極性反轉電壓下變壓器油的擊穿特性王永紅，魏新勞，朱寶森，陳慶國，聶洪巖（哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080）不同間隙和溫度下，對變壓器油隙進行了極性反轉電壓擊穿，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電流測量的影響。電流測量在低壓電極與屏蔽之間通過屏蔽電纜引出來獲得電壓升高采用階梯步進方式，步進量AV為5kV，圖中AV=匕-Vi.第一次施加到-Vi電壓時間為30s，每次極性反轉（圖中-Vi ~ Vi或V2~ - V2）時間t2為60s，同極性電壓升高（圖中Vi~V2）時間為5s.同一電壓持續(xù)時間L取i0min.樣品中擊穿電壓相對較高的5個樣品的電流作算術平均，平均電流變化曲線如所示。經(jīng)計算，6mm油隙的擊穿場強絕對值的平均值為8. 8mm油隙為沒有發(fā)生在極性反轉位置；隨油隙距離增大，擊穿電壓升高。計算的擊穿場強數(shù)值也出現(xiàn)了升高。

　　可以說明，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)的變化過程。

　　2.2不同溫度。對每個溫度點下的10個擊穿電壓值的分布情況如所示。取10個樣品中擊穿電壓相對較高的5個樣品的平均電流變化曲線如所示。

　　說明變壓器油擊穿場強與溫度相關，在40C以下時，隨溫度升高，擊穿場強升高；在40C以上時，隨溫度升高擊穿場強下降，在40C時出現(xiàn)了比較大值。由可見，擊穿電壓出現(xiàn)時刻的概率分布不同。低溫時擊穿電壓不出現(xiàn)在極性反轉位置，高溫時擊穿經(jīng)常在極性反轉位置；不論低溫還是高時間/min（c）60T下?lián)舸╇妷悍植紩r間/min（叩丈下方穿電壓分布，00>時間/min（e）100T下?lián)舸╇妷悍植疾煌瑴囟认碌钠骄娏饔煽梢姡诟鞣N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)的變化過程，這個過程的規(guī)律相差很大。低溫時電流由小到大緩慢變化，高溫時電流出現(xiàn)了過沖，電流由大到小變化。

　　3離子運動與擊穿規(guī)律的討論3.1液體電導的一般規(guī)律作為弱極性介質，變壓器油的電導一般為雜質（包括溶解的氣體、水分、酸或堿、有機鹽等）電導。

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

　　分子的熱振動能量服從波爾茲曼分布，離解和復合速度相等時，離解速率N（單位體積內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壘；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

　　液體中的離子在松弛時間內與鄰近的分子束縛在一起，在某一位置作振動，而另一段時間因碰撞得到較大的動能超出鄰近分子的束縛勢壘時，與相鄰的分子分開，遷移一個與分子尺寸可相比較的一段路徑后，再次被束縛。在無電場時，離子沿各方向遷移幾率相等，總體無離子電流。在電場作用下，沿電場方向運動的勢壘降低，沿電場反方向運動的勢壘上升，沿電場方向產生的過剩離子數(shù)為A nqSv /u0定向運動便產生了離子電流。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)計規(guī)律很好地解釋了穩(wěn)態(tài)下變壓器油電導電流隨溫度和場強等變化的關系。在開始施加電壓過程和極性反轉時的離子的運動情況，必須建立新的模型解釋。

　　3.2離子運動模型建立從離子電導一般規(guī)律可以看出，正負離子的產生是分子熱振動的結果，同時離子會復合成分子。在電場作用下，僅有一小部分過剩離子運動產生電導。由于離子的平均躍遷距離遠小于極板之間的距離，所以過剩離子中的一小部分正負離子能夠達到電極中和產生電極電流。

