添加剂对变压器油击穿特性和流注放电特性的影响

苏敬芳，张艳敏，王志勇，郝巧红

（河北水利电力学院，河北 沧州 061001）

0 引言

矿物变压器油作为全世界电力变压器中使用最广泛的液体电介质之一，在保持绝缘系统的绝缘性能和冷却性能中发挥着重要作用[1-2]。一般将液体中的放电过程称为流注放电。对于冲击电压下的流注，流注放电具有明显的极性效应，根据施加电压极性的不同，将流注分为正极性流注（简称正流注）和负极性流注（简称负流注）。在流注发展过程中，正流注发展速度更快，击穿电压更低，相比负流注更危险[3]。因此，国内外学者对正流注开展了大量试验，研究其发展特性。根据流注发展速度的差异，将正流注分为初级模式、二级模式、三级模式和四级模式。其中，二级模式流注直接影响击穿电压，对变压器绝缘的性能尤为重要。

近年来，随着电力系统电压等级和输送容量的不断提高，大容量、高电压变压器对绝缘强度提出了更高要求[4]。因此，有必要寻找提高变压器油绝缘强度的有效途径，这对于电力系统的安全稳定运行具有重要的实际意义。

国外研究发现，有些添加剂能明显改变单一成分液体中流注的发展过程，进而影响液体电介质的击穿电压[5-8]。在环己烷等纯净液体电介质中添加具有较低电离势的添加剂（比如四钛-二甲氨基-乙烯TDAE等）后，正流注更容易起始，发展速度更快，相比纯净液体电介质的击穿电压更低[5]。而加入电子捕捉剂三氯乙烯（TCE）后，正流注击穿电压能得到一定的提高[6]。也有研究表明，在正烷烃中加入低电离势的添加剂，会抑制流注的发展，击穿电压得到提高[7]。由此可见，添加剂对绝缘液体的作用效果不仅与添加剂有关，还与液体电介质本身特性有着密切的关系。然而，目前添加剂的改性研究大多以单一液体为研究对象。相比单一液体，我国常用的矿物变压器油组成复杂，其由环烷烃（占70%）、链烷烃和芳香烃等物质组成[9]，而目前添加剂对变压器油的影响规律尚不清晰。因此，有必要开展添加剂对变压器油击穿特性和流注放电特性影响的研究，探索提高变压器油绝缘性能的途径。

本研究选择具有低电离势特性的四甲基苯二胺和具有电子捕捉特性的全氟正己烷作为添加剂，制备了含有不同浓度添加剂的变压器油，分析不同浓度添加剂对变压器油雷电冲击击穿电压的影响，测试变压器油中流注放电形态、长度和速度，进一步分析添加剂对击穿特性的影响机理。

1 试验

1.1 油样制备

采用昆仑KI25X型变压器油作为添加剂流体基液。首先过滤得到纯净变压器油，然后对其进行干燥除气处理。添加剂选取不同特性的两种添加剂，分别是具有低电离势的四甲基苯二胺（tetramethyl-pphenylenediamine，TMPD）和具有电子捕捉能力的全氟正己烷（perfluoro-n-hexane，PH），体积浓度分别为0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mol/L。为了方便表述，添加TMPD的变压器油简称为1号油，添加PH的变压器油简称为2号油。

1.2 试验方法

1.2.1 雷电冲击击穿电压试验方法

根据GB/T 21222—2007中的雷电冲击击穿电压测试方法，对油样施加波形为1.2/50 μs的标准正极性雷电冲击脉冲。试验采用针-球电极，采用逐级试验法进行测试，取待测油样6次击穿电压的平均值作为该试样的击穿电压。

1.2.2 流注拍摄方法

流注拍摄平台由流注拍摄装置和数据采集装置两个部分组成。试验腔体采用聚四氟乙烯材料，前后两面采用光学玻璃，电极结构采用针-球（间距35 mm）结构。流注拍摄平台是基于阴影法的拍摄平台，由激光器、激光扩束镜、凸透镜、试验腔体和高速相机（PI-max 3）组成，如图1所示。激光器采用600 MW功率、532 nm波长的半导体激光器。激光器发出的激光经扩束镜和凸透镜后，成为均匀且平行的圆形光束。平行光穿过测量区域，再经聚焦镜到达高速相机[10]。在雷电冲击脉冲波产生的同时，利用高速触发电路触发高速相机捕捉图像，相机曝光时间为100 ns。触发电路由电压跟随电路和电压比较电路组成，冲击电压经分压器后输出的电压作为输入信号。

