變壓器油擊穿過程光譜及電壓分析

劉學

摘 要：本文以變壓器油為樣本，自行研制了一款液體擊穿裝置;嘗試對針-針電極間隙變壓器油實施了放電測試，觀察變壓器油放電期間帶電粒子的分布情況與變化。記錄各種條件下產生的擊穿電壓，總結基本規律，旨在利用液體介質自身的絕緣特性，對脈沖功率設備進行優化設計。

關鍵詞：變壓器油;擊穿過程;光譜分析;電壓分析

作為一種典型的絕緣油，變壓器油絕緣性的好壞非常關鍵。擊穿電壓，可作為變壓器油電氣性能優劣的評價指標，判斷變壓器油的水含量，其他懸浮物對其造成的污染程度等。同時，我們還可檢驗變壓器油在注入到設備之前的干燥以及過濾情況。顯然，擊穿電壓指標反應出了變壓器油自身的絕緣性能。

一、光聲光譜檢測原理

光聲光譜檢測原理PAS（Photo Acoustic Spectroscopy），在密閉光聲池中裝入待測氣體，并將一束單色光源投射到這種氣體表面，讓光能充分地吸收進去，轉變為熱能，最后完成退激。熱能釋放，能夠讓氣體出現周期性加熱，促使介質出現周期性壓力波動。該種壓力波動，利用微音拾音器或是壓電陶瓷傳聲器也能夠直接地檢測出來。經放大后，可以獲取光聲信號。不同氣體均有各自的紅外光譜（吸收光譜），結合該種特性，我們可以選擇單色光波長來完成照射，測定出波長長度上不同的光聲信號圖譜，計算出待測氣體實際的分子濃度。

二、實驗設計

系統大致是由脈沖電源、電極、暗室以及電荷耦合器件等基本的設備來組成。本次實驗，我們將玻璃容器放入到暗室中。

實驗期間，溫度最好控制在22～26℃;選擇逐步升壓法，電壓單次上升2 kV，標注和統計好擊穿時肉眼看到的峰值電壓。結束后，及時地攪動待測的變壓器油，平放2min;再次實驗，循環5次，將5次擊穿所得平均值視為最終的實驗結果。

三、實驗結果分析

（一）譜線分析

對針-針電極間隙45號變壓器油開展本次放電實驗。45號變壓器油，摻入碳、氫這2種不一樣的元素。本次試驗，我們能看到光譜線數。在波長大約400～700nm的位置，氫可以看得見4條譜線。按照從大到小的順序，依次寫作Hα、Hβ、Hγ、Hδ。

中心波長650 nm開始實驗，656nm周邊的特征譜線非常突出，多次實驗得知有較好的一致性。在間隙5mm和負直流電壓50.4kV這種條件下，我們采集來的光譜圖上656nm波長譜線峰值十分地強烈。相比于氫譜線，此處的656.272 nm波長也是有很大的相似點，即Hα譜線。656.424nm峰值上釋放出來的光強，顯著多于其他波長。提示該類躍遷上的氫量相對偏多，電離中該部分粒子有明顯反應。

（二）放電照片

利用本實驗系統，我們已經得到變壓器油對應的放電照。未加電壓情況下，同樣也看到一張針-針電極照。曝光大約5ms，增益接近于150。

如果間隙始終都是1mm，ICCD獲取的放電圖像（負極性脈沖假設停留于1mm，則這里的擊穿電壓肯定不會小于60kV，實驗人員用儀器很難采集客觀、可靠的放電圖像）。1 mm間隙實在過短，未見放電通道。從擊穿強度來看，脈沖加壓顯著地要比直流下更小。

究其根源：針-針電極間建立的電場屬于極不均勻場，此時電子崩不容易向周圍空間發展，電極間隙相對偏小，放電通道在沒有分叉的情況下就被擊穿。

根據10mm正直流電壓下得到的照片：（a）擊穿前某個時間點上，油液面看得見一些氣泡。（b）擊穿前照片。（c）擊穿后首照，下方針電極同樣也看得見氣泡，并且不斷地往上沿運動。根源：被擊穿前，電子實際上是定向運動的，電流不大，變壓器油并未完全汽化，氣泡多出現于液面。擊穿瞬間，釋放大量熱能，焦耳熱完全可以對針變壓器油進行汽化，變成肉眼看得見的氣泡。

1mm正脈沖電壓下攝取的照片可知：（a）擊穿前某個點上的圖像，（b）擊穿后首張照片。不管擊穿前、后均未見任何的氣泡。究其根源：納秒脈沖上升所需時間偏短，無法馬上產生氣泡。此時，變壓器油間隙早已被擊穿，提示納秒脈沖下液體下的放電研究更符合液體的本征特性。

（三）變壓器油的擊穿電壓

除了得到擊穿光譜外，我們也統計了各個電壓極性、間隙距離以及曲率半徑條件下產生的擊穿電壓。半徑針電極下，施加某個電壓后，變壓器油在不同間隙下均可產生相應的擊穿電壓，如下表。

上表記錄了變壓器油相對的擊穿電壓。從中看出：如果設置不一樣的間隙，負極性不論何時均會高于之前的正極性擊穿電壓，最終的極性效應也很突出。若我們將正極性電壓直接和針電極外進行連接，電子運速超快，正電荷則相對緩慢，針尖周圍堆積的正電荷無疑降低了針電極外圍的電場，使前方電場有所增強。此時，針電極可能會產生流注，并向前方開始推進。當電壓極性為正，變壓器油自身的擊穿場強相對偏低。如果針電極外此時有負極性電壓接入，正電荷運速相對緩慢，堆積于針電極外。這時候，針電極之前的電場會有所強化，而相對的前方電場（若有正極性電壓順利地介入，那么空間電荷必定會帶來不一樣的結局）會受損和被削弱，放電流注很難往前推進。此時，負極性電壓條件下變壓器油容易產生大的擊穿電壓。

四、結語

變壓器能否順暢運行，我們利用油色譜分析法，觀察油色波動狀況就能夠分辨出來。實際上，這也是變壓器運行階段中運用普遍的監測法。不過，放電光譜采集實驗尚未具備充分、完好的條件。為了客觀分析和判斷變壓器油放電情況下不同粒子的狀態及其溫度規律等，我們有必要對實驗系統作出改良，采集可見光波段對應的特征光譜信息，用于實驗分析。

參考文獻：

[1]王海瑞.淺析大型變壓器油色譜分析及故障判斷[J].電源技術應用，2013（05）：158.

[2]吉亞民.大型變壓器狀態評估及故障診斷技術研究[D].華北電力大學，2012.