酯類絕緣油在直流電壓下的擊穿特性研究

李繼攀，王智杰，劉宏領，郭瑞，孫素亮，張紅敏，王強

（國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

0 引言

近年來，由于高壓直流（HVDC）輸電線路在遠距離或海底大容量輸電方面的優勢，其應用受到越來越多的關注。換流變壓器作為高壓直流電網的最重要設備之一，其中的絕緣介質承受著交流及直流電壓分量[1]。酯類絕緣油因其優良的環保特性及極高的抗燃能力近年來在常規高壓電力變壓器中獲得了較多的應用，但由于對其直流介電特性缺乏了解，目前難以在換流變壓器中取得應用。

在過去的幾十年中，酯類絕緣油與礦物油在交流電壓和脈沖電壓下的擊穿特性已得到了廣泛的研究[2-5]。在準均勻電場如球形電極或平板電極條件下，酯類絕緣油在交流電壓[3-4]和脈沖電壓[5]下的擊穿電壓與礦物油相當。而在大電極間隙及極不均勻電場條件中，如針板電極或針球電極，酯類絕緣油在脈沖電壓下的擊穿電壓比礦物油低得多[6-9]。

而關于酯類絕緣油直流擊穿特性的研究較少，XⅠANG J等[10]研究了正、負直流電壓下合成酯絕緣油中壓力對流注起始電壓的影響，發現壓力的增加會導致流注起始電壓的增長。通過使用點-平面電極研究正、負極性直流電壓下礦物油和合成酯絕緣油中的流注發展和擊穿現象，發現兩種絕緣油中的正流注均以第二型出現，即使在施加的電壓水平即將達到擊穿電壓時，在負極性電壓下也沒有明顯的流注發展（停止長度小于間隙距離的10%），兩種絕緣油中的負流注均處于初級階段[11]。QⅠN C X等[12]研究了有無氣泡條件下KⅠ25X變壓器油的直流擊穿電壓，結果表明在氣泡的影響下，柱-板電極的擊穿電壓下降較大，錐-板電極的擊穿電壓下降較小。同時發現雜質的存在對極不均勻電場中直流擊穿電壓的影響較小。

在極不均勻電場下，關于天然酯絕緣油及合成酯絕緣油與礦物絕緣油直流擊穿特性的系統性對比研究尚未見報道，限制了酯類絕緣油在換流變壓器中的應用及發展。本文針對兩種結構不同的酯類絕緣油，對比研究其直流擊穿特性，獲得酯類絕緣油與礦物絕緣油直流擊穿特性的差異性，為酯類絕緣油在換流變壓器中的應用提供數據基礎及實驗依據。

1 實驗

1.1 試樣的選取

選取中國石油潤滑油公司生產的KⅠ25X變壓器礦物油作為對比研究的基準，天然酯絕緣油選取廣東卓原新材料公司生產的RAPO菜籽基天然酯絕緣油，合成酯絕緣油選取英國M&Ⅰ公司生產的Midel 7131合成酯絕緣油（成分為季四戊醇酯）。3種絕緣油的典型參數如表1所示。

表1 絕緣油的典型參數Tab.1 Typical parameters of insulating oils

1.2 實驗流程

絕緣油中的雜質和水含量對其直流擊穿具有重要影響，因而首先對絕緣油進行過濾及脫水脫氣處理，以保證實驗數據的可靠性。

絕緣油脫水處理平臺如圖1所示，主要由JB-5型恒溫磁力攪拌器、真空抽濾瓶、真空泵、氮氣袋和3個真空閥門組成，可抽氣至真空抽濾瓶內壓強為60 Pa左右。在對絕緣油進行脫水脫氣處理時，先進行兩次抽氣和充氮氣，使整個系統內充滿氮氣，然后使絕緣油在氣壓小于60 Pa和溫度60℃下處理半天，待絕緣油冷卻至室溫后，方可打開出油閥進行取油。處理后合成酯Midel7131的水含量為40～50 mg/kg，天然酯RAPO的水含量為20～30 mg/kg，礦物油的水含量小于10 mg/kg。

