正負極性雷電沖擊作用下棕櫚油絕緣油的流注傳播和擊穿特性試驗研究

楊豐帆，余 強，孫金莉，羅 浪，武曉蕊，趙澤予

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

天然酯絕緣油是一種用于變壓器液體絕緣介質的候選產品，具有替代礦物油的潛力，其中以棕櫚油為原料的棕櫚油脂肪酸酯絕緣油就是其中之一。天然酯絕緣油的性能已在實驗室內得到了充分的研究，并已成功應用于中型和大型電力變壓器[1-2]，研究人員已經針對包括以棕櫚油為原料在內的不同類型天然酯絕緣油進行了廣泛研究[3-7]，其中以棕櫚油為原料的研究大部分源自東南亞國家[8]，目前已經進行了有關棕櫚油脂肪酸酯絕緣油電氣特性、理化特性和老化性能的研究[8-9]。絕緣油的預擊穿和擊穿特性對于設計變壓器繞組之間的間隙距離至關重要，但現有研究中只有少數涉及棕櫚油脂肪酸酯絕緣油的雷電沖擊擊穿特性[9-12]，對于沖擊電壓作用下的放電起始、發(fā)展特性還缺乏深入認識。

間隙擊穿前的放電現象也稱為流注放電，通常與液體中的氣泡和樹狀放電通道的形成有關[13-14]。在外電場作用下，絕緣油中存在的微小氣泡會導致電場強度較大，有利于流注的產生和發(fā)展，在此過程中流注的長度將隨著施加電壓的增加而增加，當流注放電通道橋接高低電位電極時，可能導致擊穿現象的發(fā)生[15]。絕緣油中影響流注發(fā)展的因素主要有電場強度、絕緣液體的分解、電極布置等[15-16]，除此之外研究還發(fā)現極不均勻電場下絕緣油的化學成分也會影響其雷電擊穿性能[13,16]。天然酯絕緣油主要由脂肪酸甘油三酸酯組成，其化學組成與礦物油的化學組成有很大不同[15-16]，與基于碳氫化合物的礦物油相比，天然酯絕緣油中存在的負電性氧分子會降低絕緣油的擊穿電壓[10,13]，同時兩種絕緣油在化學組成方面的差異還會造成擊穿前流注的發(fā)展等過程上的差別。除了絕緣油本身的特性以外，雷電沖擊電壓的極性也會影響絕緣油中流注的傳播和擊穿性能?，F有研究認為絕緣油中的正極性擊穿機理主要來自于絕緣油分子的電離，負極性擊穿機理則來自于注入的電子與流體分子之間的相互作用[15]。但目前有關天然酯絕緣油和礦物油中沖擊放電的基礎數據還較為缺乏，相關理論還有待進一步深入研究。

為此本研究搭建一套絕緣油沖擊放電特性試驗平臺，研究極不均勻電場下，正、負極性雷電沖擊電壓作用時棕櫚油脂肪酸酯（palm oil fatty acid es‐ter，PFAE）絕緣油的流注發(fā)展和擊穿特性，同時與礦物油的相關特性進行對比分析，研究結果為天然酯絕緣油的放電特性和理論研究提供基礎數據。

1 試驗

1.1 試驗試品

以兩種PFAE絕緣油為研究對象，以礦物油為基準。表1為PFAE的脂肪酸和維生素E、維生素A含量，通過氣相色譜（GC）分析確定PFAE絕緣油的脂肪酸組成。由表1可見，兩種PFAE絕緣油都主要包含飽和脂肪酸（C16：棕櫚酸）和單不飽和脂肪酸（C18：油酸）。其中PFAE絕緣油A（PFAE-A）的維生素E含量更高，PFAE絕緣油B（PFAE-B）的維生素A含量更高。

