液壓對柱板電極下絕緣油紙沿面放電的影響

胡廣才 ，李曉楠 ，尹豪杰 ，高 波 ，楊 雁 ，劉彥琴 ，劉 凱 ，吳廣寧

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031）

在油紙絕緣設備中，沿紙板表面切向電場驅使形成的沿面放電是常見的故障形式，且容易造成較大事故[1].以變壓器為例，雖然在出廠試驗中存在少量瞬間擊穿和閃絡的情形，但油紙絕緣的破壞主要通過運行中的局部放電逐漸發(fā)展而成，因而關注閃絡和擊穿的同時，更多的研究著眼在局部放電的起始和發(fā)展過程上.

影響油紙絕緣沿面放電的因素有很多，針對這些影響因素開展了諸多研究.Yi等[2]研究了不同種類絕緣油在切向電場作用下沿面放電的發(fā)展過程，著重關注了表面白斑的形成和放電路徑.Li等[3]研究了不同老化程度的油紙絕緣沿面放電特性，發(fā)現(xiàn)了紙板老化影響小而油老化影響大的規(guī)律.王輝等[4]和王偉等[5]分別研究了溫度和水分對油紙絕緣沿面放電和爬電的影響，發(fā)現(xiàn)了水分和溫度的升高都會顯著降低油紙的沿面絕緣水平；于瑞等[6]則詳細分析了沿面放電發(fā)展過程中紙板表面白斑的發(fā)展過程.隨著直流輸電的應用，換流環(huán)境中交直流復合條件下的沿面放電也引起了較高的關注度.Sha等[7]測量了交直流復合條件下沿面放電的起始放電特性，觀測了交直流分量各自升降過程中局部放電量的變化過程；Qi等[8]研究了交直流復合條件下沿面放電的產氣規(guī)律；金福寶等[9]則研究了老化對交直流復合電場下油紙絕緣沿面放電過程特性的影響.與液體介質、絕緣材料的老化和電壓形式等條件一樣，液體壓強可以改變油紙絕緣的微觀構造[10]，影響放電的產生及發(fā)展過程.而設備安裝所在地的海拔高度，以及大型油浸式設備不同部位離油面的高度，都會對放電區(qū)域的液體壓強產生影響.因而，理清液壓對油紙絕緣放電和老化發(fā)展過程的影響程度和作用機制，對油紙絕緣設備的精細化設計、產品的小型輕量化以及科學運行都有重要的指導意義.

關于液壓對油浸式絕緣結構放電的影響，早在1955年，Watson[11]測試了不同持續(xù)時間的脈沖電壓下壓強對絕緣油擊穿強度的影響，指出了在短時（微秒級）電壓作用下液壓對放電的影響小，而在長時（毫秒級）電壓作用下，液壓對放電影響大.Fitzpatrick等[12]拍攝了不同極性油中流注的圖像，分析了不同壓強對流注形狀和發(fā)展速度的影響，以及沖擊電壓下二次流注的形成原因，并指出：抑制初始流注就能消滅局部放電，進而免除放電導致的加速老化.Lesaint等[13]觀測了液壓對油中流注的長度、形貌和發(fā)展速度的影響，并認為油中流注顯氣態(tài)性質.Wang等[14]分別在正負極性下測試了油擊穿特性，統(tǒng)計分析不同液壓和場強條件下的擊穿概率和時間參數(shù).Beroual等[15]在不同壓強下測試了油中多種透明材料表面的沿面放電形貌和發(fā)展速度.眾多研究共同認為，壓強主要通過改變油中氣體的含量和形態(tài)來影響油浸式絕緣結構的放電特性.然而，這些關于壓強對油浸式絕緣內部放電的研究，有的針對純油間隙，有的采用短時沖擊電壓，有的觀測油中玻璃、酚醛塑料等無孔且光滑透明的固體絕緣材料表面，而沒有關注應用最為廣泛的油紙絕緣及其局部放電這種普遍應用的絕緣形式中的主要損壞條件.

