油流速度對含氣泡變壓器油擊穿特性的影響

黃 蕊

（大慶石化建設有限公司電氣分公司，黑龍江大慶 163700）

0 引言

電力變壓器是輸電線路中最關鍵的設備之一，它的安全性和可靠性直接關系到電網的整體可靠性。在高壓油流和溫差換熱條件下，變壓器內的絕緣油一直是流體，并伴隨著油路中的流體流動，含有泡沫的變壓器油在流體中的失效機制并不明確。在大容量的變壓器中，其絕緣油質量直接關系到整體的絕緣效果。由于變壓器油中含有大量的泡沫，使得其絕緣性能大為降低。懸浮泡是變壓器油的一種典型的絕緣缺陷，它具有較弱的介電性能和較高的內電強度，極易引發PD（Partial Discharge，局部放電），從而使變壓器油劣化，甚至造成變壓器油的損壞、導致變壓器失效。

針對這一問題，建立了一套用于測量各種流量下的汽化變壓器油層的汽蝕試驗，并依據汽蝕過程中汽泡性能的差別進行了試驗研究。本文主要介紹泡沫式變壓器油在油液中的流動速率對其破壞機理。

1 含氣泡流動變壓器油的典型擊穿過程

本文首次對含有泡沫的變壓器油在流態下進行了工頻沖擊試驗，設定油流速率0.12 m/s，油溫60 ℃。大量試驗研究發現，絕緣體的失效與泡沫的特性有很大的相關性，其破壞與其工作頻率的正負半周值有著緊密聯系，在前打孔過程中，泡沫沒有從上部電極分離，也沒有斷裂；在工頻正半周出現一種工作頻率正半周的故障。在50 個試驗中，正、負半周的破裂約為50%，而在負半周的情況下，I 型工頻的發生概率比負半周高出1 倍。

1.1 在工頻負半周的擊穿過程

以變壓器油中穿線電弧出現的瞬間為零點參考時間，在-2.007 ms 內，汽泡迅速擴張，并逐步出現不規則的“尖端”；-1.627 ms 內，汽泡“尖端”數目顯著增加，而當汽泡“尖端”出現-0.747 ms 時，汽泡從上部極板處彈出，這時汽泡破碎并產生大量細小的汽泡；泡團從上往下逐步接近，在與下層的泡沫層發生碰撞時會產生非常強烈的電弧，從而使整體空隙快速破裂。在擊穿過程中，由于高壓變壓器油的溶解而產生了一個顯著的氣體流路，之后在這一過程中連續出現了大量的斷續放電，同時還出現氣體通道的擴張和縮小。

空穴引起的PD 在-2.10 ms 內開始于零點出現，此時相應的相為270°。零點以后，脈沖放電信號出現斷斷續續的強烈振動，并在20 ms 內出現斷續的脈沖輸出。

1.2 在工頻正半周的擊穿過程

雖然兩個周期的正半周時都存在氣泡，但是在正半周時它的工作特性和負半周時的有很大差異。

在預擊破階段，氣泡的擴張速度從-0.480 ms 起加快，“尖端”在-0.150 ms 內顯現，-0.004 ms 時，由高速攝影機拍攝到的分支和纖絲流，一種是暗流、另一種是光流（因為試驗條件所限，沒有能捕獲到枝狀流和纖絲狀流）。國內和國外已有的一些文獻顯示，在正閃電作用下，枝狀流比長絲流更快地發展，也就是說，亮流是在暗流發展到某一時期以后形成的。在零點處，極板上的電壓快速下降至約0 kV，說明該電極之間的放電通路導電性能較好，在擊穿時間的外部施加的電壓為92°，在擊穿之前0.520 ms出現一次正PD。在0～20 ms 內，外施電壓發生較大幅的振動，相應的放電訊號也較強，且外施加的放電訊號與輸出訊號有明顯的同步特性。

2 含氣泡流動變壓器油的擊穿機理

帶泡沫的變壓器油工作頻率正半周時和負半周時的不同，通常在正半周時沒有明顯的氣相溝槽。在泡體中，PD 產生了輕微的充氣，并且在底部形成一個細小的“尖端”，它的起泡和II級工作頻率的負半周現象相似。但是，由于在“尖端”處聚集了大量的正電荷，其局部的電場強度增大，PD 出現后氣泡與極板等電位，這時具有“尖端”的氣泡就相當于一個固定在頂板上的針形電極，在變壓器油中形成一個分支，將泡沫和下部的電荷相連，最后造成了整體的破裂。

在正弦周期的負半周中，可以觀察到在預擊破階段出現的微小泡團或“尖端”，并在接近底板時逐漸擴展；而在正半周時，在預擊破過程中，泡沫的擴張與發展沒有顯著性，而在高壓下則產生了一種類似于分枝的流動。其差別在很大程度上是由于在PD 出現后，泡腔中的空間電荷會向外移動。在工作頻率的負半周，PD 出現后，由于高能電子的向下移動，使得CH 破裂形成新的微小泡泡，從而形成“尖端”。在工作頻率的正半周時，當PD 出現后，高能電子就會朝金屬極片方向移動；由于新的自由電子的生成，使得正負離子在氣泡底部的移動，局部電場發生了較大畸變，引起電力系統中的枝條流動，造成電力系統的故障。

