添加劑對變壓器油擊穿特性和流注放電特性的影響

蘇敬芳，張艷敏，王志勇，郝巧紅

（河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001）

0 引言

礦物變壓器油作為全世界電力變壓器中使用最廣泛的液體電介質(zhì)之一，在保持絕緣系統(tǒng)的絕緣性能和冷卻性能中發(fā)揮著重要作用[1-2]。一般將液體中的放電過程稱為流注放電。對于沖擊電壓下的流注，流注放電具有明顯的極性效應(yīng)，根據(jù)施加電壓極性的不同，將流注分為正極性流注（簡稱正流注）和負極性流注（簡稱負流注）。在流注發(fā)展過程中，正流注發(fā)展速度更快，擊穿電壓更低，相比負流注更危險[3]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對正流注開展了大量試驗，研究其發(fā)展特性。根據(jù)流注發(fā)展速度的差異，將正流注分為初級模式、二級模式、三級模式和四級模式。其中，二級模式流注直接影響擊穿電壓，對變壓器絕緣的性能尤為重要。

近年來，隨著電力系統(tǒng)電壓等級和輸送容量的不斷提高，大容量、高電壓變壓器對絕緣強度提出了更高要求[4]。因此，有必要尋找提高變壓器油絕緣強度的有效途徑，這對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的實際意義。

國外研究發(fā)現(xiàn)，有些添加劑能明顯改變單一成分液體中流注的發(fā)展過程，進而影響液體電介質(zhì)的擊穿電壓[5-8]。在環(huán)己烷等純凈液體電介質(zhì)中添加具有較低電離勢的添加劑（比如四鈦-二甲氨基-乙烯TDAE等）后，正流注更容易起始，發(fā)展速度更快，相比純凈液體電介質(zhì)的擊穿電壓更低[5]。而加入電子捕捉劑三氯乙烯（TCE）后，正流注擊穿電壓能得到一定的提高[6]。也有研究表明，在正烷烴中加入低電離勢的添加劑，會抑制流注的發(fā)展，擊穿電壓得到提高[7]。由此可見，添加劑對絕緣液體的作用效果不僅與添加劑有關(guān)，還與液體電介質(zhì)本身特性有著密切的關(guān)系。然而，目前添加劑的改性研究大多以單一液體為研究對象。相比單一液體，我國常用的礦物變壓器油組成復(fù)雜，其由環(huán)烷烴（占70%）、鏈烷烴和芳香烴等物質(zhì)組成[9]，而目前添加劑對變壓器油的影響規(guī)律尚不清晰。因此，有必要開展添加劑對變壓器油擊穿特性和流注放電特性影響的研究，探索提高變壓器油絕緣性能的途徑。

本研究選擇具有低電離勢特性的四甲基苯二胺和具有電子捕捉特性的全氟正己烷作為添加劑，制備了含有不同濃度添加劑的變壓器油，分析不同濃度添加劑對變壓器油雷電沖擊擊穿電壓的影響，測試變壓器油中流注放電形態(tài)、長度和速度，進一步分析添加劑對擊穿特性的影響機理。

1 試驗

1.1 油樣制備

采用昆侖KI25X型變壓器油作為添加劑流體基液。首先過濾得到純凈變壓器油，然后對其進行干燥除氣處理。添加劑選取不同特性的兩種添加劑，分別是具有低電離勢的四甲基苯二胺（tetramethyl-pphenylenediamine，TMPD）和具有電子捕捉能力的全氟正己烷（perfluoro-n-hexane，PH），體積濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mol/L。為了方便表述，添加TMPD的變壓器油簡稱為1號油，添加PH的變壓器油簡稱為2號油。

1.2 試驗方法

1.2.1 雷電沖擊擊穿電壓試驗方法

根據(jù)GB/T 21222—2007中的雷電沖擊擊穿電壓測試方法，對油樣施加波形為1.2/50 μs的標準正極性雷電沖擊脈沖。試驗采用針-球電極，采用逐級試驗法進行測試，取待測油樣6次擊穿電壓的平均值作為該試樣的擊穿電壓。

1.2.2 流注拍攝方法

流注拍攝平臺由流注拍攝裝置和數(shù)據(jù)采集裝置兩個部分組成。試驗腔體采用聚四氟乙烯材料，前后兩面采用光學(xué)玻璃，電極結(jié)構(gòu)采用針-球（間距35 mm）結(jié)構(gòu)。流注拍攝平臺是基于陰影法的拍攝平臺，由激光器、激光擴束鏡、凸透鏡、試驗腔體和高速相機（PI-max 3）組成，如圖1所示。激光器采用600 MW功率、532 nm波長的半導(dǎo)體激光器。激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴束鏡和凸透鏡后，成為均勻且平行的圓形光束。平行光穿過測量區(qū)域，再經(jīng)聚焦鏡到達高速相機[10]。在雷電沖擊脈沖波產(chǎn)生的同時，利用高速觸發(fā)電路觸發(fā)高速相機捕捉圖像，相機曝光時間為100 ns。觸發(fā)電路由電壓跟隨電路和電壓比較電路組成，沖擊電壓經(jīng)分壓器后輸出的電壓作為輸入信號。

