變壓器油擊穿過程光譜及電壓分析

劉學(xué)

摘 要：本文以變壓器油為樣本，自行研制了一款液體擊穿裝置;嘗試對(duì)針-針電極間隙變壓器油實(shí)施了放電測(cè)試，觀察變壓器油放電期間帶電粒子的分布情況與變化。記錄各種條件下產(chǎn)生的擊穿電壓，總結(jié)基本規(guī)律，旨在利用液體介質(zhì)自身的絕緣特性，對(duì)脈沖功率設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：變壓器油;擊穿過程;光譜分析;電壓分析

作為一種典型的絕緣油，變壓器油絕緣性的好壞非常關(guān)鍵。擊穿電壓，可作為變壓器油電氣性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷變壓器油的水含量，其他懸浮物對(duì)其造成的污染程度等。同時(shí)，我們還可檢驗(yàn)變壓器油在注入到設(shè)備之前的干燥以及過濾情況。顯然，擊穿電壓指標(biāo)反應(yīng)出了變壓器油自身的絕緣性能。

一、光聲光譜檢測(cè)原理

光聲光譜檢測(cè)原理PAS（Photo Acoustic Spectroscopy），在密閉光聲池中裝入待測(cè)氣體，并將一束單色光源投射到這種氣體表面，讓光能充分地吸收進(jìn)去，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽詈笸瓿赏思?。熱能釋放，能夠讓氣體出現(xiàn)周期性加熱，促使介質(zhì)出現(xiàn)周期性壓力波動(dòng)。該種壓力波動(dòng)，利用微音拾音器或是壓電陶瓷傳聲器也能夠直接地檢測(cè)出來。經(jīng)放大后，可以獲取光聲信號(hào)。不同氣體均有各自的紅外光譜（吸收光譜），結(jié)合該種特性，我們可以選擇單色光波長(zhǎng)來完成照射，測(cè)定出波長(zhǎng)長(zhǎng)度上不同的光聲信號(hào)圖譜，計(jì)算出待測(cè)氣體實(shí)際的分子濃度。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)大致是由脈沖電源、電極、暗室以及電荷耦合器件等基本的設(shè)備來組成。本次實(shí)驗(yàn)，我們將玻璃容器放入到暗室中。

實(shí)驗(yàn)期間，溫度最好控制在22～26℃;選擇逐步升壓法，電壓?jiǎn)未紊仙? kV，標(biāo)注和統(tǒng)計(jì)好擊穿時(shí)肉眼看到的峰值電壓。結(jié)束后，及時(shí)地?cái)噭?dòng)待測(cè)的變壓器油，平放2min;再次實(shí)驗(yàn)，循環(huán)5次，將5次擊穿所得平均值視為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（一）譜線分析

對(duì)針-針電極間隙45號(hào)變壓器油開展本次放電實(shí)驗(yàn)。45號(hào)變壓器油，摻入碳、氫這2種不一樣的元素。本次試驗(yàn)，我們能看到光譜線數(shù)。在波長(zhǎng)大約400～700nm的位置，氫可以看得見4條譜線。按照從大到小的順序，依次寫作Hα、Hβ、Hγ、Hδ。

中心波長(zhǎng)650 nm開始實(shí)驗(yàn)，656nm周邊的特征譜線非常突出，多次實(shí)驗(yàn)得知有較好的一致性。在間隙5mm和負(fù)直流電壓50.4kV這種條件下，我們采集來的光譜圖上656nm波長(zhǎng)譜線峰值十分地強(qiáng)烈。相比于氫譜線，此處的656.272 nm波長(zhǎng)也是有很大的相似點(diǎn)，即Hα譜線。656.424nm峰值上釋放出來的光強(qiáng)，顯著多于其他波長(zhǎng)。提示該類躍遷上的氫量相對(duì)偏多，電離中該部分粒子有明顯反應(yīng)。

（二）放電照片

利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們已經(jīng)得到變壓器油對(duì)應(yīng)的放電照。未加電壓情況下，同樣也看到一張針-針電極照。曝光大約5ms，增益接近于150。

