水分及測試方法對植物絕緣油局部放電起始電壓測試結果的影響

金 銘，楊鳳英，魏 偉，詹仲強，楊 洋

（1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 839000）

0 引言

變壓器中礦物絕緣油的主要作用包括絕緣（提高絕緣強度）、散熱（通過油的上下對流加快散熱）及消弧（提高滅弧性能）等[1]，然而礦物絕緣油存在一些弊端，例如燃點較低、生物降解性差、有一定毒性等。為解決上述問題，近年來研究人員提出采用植物絕緣油代替傳統的礦物絕緣油。植物絕緣油無毒，并且可生物降解，環保性能較好。基于上述優點，植物絕緣油在世界范圍內變壓器中的應用日益增多，現已廣泛應用于配電變壓器以及一些高功率變壓器中[2]。

變壓器的儲存與運輸過程易受到水分侵入，現有研究表明，當植物絕緣油中存在水分時，將會發生電荷注入或氣泡效應，強電場區域將發生局部放電[3]，導致變壓器油發生劣化和老化，從而影響變壓器的正常運行。絕緣油的劣化及老化過程與油中烴分子的分解有關，因此局部放電檢測對評估植物絕緣油變壓器的壽命具有重要意義[4]。

然而針對測試方法及電極配置方式對局部放電測量結果影響的研究極少。本研究采用不同的測試方法和電極配置方式對植物絕緣油的局部放電起始電壓進行測試，分析試驗方法和電極配置方式對含有溶解水的植物變壓器油局部放電起始電壓測量結果的影響。

1 試驗

1.1 試樣制備

本研究采用珠海長先新材料科技股份有限公司生產的從轉基因菜籽油里提取的植物絕緣油，由飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸與甘油結合的產物（即脂肪酸甘油酯，簡稱甘三酯）組成[5-7]，其穩定性主要由油酸、亞油酸、亞麻酸組成的脂肪酸甘油酯決定。

將水蒸氣通入磁力攪拌器攪拌油樣的上方，采用Karl Fischer公司生產的Metrohm 852 Titrando型滴定儀測定絕緣油的含水量，制備含水量分別為50×10-6、250×10-6、450×10-6、650×10-6、850×10-6的植物絕緣油。

1.2 試驗裝置

采用4種電極布置方式產生不同的不均勻電場，電極間距統一設置為50 mm，具體如下：①EA1：尖端半徑為100 μm的針電極和直徑為20 mm的板電極；②EA2：尖端半徑為20 μm的針電極和直徑為20 mm的板電極；③EA3：尖端半徑為100 μm的針電極和直徑為20 mm的球形電極；④EA4：尖端半徑為20 μm的針和直徑為20 mm的球形電極。

1.3 試驗方法

參考文獻[8]的礦物絕緣油試驗研究方法，本研究采用以下兩種試驗方法進行局部放電起始電壓測試：①升壓速度設為1 kV/s，直至測量到100 pC的局部放電視在電荷量（參照IEC 61294-1993），記錄此時的電壓為局部放電起始電壓（PDIV）；②先以1 kV/s的速度加壓，以實現初始值為局部放電視在電荷量預期值的70%（70 pC），隨后加壓速度減至1 kV/min，直至測量到100 pC的局部放電視在電荷量，記錄此時的電壓為局部放電起始電壓（PDIV）。對不同電極布置方式和不同含水量的植物絕緣油分別進行10次測量，結果取平均值。

局部放電信號的測量采用脈沖電流法，升壓設備為工頻無局放變壓器，檢測設備為Hipotronics公司的DDX-7000型局放檢測儀，檢測線路如圖1所示，背景噪聲小于5 pC。

圖1 局部放電檢測線路Fig.1 Partial discharge detection circuit

2 試驗結果

不同試驗方法和電極布置方式下測得的局部放電起始電壓（PDIV）數據如表1所示。

表1 不同試驗方法和電極布置方式測得PDIV(單位：kV)Tab.1 PDIV test results under different measurement methods and electrode arrangements

