不同磁場電極配置下脈沖電壓的預擊穿與擊穿現象研究

姚婧玥，張馳宇，張豈凡，張曉菁

（中國核電工程有限公司，北京 100000）

變壓器在電力系統中起著至關重要的作用，國家大規模電網重視變壓器的安全運行，而其安全運行主要取決于穩健的絕緣系統設計。在現代變壓器中，繞組用紙包裹，并浸入礦物油或合成酯等變壓器油中，可有效防止變壓器擊穿。擊穿測試有助于了解測試油的絕緣能力，變壓器在投入實際使用之前必須通過工廠測試，以證明其具有高絕緣能力，即有效地避免了經濟損失并確保了安全。該測試是絕緣系統設計中分析擊穿特性的重要參考對象，其中流注的形狀、傳播速度、面積和停止長度等特性仍然具有深入研究的意義。在本文中，通過改變電極類型，即在脈沖電壓下使用針-平面和環-平面模型來研究流注特性。

1 實驗設計

1.1 實驗電路

整個電路由3個主要部分組成：脈沖發生器、高壓分壓器和紋影光學系統，如圖1所示[1]。

圖1 脈沖電壓下擊穿實驗電路圖

脈沖發生器使用高壓固態晶體管開關，可以將電壓從5 V直流電壓轉換為高達45 kV的高壓。該電路使用2 000 000Ω的RC作為保護電阻，以保護直流電壓源；使用2個600Ω的電阻Rs1和Rs2，以保護固態晶體管開關免受并聯電容器產生的高頻振蕩和噪聲影響。通過對電路中電容和電阻的計算，使該電路穩定生成標準脈沖波形1.2/50μs用于后續實驗。

紋影光學系統（Schlieren Optical System）被引入到實驗電路中，可通過光學回路將實驗單元中流注發展情況清晰地由SIM16相機記錄并傳輸到計算機。SIM16相機具有1.2μs的延遲以待實驗單元的波形達到峰值，然后每1μs拍攝16張照片，可以準確捕捉流光傳播和擊穿現象。

1.2 實驗準備

1.2.1 電極

動態蝕刻的標準程序是反復將直線從電解液中提起。為了獲得不同的尖端半徑，改變浸入電解液中金屬的次數，并在實際實驗中調整數量。每次蝕刻導線時，IEC 60897—1987《絕緣液體的雷電沖擊擊穿電壓的測定方法》要求使用顯微鏡檢查尖端半徑[2]，并相應增加浸漬時間。本文采用2.5 mol/L氫氧化鉀溶液和15 V直流電源組成電路，氫氧化鉀為電解液，溶液中的直流電壓為陰極，鎢絲為陽極。顯微鏡拍攝了實驗得到的鎢針圖像，如圖2所示。

圖2 鎢針蝕刻圖像

經實驗驗證，不同尖端半徑的鎢針蝕刻方法匯總見表1。

表1 不同尖端半徑的鎢針蝕刻方法總結

環形電極與針形電極不同，用半徑為20μm的鎢絲將環圈成圈，做成環形半徑2、4和6 mm的鎢環用于對比流注起始位置、擊穿電壓、長度和速度。游標卡尺將用于檢測半徑準確度，最大限度地減少誤差。

1.2.2 變壓器油

幾十年來，變壓器油都使用的是礦物油，為安全運行提供絕緣條件?，F如今的研究集中在使用更環保和高效的酯油替代礦物油以保護生態環境，Midel7131是一種結構相對穩定的合成酯油，已廣泛用于工業[3]。實驗中所用的Midel9131經過過濾、脫水和脫氣，最大程度減少了雜質、濕度和氣體的影響。過濾過程由孔徑為0.2μm的NalgeneMF 75尼龍膜過濾器在真空泵操作下進行[4]。過濾后，酯油使用氮氣脫水2 h，并在真空烘箱中脫氣0.5 h，確保油的濕度低于5%。在此基礎上，將根據IEC 60897—1987《絕緣液體的雷電沖擊擊穿電壓的測定方法》[2]進行擊穿測試。

