極性反轉(zhuǎn)電壓下變壓器油的擊穿特性王永紅，魏新勞，朱寶森，陳慶國(guó)，聶洪巖（哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）不同間隙和溫度下，對(duì)變壓器油隙進(jìn)行了極性反轉(zhuǎn)電壓擊穿，包括高壓電極、低壓電極、屏蔽電極和絕緣支撐。高低壓電極的直徑為90mm，導(dǎo)角的半徑為15mm，高度為50mm.屏蔽與低壓電極間隙為2mm，高度為20mm，避免了絕緣支架漏電流對(duì)電流測(cè)量的影響。電流測(cè)量在低壓電極與屏蔽之間通過(guò)屏蔽電纜引出來(lái)獲得電壓升高采用階梯步進(jìn)方式，步進(jìn)量AV為5kV，圖中AV=匕-Vi.第一次施加到-Vi電壓時(shí)間為30s，每次極性反轉(zhuǎn)（圖中-Vi ~ Vi或V2~ - V2）時(shí)間t2為60s，同極性電壓升高（圖中Vi~V2）時(shí)間為5s.同一電壓持續(xù)時(shí)間L取i0min.樣品中擊穿電壓相對(duì)較高的5個(gè)樣品的電流作算術(shù)平均，平均電流變化曲線如所示。經(jīng)計(jì)算，6mm油隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)絕對(duì)值的平均值為8. 8mm油隙為沒(méi)有發(fā)生在極性反轉(zhuǎn)位置；隨油隙距離增大，擊穿電壓升高。計(jì)算的擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值也出現(xiàn)了升高。

　　可以說(shuō)明，種油隙平均電流變化規(guī)律一致，同一電壓下，電流出現(xiàn)了明顯從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程。

　　2.2不同溫度。對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)下的10個(gè)擊穿電壓值的分布情況如所示。取10個(gè)樣品中擊穿電壓相對(duì)較高的5個(gè)樣品的平均電流變化曲線如所示。

　　說(shuō)明變壓器油擊穿場(chǎng)強(qiáng)與溫度相關(guān)，在40C以下時(shí)，隨溫度升高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高；在40C以上時(shí)，隨溫度升高擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降，在40C時(shí)出現(xiàn)了比較大值。由可見(jiàn)，擊穿電壓出現(xiàn)時(shí)刻的概率分布不同。低溫時(shí)擊穿電壓不出現(xiàn)在極性反轉(zhuǎn)位置，高溫時(shí)擊穿經(jīng)常在極性反轉(zhuǎn)位置；不論低溫還是高時(shí)間/min（c）60T下?lián)舸╇妷悍植紩r(shí)間/min（叩丈下方穿電壓分布，00>時(shí)間/min（e）100T下?lián)舸╇妷悍植疾煌瑴囟认碌钠骄娏饔煽梢?jiàn)，在各種溫度下，油隙平均電流隨施加電壓升高而增大。在同一電壓下，平均電流隨溫度升高而增大，而且都出現(xiàn)了從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的規(guī)律相差很大。低溫時(shí)電流由小到大緩慢變化，高溫時(shí)電流出現(xiàn)了過(guò)沖，電流由大到小變化。

　　3離子運(yùn)動(dòng)與擊穿規(guī)律的討論3.1液體電導(dǎo)的一般規(guī)律作為弱極性介質(zhì)，變壓器油的電導(dǎo)一般為雜質(zhì)（包括溶解的氣體、水分、酸或堿、有機(jī)鹽等）電導(dǎo)。

　　在弱電場(chǎng)下（變壓器油能承受的電壓均屬于該范疇），雜質(zhì)分子僅有極少一部分由于熱振動(dòng)離解而形成的正負(fù)極性的帶電離子，離解的正負(fù)離子相碰撞也能復(fù)合成中性分子（純水即為弱電解質(zhì)，25°C時(shí)電離的H+和OH-離子濃度為1x10-7ml/L，100C時(shí)為1x10-6ml/L，從含雜質(zhì)的普通水和純水的導(dǎo)電特性看，含雜質(zhì)時(shí)，有其它離子存在，普通水的離子濃度要高得多）。

　　分子的熱振動(dòng)能量服從波爾茲曼分布，離解和復(fù)合速度相等時(shí)，離解速率N（單位體積內(nèi)每秒鐘離解的分子數(shù)）和離子的濃度n可以表示為子離解勢(shì)壘；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