如果間隙始終都是1mm，ICCD獲取的放電圖像（負(fù)極性脈沖假設(shè)停留于1mm，則這里的擊穿電壓肯定不會(huì)小于60kV，實(shí)驗(yàn)人員用儀器很難采集客觀、可靠的放電圖像）。1 mm間隙實(shí)在過短，未見放電通道。從擊穿強(qiáng)度來看，脈沖加壓顯著地要比直流下更小。

究其根源：針-針電極間建立的電場(chǎng)屬于極不均勻場(chǎng)，此時(shí)電子崩不容易向周圍空間發(fā)展，電極間隙相對(duì)偏小，放電通道在沒有分叉的情況下就被擊穿。

根據(jù)10mm正直流電壓下得到的照片：（a）擊穿前某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，油液面看得見一些氣泡。（b）擊穿前照片。（c）擊穿后首照，下方針電極同樣也看得見氣泡，并且不斷地往上沿運(yùn)動(dòng)。根源：被擊穿前，電子實(shí)際上是定向運(yùn)動(dòng)的，電流不大，變壓器油并未完全汽化，氣泡多出現(xiàn)于液面。擊穿瞬間，釋放大量熱能，焦耳熱完全可以對(duì)針變壓器油進(jìn)行汽化，變成肉眼看得見的氣泡。

1mm正脈沖電壓下攝取的照片可知：（a）擊穿前某個(gè)點(diǎn)上的圖像，（b）擊穿后首張照片。不管擊穿前、后均未見任何的氣泡。究其根源：納秒脈沖上升所需時(shí)間偏短，無法馬上產(chǎn)生氣泡。此時(shí)，變壓器油間隙早已被擊穿，提示納秒脈沖下液體下的放電研究更符合液體的本征特性。

（三）變壓器油的擊穿電壓

除了得到擊穿光譜外，我們也統(tǒng)計(jì)了各個(gè)電壓極性、間隙距離以及曲率半徑條件下產(chǎn)生的擊穿電壓。半徑針電極下，施加某個(gè)電壓后，變壓器油在不同間隙下均可產(chǎn)生相應(yīng)的擊穿電壓，如下表。

上表記錄了變壓器油相對(duì)的擊穿電壓。從中看出：如果設(shè)置不一樣的間隙，負(fù)極性不論何時(shí)均會(huì)高于之前的正極性擊穿電壓，最終的極性效應(yīng)也很突出。若我們將正極性電壓直接和針電極外進(jìn)行連接，電子運(yùn)速超快，正電荷則相對(duì)緩慢，針尖周圍堆積的正電荷無疑降低了針電極外圍的電場(chǎng)，使前方電場(chǎng)有所增強(qiáng)。此時(shí)，針電極可能會(huì)產(chǎn)生流注，并向前方開始推進(jìn)。當(dāng)電壓極性為正，變壓器油自身的擊穿場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)偏低。如果針電極外此時(shí)有負(fù)極性電壓接入，正電荷運(yùn)速相對(duì)緩慢，堆積于針電極外。這時(shí)候，針電極之前的電場(chǎng)會(huì)有所強(qiáng)化，而相對(duì)的前方電場(chǎng)（若有正極性電壓順利地介入，那么空間電荷必定會(huì)帶來不一樣的結(jié)局）會(huì)受損和被削弱，放電流注很難往前推進(jìn)。此時(shí)，負(fù)極性電壓條件下變壓器油容易產(chǎn)生大的擊穿電壓。

四、結(jié)語

變壓器能否順暢運(yùn)行，我們利用油色譜分析法，觀察油色波動(dòng)狀況就能夠分辨出來。實(shí)際上，這也是變壓器運(yùn)行階段中運(yùn)用普遍的監(jiān)測(cè)法。不過，放電光譜采集實(shí)驗(yàn)尚未具備充分、完好的條件。為了客觀分析和判斷變壓器油放電情況下不同粒子的狀態(tài)及其溫度規(guī)律等，我們有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作出改良，采集可見光波段對(duì)應(yīng)的特征光譜信息，用于實(shí)驗(yàn)分析。

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