变压器油雷电冲击电压下的机理分析

作者： 国自电气 时间：2024-08-29 09:43:50 阅读：24

以往在液体电介质击穿机理分析中，往往倾向于采用发生单一物理过程去解释某种放电条件下，或者某种类的液体中流注的发展过程。但是越来越多证据证明，液体中流注发展过程同时涉及到多种机理，不同脉冲持续时间范围内以及同一脉冲电压的不同时间阶段，流注的发展和传播机理也不同。传统气泡理论或液体直接电离理论均不能完整解释液体尤其是气制变压器油中流注发展全过程。

基于前述对雷电冲击下气制油和矿物油中流注形态结构参数变化规律的量化分析，讨论了焦耳热效应和空间光电离等过程在流注起始、发展和最终阶段的具体作用，从而建立了气制油中慢流注和快流注在整个放电过程的完整物理模型。

1. 起始阶段快、慢流注的物理本质和形成机理

在流注起始阶段，快流注和慢流注的物理本质均为局部气液相变化形成的低密度气体通道。可能导致流注初始气泡腔形成的3种物理过程见图。从图可知，在雷电冲击电压作用下，导致流注初始气泡腔形成的有3种可能的物理过程：外加电压作用下流注头部传导电流和场致发射电流导致的局部液体气化、液体中原本存在的微气泡、空穴、空隙以及不可见微气泡在强场强下的拉伸和破裂、脉冲持续时间到亚纳秒级时，在强电场作用下由于电致伸缩效应导致局部液体破裂产生的空腔和液体中低密度区域。对于慢流注而言，电流焦耳热效应引起的液体蒸发并形成微气泡为起始流注腔的主要形成原因。对于快流注而言，液体中原来存在的微气泡和强场强下的电致伸缩效应为起始流注腔的主要形成原因。

图1

微气泡对快流注形成初始放电通道的作用机理如下：从理论上讲，液体分子的平均自由程很短，电子在电场下难以获得足够的动能与液体分子发生碰撞电离，引发雪崩式电离过程。另外，自由电子在皮秒级的时间内即可被液体分子俘获，这增加了自由电子维持的难度，使击穿难以发生。为了引发雪崩式电离过程，需要提高液体分子的平均自由程。油中本已存在的是低密度气体通道可以促进流注放电的发生。这些低密度通道如微气泡等可以通过空化，冲击波以及化学反应，在放电时会产生高能电子，打断了油分子的价键，进而拉伸出一系列新的空泡，在强场强作用下进一步发生化学变化从而产生初始流注腔。

电致伸缩对快流注形成初始放电通道的作用机理如下：当电极上施加一个快速变化的强电场时，电极附近液体将受到指向电极方向的有质动力的作用，然而液体由于惯性无法移动，这会导致局部液体在瞬间受到巨大的负压力，促使局部液体破裂产生空腔。空腔在强电场作用下，将沿电场线方向形变，这给自由电子提供了足够的加速距离，为雪崩式电离过程的产生创造了条件。

在流注起始阶段，对于慢流注而言，首先由于焦耳热作用导致初始气泡腔的形成，随后气泡在强场强作用下发生爆炸，产生激波和微放电，激波扩散过程促进电离过程的发展，产生更多的气泡，最终导致气体通道的形成和流注放电的进行。

对于快流注而言，初始电弧通道拥有极高的温度和压强，因此会向外急剧地膨胀并产生激波。经过短暂的初始膨胀过程后，激波的波阵面与电弧通道边缘分离，此后激波的传播速度大于电弧通道的膨胀速度，当电弧膨胀到一定阶段后，电弧通道外壁与液体间出现了亮度较低的气体过渡鞘层，这也标志着外层气泡的形成。电弧沉积的能量越大，激波的强度越高。

2 .中间和最终阶段快、慢流注的物理本质和形成机理

在流注传播阶段，快流注和慢流注的物理本质均为流注头部高场强导致的光电离过程，并在液体直接电离过程中导致气液相界面的持续产生。雷击下流注的发展和击穿见图2。负极性下，初始流注腔形成后，在其头部形成强烈的空间光电离并具有强电场，流注主崩头由阴极向外扩展，在头部顶端由于光电离形成的自由电子会进一步激发原子形成新的光子，这些光子分别朝着四周继续扩散，推动二次电子崩的形成。经过一段时间后，二次电子崩与主崩头汇合，并迅速向阳极发展为贯穿电极间距的负流注。负流注的传播速度要远远大于电子崩的扩展速度。

图2

正极性下，由于外加电场的作用，阴极发出电子向阳极运动形成初始电子崩，并经过电致伸缩和拉伸微气泡等过程导致初始流注腔的形成。随着电子不断注入和被加速，流注初始腔中发生了强烈的光电离，导致其头部空间电荷密度变大，并加强了流注尾部电场。此时流注想法释放出大量光子并引起二次电子崩。二次电子崩会向主崩头汇合并向流注头部释放光电子，导致流注头部变成大量正、负带电粒子构成的等离子体区域，流注头部电场得到进一步加强，继续向阴极推进，最终贯穿整个放电通道。

由前述研究可见，慢流注在发展和最终阶段主要呈现为光电离程度较弱的暗通道形态，快流注在发展和最终阶段主要呈现为光电离程度较强的亮通道形态。流注形态从暗通道转变为亮通道是造成流注传播模式突变的机理原因。作者认为油中存在的少量低电离能化合物如芳香烃等被电离导致了暗通道的形成。链烷烃等高电离能化合物被电离形成则导致了亮流注通道的形成。当绝缘油中流注初始通道形成后，由于激波的作用，在冲击过程中，放电通道中的粒子可能会受到电极处的粒子作用或电场力的作用，产生了相互作用的错动力或者能量，使周围液体发生化学反应产生新的气体，导致气液相界面的继续生成。

结语

文中观测和分析了25 mm针—板电极系统中气制油和常见矿物油中流注放电和击穿现象与机理。研究结果表明，与矿物油相比，气制油具有较高的正、负极性雷电冲击击穿电压。在正极性下，气制油流注传播由慢流注突变为快流注的加速电压明显低于矿物油，在负极性下，气制油中流注加速电压明显高于矿物油。

在流注起始阶段，变压器油中快流注和慢流注的物理本质均为局部气液相变化形成的低密度气体通道。对于慢流注而言，电流焦耳热效应引起的液体蒸发并形成微气泡为起始流注腔的主要形成原因。对于快流注而言，液体中原来存在的微气泡和强场强下的电致伸缩效应为起始流注腔的主要形成原因。在流注传播阶段，快流注和慢流注的物理本质均为流注头部高场强导致的光电离过程，并在液体直接电离过程中导致气液相界面的持续产生，最终由于流注头部的持续推进贯穿整个电极间隙，导致击穿。

基于流注在气制油和矿物油中传播特性的分析，推断流注形态从暗通道转变为亮通道是造成流注传播模式突变的机理原因。气制油中低电离能化合物如芳香烃等被电离导致了暗通道的形成。链烷烃等高电离能化合物被电离形成则导致了亮流注通道的形成。