表1 棕櫚油的脂肪酸和維生素含量Tab.1 Fatty acids and vitamin contents of PFAE

1.2 試驗平臺

圖1為本研究搭建的雷電沖擊試驗平臺示意圖。通過2級電容分壓器測量施加的1.2/50μs標準雷電沖擊波。沖擊電壓發(fā)生器可產生的最大雷電沖擊電壓為280 kV，最大輸出能量為980 kJ。試品絕緣油和電極放置于一個體積為10 L的立方試驗箱中，試驗中使用針-板電極布置。其中銅針尖曲率半徑為（50±5）μm，接地電極直徑為200 mm，邊緣圓角半徑為3 mm，針-平面電極之間的間隙距離為50 mm。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of test platform

采用1臺圖像深度為14位、分辨率為800×600的COMS Phantom 7.3型高速相機基于陰影法拍攝流注圖像，每張圖像的曝光時間為2μs，幀數為90 000 fps。試驗中采用的電壓增量為10 kV，根據IEC 60897-1987中的建議選定雷電沖擊初始電壓，正極性沖擊和負極性沖擊的初始電壓分別為70 kV和120 kV。絕緣油間隙擊穿后，等待油隙恢復3～5 min再進行重復試驗。每個試品總共記錄10次雷電放電電壓，發(fā)生10次擊穿后更換針狀電極和試品。此外每次擊穿后還應監(jiān)測針尖半徑，并在觀察到針尖半徑發(fā)生較大變化后將其重新磨尖至（50±5）μm。通過試驗得到正極性和負極性條件下所有試品的平均流注停止長度、雷電沖擊電壓和發(fā)展速度。

2 結果與分析

2.1 流注停止長度

施加沖擊電壓后，流注將從針尖起始并向著接地板方向傳播，如果間隙沒有擊穿，流注將在距針尖一定距離處停止。流注的傳播過程由高速相機進行記錄，每幀之間的時間間隔設置為11μs。圖2為流注停止長度和傳播時間的定義方法，施加沖擊電壓后，如果沒有發(fā)生擊穿，流注從開始產生、傳播，接著在離針尖一定距離處停止，最后逐漸消失，將從針尖電極到流注最遠尖端的距離定義為流注停止長度，該長度對應的時間即為流注傳播時間。

圖2 流注停止長度和傳播時間定義示意圖Fig.2 Schematic diagram of streamer stop length and propagation

圖3(a)～(b)分別為施加不同的正、負極性雷電沖擊電壓時流注的平均停止長度，圖中每個點代表10次測量的平均值。從圖3(a)～(b)可以看出，PFAE絕緣油和礦物油的流注停止長度都幾乎隨電壓升高而線性增加。其中兩種PFAE絕緣油的正、負流注停止長度之間的最大差異小于16%。在相同的電壓水平下，正極性雷電沖擊的流注停止長度都大于負極性雷電沖擊。正極性和負極性雷電沖擊作用下，PFAE-A的流注增長強度分別為0.19 mm/kV和0.18 mm/kV。PFAE-B在兩種極性的沖擊電壓作用下具有相同的流注增長強度0.16 mm/kV。在正極性和負極性雷電沖擊電壓下，礦物油的流注增長強度分別為0.16 mm/kV和0.12 mm/kV，略低于PFAE絕緣油。

圖3 雷電沖擊電壓下流注停止長度Fig.3 Stop length of streamer under lighting impulse voltage

2.2 流注發(fā)展速度

采用式（1）計算流注發(fā)展長度l，其中a是流注停止長度，b是從針尖到平面電極測量的圖像間隙距離。通過式（2）計算擊穿前的流注發(fā)展速度va，其中ta是流注發(fā)展時間。通過式（3）計算擊穿后的平均流注速度vb，其中d是間隙距離，tb是擊穿時間。

圖4(a)和4(b)分別為施加不同的正、負極性雷電沖擊電壓時的流注發(fā)展速度，最高流注發(fā)展速度見表2。由圖4(a)～(b)可見，所有試品的流注發(fā)展速度都隨電壓的升高而增大。由圖4(a)可以看出，電壓為95 kV時可以觀察到PFAE-A和PFAE-B的正流注發(fā)展速度顯著增大，在電壓為115 kV時可以觀察到礦物油的正流注發(fā)展速度顯著增大；由表2可知，PFAE-A、PFAE-B和礦物油的最高正流注發(fā)展速度分別為3.5、3.6、2.0 km/s。