1.3 實驗方法

為了比較流注特性、流注發展和擊穿電壓，采用線半徑為20μm及環半徑為2、4和6 mm的鎢環作為電極，與采用尖端半徑為20μm和10μm的鎢針作為電極，在脈沖電壓下的擊穿實驗實驗結果進行比較。實驗單元中電極距離設置為5 mm。脈沖電壓采用升壓法，施加的初始電壓設置為預期擊穿電壓的70%，隨后以1 kV的增量逐步增加。對于每種電極條件，應當至少有20個值以確保結果的可信度。尤其是環-平面電極相關的擊穿電壓參考較少，因此將使用大范圍的電壓等級來定位擊穿電壓電平。為了最大限度地減少沖擊電壓對油樣的累積影響[4]，每次沖擊之間需要至少60 s的間隔。通過比較流注的起始位置、發展速度和擊穿電壓，可以清楚地顯示出尖端半徑和環形電極的影響。

2 實驗結果及分析

2.1 環-平面電極流注形狀及長度

本節將展示流注發展情況，并將擊穿電壓擬合為概率曲線，以查看具有不同環半徑的環形電極的50%擊穿電壓。環-平面電極具有獨特流注起始位置和形狀特征，其形狀不同于針-平面間隙中啟動的拖纜形狀：從鎢環的側點開始的流注，樹形形狀受中心電場的影響，中心區域具有更多的直枝。由于電應力的變化，流注遠離平面電極的分枝擴展得更廣。圖3可以清楚地看到流注形狀，其長度可以從攝像機拍攝的照片中獲得，并總結于圖4。

圖3 脈沖電壓下典型的流注發展和擊穿現象

圖4 脈沖電壓下流注長度與鎢環電極半徑的關系

從圖4可以得出流注長度與時間呈線性關系，其斜率表明改變環形電極的半徑時流注發展沒有太大的差異。多次實驗證明，無論拍攝時間的開始和結束，擁有較大半徑的環形電極在任何時間點都具有較大的流注長度。由于SIM16相機存在一定誤差，加之發生擊穿現象時流注發展速度加快，所以開始和結束獲取的照片有較大誤差。因此，曲線忽略了開始和結束的流注情況從而使匯總的數據更具有參考價值。

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2.2 環-平面電極流注起始位置

圖5展示了眾多流注起始和擊穿現象中相當特殊的情況：從環形電極引出2條流注，其引出位置幾乎與環形中心線對稱。這種情況是相對罕見的，大約在200次擊穿測試中發生1次。

圖5 環-平面間隙流注發展的特殊情況

由于流注起始位置的多樣性，證明對起始位置的分析也有重要參考價值，主要位置如圖6所示。

圖6 環-平面間隙的流注不同起始位置

表2總結了起始位置，統計并計算了不同位置發生擊穿的次數及概率。通過建立環-平面電極的三維模型從而獲得電場分布，驗證了流注起始位置的實驗結果。

表2 不同起始位置的流注發生概率

如圖7和表3所示，建模結果在環形電極到平面電極的最近點處具有最大電場。除此之外，當θ達到30°和90°時，電場略有增加，導致流注起始位置分散；而實際實驗結果與模擬結果不能完全吻合。在θ=60°處出現流注的高概率不能匹配對應點的電場強度，這可能是由于直徑為0.4 mm的鎢絲的材料柔性導致的環形電極形狀變形造成的?？傮w來說，仿真結果與實驗結果基本吻合，但流注起始位置仍存在問題，需要研究和驗證。

圖7 鎢環電極上的電場分布及電極示意圖

表3 沿環形電極0°至90°的電場分布

2.3 環-平面電極擊穿電壓和流注速度

流注速度和擊穿電壓也是研究預擊穿及擊穿現象的重要指標之一，其中50%概率擊穿電壓是用于對比擊穿現象的重要參數。每個電壓等級均向電路施加20個脈沖波形，以獲得不同實驗條件下的準確概率。表4顯示了施加電壓以1 kV為間隔，從33 kV到100%擊穿電壓期間發生擊穿現象的次數。

