油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响

黄 蕊

（大庆石化建设有限公司电气分公司，黑龙江大庆 163700）

0 引言

电力变压器是输电线路中最关键的设备之一，它的安全性和可靠性直接关系到电网的整体可靠性。在高压油流和温差换热条件下，变压器内的绝缘油一直是流体，并伴随着油路中的流体流动，含有泡沫的变压器油在流体中的失效机制并不明确。在大容量的变压器中，其绝缘油质量直接关系到整体的绝缘效果。由于变压器油中含有大量的泡沫，使得其绝缘性能大为降低。悬浮泡是变压器油的一种典型的绝缘缺陷，它具有较弱的介电性能和较高的内电强度，极易引发PD（Partial Discharge，局部放电），从而使变压器油劣化，甚至造成变压器油的损坏、导致变压器失效。

针对这一问题，建立了一套用于测量各种流量下的汽化变压器油层的汽蚀试验，并依据汽蚀过程中汽泡性能的差别进行了试验研究。本文主要介绍泡沫式变压器油在油液中的流动速率对其破坏机理。

1 含气泡流动变压器油的典型击穿过程

本文首次对含有泡沫的变压器油在流态下进行了工频冲击试验，设定油流速率0.12 m/s，油温60 ℃。大量试验研究发现，绝缘体的失效与泡沫的特性有很大的相关性，其破坏与其工作频率的正负半周值有着紧密联系，在前打孔过程中，泡沫没有从上部电极分离，也没有断裂；在工频正半周出现一种工作频率正半周的故障。在50 个试验中，正、负半周的破裂约为50%，而在负半周的情况下，I 型工频的发生概率比负半周高出1 倍。

1.1 在工频负半周的击穿过程

以变压器油中穿线电弧出现的瞬间为零点参考时间，在-2.007 ms 内，汽泡迅速扩张，并逐步出现不规则的“尖端”；-1.627 ms 内，汽泡“尖端”数目显著增加，而当汽泡“尖端”出现-0.747 ms 时，汽泡从上部极板处弹出，这时汽泡破碎并产生大量细小的汽泡；泡团从上往下逐步接近，在与下层的泡沫层发生碰撞时会产生非常强烈的电弧，从而使整体空隙快速破裂。在击穿过程中，由于高压变压器油的溶解而产生了一个显著的气体流路，之后在这一过程中连续出现了大量的断续放电，同时还出现气体通道的扩张和缩小。

空穴引起的PD 在-2.10 ms 内开始于零点出现，此时相应的相为270°。零点以后，脉冲放电信号出现断断续续的强烈振动，并在20 ms 内出现断续的脉冲输出。

1.2 在工频正半周的击穿过程

虽然两个周期的正半周时都存在气泡，但是在正半周时它的工作特性和负半周时的有很大差异。

在预击破阶段，气泡的扩张速度从-0.480 ms 起加快，“尖端”在-0.150 ms 内显现，-0.004 ms 时，由高速摄影机拍摄到的分支和纤丝流，一种是暗流、另一种是光流（因为试验条件所限，没有能捕获到枝状流和纤丝状流）。国内和国外已有的一些文献显示，在正闪电作用下，枝状流比长丝流更快地发展，也就是说，亮流是在暗流发展到某一时期以后形成的。在零点处，极板上的电压快速下降至约0 kV，说明该电极之间的放电通路导电性能较好，在击穿时间的外部施加的电压为92°，在击穿之前0.520 ms出现一次正PD。在0～20 ms 内，外施电压发生较大幅的振动，相应的放电讯号也较强，且外施加的放电讯号与输出讯号有明显的同步特性。

2 含气泡流动变压器油的击穿机理

带泡沫的变压器油工作频率正半周时和负半周时的不同，通常在正半周时没有明显的气相沟槽。在泡体中，PD 产生了轻微的充气，并且在底部形成一个细小的“尖端”，它的起泡和II级工作频率的负半周现象相似。但是，由于在“尖端”处聚集了大量的正电荷，其局部的电场强度增大，PD 出现后气泡与极板等电位，这时具有“尖端”的气泡就相当于一个固定在顶板上的针形电极，在变压器油中形成一个分支，将泡沫和下部的电荷相连，最后造成了整体的破裂。

在正弦周期的负半周中，可以观察到在预击破阶段出现的微小泡团或“尖端”，并在接近底板时逐渐扩展；而在正半周时，在预击破过程中，泡沫的扩张与发展没有显著性，而在高压下则产生了一种类似于分枝的流动。其差别在很大程度上是由于在PD 出现后，泡腔中的空间电荷会向外移动。在工作频率的负半周，PD 出现后，由于高能电子的向下移动，使得CH 破裂形成新的微小泡泡，从而形成“尖端”。在工作频率的正半周时，当PD 出现后，高能电子就会朝金属极片方向移动；由于新的自由电子的生成，使得正负离子在气泡底部的移动，局部电场发生了较大畸变，引起电力系统中的枝条流动，造成电力系统的故障。