有多種電極形式應用于油紙絕緣的沿面放電研究中，Yi等[1，16]認為切向電場驅動沿面放電，因而采用針-板/箔模型形成純切向電場.然而，以電力變壓器為代表的油紙絕緣設備中，極少存在純切向電場，基本上都同時有切向與法相兩個分量.

為模擬實際工況中油紙絕緣沿面放電的產生條件，本研究采用了柱板電極進行實驗.以階梯升壓的方式，在不同液壓下的每個電壓等級測取了柱板油紙絕緣模型的多個放電參量值，得出了不同液壓下的起始放電電壓和擊穿電壓，并對放電參量進行了統(tǒng)計分析.拍攝了放電發(fā)展過程中紙板表面及上方的白斑和氣體現(xiàn)象，并基于此驗證壓強影響油紙絕緣放電的機理分析.

1 試驗系統(tǒng)和試品制備

本研究采用1 mm的普通絕緣紙板和25# 克拉瑪依變壓器油.試驗前，用濾油機對變壓器油進行真空去氣、除水以及過濾.經測試，處理后的變壓器油中水分在10 μL/L以下，而油中氣體含量低于2%.將新的絕緣紙板（剪成直徑為70 mm的圓形）置于非封閉的烘箱中加熱到105 ℃并保持48 h，然后在低于5 mbar真空和85 ℃的條件下保持24 h.最后將干燥的紙板浸入處理后的油中，一起在低于5 mbar真空和85 ℃溫度的條件下保持48 h.

圖1展示了試驗裝置.柱和板電極夾持緊油浸紙板后被絕緣框架固定，然后一起放入油箱中.柱電極直徑為12 mm，倒角3 mm.板電極的直徑為75 mm，厚10 mm，倒角3 mm.電源通過套管引入油箱.油箱內部尺寸為 60 cm × 40 cm × 55 cm，這足夠容納電極和固定它們的絕緣裝置，并使電極與油箱壁之間保持足夠的安全距離.如圖1所示，液壓是通過油箱頂部的儲油柜施加的.儲油柜中間有活塞，用于隔離空氣與油.通過空氣壓縮機和真空泵控制左邊的氣體壓強，經過活塞將壓強傳遞到右邊油中形成油液壓.儲油柜右端通過導管與油箱連通，因而兩者壓強一致.各進出氣口和進出油口均使用高性能閥門，以保證試驗過程中不漏油和空氣，試驗腔內壓強穩(wěn)定.

圖1 試驗回路示意Fig.1 Schematic of test circuit

圖1中：R為保護電阻，取值10 kΩ；Ck為耦合電容，商用MPD600與Ck串聯(lián)后可進行局部放電參量檢測；Zm（CPL542）為局部放電測試系統(tǒng)的檢測阻抗.使用奧林巴斯公司生產的i-SPEED TR高速攝像機（high-speed image recorder，HSIR）記錄試驗過程中的光學現(xiàn)象，監(jiān)控整個放電發(fā)展過程.試驗系統(tǒng)的各個尖端部位全部被均壓處理，經試驗驗證，加壓達到55 kV時，系統(tǒng)最大局部放電量低于5 pC，因而在低于30 kV的加壓條件下可以認為系統(tǒng)無局放.試驗用紙板厚度為1 mm，直徑為70 mm.板電極和紙板豎直放置以方便高速攝像機拍攝.

試驗采用階梯升壓法測取不同壓強下放電量隨電壓上升的過程，并依此確定局放起始電壓和擊穿電壓.階梯升壓過程為：將交流電壓上升到低于起始放電的某個電壓值，此后電壓每次快速上調1 kV并保持5 min，然后再上調電壓并保持，直至紙板擊穿.在每1 kV的5 min內，系統(tǒng)需要短期的穩(wěn)定時間，因而忽略前2 min的放電信息，記錄后3 min的局部放電量.通過高速攝像機觀測紙板表面的放電和白斑現(xiàn)象以及油中氣泡，一旦有現(xiàn)象發(fā)生，則存下錄影以備后續(xù)分析.