　　液體中的離子在松弛時(shí)間內(nèi)與鄰近的分子束縛在一起，在某一位置作振動(dòng)，而另一段時(shí)間因碰撞得到較大的動(dòng)能超出鄰近分子的束縛勢(shì)壘時(shí)，與相鄰的分子分開，遷移一個(gè)與分子尺寸可相比較的一段路徑后，再次被束縛。在無(wú)電場(chǎng)時(shí)，離子沿各方向遷移幾率相等，總體無(wú)離子電流。在電場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘降低，沿電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘上升，沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生的過(guò)剩離子數(shù)為A nqSv /u0定向運(yùn)動(dòng)便產(chǎn)生了離子電流。離子平均遷移速度率V與離子電流密度可以描述成以上常用的統(tǒng)計(jì)規(guī)律很好地解釋了穩(wěn)態(tài)下變壓器油電導(dǎo)電流隨溫度和場(chǎng)強(qiáng)等變化的關(guān)系。在開始施加電壓過(guò)程和極性反轉(zhuǎn)時(shí)的離子的運(yùn)動(dòng)情況，必須建立新的模型解釋。

　　3.2離子運(yùn)動(dòng)模型建立從離子電導(dǎo)一般規(guī)律可以看出，正負(fù)離子的產(chǎn)生是分子熱振動(dòng)的結(jié)果，同時(shí)離子會(huì)復(fù)合成分子。在電場(chǎng)作用下，僅有一小部分過(guò)剩離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電導(dǎo)。由于離子的平均躍遷距離遠(yuǎn)小于極板之間的距離，所以過(guò)剩離子中的一小部分正負(fù)離子能夠達(dá)到電極中和產(chǎn)生電極電流。

　　平衡（穩(wěn)定）狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)離子數(shù)應(yīng)該滿足熱離解離子數(shù)=復(fù)合離子數(shù)+中和離子數(shù)。

　　當(dāng)?shù)忍?hào)不成立時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)變化（暫態(tài)）過(guò)程。

　　在單位時(shí)間內(nèi)離子運(yùn)動(dòng)的平均距離為5，設(shè)電場(chǎng)間隙d為5的m倍，則暫態(tài)過(guò)程徹底完成需要m個(gè)單位時(shí)間。假設(shè)離子在所處的區(qū)域內(nèi)均勻分布，則在第個(gè)單位時(shí)間，熱電離產(chǎn)生的濃度為的離子，沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生的過(guò)剩離子為，這些過(guò)剩離子有5距離空間的離子能夠達(dá)到極板，間隙內(nèi)剩余（d-5）距離空間的過(guò)剩離子。在第二個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，會(huì)有相同濃度（第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的過(guò)剩離子與總離子數(shù)相比較可以忽略）的離子產(chǎn)生，沿電場(chǎng)方向也產(chǎn)生的過(guò)剩離子A~和相同距離5的位移，但與第一個(gè)單位時(shí)間不同的是，第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)剩余的過(guò)剩離子由于復(fù)合作用濃度下降到A%同時(shí)也完成了5距離的移動(dòng)。如次累計(jì)，當(dāng)單位時(shí)間數(shù)增加到定程度后，由于離子復(fù)合的作用，第一個(gè)單位時(shí)間離解的過(guò)剩離子已經(jīng)不存在了，離子運(yùn)動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)程。在整個(gè)間隙內(nèi)，過(guò)剩離子的空間分布如所示。同時(shí)考慮存在正負(fù)極性離子時(shí)，過(guò)剩離子的空間分布如0所示，其中陰影部分為正負(fù)離子濃度差，即極板附近形成了反極性電荷的集聚。由此，引起的電場(chǎng)分布如1所示。

　　正負(fù)過(guò)剩離子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)分布空間非對(duì)稱性；電場(chǎng)強(qiáng)度變化會(huì)導(dǎo)致過(guò)剩離子運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，通過(guò)弱場(chǎng)區(qū)域離子運(yùn)動(dòng)速度減慢，通過(guò)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的運(yùn)動(dòng)速度加快，也會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)改變，所以實(shí)際電場(chǎng)分布與1會(huì)有所差異。

　　按照以上離子運(yùn)動(dòng)模型，極板電流及電場(chǎng)的分布與過(guò)剩離子的復(fù)合速度、離子運(yùn)動(dòng)速度（單位時(shí)間內(nèi)離子運(yùn)動(dòng)的平均距離5）和極板間距有關(guān)。