圖1 絕緣油預處理平臺示意圖Fig.1 Pretreatment platform of insulating oils

實驗電極系統如圖2所示，主要結構包括螺桿、高壓端、支架、接地端等。外殼由透明的聚碳酸酯（PC）材料制成，PC材料具有優良的絕緣性能和耐電弧性能。油容器的主體結構呈方形，壁厚為20 mm，上蓋厚度為20 mm，底部厚度為30 mm，內部長方體的尺寸為160 mm×160 mm×167 mm，可完全容納試驗電極。針-板電極的板電極是半徑為30 mm、厚度為20 mm、外環半徑為10 mm的黃銅材質銅板，在板電極底面圓心處引出直徑為5 mm、長度為50 mm的銅棒穿透下極板與外部地線相連接。上級桿為黃銅材質的圓柱，穿過上極板的圓心位置，可以使針電極垂直于板電極的圓心。針電極材質為鑭鎢，直徑為1.5 mm，長度為28 mm，鑭鎢電極在所有的鎢合金材料中具有耐用電流高、燒損率最小的特點，針尖錐度為30°，并且將曲率半徑打磨在40～

圖2 試驗油容器結構圖和實物圖Fig.2 Structural and physical drawing of test oil container

60 μm。

實驗高壓源采用ZGF-500/5型智能直流高壓發生器，其最高輸出電壓為500 kV，最大電流為5 mA，紋波系數≤0.35%，電壓調節精度和穩定度≤0.5%。試驗參考NB/T 10450—2020《絕緣液體直流電場擊穿電壓測定法》進行測定，采用連續升壓法，升壓速率設為2 kV/s。試驗過程中的電壓電流趨勢圖如圖3所示。

圖3 實驗電壓電流圖Fig.3 Experimental voltage and current diagram

每種油樣在1、2.5、5、15、25 mm間隙條件下進行20次擊穿，并對擊穿結果進行威布爾分布分析。

2 結果與分析

實驗中，20次擊穿結果的一致性較好，實驗前后的針電極燒蝕情況如圖4所示。實驗前針電極曲率半徑為50.4 μm，如圖4(a)所示，實驗后針電極曲率半徑為65 μm，如圖4(b)所示，實驗中針尖曲率半徑變化在30%以內，實驗條件相對穩定。擊穿電壓測試結果的最大相對標準偏差為5.1%，符合NB/T10450—2020的要求。

圖4 試驗前后針尖顯微圖Fig.4 Micrograph of needle electrode tip before and after test

對直流放電得到的擊穿電壓結果采用雙參數威布爾分布進行分析，尺度參數α表示絕緣油在直流電壓作用下擊穿概率為63.2%時的擊穿電壓，形狀參數β表示直流擊穿電壓數據的分散性，其值越大分散性越小。

2.1 直流正極性擊穿

在正極性直流電壓下進行絕緣油的擊穿試驗，每個電極間隙下進行20次有效擊穿試驗，擊穿電壓的相對標準偏差小于11%。圖5為酯類絕緣油與礦物絕緣油在1、2.5、5、15、25 mm電極間隙距離下的正極性直流擊穿電壓95%置信區間雙參數威布爾分布概率圖，其尺度參數即為63.2%擊穿概率下的擊穿電壓。

3種絕緣油63.2%擊穿概率下的正極性直流擊穿電壓如圖6所示。由圖6可見，礦物絕緣油的正極性擊穿電壓高于兩種酯類絕緣油。在小間隙下，擊穿電壓總體從大到小依次為礦物油、天然酯、合成酯，但結果并不穩定。隨著電極間隙的增加，合成酯的擊穿電壓低于天然酯絕緣油。

圖6 3種絕緣油的正極性直流擊穿電壓Fig.6 Positive DC breakdown voltages of three insulating oils

2.2 直流負極性擊穿

負極性直流電壓下，每個電極間隙下同樣進行20次有效擊穿試驗，擊穿電壓的標準偏差小于8%。圖7為酯類絕緣油與礦物絕緣油在1、2.5、5、15、25 mm電極間隙距離下的負極性直流擊穿電壓95%置信區間雙參數威布爾分布概率圖。對比圖5和圖7可見，3種絕緣油負極性擊穿電壓的形狀參數總體大于正極性擊穿電壓的形狀參數，即負極性擊穿電壓較正極性擊穿電壓更為穩定，數據分散性更小。3種絕緣油63.2%擊穿概率下的負極性直流擊穿電壓如圖8所示。由圖8可見，在所有間隙下，礦物絕緣油的擊穿電壓高于酯類絕緣油，合成酯和天然酯的負極性擊穿電壓相近，沒有明顯差異性。負極性的擊穿電壓整體高于正極性的擊穿電壓。