從表1可以看出，當電極布置方式為EA1時，在油中含水量為50×10-6的情況下，無論采用何種試驗方法，局部放電起始電壓（PDIV）均最高。在方法①試驗下，隨著含水量的增加，植物絕緣油的局部放電起始電壓呈下降趨勢，且在50×10-6～250×10-6下降最快，但當水分含量達到250×10-6之后，隨著含水量的增加，局部放電起始電壓（PDIV）下降減緩。從表1還可以看出，隨著含水量的增加，電極布置方式對局部放電起始電壓（PDIV）的影響逐漸減小，相同的測試方法下，4種電極布置方式測得的數據差異逐漸減小。此外，比較EA1跟EA2、EA3跟EA4的實驗結果可知，無論接地電極形狀如何，在具有較大尖端曲率半徑的針電極處局部放電起始電壓值較高；與球接地電極相比，板接地電極時針電極尖端半徑比對局部放電起始電壓的影響更顯著。

從表1還可以看出，不同的升壓速度對局部放電起始電壓的測量結果有顯著的影響，其中方法①測得的局部放電起始電壓值略高，尤其是對于含水量較低的植物絕緣油。

由EA3、EA4結果可知，針-球電極下，當植物絕緣油含水量較低時，局部放電起始電壓（PDIV）較低（考慮到標準差的擴散），隨著含水量的增加，PDIV總體呈先增大后減小的趨勢，該結果與文獻[8]給出的測試結果一致。

3 試驗分析

對于油中局部放電現象，可通過經典的局部放電模型來進行解釋。水是極性分子，絕緣油中的水分在電場的作用下定向排列成“小橋”，當小橋貫穿正、負電極時，水分的大電導率將使流過小橋的泄漏電流增大，導致局部過熱并促使水分汽化形成氣泡[9]。氣體的相對介電常數較小，承受的電壓較高，并且電氣強度比絕緣油低得多，因此，氣泡內的氣體首先會發生放電。游離產生的帶電質點再碰撞油分子，從而分解出更多的氣體，導致氣泡不斷增多，最后在電場的作用下排列成連通兩極的氣體小橋，油在小橋貫穿兩極的瞬間發生擊穿。

隨著升壓速度的上升，水滴首先被擊穿或在電場的驅動下開始運動產生自由電荷，形成與外加電場反向的退電場。當退電場與外加電場形成的合電場小于水滴的擊穿電壓時，放電停止。界面處的自由電荷可通過絕緣油泄漏，從而導致退電場逐漸削弱。當退電場減小到一定程度時，放電或電荷遷移再次開始。因此，隨著升壓速度的增加，泄漏電流逐漸增加，有利于自由電荷的消散，局部放電次數增加，平均局放量增加。

植物絕緣油中的水分子有3種存在形式：一種是作為單獨存在的水分子在油中溶解，形成均勻的混合物；另一種是水分子被羥基的氫鍵捕獲；還有一種是沉積水。對于溶解水，水可以與甘油三酯反應，酯的水解反應并生成長脂肪酸。水分子的存在改變了植物絕緣油的分子結構，導致流體黏度及液體電離條件發生變化，這將影響帶電粒子的數量及遷移率，從而使局部放電起始電壓降低。因此，相較于干燥絕緣油而言，含有水分的絕緣油局部放電起始電壓較低。

此外，試驗測得的局部放電起始電壓值與電極布置方式和電場的不均勻程度有關。電場的不均勻程度取決于電極的曲率半徑及電極間距，對于針-板電極，針電極附近處的電場強度（E）可表示為式（1）。

式（1）中：U為外加電壓；r為針電極的尖端曲率半徑；a為電極間距。

減小針電極尖端的曲率半徑將會使得局部場強增加，使得電場的不均勻程度增加。而球形電極比板電極的曲率半徑小，因而針-球電場的不均勻程度更高[10]。此外，局部電場強度的增加不全由電極的幾何形狀決定，流柱通道半徑的擴大也可引起局部電場強度的增加。根據文獻[11]，對于流柱產生的初始階段（流柱長度不超過3 μm），由于流柱的存在導致局部電場強度增加的影響遠大于電極形狀對其的影響。

4 結論

（1）針-球電極下，當植物絕緣油含水量較低時，局部放電起始電壓（PDIV）較低（考慮到標準差的擴散），隨著含水量的增加，PDIV總體呈先增大后減小的趨勢。

（2）不同的升壓速度對局部放電起始電壓的測量結果有顯著影響，尤其是對于含水量較低的植物絕緣油。

（3）無論接地電極形狀如何，在具有較大尖端曲率半徑的針電極處局部放電起始電壓測量值較高。此外，與針-球電極相比，當電極布置形式為針-板電極時，針電極尖端半徑對局部放電起始電壓的影響更顯著。