　　平衡（穩(wěn)定）狀態(tài)下，單位時間內離子數(shù)應該滿足熱離解離子數(shù)=復合離子數(shù)+中和離子數(shù)。

　　當?shù)忍柌怀闪r，便會出現(xiàn)變化（暫態(tài)）過程。

　　在單位時間內離子運動的平均距離為5，設電場間隙d為5的m倍，則暫態(tài)過程徹底完成需要m個單位時間。假設離子在所處的區(qū)域內均勻分布，則在第個單位時間，熱電離產生的濃度為的離子，沿電場方向產生的過剩離子為，這些過剩離子有5距離空間的離子能夠達到極板，間隙內剩余（d-5）距離空間的過剩離子。在第二個單位時間內，會有相同濃度（第一個單位時間內的過剩離子與總離子數(shù)相比較可以忽略）的離子產生，沿電場方向也產生的過剩離子A~和相同距離5的位移，但與第一個單位時間不同的是，第一個單位時間內剩余的過剩離子由于復合作用濃度下降到A%同時也完成了5距離的移動。如次累計，當單位時間數(shù)增加到定程度后，由于離子復合的作用，第一個單位時間離解的過剩離子已經(jīng)不存在了，離子運動進入穩(wěn)態(tài)過程。在整個間隙內，過剩離子的空間分布如所示。同時考慮存在正負極性離子時，過剩離子的空間分布如0所示，其中陰影部分為正負離子濃度差，即極板附近形成了反極性電荷的集聚。由此，引起的電場分布如1所示。

　　正負過剩離子運動規(guī)律的差異會導致電場分布空間非對稱性；電場強度變化會導致過剩離子運動發(fā)生改變，通過弱場區(qū)域離子運動速度減慢，通過強場區(qū)的運動速度加快，也會導致電場改變，所以實際電場分布與1會有所差異。

　　按照以上離子運動模型，極板電流及電場的分布與過剩離子的復合速度、離子運動速度（單位時間內離子運動的平均距離5）和極板間距有關。

　　其他條件不變時，隨溫度增加，過剩離子復合速度和運動速度都增加，電場畸變減弱；其他條件不變時，電場強度增大，過剩離子運動速度與復合速度增加，電場畸變減弱。

　　電壓升高使電場增加，離子運動速度加快，極板電流增加，電流和電場從種穩(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極板中和，運動速度快時中和速度快。實驗結果中便出現(xiàn)了低溫時電流持續(xù)上升，高溫時電流過沖現(xiàn)象。

　　同極性電壓升高會導致變化過程中比穩(wěn)態(tài)后電場畸變嚴重的情況。

　　3.3.2極性反轉過程電流與電場變化極性反轉時，電極極性變化導致離子做相反方向的運動。離子運動速度慢時，極性反轉前集聚的過剩電荷運動過程中會被復合，達不到新極板，極板電流不受影響；離子運動速度快時，反轉前集聚的過剩電荷會迅速到達新極板，電流迅速增加。實驗結果中低溫為離子運動速度慢的情況，高溫為運動速度快的情況。

　　極性反轉會造成極板附件電荷集聚由同極性到反極性的變化，極板附近電場由弱到強的轉變，轉變速度緩慢時集聚電荷對電場增加影響小，轉變速度快時受集聚電何影響大。

　　3.3.3極性反轉電壓下的擊穿規(guī)律般，擊穿電壓與電場畸變程度有關。電場畸變造成局部場強過高，引起局部放電或擊穿，比較后導致整體絕緣擊穿。

　　相同溫度和場強下，油間隙在一定范圍內變化不會影響電極附近離子濃度分布，場強畸變變化不大，所以在極性反轉電壓下，擊穿場強沒有出現(xiàn)隨油間隙增加而下降的“體積效應”現(xiàn)象。

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

　　在極性反轉過程中，高溫時離子運動速度快，受離子集聚影響，電極附近電場強度增大。所以，高溫時擊穿會常常發(fā)生在極性反轉過程中。

　　穩(wěn)態(tài)時，隨溫度增加，離子運動和復合速度加快，電場畸變減弱。所以低溫時更容易在穩(wěn)態(tài)擊穿。

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

　　4結論在極性反轉電壓下，擊穿場強隨油間隙沒有出現(xiàn)“體積效應”現(xiàn)象；變壓器油擊穿電壓與溫度相關，出現(xiàn)擊穿電壓由低到高，再由高到低的變化，在本實驗溫度點范圍內，40出現(xiàn)了擊穿場強的比較高值；在極性反轉后，流過油隙的電流出現(xiàn)了暫態(tài)過程，該過程隨溫度變化明顯；采用提出的離子運動模型可以解釋極性反轉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)律研究結果對于換流變壓器絕緣結構設計及安全運行具有重要的價值。