3 油流速度對含氣泡變壓器油擊穿特性的影響

3.1 油流速度對擊穿電壓的影響

在各種流量條件下，含有泡沫的變壓器油在流動時其工作頻率的擊破電壓總是高于靜態的，并且隨油流速率的增加而增加；但在擊破后，其擊穿電流明顯增加，隨后趨于平穩。

3.2 油流速度對擊穿過程的影響

在不同的流動速度條件下，泡沫在預擊穿過程中表現出顯著的差別：在靜態狀態下，泡沫破碎所產生的微小氣泡群垂直地向下移動，并且在接近臨界點之前，泡沫團幾乎與上極片相連通；然后在兩個電極之間產生了一道明亮的弧線，整個過程進行了2.060 ms。在低流速（0.12 m/s）情況下，通常含有泡沫的變壓器油的擊穿，在離開電極之前，泡沫沿斜面伸展為一個橢圓形狀，并且泡沫頂端的發展也發生了變化，而由泡沫破碎而產生的微氣泡組也呈現出傾斜的形態，這一點與在靜態的微氣泡組的布置存在顯著差異。在高流速（0.24 m/s）情況下，典型的打孔工藝是，在-21.93 ms 內汽泡的膨脹速度加快，-20.99 ms 時與上部極板分離，在下極片移動期間汽泡破碎，在-11.04 ms 內汽泡群移動至下部電極，但該階段沒有生成電弧。也就是說，在-0.006 ms內，這些微小的泡沫團再次垂直地分布，然后形成貫穿兩個極點的電弧。

4 油流速度對含氣泡變壓器油擊穿特性的影響分析

由于含有泡沫的變壓器油的破裂是隨機的，因此在同樣的試驗情況下，其破裂圖像和放電的特征也不盡一致。

圖1 是I 型工頻負半周在高流量（大于0.24 m/s）下的擊穿工藝，可以分成5 個階段。在破裂之前，油管中的氣泡沿斜向方向伸展橢圓，在第1 個階段出現了PD，在此過程中，泡體從上部極板分離出來、在下部產生頂端，然后在第3 個階段內氣泡破裂，并在形狀上形成類似于斜面形狀的微小泡沫團。與第一種類型的破裂相比，在這種情況下泡體處于傾角的位置，很難造成空穴的穿透，而在空腔中，隨著電場的作用力，泡團中的負電荷會發生兩個泡團；由于載著負電荷團向下部板移動時（第4 個階段），所以沒有引發放電。在工作頻率循環的1/2 之后，兩個泡泡的極性反向，同時對兩個泡泡的電場作用力也會反向（第5 個階段）；兩個泡團之間的距離越來越近，產生了較大的電場失真，從而引起了油間隙的破裂。在預擊破過程中，從PD 開始直至出現破裂，大約需要20 ms。由于高流量，泡沫破碎后泡沫的排列分布比較分散，從而減少擊穿的可能性，使得到達擊穿狀態的周期變得更大。此外，還有這樣的情形：步驟5 中的泡泡不能引發電弧的生成，從而不能出現打孔。在高流量條件下，產生I 型破壞所需要的外部施加的壓力也隨之增加。

圖1 高流速下Ⅰ類工頻負半周擊穿過程示意

圖2 是高流量下II 級工作頻率的負半周破裂工藝，其與圖1 中低流率II 型的擊穿工藝的最大不同點是：圖2 中的泡沫形狀是傾斜的，并且泡“尖端”的增長也是傾斜的，這相當于增加了兩個極片之間的間距，從而使II 型工作頻率的負半周的擊破電壓隨著流量的增加而增加。

除了上述破壞作用之外，油液中的泡沫引起的PD 強度，明顯受到油液中氣泡誘導PD 強度的影響。這表明，在不同流量條件下，泡孔中PD 強度對擊破電壓有一定作用，這與理論分析結果相符。所以，在預擊破過程中，油流速率會對泡孔PD 產生較大作用，從而對沖擊電壓產生一定的作用。

除了改變PD 強烈度和打孔工藝等因素，油流量速率也會對空穴在油路中的穿越產生一定變化。靜態條件下，兩個電極間總是有一個空泡，流動速度較大、空泡穿過通道的速度較快，減少了出現故障的可能性。

5 結論

通過計算不同的油流速率得出不同的油流速率對汽蝕電流的破壞機理，得出了不同的結論：

（1）在工作頻率為負半圓時，在由氣或氣相液相構成的混合流路中出現打孔，在工作頻率正半周時液體相出現了打孔。

（2）在靜態條件下其擊穿電壓是最小的，而當流速增加時擊穿電壓先升高、然后趨于平穩。

（3）在預擊破過程中，由于氣泡的排布、氣泡尖端的發展趨勢和氣泡PD 的強弱變化，導致油流速率的變化。