变压器油击穿过程光谱及电压分析

刘学

摘 要：本文以变压器油为样本，自行研制了一款液体击穿装置;尝试对针-针电极间隙变压器油实施了放电测试，观察变压器油放电期间带电粒子的分布情况与变化。记录各种条件下產生的击穿电压，总结基本规律，旨在利用液体介质自身的绝缘特性，对脉冲功率设备进行优化设计。

关键词：变压器油;击穿过程;光谱分析;电压分析

作为一种典型的绝缘油，变压器油绝缘性的好坏非常关键。击穿电压，可作为变压器油电气性能优劣的评价指标，判断变压器油的水含量，其他悬浮物对其造成的污染程度等。同时，我们还可检验变压器油在注入到设备之前的干燥以及过滤情况。显然，击穿电压指标反应出了变压器油自身的绝缘性能。

一、光声光谱检测原理

光声光谱检测原理PAS（Photo Acoustic Spectroscopy），在密闭光声池中装入待测气体，并将一束单色光源投射到这种气体表面，让光能充分地吸收进去，转变为热能，最后完成退激。热能释放，能够让气体出现周期性加热，促使介质出现周期性压力波动。该种压力波动，利用微音拾音器或是压电陶瓷传声器也能够直接地检测出来。经放大后，可以获取光声信号。不同气体均有各自的红外光谱（吸收光谱），结合该种特性，我们可以选择单色光波长来完成照射，测定出波长长度上不同的光声信号图谱，计算出待测气体实际的分子浓度。

二、实验设计

系统大致是由脉冲电源、电极、暗室以及电荷耦合器件等基本的设备来组成。本次实验，我们将玻璃容器放入到暗室中。

实验期间，温度最好控制在22～26℃;选择逐步升压法，电压单次上升2 kV，标注和统计好击穿时肉眼看到的峰值电压。结束后，及时地搅动待测的变压器油，平放2min;再次实验，循环5次，将5次击穿所得平均值视为最终的实验结果。

三、实验结果分析

（一）谱线分析

对针-针电极间隙45号变压器油开展本次放电实验。45号变压器油，掺入碳、氢这2种不一样的元素。本次试验，我们能看到光谱线数。在波长大约400～700nm的位置，氢可以看得见4条谱线。按照从大到小的顺序，依次写作Hα、Hβ、Hγ、Hδ。

中心波长650 nm开始实验，656nm周边的特征谱线非常突出，多次实验得知有较好的一致性。在间隙5mm和负直流电压50.4kV这种条件下，我们采集来的光谱图上656nm波长谱线峰值十分地强烈。相比于氢谱线，此处的656.272 nm波长也是有很大的相似点，即Hα谱线。656.424nm峰值上释放出来的光强，显著多于其他波长。提示该类跃迁上的氢量相对偏多，电离中该部分粒子有明显反应。

（二）放电照片

利用本实验系统，我们已经得到变压器油对应的放电照。未加电压情况下，同样也看到一张针-针电极照。曝光大约5ms，增益接近于150。

如果间隙始终都是1mm，ICCD获取的放电图像（负极性脉冲假设停留于1mm，则这里的击穿电压肯定不会小于60kV，实验人员用仪器很难采集客观、可靠的放电图像）。1 mm间隙实在过短，未见放电通道。从击穿强度来看，脉冲加压显著地要比直流下更小。

究其根源：针-针电极间建立的电场属于极不均匀场，此时电子崩不容易向周围空间发展，电极间隙相对偏小，放电通道在没有分叉的情况下就被击穿。

根据10mm正直流电压下得到的照片：（a）击穿前某个时间点上，油液面看得见一些气泡。（b）击穿前照片。（c）击穿后首照，下方针电极同样也看得见气泡，并且不断地往上沿运动。根源：被击穿前，电子实际上是定向运动的，电流不大，变压器油并未完全汽化，气泡多出现于液面。击穿瞬间，释放大量热能，焦耳热完全可以对针变压器油进行汽化，变成肉眼看得见的气泡。

1mm正脉冲电压下摄取的照片可知：（a）击穿前某个点上的图像，（b）击穿后首张照片。不管击穿前、后均未见任何的气泡。究其根源：纳秒脉冲上升所需时间偏短，无法马上产生气泡。此时，变压器油间隙早已被击穿，提示纳秒脉冲下液体下的放电研究更符合液体的本征特性。

（三）变压器油的击穿电压

除了得到击穿光谱外，我们也统计了各个电压极性、间隙距离以及曲率半径条件下产生的击穿电压。半径针电极下，施加某个电压后，变压器油在不同间隙下均可产生相应的击穿电压，如下表。

上表记录了变压器油相对的击穿电压。从中看出：如果设置不一样的间隙，负极性不论何时均会高于之前的正极性击穿电压，最终的极性效应也很突出。若我们将正极性电压直接和针电极外进行连接，电子运速超快，正电荷则相对缓慢，针尖周围堆积的正电荷无疑降低了针电极外围的电场，使前方电场有所增强。此时，针电极可能会产生流注，并向前方开始推进。当电压极性为正，变压器油自身的击穿场强相对偏低。如果针电极外此时有负极性电压接入，正电荷运速相对缓慢，堆积于针电极外。这时候，针电极之前的电场会有所强化，而相对的前方电场（若有正极性电压顺利地介入，那么空间电荷必定会带来不一样的结局）会受损和被削弱，放电流注很难往前推进。此时，负极性电压条件下变压器油容易产生大的击穿电压。

四、结语

变压器能否顺畅运行，我们利用油色谱分析法，观察油色波动状况就能够分辨出来。实际上，这也是变压器运行阶段中运用普遍的监测法。不过，放电光谱采集实验尚未具备充分、完好的条件。为了客观分析和判断变压器油放电情况下不同粒子的状态及其温度规律等，我们有必要对实验系统作出改良，采集可见光波段对应的特征光谱信息，用于实验分析。

参考文献：

[1]王海瑞.浅析大型变压器油色谱分析及故障判断[J].电源技术应用，2013（05）：158.

[2]吉亚民.大型变压器状态评估及故障诊断技术研究[D].华北电力大学，2012.