力[11]

式中，系數(shù)α 為與紙表面粗糙度有關的常數(shù)；τ 為界面處油流剪應力，扁矩形油道絕緣油流動為層流狀態(tài)時，其與油流平均流速的關系為[10]

式中，ρm為絕緣油密度；um為油流平均流速。

正離子q被油流帶走后，失去束縛的負離子在紙內(nèi)形成的穩(wěn)態(tài)擴散電流ID為[12]

式中，D-為負離子擴散系數(shù)；δ-為負離子層厚度。

考慮到絕緣油在進入絕緣模型時呈電中性，則穩(wěn)態(tài)時絕緣模型內(nèi)的電流平衡關系為

結合式（2）～式（5）得到絕緣油流動狀態(tài)為層流時沖流電流表達式

隨著溫度的升高絕緣油的粘度下降，導致絕緣油流動時的雷諾數(shù)提高，此時絕緣油的流動狀態(tài)將由層流向紊流轉(zhuǎn)變。由絕緣油流速分布計算可知，高溫下絕緣油的流動包含層流和紊流兩種狀態(tài)，90℃時絕緣油的臨界平均流速為0.55m/s，與圖3中沖流突變所對應的流速值接近。試驗中流速區(qū)間為0.6～0.8m/s時，沖流電流出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，此現(xiàn)象在T.Tanaka等試驗中也有發(fā)生[13]。由于層流向紊流轉(zhuǎn)變中流體存在過渡形態(tài)，過渡形態(tài)時絕緣油的流動更為復雜，導致油流帶電量增加。研究表明，在層流向紊流的過渡階段沖流電流與流速的2～4次方成比例關系，紊流下沖流電流與流速的1～2次方成比例關系[13-15]。

低溫下絕緣油的流動狀態(tài)為層流，由式（6）可知，沖流電流隨流速線性提高；高溫下絕緣油的流動狀態(tài)由層流向紊流轉(zhuǎn)變，根據(jù)已有的研究成果，在絕緣油不同流態(tài)下沖流電流與流速的不同次方成比例關系，這與圖3中試驗結果相符。

式（6）表明無外施電壓時，沖流電流與紙內(nèi)負離子擴散系數(shù)D-成正比，紙內(nèi)負離子擴散系數(shù)可以表示為[16]

假設紙內(nèi)負離子均為一價離子，則負離子遷移率與絕緣紙電導率的關系為[17]

式中，γP為絕緣紙電導率；ρ-為絕緣紙內(nèi)總的負離子體密度。

結合式（6）～式（8）得到?jīng)_流電流的另一種表達式

式中

式（9）表明，無外施電壓時溫度通過影響絕緣紙電導率和油的運動粘度而改變沖流電流。

本文對絕緣紙電導率進行了測試，得到A（T）隨溫度變化的曲線如圖10所示。

圖10　A（T）隨溫度變化曲線Fig.10 Changing curve of A（T）versus temperature

由圖10可知，A（T）隨溫度升高而指數(shù)增加，則根據(jù)式（9）可知無外施電壓時沖流電流隨溫度指數(shù)增加，提高流速會導致沖流電流增加，這與圖4中的試驗結果相符。

3.4 外施電壓下的油紙絕緣油流帶電特性分析

對油紙絕緣施加交流電壓會導致絕緣中的離子受到電場力的作用，這一外施電場不會對界面處的束縛離子造成明顯影響，正、負離子分離仍依靠油流的剪切作用。剪切力作用下界面處正、負離子分離，油紙絕緣中離子在外施交流電壓正半周期內(nèi)（電場方向為由高壓電極指向接地電極）運動行為如圖11所示。

圖11　外施交流電壓正半周期內(nèi)油紙絕緣中離子行為Fig.11 Ions behavior in the insulation in the positive period of external AC voltage

在外施交流電壓正半周期內(nèi)，由于電場方向與界面雙電層所建立內(nèi)電場方向的差異，外施交流電壓對高壓側和接地側油紙界面雙電層中的離子遷移將產(chǎn)生不同的影響。接地側油紙雙電層所建立的電場與外電場方向一致，正、負離子在電壓作用下都向油紙界面處遷移，造成界面處正、負電荷的集聚，不利于油紙間的電荷轉(zhuǎn)移和消散，從而抑制了油流帶電的產(chǎn)生。而高壓側的油紙雙電層電場方向與外電場方向相反，外電場作用下雙電層中的正離子在絕緣油中發(fā)生遷移，正離子遷移的同時被絕緣油流動帶走形成沖流電流IS（t），絕緣紙中負離子在擴散、遷移作用下向高壓電極運動，形成擴散電流ID（t）及電場遷移電流IM（t），正、負離子不斷離開油紙界面為油流下油紙接觸界面處的電荷再次轉(zhuǎn)移創(chuàng)造條件，促進了油流帶電的產(chǎn)生。所以交流電壓正半周期內(nèi)沖流電流主要取決于高壓側油紙界面雙電層的產(chǎn)生與消散。交流電壓負半周期內(nèi)沖流電流的產(chǎn)生與正半周期內(nèi)原理相同，負半周期內(nèi)沖流電流主要取決于接地側油紙界面雙電層的電荷分離。

以交流電場正半周期為例，雙電層中被油流剝離的正離子在電場作用下向接地電極方向遷移，油紙絕緣中絕緣油內(nèi)電場分布為[18]

式中，ω為角頻率； εP為絕緣紙相對介電常數(shù)；εoil為絕緣油相對介電常數(shù)；U為外施電壓幅值。

正半周期內(nèi)正自由離子在油中的遷移距離為[19]