圖5 3種絕緣油正極性直流擊穿電壓威布爾分布圖Fig.5 Weibull distribution of positive polarity DC breakdown voltage for three insulating oils

圖7 3種絕緣油負極性直流擊穿電壓威布爾分布圖Fig.7 Weibull distribution of negative polarity DC breakdown voltage for three insulating oils

圖8 3種絕緣油的負極性擊穿電壓Fig.8 Negative DC breakdown voltages of three insulating oils

2.3 直流與雷電擊穿的對比

與直流電壓相似，雷電擊穿電壓也是單極性，區別在于雷電擊穿電壓的升壓時間（或稱波前時間）要遠小于直流電壓，但峰值電壓的保持時間較短。

正極性直流擊穿電壓與相同電極系統測試的雷電擊穿電壓對比如圖9所示。負極性直流擊穿電壓與雷電擊穿電壓對比如圖10所示[8]。

圖9 3種絕緣油正極性直流及雷電擊穿電壓對比Fig.9 Comparison of positive polarity DC and lightning breakdown voltage of three insulating oils

絕緣油的擊穿主要由其預擊穿現象即“流注”決定，酯類絕緣油的流注起始電壓與礦物絕緣油接近，說明流注起始電壓不是造成酯類絕緣油擊穿電壓較低的原因。在脈沖電壓下，酯類絕緣油中流注的停止長度較長，加速電壓較低，電壓高于加速電壓時流注速度較快，造成酯類絕緣油的脈沖擊穿電壓一般低于礦物絕緣油。

由圖9可見，3種絕緣油在小間隙下，其正極性直流擊穿電壓總體低于雷電擊穿電壓，當間隙增大時，礦物絕緣油的直流擊穿電壓高于其雷電擊穿電壓，而兩種酯類絕緣油的直流擊穿電壓低于其雷電擊穿電壓。

由圖10可見，對于3種絕緣油，其負極性直流擊穿電壓在小間隙下均低于雷電擊穿電壓，但當間隙距離增加后，負極性直流擊穿電壓逐漸高于雷電擊穿電壓。

圖10 3種絕緣油負極性直流及雷電擊穿電壓對比Fig.10 Comparison of negative polarity DC and lightning breakdown voltage of three insulating oils

在10 mm的間隙下，正極性直流流注平均速度為1.5～2 km/s[11]，這個速度屬于2型流注，與正極性雷電電壓下的流注類型相同。說明正極性直流擊穿與正極性雷電擊穿電壓在流注發展過程上沒有太大的差異性，盡管正極性直流流注可能更多的受到空間電荷的影響，但本研究的實驗條件下未觀察到規律性差異。

而在10 mm間隙下，負極性直流流注平均速度僅為0.1～0.3 km/s[11]，這個速度屬于負極性1型流注，或者說初級流注，速度慢于負極性雷電流注，說明負極性直流電壓相對于雷電電壓會減緩流注的發展速度，也間接證明了負極性直流電壓會建立更強的空間電荷，從而限制流注的發展。在小電極間隙條件下，直流擊穿電壓較低，由于其連續升壓時間較大間隙下短，且電壓較大間隙下低，因此，空間電荷的建立較弱，對擊穿的影響較小。此外，盡管直流電壓下流注的傳輸速度較脈沖電壓下更慢，但由于電壓施加時間遠超雷電電壓，流注更易發展貫穿電極形成導電通道，從而使得小間隙下負極性直流擊穿電壓低于雷電擊穿電壓。而當電極間隙增大時，負極性直流擊穿電壓的升壓時間較長，施加電壓更高，空間電荷建立的時間更久，空間電荷由此獲得了更大的增強，從而更大程度地遏制了流注的發展，造成大間隙下負極性直流擊穿電壓高于雷電擊穿電壓。

3 結論

通過對比研究酯類絕緣油及礦物絕緣油在中小間隙下的直流擊穿現象，得到以下結論：

（1）正極性條件下，當間隙為2.5～25 mm時，礦物油的擊穿電壓最高，天然酯的擊穿電壓次之，合成酯的擊穿電壓最小。

（2）負極性條件下，當間隙為1～25 mm時，礦物油的擊穿電壓大于酯類絕緣油，天然酯與合成酯的擊穿電壓較為接近。

（3）負極性直流擊穿電壓在小間隙下低于負極性雷電擊穿電壓，隨著間隙的增大，負極性直流擊穿電壓逐漸高于負極性雷電擊穿電壓。