　　其他條件不變時(shí)，隨溫度增加，過(guò)剩離子復(fù)合速度和運(yùn)動(dòng)速度都增加，電場(chǎng)畸變減弱；其他條件不變時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，過(guò)剩離子運(yùn)動(dòng)速度與復(fù)合速度增加，電場(chǎng)畸變減弱。

　　電壓升高使電場(chǎng)增加，離子運(yùn)動(dòng)速度加快，極板電流增加，電流和電場(chǎng)從種穩(wěn)態(tài)到另外一種穩(wěn)態(tài)變化，電壓升高前極板附近集聚的部分離子迅速到達(dá)極板中和，運(yùn)動(dòng)速度快時(shí)中和速度快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中便出現(xiàn)了低溫時(shí)電流持續(xù)上升，高溫時(shí)電流過(guò)沖現(xiàn)象。

　　同極性電壓升高會(huì)導(dǎo)致變化過(guò)程中比穩(wěn)態(tài)后電場(chǎng)畸變嚴(yán)重的情況。

　　3.3.2極性反轉(zhuǎn)過(guò)程電流與電場(chǎng)變化極性反轉(zhuǎn)時(shí)，電極極性變化導(dǎo)致離子做相反方向的運(yùn)動(dòng)。離子運(yùn)動(dòng)速度慢時(shí)，極性反轉(zhuǎn)前集聚的過(guò)剩電荷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)被復(fù)合，達(dá)不到新極板，極板電流不受影響；離子運(yùn)動(dòng)速度快時(shí)，反轉(zhuǎn)前集聚的過(guò)剩電荷會(huì)迅速到達(dá)新極板，電流迅速增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中低溫為離子運(yùn)動(dòng)速度慢的情況，高溫為運(yùn)動(dòng)速度快的情況。

　　極性反轉(zhuǎn)會(huì)造成極板附件電荷集聚由同極性到反極性的變化，極板附近電場(chǎng)由弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變速度緩慢時(shí)集聚電荷對(duì)電場(chǎng)增加影響小，轉(zhuǎn)變速度快時(shí)受集聚電何影響大。

　　3.3.3極性反轉(zhuǎn)電壓下的擊穿規(guī)律般，擊穿電壓與電場(chǎng)畸變程度有關(guān)。電場(chǎng)畸變?cè)斐删植繄?chǎng)強(qiáng)過(guò)高，引起局部放電或擊穿，比較后導(dǎo)致整體絕緣擊穿。

　　相同溫度和場(chǎng)強(qiáng)下，油間隙在一定范圍內(nèi)變化不會(huì)影響電極附近離子濃度分布，場(chǎng)強(qiáng)畸變變化不大，所以在極性反轉(zhuǎn)電壓下，擊穿場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有出現(xiàn)隨油間隙增加而下降的“體積效應(yīng)”現(xiàn)象。

　　同極性電壓升高瞬間使電場(chǎng)畸變，無(wú)論在低溫還是在高溫狀態(tài)下，油隙擊穿概率都提高。

　　在極性反轉(zhuǎn)過(guò)程中，高溫時(shí)離子運(yùn)動(dòng)速度快，受離子集聚影響，電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度增大。所以，高溫時(shí)擊穿會(huì)常常發(fā)生在極性反轉(zhuǎn)過(guò)程中。

　　穩(wěn)態(tài)時(shí)，隨溫度增加，離子運(yùn)動(dòng)和復(fù)合速度加快，電場(chǎng)畸變減弱。所以低溫時(shí)更容易在穩(wěn)態(tài)擊穿。

　　變壓器油在極性反轉(zhuǎn)電壓下?lián)舸┑臏囟忍匦允且陨?種情況共同作用出現(xiàn)的結(jié)果。

　　4結(jié)論在極性反轉(zhuǎn)電壓下，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨油間隙沒(méi)有出現(xiàn)“體積效應(yīng)”現(xiàn)象；變壓器油擊穿電壓與溫度相關(guān)，出現(xiàn)擊穿電壓由低到高，再由高到低的變化，在本實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)范圍內(nèi)，40出現(xiàn)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)的比較高值；在極性反轉(zhuǎn)后，流過(guò)油隙的電流出現(xiàn)了暫態(tài)過(guò)程，該過(guò)程隨溫度變化明顯；采用提出的離子運(yùn)動(dòng)模型可以解釋極性反轉(zhuǎn)電壓下變壓器油擊穿的規(guī)律；變壓器油的擊穿特性及其規(guī)律研究結(jié)果對(duì)于換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行具有重要的價(jià)值。