圖1 流注拍攝系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of streamer photograph system

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 雷電沖擊擊穿特性

2.1.1 低電離勢添加劑對變壓器油擊穿電壓的影響

添加了低電離勢TMPD變壓器油的雷電沖擊擊穿電壓如表1所示。從表1可以看出，隨著TMPD濃度的升高，擊穿電壓先降低后升高。在TMPD濃度較小時，擊穿電壓出現(xiàn)了少許的下降，在TMPD濃度為0.10 mol/L時，擊穿電壓最低，相比純變壓器油下降了6.3%。在TMPD濃度為2.00 mol/L時，擊穿電壓提高幅度最大，相比純變壓器油提高了14.8%。從上述結(jié)果可以看出，添加適量的TMPD可以提高變壓器油的擊穿電壓。

表1 1號油的雷電沖擊擊穿電壓測試結(jié)果Tab.1 Results of lightning impulse breakdown voltage for 1#transformer oils

當提高TMPD濃度時，1號油的擊穿時間也呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，與擊穿電壓變化趨勢一致，如表 2所示。在TMPD濃度為0.10 mol/L時，擊穿時間最短，相比純變壓器油減少了9.1%。當TMPD濃度為2.00 mol/L時，擊穿時間相比純變壓器油增加了27.8%。

表2 1號油的擊穿時間測試結(jié)果Tab.2 Results of time to breakdown for 1#transformer oils

2.1.2 電子捕捉劑對變壓器油擊穿電壓的影響

添加了電子捕捉劑PH的變壓器油雷電沖擊擊穿電壓如表3所示。從表3可以看出，與TMPD對變壓器油擊穿電壓的影響作用不同，添加PH后，擊穿電壓隨添加劑濃度的增加而迅速升高。當PH濃度為0.20 mol/L時，2號油的擊穿電壓達到84.52 kV，相比變壓器油提高了18.1%，明顯高于1號油的擊穿電壓。進一步提高添加劑濃度后，2號油的擊穿電壓增長趨于平緩，在PH濃度為2.00 mol/L時，擊穿電壓達到最大值，相比變壓器油提高了23.6%。

表3 2號油的雷電沖擊擊穿電壓測試結(jié)果Tab.3 Results of lightning impulse breakdown voltage for 2#transformer oils

表4為2號油的擊穿時間隨添加劑PH濃度的變化規(guī)律。從表4可以看出，與擊穿電壓的變化趨勢相似，擊穿時間隨PH濃度的增加而增加。在PH濃度為2.00 mol/L時，擊穿時間提高幅度也達到最大值45.8%?？梢娞砑覲H顯著延長了變壓器油的擊穿時間。

表4 2號油的擊穿時間測試結(jié)果Tab.4 Results of time to breakdown for 2#transformer oils

2.2 流注放電特性

變壓器油的擊穿電壓和擊穿時間與流注放電過程密切相關(guān)。為了進一步研究添加劑對變壓器油擊穿性能的影響機理，選取對擊穿電壓提升效果較好濃度（兩種添加劑的濃度均選1.00 mol/L）的油樣作為待測油樣，拍攝了3種油樣中的流注放電過程。

圖2～4分別為流注在不同時刻的圖像。從圖2可以看出，當流注放電出現(xiàn)時，針尖周圍電場強度較大，超過變壓器油的電離能后引起電離，向四周產(chǎn)生較多的放電分支，3種油樣中流注都呈現(xiàn)團簇形態(tài)。

圖2 3種油樣流注放電形態(tài)（t=0.5 μs）Fig.2 Streamer shapes of three types of oils(t=0.5 μs)

圖3 3種油樣流注放電形態(tài)（t=10 μs）Fig.3 Streamer shapes of three types of oils(t=10 μs)

圖4 3種油樣流注放電形態(tài)（t=20 μs）Fig.4 Streamer shapes of three types of oils(t=20 μs)

從圖3～4可以看出，隨著流注放電的發(fā)展，3種油中流注形態(tài)出現(xiàn)差異。在變壓器油中，有些流注分支停止了發(fā)展，分支慢慢消失，使得分支數(shù)量減少，僅剩3～4條較細的主放電分支，且主分支上旁支較少。在電場作用下，流注通道徑直向地電極發(fā)展。對于添加低電離勢TMPD的1號油，流注主通道上產(chǎn)生許多旁支，流注通道較粗，長度較短。對于添加電子捕捉劑PH的2號油，流注分支減少，僅剩1～2條主分支，且流注長度明顯變短。

