1、实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期不同磁场电极配置下脉冲电压的预击穿与击穿现象研究姚婧玥，张驰宇，张岂凡，张晓菁（中国核电工程有限公司，北京 100000）变压器在电力系统中起着至关重要的作用，国家大规模电网重视变压器的安全运行，而其安全运行主要取决于稳健的绝缘系统设计。在现代变压器中，绕组用纸包裹，并浸入矿物油或合成酯等变压器油中，可有效防止变压器击穿。击穿测试有助于了解测试油的绝缘能力，变压器在投入实际使用之前必须通过工厂测试，以证明其具有高绝缘能力，即有效地避免了经济损失并确保了安全。该测试是绝缘系统设计中分析击
2、穿特性的重要参考对象，其中流注的形状、传播速度、面积和停止长度等特性仍然具有深入研究的意义。在本文中，通过改变电极类型，即在脉冲电压下使用针-平面和环-平面模型来研究流注特性。1实验设计1.1实验电路整个电路由 3 个主要部分组成：脉冲发生器、高压分压器和纹影光学系统，如图 1 所示1。脉冲发生器使用高压固态晶体管开关，可以将电压从 5 V 直流电压转换为高达 45 kV 的高压。该电路使用 2 000 000 的 RC作为保护电阻，以保护直流电压源；使用 2 个 600 的电阻 Rs1和 Rs2，以保护固态晶体管开关免受并联电容器产生的高频振荡和噪声影响。通过对电路中电容和电阻的计算，使该电
3、路稳定生成标准脉冲波形 1.2/50 s 用于后续实验。纹影光学系统（Schlieren Optical System）被引入到实验电路中，可通过光学回路将实验单元中流注发展情况清晰地由 SIM16 相机记录并传输到计算机。SIM16 相机具有 1.2 s 的延迟以待实验单元的波形达到峰值，然后每 1 s 拍摄 16 张照片，可以准确捕捉流光传播和击穿现象。第一作者简介：姚婧玥（1996-），女，硕士，助理工程师。研究方向为高压击穿，技术经济。摘要：通过建立击穿实验平台，研究在合成酯油中环-平面间隙的预击穿与击穿现象和流注形状、长度、速度、击穿电压及起始位置，并与针-平面间隙进行比较。研究表明
4、，当环形电极具有较小的环形半径时，击穿电压几乎相同，但流注速度对施加的电压更敏感；通过引入场增强因子以解释具有场不均匀性的实验结果，实验证明场增强因子是决定击穿现象是否发生的重要指标之一。研究结果可用于变压器安全性设计及技术改进，为变压器油的击穿特性提出新的研究思路。关键词：变压器油；流注发展；击穿电压；场增强因子；Weibull 分布中图分类号：TM214文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）06-0057-06Abstract:The pre-breakdown and breakdown phenomenon of the ring-plane gap in the sy
5、nthetic ester oil，as well as thestreamer shape,length,velocity,breakdown voltage and initial position,were studied by establishing a breakdown experimentalplatform,and comparing with the needle-plane gap.The results show that when ring electrodes have smaller ring radius,thebreakdown voltage is almo
6、st the same but the streamer velocity is more sensitive to the applied voltage;field enhancement factoris introduced to explain the experimental results with field inhomogeneity.The experiment proves that the field enhancement factoris one of significant indicators to determine whether the breakdown
7、 phenomenon occurs.The research results can be used for thesafety design and technical improvement of transformers,and provide a new research idea for the breakdown characteristics oftransformer oil.Keywords:transformer oil;streamer propagation;breakdown voltage;field enhancement factor;Weibull dist
8、ributionDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.06.01357-2023年6期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application图1脉冲电压下击穿实验电路图1.2实验准备1.2.1电极实验电极分为针形与环形 2 种，材料采用化学性质较为稳定的钨，以用于高压击穿的稳定实验中。针对钨针尖端半径的不同要求，本文采用电化学动态蚀刻法。动态蚀刻的标准程序是反复将直线从电解液中提起。为了获得不同的尖端半径，改变浸入电解液中金属的次数，并在实际实验中调整数量。每次蚀刻导线时，IEC 608971987 绝缘液体的雷电冲击击穿电