表4 不同電壓水平下發生擊穿現象的次數

將實驗數據用Weibull分布擬合于圖8，可以清晰地得出實驗結果與概率的關系，顯示出擊穿電壓的顯著特征，并得出不同半徑環形電極的50%概率擊穿電壓，具體見表5。

圖8 不同環形電極半徑Weibull分布的擊穿電壓擬合結果

表5 Weibull分布獲得的不同環半徑電極的50%擊穿電壓

不同環半徑電極的擊穿電壓擬合曲線表明，改變環形電極的環半徑對擊穿電壓水平影響不大；50%擊穿電壓范圍為38.5 kV至39.5 kV。實驗過程中，記錄了每一次擊穿現象的擊穿時間，如圖9所示。因此，根據之前獲得的長度，流注發展速度的關系如圖10所示。

圖9 不同環半徑電極在不同擊穿電壓條件下的擊穿時間

圖10 不同環半徑電極在不同施加電壓下的流注發展速度

由于SIM16相機拍攝照片存在1μs間隔，所獲得的擊穿時間誤差較大，但從整合的曲線上仍可以看到大致趨勢：當增加施加的脈沖電壓時，電場強度隨之增加，導致流注發展速度增加，擊穿時間減少，環半徑較小時受到的影響更大，即環半徑較小的電極流注速度增加得更快。

2.4 針-平面擊穿實驗結果

實驗采用尖端半徑為10μm和20μm的蝕刻鎢針作為電極，在間隙距離為5 mm的脈沖電壓下進行了實驗，結果統計如圖11、圖12所示。

圖11 不同尖端半徑鎢針在脈沖電壓下的流注長度

圖11和圖12展示了針形電極流注長度和發展速度隨時間和施加電壓的變化趨勢：尖端半徑10μm電極的流注發展速度慢于20μm電極的流注，且其擊穿現象發生較晚。這是由于針的幾何形狀導致的，尖端半徑為10μm的鎢針具有更加不均勻的電場，即可以更容易地在較低的電壓水平下產生流注。

圖12 不同尖端半徑鎢針在不同施加電壓下的流注傳播速度

2.5 分析

針-平面電極和環-平面電極具有相對不同的預擊穿特點和擊穿現象。對比兩者的實驗結果顯示，環形電極半徑對流注長度的影響很小，但對于較小的環半徑，流注發展速度對施加電壓的變化更敏感。針形電極則與之相反，尖端半徑對流注長度和發展速度有較大的影響：尖端半徑小將有較大的發展速度和較低的起始電壓。由于構成環形電極的鎢針半徑為20μm與針形電極的尖端半徑相同，這也是導致環半徑越小的環形電極與尖端半徑20μm的針形電極擁有相似實驗結果的原因，即其幾何形狀可近似于針形電極。

2.6 場增強因子

本文引入電場增強因子來分析電場的不均勻性，電場不均勻性對預擊穿和擊穿現象有直接影響。場增強因子定義為

式中：Emax為最大電場；Eave為針尖平均電場；V為施加的電壓；d為兩電極間距。在之前的研究中提到，當具有從2.8到77[5]的場增強因子時，會出現快速流注。通過上文建立的三維模型模擬電場情況，也可得到表6中不同電極設置下的場增強因子。

表6 三維建模計算的場增強因子

仿真結果與實驗結果相吻合。對于環形電極和尖端半徑為20μm的針形電極，會引發快速流注，并出現擊穿現象。擊穿現象與場增強因子的相關性尚未得到深入研究，這將是未來一個非常有意義的研究課題。

3 結束語

本文主要研究不同類型電極設置在脈沖電壓下的預擊穿和擊穿現象。通過高壓實驗和結果分析，研究了預擊穿、擊穿現象和電極變化的相關性，總結了在不同電極設置下的流注形狀、發展速度、起始位置和擊穿電壓，同時也引入了場增強因子來分析電場不均勻性。已發表的大量研究對針-平面、球-平面和桿-平面電極進行了深入的研究，然而關于環-平面電極的研究較少，在實際變壓器中使用類似幾何形狀的情況下，研究這種電極配置是有意義的。