圖4 雷電沖擊電壓下流注發(fā)展速度Fig.4 Streamer development rate under lighting impulse voltage

表2 所有試品的擊穿電壓、擊穿時間和最高流注發(fā)展速度Tab.2 Breakdown voltage,breakdown time,and streamer propagation speed of all test samples

由4(b)可以看出，所有試品的負流注發(fā)展速度均小于正流注，所有試品的負流注發(fā)展速度均低于2.0 km/s，與正流注類似，PFAE-A、PFAE-B的流注發(fā)展速度均大于礦物油。

2.3 擊穿電壓

所有試品的擊穿時間和擊穿電壓（Vb）如表2所示。由表2可以看到，礦物油在正、負極性雷電沖擊電壓下的擊穿電壓均高于兩種PFAE絕緣油，而PFAE-A和PFAE-B在兩種極性雷電沖擊電壓下的擊穿電壓無顯著差異。所有試品在負極性雷電沖擊電壓下的擊穿時間都比在正極性雷電沖擊電壓下要長；所有試品在負極性雷電沖擊電壓下的擊穿電壓都比在正極性雷電沖擊電壓下要高。同時兩種PFAE絕緣油的流注發(fā)展速度均大于礦物油。

2.4 試驗結果討論

現有研究結果表明棕櫚油的化學結構基于甘油骨架，該骨架由3個脂肪酸基團組成，而脂肪酸基團由飽和、不飽和脂肪酸組成。棕櫚油在油酸和亞油酸側鏈中幾乎有50%的C=C雙鍵，共軛雙鍵的存在會降低電離勢，導致兩種PFAE絕緣油的流注發(fā)展速度比礦物油的快，同時雷電沖擊擊穿電壓更低。試驗結果表明所有試品在負極性雷電沖擊電壓下的擊穿電壓均高于在正極性雷電沖擊電壓下的擊穿電壓，這與之前在天然酯絕緣油的相關研究中獲得的結論一致[1-3,5]。這是由于正極性和負極性電壓作用下擊穿機制有所不同。在正極性電壓下，電子來源于臨界電離電勢下從流體中釋放出來的電子，而不是由針尖電極注入的電子。這些電子將朝著正極加速并與流體分子碰撞，引起進一步的電離并釋放更多的電子，最終形成電子雪崩，導致流注向接地電極傳播。此時分子電離所需的能量（電離電勢）將影響流注的發(fā)展速度和長度。具有共軛雙鍵的流體分子電離電勢低于飽和分子，兩種PFAE絕緣油中低電離電勢分子的存在可以更容易地形成穩(wěn)定的離子，從而增大流注的發(fā)展速度。在負極性電壓下，高遷移率的電子在高電場作用下由針尖注入絕緣油中，形成流注放電。這些電子通過電源快速的能量注入而加速運動，與流體分子之間相互作用產生空間電荷，其中電子運動速度較快首先進入電極，在油中留下正空間電荷。由于空間電荷的存在，電子需要獲得更多的能量以通過流體，從而導致負極性電壓下的擊穿電壓更高。

兩種PFAE絕緣油的維生素A和維生素E的含量各不相同，由試驗結果可知，兩種PFAE絕緣油的流注停止長度、發(fā)展速度、擊穿電壓沒有明顯差異，表明維生素A和維生素E的含量對絕緣油的上述特性沒有明顯影響。

3 結論

（1）相同幅值和極性的雷電沖擊電壓下，PFAE絕緣油的流注停止長度和發(fā)展速度要大于礦物油。

（2）兩種PFAE絕緣油在雷電沖擊電壓下的擊穿電壓均比礦物油低。

（3）PFAE-A和PFAE-B中的維生素A和維生素E含量對流注停止長度、發(fā)展速度和擊穿電壓沒有明顯影響。正、負極性雷電沖擊電壓下流注發(fā)展特性和擊穿特性的差異主要來源于絕緣油中空間電荷對流注發(fā)展過程的影響。