图1 流注拍摄系统示意图Fig.1 Schematic of streamer photograph system

2 试验结果及分析

2.1 雷电冲击击穿特性

2.1.1 低电离势添加剂对变压器油击穿电压的影响

添加了低电离势TMPD变压器油的雷电冲击击穿电压如表1所示。从表1可以看出，随着TMPD浓度的升高，击穿电压先降低后升高。在TMPD浓度较小时，击穿电压出现了少许的下降，在TMPD浓度为0.10 mol/L时，击穿电压最低，相比纯变压器油下降了6.3%。在TMPD浓度为2.00 mol/L时，击穿电压提高幅度最大，相比纯变压器油提高了14.8%。从上述结果可以看出，添加适量的TMPD可以提高变压器油的击穿电压。

表1 1号油的雷电冲击击穿电压测试结果Tab.1 Results of lightning impulse breakdown voltage for 1#transformer oils

当提高TMPD浓度时，1号油的击穿时间也呈现先减少后增加的趋势，与击穿电压变化趋势一致，如表 2所示。在TMPD浓度为0.10 mol/L时，击穿时间最短，相比纯变压器油减少了9.1%。当TMPD浓度为2.00 mol/L时，击穿时间相比纯变压器油增加了27.8%。

表2 1号油的击穿时间测试结果Tab.2 Results of time to breakdown for 1#transformer oils

2.1.2 电子捕捉剂对变压器油击穿电压的影响

添加了电子捕捉剂PH的变压器油雷电冲击击穿电压如表3所示。从表3可以看出，与TMPD对变压器油击穿电压的影响作用不同，添加PH后，击穿电压随添加剂浓度的增加而迅速升高。当PH浓度为0.20 mol/L时，2号油的击穿电压达到84.52 kV，相比变压器油提高了18.1%，明显高于1号油的击穿电压。进一步提高添加剂浓度后，2号油的击穿电压增长趋于平缓，在PH浓度为2.00 mol/L时，击穿电压达到最大值，相比变压器油提高了23.6%。

表3 2号油的雷电冲击击穿电压测试结果Tab.3 Results of lightning impulse breakdown voltage for 2#transformer oils

表4为2号油的击穿时间随添加剂PH浓度的变化规律。从表4可以看出，与击穿电压的变化趋势相似，击穿时间随PH浓度的增加而增加。在PH浓度为2.00 mol/L时，击穿时间提高幅度也达到最大值45.8%。可见添加PH显著延长了变压器油的击穿时间。

表4 2号油的击穿时间测试结果Tab.4 Results of time to breakdown for 2#transformer oils

2.2 流注放电特性

变压器油的击穿电压和击穿时间与流注放电过程密切相关。为了进一步研究添加剂对变压器油击穿性能的影响机理，选取对击穿电压提升效果较好浓度（两种添加剂的浓度均选1.00 mol/L）的油样作为待测油样，拍摄了3种油样中的流注放电过程。

图2～4分别为流注在不同时刻的图像。从图2可以看出，当流注放电出现时，针尖周围电场强度较大，超过变压器油的电离能后引起电离，向四周产生较多的放电分支，3种油样中流注都呈现团簇形态。

图2 3种油样流注放电形态（t=0.5 μs）Fig.2 Streamer shapes of three types of oils(t=0.5 μs)

图3 3种油样流注放电形态（t=10 μs）Fig.3 Streamer shapes of three types of oils(t=10 μs)

图4 3种油样流注放电形态（t=20 μs）Fig.4 Streamer shapes of three types of oils(t=20 μs)