試驗最大電壓幅值為Umax＝18kV，油中正離子遷移率bi＋＝8×10-9m2/（V·s）[4]， εP＝4.4，εoil＝2.2，ω ＝314rad/s。得到電場作用下，油中正離子最大遷移距離為δmax＝0.174mm，遠小于油隙寬度。這一關系表明，油中正自由離子不會遷移至接地電極泄放，而是全部被油流帶走形成沖流電流IS，如圖11所示。

當絕緣油循環(huán)流動一定時間后，絕緣紙內(nèi)自由負離子遷移電流和擴散電流以及油流沖流電流達到穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)?？紤]到絕緣油在進入絕緣模型時呈電中性，則外施交流電壓的半個周期內(nèi)絕緣模型中的電荷守恒

外施交流電壓幅值較低時，油紙界面處負離子在正半周期內(nèi)不能遷移至高壓電極，而在負半周期內(nèi)又重新遷移回油紙界面處，即低電壓下負離子在絕緣紙中發(fā)生往復遷移，此時高壓電極處遷移電流IM（t）為零，紙內(nèi)負離子運動至電極處仍依靠離子的擴散行為，與未施加交流電壓情況類似，所以外施交流電壓較低情況下，沖流電流沒有發(fā)生明顯變化，與圖5低電壓下沖流電流變化情況相符。

外施交流電壓較高情況下，紙內(nèi)負離子可遷移至高壓電極處，此時由于紙內(nèi)負離子在電場作用下的遷移行為抑制了負離子的擴散行為，擴散電流ID（t）與遷移電流IM（t）相比可以忽略，因此式（13）可以簡化為

在式（14）基礎上得到?jīng)_流電流的周期平均值為

紙中負自由離子遷移電流為[15]

式中，EP（t）為紙中電場強度。

外施交流電壓作用下紙中電場強度EP（t）與外施加交流電壓幅值U的關系為[18]

結合式（2）、式（3）及式（15）～式（17）得到?jīng)_流電流為

從式（18）可以看出，沖流電流隨外施電壓幅值升高而增大，與圖5電壓幅值較高時沖流電流變化趨勢相符。

根據(jù)式（8）及式（18）可以得到?jīng)_流電流與溫度的關系為

式中

式（19）表明在外施交流電壓作用下，溫度通過影響絕緣紙電導率以及油粘度而改變沖流電流。通過對油紙電導率以及油粘度的測量，得到B（T）隨溫度的變化曲線如圖12所示。

圖12　B（T）隨溫度變化曲線Fig.12 Changing curve of B（T）versus temperature

由圖12可知，參數(shù)B（T）隨溫度提高而指數(shù)增加，則根據(jù)式（19）可知外施交流電壓作用下，沖流電流隨溫度指數(shù)增加，這與圖6中的試驗結果相符。

4 結論

本文結合國內(nèi)超高壓變壓器安全運行的實際需求，開展了交流電壓下典型平板油紙絕緣結構油流帶電特性的試驗研究，并對試驗結果進行理論分析，研究結果表明：

1）無外施電壓作用時，油紙絕緣沖流電流特性與溫度及油流速度有關，低溫下沖流電流隨流速的增加呈線性增加；高溫下沖流電流與流速呈冪函數(shù)的關系。

2）在外施交流電壓作用下，沖流電流大小與外施電壓的幅值有關，當交流電壓幅值較低時沖流電流變化較小，而當外施電壓幅值提升超過一定值后沖流電流隨電壓幅值升高而明顯增大。

3）溫度對沖流電流有較大的影響，隨溫度的增加沖流電流呈指數(shù)增加，且流速較高時溫度對沖流電流值影響更加明顯。

4）外施交流電壓下，油流帶電程度的提高應歸因于紙中離子遷移對界面處電荷產(chǎn)生速度的促進；溫度通過影響絕緣中離子遷移和擴散速度以及電場分布而影響油流帶電特性。

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林 林 女，1988年生，碩士研究生，主要從事高電壓與絕緣技術方向研究。

E-mail:linlin_hrbust@163.com（通信作者）

陳慶國 男，1970年生，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣、電力設備絕緣檢測及高電壓應用新技術。

E-mail:qgchen@263.net

Flow Electrification Characteristics of Typical Plane Oil-Pressboard Insulation under AC Voltage

Lin Lin1Chen Qingguo1Gao Yuan1He Zilan2Chen Shaojie2
（1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China 2.Electric Power Research Insititute China Southern Power Grid Co.Ltd.Guangzhou 510080 China）

AbstractTo investigate the flow electrification characteristics of oil-paper insulation under AC voltage,a typical plane oil-pressboard insulation structure was built in laboratory.Experiment study on flow electrification was carried out with the closed oil circulating system,and the relationships were also discussed among streaming current,the voltage amplitude and temperature under AC voltage.The results show that the flow electrification characteristics of oil-paper insulation are related to the temperature and flow velocity in the absence of an external energizing voltage.The streaming current increases linearly with flow velocity at low temperature.At high temperature,the streaming current and flow velocity have the relationship of power function.The streaming current is associated with the amplitude of the applied voltage under AC voltage.The streaming current changes little if the amplitude of AC voltage applied on the oil-paper insulation is low.After the applied voltage amplitudebook=245,ebook=251rises to a certain value,the streaming current increases obviously with the voltage amplitude.Temperature has great influence on streaming current.That is,the streaming current increases exponentially with the increase of temperature,and the influence of the temperature is even more obvious under high velocity.The theoretical analysis demonstrate that the increase of charging tendency under AC voltage can be attributed to the enhancement of charge generation speed at oil-paper interface by ions migration in the paper.The temperature influences the flow electrification characteristics through affecting the ions migration,diffusion speed,and the electric field distribution.

Keywords：Oil-paper insulation,AC electric field,flow electrification,ions migration

作者簡介

收稿日期2014-06-04 改稿日期 2014-09-09

中圖分類號：TM411