2 試驗結果及分析

試驗過程中發(fā)現(xiàn)：當所施電壓增加到一定程度后，放電量將急劇上升而迅速進入預擊穿狀態(tài).以最大放電量為例，臨近擊穿的最大放電量達到幾十納庫，放電功率達到幾百毫瓦.如果將這些超大的放電量值在圖中顯示出來，前面的放電量將高度重合而無法比較.此外，變壓器中局部放電量達到幾百皮庫時，必然要退運檢修.因而，以下不列出這些大量值，而采用一個統(tǒng)一的較大值替代，著重關注油浸式設備從完好發(fā)展到接近退運過程的放電量曲線.

2.1 不同液壓條件下的起始放電電壓和擊穿電壓

局部放電的測試方法按GB/T 7354—2003[17]中的規(guī)定進行.依據(jù)標準GB/T 17648—1998[18]，將最大放電量達到100 pC時所施電壓定義為起始放電電壓（partial discharge inception voltage，PDIV）[1].

高液壓能顯著提升純油間隙的絕緣性能[11-14]；在光滑固體表面，爬電的長度、樹枝的密度、放電電流和光強都隨著壓強的上升而變弱[15]；在開展本試驗之前，作者在針板電極上驗證了增加壓強對切向場條件下紙板沿面絕緣性能的提升效應[19].根據(jù)場強分析可知：柱板電極的局部放電起始也是從紙板表面開始，因而可以推測，液壓能增加紙板表面的起始放電電壓.持續(xù)加電壓，隨著局部放電對紙板纖維的累積破壞，最終造成柱板之間擊穿.圖2顯示了不同液壓柱板電極下油紙絕緣沿面放電的起始放電電壓和擊穿電壓以及兩者之間的差值.

由圖2可知：擊穿電壓隨液壓的上升而增加.從0.010 MPa （油箱頂部接近真空）到0.100 MPa（油箱頂部為標準大氣壓），擊穿電壓上升了9.77 kV；從0.100 MPa到0.600 MPa，擊穿電壓上升了3.05 kV.由此可知：壓強較低時，擊穿電壓隨液壓上升速率高，約為108.60 kV/MPa；液壓高于標準大氣壓強時，擊穿電壓隨壓強的上升速率低，約為6.10 kV/MPa.擊穿電壓體現(xiàn)了隨液壓上升而飽和的趨勢.

圖2 起始放電電壓、擊穿電壓和兩者差值與液壓的關系Fig.2 Relationships of PDIV, breakdown voltage，and their difference with hydrostatic pressure

起始放電電壓也隨液壓的上升而升高.從0.010 MPa到 0.100 MPa，起始放電電壓上升了17.37 kV；從0.100 MPa到 0.600 MPa，起始放電電壓上升了1.04 kV.由此可知：液壓低于標準大氣壓強時，起始放電電壓隨壓強的上升速率高，約為193.00 kV/MPa；而壓強高于標準大氣壓強時，起始放電電壓隨壓強的上升速率低，約為2.08 kV/MPa.

擊穿電壓與起始放電電壓之間的差值隨壓強的上升先減小后增大最后趨于平穩(wěn)，這與放電在油紙中氣泡的產生與溶解壓縮，以及液壓條件下氣泡產生二次放電的難易程度有關，詳見本文第3節(jié).

2.2 不同液壓下的局部放電量和放電重復率

如前所述，變壓器中局部放電達到幾百皮庫時，就要考慮退運維修.為使曲線圖清晰可讀，又不丟失關鍵信息，將大于500 pC的最大放電量用500 pC代替，形成了圖3中不同液壓下最大放電量隨所施電壓的變化曲線.

由圖3（a）可知：放電前期，最大放電量幾乎可以忽略不計.待到最大放電量達到數(shù)十皮庫及以上之后，隨著液壓的增大各電壓條件下放電量均減小.最大放電量達到10 pC以上后，在每一液壓條件下的曲線隨電壓上升的斜率都很大，但液壓大于0.040 MPa以后曲線上升的斜率更大.液壓小于0.040 MPa時，各上升曲線之間的距離較長，主要因為此時起始放電電壓和擊穿電壓隨液壓改變較大；液壓大于0.040 MPa后，各上升曲線之間距離短，主要因為此期間起始放電電壓和擊穿電壓隨液壓的改變小.鑒于液壓較高時，各上升曲線間距離太近，因而將這些緊貼的曲線放大顯示于圖3（b）中.