9、压的测定方法 要求使用显微镜检查尖端半径2，并相应增加浸渍时间。本文采用 2.5 mol/L 氢氧化钾溶液和 15 V 直流电源组成电路，氢氧化钾为电解液，溶液中的直流电压为阴极，钨丝为阳极。显微镜拍摄了实验得到的钨针图像，如图 2 所示。（a）失败示例（b）曲率为20 m（c）曲率为40 m图2钨针蚀刻图像经实验验证，不同尖端半径的钨针蚀刻方法汇总见表 1。表1不同尖端半径的钨针蚀刻方法总结环形电极与针形电极不同，用半径为 20 m 的钨丝将环圈成圈，做成环形半径 2、4 和 6 mm 的钨环用于对比流注起始位置、击穿电压、长度和速度。游标卡尺将用于检测半径准确度，最大限度地减少误差。1.2
10、.2变压器油几十年来，变压器油都使用的是矿物油，为安全运行提供绝缘条件。现如今的研究集中在使用更环保和高效的酯油替代矿物油以保护生态环境，Midel7131 是一种结构相对稳定的合成酯油，已广泛用于工业3。实验中所用的 Midel9131 经过过滤、脱水和脱气，最大程度减少了杂质、湿度和气体的影响。过滤过程由孔径为0.2 m 的 Nalgene MF 75 尼龙膜过滤器在真空泵操作下进行4。过滤后，酯油使用氮气脱水 2 h，并在真空烘箱中脱气 0.5 h，确保油的湿度低于 5%。在此基础上，将根据 IEC 608971987 绝缘液体的雷电冲击击穿电压的测定方法2进行击穿测试。1.3实验方法为
11、了比较流注特性、流注发展和击穿电压，采用线半径为 20 m 及环半径为 2、4 和 6 mm 的钨环作为电极，与采用尖端半径为 20 m 和 10 m 的钨针作为电极，在脉冲电压下的击穿实验实验结果进行比较。实验单元中电极距离设置为 5 mm。脉冲电压采用升压法，施加的初始电压设置为预期击穿电压的 70%，随后以1 kV 的增量逐步增加。对于每种电极条件，应当至少有 20 个值以确保结果的可信度。尤其是环-平面电极相关的击穿电压参考较少，因此将使用大范围的电压等级来定位击穿电压电平。为了最大限度地减少冲击电压对油样的累积影响4，每次冲击之间需要至少 60 s 的间隔。通过比较流注的起始位置、发
12、展速度和击穿电线直径/m 尖端半径/m 直流电压/V 浸渍时间/s 次数 100 20 15 1 45 100 10 15 1 70 R脉冲发生器高压分压器纹影光学系统实验单元内置钳夹用于构造针-平面及环-平面电极配置示波器触发与分析系统电流分流器SIM16相机Rs1RfC1C2RtRs2DCRcABLEDCc10 m20 m58-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期表2不同起始位置的流注发生概率压，可以清楚地显示出尖端半径和环形电极的影响。2实验结果及分析2.1环-平面电极流注形状及长度本节将展示流注发展情况，并将击穿
13、电压拟合为概率曲线，以查看具有不同环半径的环形电极的 50%击穿电压。环-平面电极具有独特流注起始位置和形状特征，其形状不同于针-平面间隙中启动的拖缆形状：从钨环的侧点开始的流注，树形形状受中心电场的影响，中心区域具有更多的直枝。由于电应力的变化，流注远离平面电极的分枝扩展得更广。图 3 可以清楚地看到流注形状，其长度可以从摄像机拍摄的照片中获得，并总结于图 4。图3脉冲电压下典型的流注发展和击穿现象图4脉冲电压下流注长度与钨环电极半径的关系从图 4 可以得出流注长度与时间呈线性关系，其斜率表明改变环形电极的半径时流注发展没有太大的差异。多次实验证明，无论拍摄时间的开始和结束，拥有较大半径的环
14、形电极在任何时间点都具有较大的流注长度。由于 SIM16 相机存在一定误差，加之发生击穿现象时流注发展速度加快，所以开始和结束获取的照片有较大误差。因此，曲线忽略了开始和结束的流注情况从而使汇总的数据更具有参考价值。2.2环-平面电极流注起始位置图 5 展示了众多流注起始和击穿现象中相当特殊的情况：从环形电极引出 2 条流注，其引出位置几乎与环形中心线对称。这种情况是相对罕见的，大约在 200次击穿测试中发生 1 次。由于流注起始位置的多样性，证明对起始位置的分析也有重要参考价值，主要位置如图 6 所示。图5环-平面间隙流注发展的特殊情况图6环-平面间隙的流注不同起始位置表 2 总结了起始位置
15、，统计并计算了不同位置发生击穿的次数及概率。通过建立环-平面电极的三维模型从而获得电场分布，验证了流注起始位置的实验结果。起始位置 钨环半径 2?mm 钨环半径 4?mm 钨环半径 6?mm 中心线上方 60。0.143 0.30 0.300 环形电极最前端 0.343 0.35 0.275 中心线下方 60。0.371 0.30 0.250 随机位置 0.143 0.05 0.175 时间/s环半径 2 mm环半径 4 mm环半径 6 mm流注长度/mm765432103.53.02.52.01.51.04.059-2023年6期实验报告科技创新与应用Technology Innovatio
16、n and Application击穿电压/kV累计概率电极环半径2 mm的击穿概率威布尔拟合电极环半径4 mm的击穿概率威布尔拟合电极环半径6 mm的击穿概率威布尔拟合0.10.515105090909999.9494847464544434241403938373635343332313050如图 7 和表 3 所示，建模结果在环形电极到平面电极的最近点处具有最大电场。除此之外，当 达到30和90时，电场略有增加，导致流注起始位置分散；而实际实验结果与模拟结果不能完全吻合。在=60处出现流注的高概率不能匹配对应点的电场强度，这可能是由于直径为 0.4 mm 的钨丝的材料柔性导致的环形电极形状变形造成的。总体来说，仿真结果与实验结果基本吻合，但流注起始位置仍存在问题，需要研究和验证。图7钨环电极上的电场分布及电极示意图表3沿环形电极0至90的电场分布2.3环-平面电极击穿电压和流注速度流注速度和击穿电压也是研究预击穿及击穿现象的重要指标之一，其中 50%概率击穿电压是用于对比击穿现象的重要参数。每个电压等级均向电路施加 20个脉冲波形，以获得不同实验条件下的准确概率。表 4显示了施加