3 油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响

3.1 油流速度对击穿电压的影响

在各种流量条件下，含有泡沫的变压器油在流动时其工作频率的击破电压总是高于静态的，并且随油流速率的增加而增加；但在击破后，其击穿电流明显增加，随后趋于平稳。

3.2 油流速度对击穿过程的影响

在不同的流动速度条件下，泡沫在预击穿过程中表现出显著的差别：在静态状态下，泡沫破碎所产生的微小气泡群垂直地向下移动，并且在接近临界点之前，泡沫团几乎与上极片相连通；然后在两个电极之间产生了一道明亮的弧线，整个过程进行了2.060 ms。在低流速（0.12 m/s）情况下，通常含有泡沫的变压器油的击穿，在离开电极之前，泡沫沿斜面伸展为一个椭圆形状，并且泡沫顶端的发展也发生了变化，而由泡沫破碎而产生的微气泡组也呈现出倾斜的形态，这一点与在静态的微气泡组的布置存在显著差异。在高流速（0.24 m/s）情况下，典型的打孔工艺是，在-21.93 ms 内汽泡的膨胀速度加快，-20.99 ms 时与上部极板分离，在下极片移动期间汽泡破碎，在-11.04 ms 内汽泡群移动至下部电极，但该阶段没有生成电弧。也就是说，在-0.006 ms内，这些微小的泡沫团再次垂直地分布，然后形成贯穿两个极点的电弧。

4 油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响分析

由于含有泡沫的变压器油的破裂是随机的，因此在同样的试验情况下，其破裂图像和放电的特征也不尽一致。

图1 是I 型工频负半周在高流量（大于0.24 m/s）下的击穿工艺，可以分成5 个阶段。在破裂之前，油管中的气泡沿斜向方向伸展椭圆，在第1 个阶段出现了PD，在此过程中，泡体从上部极板分离出来、在下部产生顶端，然后在第3 个阶段内气泡破裂，并在形状上形成类似于斜面形状的微小泡沫团。与第一种类型的破裂相比，在这种情况下泡体处于倾角的位置，很难造成空穴的穿透，而在空腔中，随着电场的作用力，泡团中的负电荷会发生两个泡团；由于载着负电荷团向下部板移动时（第4 个阶段），所以没有引发放电。在工作频率循环的1/2 之后，两个泡泡的极性反向，同时对两个泡泡的电场作用力也会反向（第5 个阶段）；两个泡团之间的距离越来越近，产生了较大的电场失真，从而引起了油间隙的破裂。在预击破过程中，从PD 开始直至出现破裂，大约需要20 ms。由于高流量，泡沫破碎后泡沫的排列分布比较分散，从而减少击穿的可能性，使得到达击穿状态的周期变得更大。此外，还有这样的情形：步骤5 中的泡泡不能引发电弧的生成，从而不能出现打孔。在高流量条件下，产生I 型破坏所需要的外部施加的压力也随之增加。

图1 高流速下Ⅰ类工频负半周击穿过程示意

图2 是高流量下II 级工作频率的负半周破裂工艺，其与图1 中低流率II 型的击穿工艺的最大不同点是：图2 中的泡沫形状是倾斜的，并且泡“尖端”的增长也是倾斜的，这相当于增加了两个极片之间的间距，从而使II 型工作频率的负半周的击破电压随着流量的增加而增加。

除了上述破坏作用之外，油液中的泡沫引起的PD 强度，明显受到油液中气泡诱导PD 强度的影响。这表明，在不同流量条件下，泡孔中PD 强度对击破电压有一定作用，这与理论分析结果相符。所以，在预击破过程中，油流速率会对泡孔PD 产生较大作用，从而对冲击电压产生一定的作用。

除了改变PD 强烈度和打孔工艺等因素，油流量速率也会对空穴在油路中的穿越产生一定变化。静态条件下，两个电极间总是有一个空泡，流动速度较大、空泡穿过通道的速度较快，减少了出现故障的可能性。

5 结论

通过计算不同的油流速率得出不同的油流速率对汽蚀电流的破坏机理，得出了不同的结论：

（1）在工作频率为负半圆时，在由气或气相液相构成的混合流路中出现打孔，在工作频率正半周时液体相出现了打孔。

（2）在静态条件下其击穿电压是最小的，而当流速增加时击穿电压先升高、然后趋于平稳。

（3）在预击破过程中，由于气泡的排布、气泡尖端的发展趋势和气泡PD 的强弱变化，导致油流速率的变化。