圖3 不同液壓下最大放電量隨電壓的增長Fig.3 Relationship between peak discharge capacity and applied voltage under different hydrostatic pressures

圖4顯示了不同液壓下平均放電量隨電壓的增長趨勢.同樣，將大于500 pC的放電量用500 pC代替.與最大放電量曲線一樣，平均放電量超過10 pC后，曲線的上升斜率也很大，液壓高時上升更快且曲線之間的距離更小.因為最大放電量比平均放電量更早達到500 pC，故平均放電量在500 pC以上維持更短時間就發(fā)生了擊穿.

圖4 不同液壓下平均放電量隨電壓的增長Fig.4 Relationship between average discharge capacity and applied voltage under different hydrostatic pressures

圖5顯示了不同液壓下放電重復率隨電壓上升的變化情況.從整體而言，放電重復率隨液壓的上升而降低，與文獻[20]中對純油間隙局部放電的研究結果一致，也與文獻[19]中針板沿面的試驗結果一致，可以認為壓強增加抑制了油紙絕緣的沿面放電重復率.多個液壓條件下，放電重復率發(fā)展過程中出現(xiàn)了短暫的平穩(wěn)，不隨電壓的上升而增高，這是由于紙板的階段性老化使得柱電極和紙板之間的電場暫時趨于更高的均勻度.

圖5 不同液壓下放電重復率隨電壓的增長Fig.5 Relationship between discharge repetition rate and applied voltage under different hydrostatic pressures

2.3 不同液壓條件下的局放電流和局放功率

升高液壓可以減小放電量和放電重復率.放電對絕緣的破壞在很大程度上取決于放電的累積效應[21]，因而放電電流和放電功率更值得關注.依據(jù)文獻[17]，平均放電電流的定義為

式中：Tref為選定的參考時間長度，本文中選定為180 s；qi（i=1,2,···,n） 為測試門檻值2 pC及以上的第i次放電量，n為參考時間內的總放電次數(shù).

放電功率的定義為

式中：ui為產生放電量qi瞬時對應的放電電壓.

這些通過MPD600測得的平均放電電流和平均放電功率如圖6所示.

為利于放電較小時的數(shù)據(jù)對比，描述故障擴大前的狀況，將數(shù)據(jù)大于500 nC/s的放電電流統(tǒng)一用500 nC/s代替，將大于4 mW的放電功率統(tǒng)一用4 mW代替.從圖6可以看出：放電電流隨壓強的變化關系與放電功率極相似，液壓上升明顯降低了平均放電電流和放電功率，這與前面的推測一致.

圖6 不同液壓下平均放電電流和平均放電功率隨電壓的增長Fig.6 Relationship between average discharge current,average discharge power and applied voltage under different hydrostatic pressures

液壓處于極低的0.010 MPa和0.020 MPa時，放電電流很快就達到了50 nC/s，初期隨電壓的增加逐漸上升，這是因為低液壓使得油中一直存在微小氣泡，使得電壓較低時也能產生放電，初期放電產生的氣泡少，氣體產生與消散能平衡而保持穩(wěn)定的氣體含量；之后放電電流和放電功率迅速上升，是因為放電能量增加，使得分解產氣速度大于氣體消散速度，因而高場強區(qū)的氣體含量不斷增加，放電與產氣相互促進.

隨著液壓增加，需有一定程度的放電分解后才有初始氣泡的出現(xiàn)，產氣速度在初期總比氣體消散速度慢，因而放電電流維持一個較長時期的低值，只有放電強度足夠后放電電流才陡然上升.在放電電流維持穩(wěn)定的時候，放電功率緩慢上升，這是因為依據(jù)式（2）放電瞬時的電壓有所上升，而放電量沒變.