流注發(fā)展長度隨時間的變化如圖5所示。從圖5可以看出，3種油樣中的流注長度隨時間逐漸增大，在放電后期趨于穩(wěn)定。在放電初期，1號油中的流注發(fā)展較快。隨著流注的發(fā)展，1號油中的流注發(fā)展速度減慢，流注長度小于變壓器油中的流注長度。2號油中的流注發(fā)展長度始終最短。根據(jù)流注長度隨時間變化曲線的斜率可計算流注的速度，得出變壓器油流注的最大速度為1.34 km/s，與文獻中二級模式流注速度相近[11-12]。而1號油和2號油中的流注最大速度分別為0.92 km/s和0.83 km/s，相比純變壓器油下降了31.3%和38.1%。

圖5 流注發(fā)展長度隨時間的變化Fig.5 Streamer lengths versus propagation time in three types of oils

3 添加劑對擊穿電壓的影響機理分析

在沖擊電壓作用下，變壓器油的擊穿性能是由變壓器油中流注放電過程決定的[1,11]。由于物理、化學(xué)特性的差異，液體電介質(zhì)的放電過程與氣體和固體的放電過程不同，且更為復(fù)雜[3,13]。傳統(tǒng)液體電介質(zhì)擊穿理論可分為小橋放電理論與流注放電理論。而在沖擊電壓下，液體電介質(zhì)中的氣泡或雜質(zhì)不能在短時間內(nèi)形成小橋，小橋理論不適用，所以常用流注理論進行解釋[14-15]。對于正極性流注來說，流注起始的最小場強約為108V/m。當局部場強大于流注最小起始場強時，流注開始發(fā)展[13-14]。流注發(fā)展過程中，流注前端不斷電離產(chǎn)生新的電子和正離子。在電場作用下，電子快速運動，與液體分子碰撞進一步電離產(chǎn)生新的電荷，促進流注的發(fā)展。

變壓器油中的電離物質(zhì)以芳香分子為主，可近似以芳香烴的電離勢（7.8 eV）作為變壓器油的電離勢[16-17]。對于具有低電離勢的TMPD，其電離能為6.75 eV，小于變壓器油分子的電離能。因此在高場強下，TMPD更容易電離產(chǎn)生電子，導(dǎo)致油中自由電子更多。當TMPD添加濃度較低時，更多的電子促進了電離過程，使得流注發(fā)展更快，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆担坏擳MPD濃度增大到一定程度時，增強的電離導(dǎo)致流注產(chǎn)生更多的分支和旁支，如圖3和4所示。由于流注多分支之間的電場屏蔽作用，流注前端電場被削弱。而且，流注分支分布更均勻，減少了對電場的畸變，從而抑制了流注的進一步發(fā)展。因此，流注形態(tài)表現(xiàn)為長度先快速增大，之后增長緩慢的變化趨勢。與變壓器油中流注相比，1號油中流注的最大截止長度及速度明顯降低，說明TMPD抑制了流注的發(fā)展。因此，添加TMPD后，提高了變壓器油的雷電沖擊擊穿電壓及擊穿時間。

對于具有電子捕捉能力的PH，其電子吸附能力較強，將快速運動的電子轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣容^慢的負離子[5,18]。變壓器油中自由電子減少，抑制了電離過程，不利于流注的進一步發(fā)展。因此，電子捕獲劑PH降低了流注發(fā)展速度，減小了流注發(fā)展長度，提高了擊穿電壓。

4 結(jié)論

（1）添加具有低電離勢的TMPD后，變壓器油的擊穿電壓和擊穿時間隨濃度增大先減少后增加。當TMPD濃度超過0.50 mol/L時，其擊穿電壓超過純變壓器油的擊穿電壓。與純變壓器油相比，添加TMPD的變壓器油擊穿電壓提高率可達14.8%。

（2）添加具有電子捕捉能力的PH后，變壓器油的擊穿電壓和擊穿時間隨濃度增大逐漸增加。與純變壓器油相比，其擊穿電壓提高率可達23.6%。

（3）加入添加劑后，變壓器油中流注發(fā)展特性發(fā)生了改變。由于TMPD具有較低的電離勢，更容易被電離，因此流注主通道更多、分支更多、更密集，分支間的屏蔽作用抑制了流注的發(fā)展，流注發(fā)展速度變慢，長度變短，從而提高了擊穿電壓。而PH可以捕捉電子，減少了變壓器油中的自由電子，抑制了流注的發(fā)展，使得流注長度變短，從而顯著提高了擊穿電壓。