从图3～4可以看出，随着流注放电的发展，3种油中流注形态出现差异。在变压器油中，有些流注分支停止了发展，分支慢慢消失，使得分支数量减少，仅剩3～4条较细的主放电分支，且主分支上旁支较少。在电场作用下，流注通道径直向地电极发展。对于添加低电离势TMPD的1号油，流注主通道上产生许多旁支，流注通道较粗，长度较短。对于添加电子捕捉剂PH的2号油，流注分支减少，仅剩1～2条主分支，且流注长度明显变短。

流注发展长度随时间的变化如图5所示。从图5可以看出，3种油样中的流注长度随时间逐渐增大，在放电后期趋于稳定。在放电初期，1号油中的流注发展较快。随着流注的发展，1号油中的流注发展速度减慢，流注长度小于变压器油中的流注长度。2号油中的流注发展长度始终最短。根据流注长度随时间变化曲线的斜率可计算流注的速度，得出变压器油流注的最大速度为1.34 km/s，与文献中二级模式流注速度相近[11-12]。而1号油和2号油中的流注最大速度分别为0.92 km/s和0.83 km/s，相比纯变压器油下降了31.3%和38.1%。

图5 流注发展长度随时间的变化Fig.5 Streamer lengths versus propagation time in three types of oils

3 添加剂对击穿电压的影响机理分析

在冲击电压作用下，变压器油的击穿性能是由变压器油中流注放电过程决定的[1,11]。由于物理、化学特性的差异，液体电介质的放电过程与气体和固体的放电过程不同，且更为复杂[3,13]。传统液体电介质击穿理论可分为小桥放电理论与流注放电理论。而在冲击电压下，液体电介质中的气泡或杂质不能在短时间内形成小桥，小桥理论不适用，所以常用流注理论进行解释[14-15]。对于正极性流注来说，流注起始的最小场强约为108V/m。当局部场强大于流注最小起始场强时，流注开始发展[13-14]。流注发展过程中，流注前端不断电离产生新的电子和正离子。在电场作用下，电子快速运动，与液体分子碰撞进一步电离产生新的电荷，促进流注的发展。

变压器油中的电离物质以芳香分子为主，可近似以芳香烃的电离势（7.8 eV）作为变压器油的电离势[16-17]。对于具有低电离势的TMPD，其电离能为6.75 eV，小于变压器油分子的电离能。因此在高场强下，TMPD更容易电离产生电子，导致油中自由电子更多。当TMPD添加浓度较低时，更多的电子促进了电离过程，使得流注发展更快，导致击穿电压下降；但当TMPD浓度增大到一定程度时，增强的电离导致流注产生更多的分支和旁支，如图3和4所示。由于流注多分支之间的电场屏蔽作用，流注前端电场被削弱。而且，流注分支分布更均匀，减少了对电场的畸变，从而抑制了流注的进一步发展。因此，流注形态表现为长度先快速增大，之后增长缓慢的变化趋势。与变压器油中流注相比，1号油中流注的最大截止长度及速度明显降低，说明TMPD抑制了流注的发展。因此，添加TMPD后，提高了变压器油的雷电冲击击穿电压及击穿时间。

对于具有电子捕捉能力的PH，其电子吸附能力较强，将快速运动的电子转变为速度较慢的负离子[5,18]。变压器油中自由电子减少，抑制了电离过程，不利于流注的进一步发展。因此，电子捕获剂PH降低了流注发展速度，减小了流注发展长度，提高了击穿电压。

4 结论

（1）添加具有低电离势的TMPD后，变压器油的击穿电压和击穿时间随浓度增大先减少后增加。当TMPD浓度超过0.50 mol/L时，其击穿电压超过纯变压器油的击穿电压。与纯变压器油相比，添加TMPD的变压器油击穿电压提高率可达14.8%。

（2）添加具有电子捕捉能力的PH后，变压器油的击穿电压和击穿时间随浓度增大逐渐增加。与纯变压器油相比，其击穿电压提高率可达23.6%。

（3）加入添加剂后，变压器油中流注发展特性发生了改变。由于TMPD具有较低的电离势，更容易被电离，因此流注主通道更多、分支更多、更密集，分支间的屏蔽作用抑制了流注的发展，流注发展速度变慢，长度变短，从而提高了击穿电压。而PH可以捕捉电子，减少了变压器油中的自由电子，抑制了流注的发展，使得流注长度变短，从而显著提高了击穿电压。