由上可知，隨著液體壓強的升高，油紙絕緣沿面放電的最大放電量、平均放電量、放電重復率、放電電流和放電功率均明顯降低.由此可以認為：液壓的上升可以從多角度抑制油紙絕緣沿面放電，從而達到保護油紙絕緣的目的.此外，由于不同壓強下的電壓施加方式相同（都是升壓1 kV然后維持5 min），更高的擊穿電壓體現(xiàn)了更大的場強和更長的電老化時間.因而，增大液壓能增加油紙絕緣的電耐受能力，即增加了油紙絕緣的絕緣性能.

3 分析與討論

3.1 液壓對放電參數(shù)的影響

文獻[19]分析了油紙絕緣中氣泡產生的難易程度，指出了隨著壓強的上升，氣泡總量和粒徑逐漸減小，其原因在于兩方面：

1） 依據(jù)亨利定律（見式（3））可知：氣體在液體中的溶解度隨液壓的上升而增加，因而氣體分子總量減少，氣泡粒徑變小.

式中：H為亨利常數(shù)；x為氣體摩爾分數(shù)溶解度；Pg為氣體的分壓強.

2） 依據(jù)克拉伯龍方程（見式（4））可知：壓強增加會壓縮氣體體積，因而氣泡粒徑進一步變小.

式中：P為壓強；V為氣體體積；N為氣體的摩爾數(shù)；C為氣體常數(shù)；T為絕對溫度.

液壓增加減少了油紙中的氣體體積分數(shù)，從而縮減了油紙絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，使得油紙中的最大放電量、平均放電量、放電重復率、放電電流和放電功率等參數(shù)都得到抑制.

3.2 液壓對起始放電電壓和擊穿電壓的影響

文獻[22]指出，當壓強達到4.000 MPa時，觀察不到油中放電產生的氣泡.油紙絕緣中，柱電極與紙板接觸面附近的氣泡是油紙沿面放電的薄弱點.當壓強增加到足夠大之后，油紙內放電產生的氣體會迅速溶解到油中，因而，此時起始放電和擊穿基本與油中氣體無關，油的介電強度不會隨壓強增加而改變，則起始放電電壓與擊穿電壓隨液壓的上升呈飽和趨勢.

依據(jù)式（3），當液壓低于標準大氣壓時，油中溶解的少量氣體組分會逐漸析出，析出量隨液壓的降低而增大，同時放電產生的氣體溶解程度隨之降低.因而，液壓降低時，由于油中氣體的影響，油紙絕緣的沿面放電起始放電電壓和擊穿電壓都會隨之降低.由圖6可知：液壓極低時起始放電電壓下放電電流和放電功率都很低，實際中只有放電電流和放電功率隨所施電壓上升到較大值時才能加速老化紙板，導致?lián)舸?液壓極低（如0.010 MPa和0.020 MPa）時，放電電流和放電功率隨電壓的上升而緩慢上升，其原因在于施加的電壓不高時（如接近起始放電電壓），油紙界面的氣泡擊穿電壓低，單次局部放電釋放的能量不高，分解產生的氣體不多，溢出的氣泡受低壓強的影響迅速膨脹而離開紙板，并上浮到遠離電極的低場強區(qū)，故單次放電（起始放電）不會迅速發(fā)展成大頻次和大幅度的局部放電，更不會發(fā)展出紙板擊穿現(xiàn)象.氣泡膨脹的原因在于式（4）所示出的克拉伯龍方程，文獻[19]通過受力計算證明了液壓降低后氣體更容易脫離紙板而上浮.隨著施加電壓的上升，放電重復率增大，油中分解產生的氣體也隨之增加.這些新生的氣體引發(fā)二次放電，但不會聚集在高場強區(qū)使放電極速增長，因而后續(xù)的放電電流和放電功率只能逐步上升，放電發(fā)展到能有效侵蝕紙板需要一個較長的發(fā)展過程，因而起始放電電壓比擊穿電壓低得多.

液壓增加到0.030 MPa以后，從過濾除氣后的油中析出初始氣體逐漸變得困難，即使少量氣泡飄過高場強區(qū)，也難以形成穩(wěn)定的放電，使起始放電電壓隨壓強的增加迅速上升.由于此時的起始放電電壓較高，高場強區(qū)的放電強度比更低液壓下起始放電時大得多，將分解出較多氣體.此時的壓強相對之前大，密度升高的氣體產生后膨脹、上浮和消散過程相對緩慢，能短時聚集在高場強區(qū)，引發(fā)后續(xù)放電.持續(xù)的放電和氣泡群相互促進，使大強度的放電迅速產生，紙板老化加速，擊穿隨之而來.故壓強極低時，擊穿電壓和起始放電電壓的差值隨壓強的增加而降低，到0.040 MPa時為2.24 kV.

液壓進一步增強（大于0.100 MPa），電壓增加到起始放電后，油紙界面上的高場強區(qū)產生局部放電.亨利定律表明，氣體的分壓與該氣體溶在溶液內的摩爾濃度成正比.由于壓強的上升，油溶解氣體的能力增強，初始放電產生的氣體快速消融在油中，不能引發(fā)后續(xù)放電.放電和氣泡相互促進發(fā)展的情況不容易發(fā)生，使得較低強度的初始放電不能迅速發(fā)展成擊穿，擊穿電壓和起始放電電壓之間的差值又逐漸增大.綜上所述，造成擊穿電壓與起始放電電壓差值先減小后增大的原因，是氣體膨脹和溶解兩方面競爭的結果.

由擊穿電壓和起始放電電壓的差值隨液壓的變化關系可知：在高原地區(qū)運行的變壓器，液壓低于標準大氣壓而又高于0.030 MPa時，沿面放電故障點產生起始放電后容易快速發(fā)展成擊穿，其原因在于兩個電壓的差值很小.

3.3 紙板表面和油中的氣體現(xiàn)象

圖7顯示的是擊穿前夕紙板表面及油中的氣體現(xiàn)象，氣體濃度隨著液壓的上升而明顯降低，印證了前面關于液壓影響油中氣體的推測.同時，文獻[19]的研究表明，標準大氣壓（0.100 MPa）下，針板沿面試驗時紙板表面不會產生的白斑現(xiàn)象，卻在液壓升高后出現(xiàn).究其原因，在于壓縮變小后的氣泡有如下特點： 1） 密度更大，上浮速率變?。?） 更易于粘附在紙板表面；3） 絕緣能力變強，大場強下產生的放電能量更大；4） 中心離紙板更近，放電產生的能量沿紙板表面及內部散發(fā)的比例更高.大量的能量經過紙板內部，造成紙板內的油分解氣化，部分未散發(fā)而藏于紙板纖維間的氣體，形成了切向電場作用放電時紙板表面的白斑.本文采用柱板模型，切向和法向的電場同時存在，法向場推動了放電向紙板內部的延伸，在液壓為0.070 MPa （低于標準大氣壓0.100 MPa）時白斑就可以產生.然而，液壓極低（0.002 ～ 0.020 MPa）時，紙板中氣體迅速溢出導致無白斑現(xiàn)象；液壓上升到0.500 MPa后，紙板內氣體的快速溶解，又使得氣體無法穿過紙板纖維而導通兩極，只能在較高的電壓下逐步碳化紙板后最終導致?lián)舸?，這就是圖中0.500 MPa時紙板表面出現(xiàn)碳化黑點的原因（碳化黑點放大后顯示于圖形的左上角）.

圖7 擊穿前夕紙板表面的白/黑斑和氣體現(xiàn)象Fig.7 Wihte/black spots and gas on pressboard surface before breakdown

4 結 論

本文在不同液壓下采用柱板模型觀測了油紙絕緣的沿面放電發(fā)展過程，測試了從起始放電直至擊穿整個過程中的各放電參量值，并對所觀測到的現(xiàn)象進行了解釋和分析，結論如下：

1） 沿面放電的起始放電電壓和擊穿電壓皆隨液壓的上升而升高，且逐漸趨于飽和，兩者差值先減小后增大；

2） 液壓的上升能從整體上抑制各種放電參量，延緩紙板的損壞過程；

3） 液壓通過改變氣體在油中的溶解和對剩余氣體的壓縮而改變起始放電電壓、擊穿電壓以及各放電參數(shù)，兩種改變的推測在擊穿前夕的氣泡和白斑現(xiàn)象中得到了驗證.