液壓對(duì)柱板電極下絕緣油紙沿面放電的影響

胡廣才 ，李曉楠 ，尹豪杰 ，高 波 ，楊 雁 ，劉彥琴 ，劉 凱 ，吳廣寧

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

在油紙絕緣設(shè)備中，沿紙板表面切向電場(chǎng)驅(qū)使形成的沿面放電是常見(jiàn)的故障形式，且容易造成較大事故[1].以變壓器為例，雖然在出廠試驗(yàn)中存在少量瞬間擊穿和閃絡(luò)的情形，但油紙絕緣的破壞主要通過(guò)運(yùn)行中的局部放電逐漸發(fā)展而成，因而關(guān)注閃絡(luò)和擊穿的同時(shí)，更多的研究著眼在局部放電的起始和發(fā)展過(guò)程上.

影響油紙絕緣沿面放電的因素有很多，針對(duì)這些影響因素開(kāi)展了諸多研究.Yi等[2]研究了不同種類(lèi)絕緣油在切向電場(chǎng)作用下沿面放電的發(fā)展過(guò)程，著重關(guān)注了表面白斑的形成和放電路徑.Li等[3]研究了不同老化程度的油紙絕緣沿面放電特性，發(fā)現(xiàn)了紙板老化影響小而油老化影響大的規(guī)律.王輝等[4]和王偉等[5]分別研究了溫度和水分對(duì)油紙絕緣沿面放電和爬電的影響，發(fā)現(xiàn)了水分和溫度的升高都會(huì)顯著降低油紙的沿面絕緣水平；于瑞等[6]則詳細(xì)分析了沿面放電發(fā)展過(guò)程中紙板表面白斑的發(fā)展過(guò)程.隨著直流輸電的應(yīng)用，換流環(huán)境中交直流復(fù)合條件下的沿面放電也引起了較高的關(guān)注度.Sha等[7]測(cè)量了交直流復(fù)合條件下沿面放電的起始放電特性，觀測(cè)了交直流分量各自升降過(guò)程中局部放電量的變化過(guò)程；Qi等[8]研究了交直流復(fù)合條件下沿面放電的產(chǎn)氣規(guī)律；金福寶等[9]則研究了老化對(duì)交直流復(fù)合電場(chǎng)下油紙絕緣沿面放電過(guò)程特性的影響.與液體介質(zhì)、絕緣材料的老化和電壓形式等條件一樣，液體壓強(qiáng)可以改變油紙絕緣的微觀構(gòu)造[10]，影響放電的產(chǎn)生及發(fā)展過(guò)程.而設(shè)備安裝所在地的海拔高度，以及大型油浸式設(shè)備不同部位離油面的高度，都會(huì)對(duì)放電區(qū)域的液體壓強(qiáng)產(chǎn)生影響.因而，理清液壓對(duì)油紙絕緣放電和老化發(fā)展過(guò)程的影響程度和作用機(jī)制，對(duì)油紙絕緣設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的小型輕量化以及科學(xué)運(yùn)行都有重要的指導(dǎo)意義.

關(guān)于液壓對(duì)油浸式絕緣結(jié)構(gòu)放電的影響，早在1955年，Watson[11]測(cè)試了不同持續(xù)時(shí)間的脈沖電壓下壓強(qiáng)對(duì)絕緣油擊穿強(qiáng)度的影響，指出了在短時(shí)（微秒級(jí)）電壓作用下液壓對(duì)放電的影響小，而在長(zhǎng)時(shí)（毫秒級(jí)）電壓作用下，液壓對(duì)放電影響大.Fitzpatrick等[12]拍攝了不同極性油中流注的圖像，分析了不同壓強(qiáng)對(duì)流注形狀和發(fā)展速度的影響，以及沖擊電壓下二次流注的形成原因，并指出：抑制初始流注就能消滅局部放電，進(jìn)而免除放電導(dǎo)致的加速老化.Lesaint等[13]觀測(cè)了液壓對(duì)油中流注的長(zhǎng)度、形貌和發(fā)展速度的影響，并認(rèn)為油中流注顯氣態(tài)性質(zhì).Wang等[14]分別在正負(fù)極性下測(cè)試了油擊穿特性，統(tǒng)計(jì)分析不同液壓和場(chǎng)強(qiáng)條件下的擊穿概率和時(shí)間參數(shù).Beroual等[15]在不同壓強(qiáng)下測(cè)試了油中多種透明材料表面的沿面放電形貌和發(fā)展速度.眾多研究共同認(rèn)為，壓強(qiáng)主要通過(guò)改變油中氣體的含量和形態(tài)來(lái)影響油浸式絕緣結(jié)構(gòu)的放電特性.然而，這些關(guān)于壓強(qiáng)對(duì)油浸式絕緣內(nèi)部放電的研究，有的針對(duì)純油間隙，有的采用短時(shí)沖擊電壓，有的觀測(cè)油中玻璃、酚醛塑料等無(wú)孔且光滑透明的固體絕緣材料表面，而沒(méi)有關(guān)注應(yīng)用最為廣泛的油紙絕緣及其局部放電這種普遍應(yīng)用的絕緣形式中的主要損壞條件.

有多種電極形式應(yīng)用于油紙絕緣的沿面放電研究中，Yi等[1，16]認(rèn)為切向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)沿面放電，因而采用針-板/箔模型形成純切向電場(chǎng).然而，以電力變壓器為代表的油紙絕緣設(shè)備中，極少存在純切向電場(chǎng)，基本上都同時(shí)有切向與法相兩個(gè)分量.

為模擬實(shí)際工況中油紙絕緣沿面放電的產(chǎn)生條件，本研究采用了柱板電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn).以階梯升壓的方式，在不同液壓下的每個(gè)電壓等級(jí)測(cè)取了柱板油紙絕緣模型的多個(gè)放電參量值，得出了不同液壓下的起始放電電壓和擊穿電壓，并對(duì)放電參量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.拍攝了放電發(fā)展過(guò)程中紙板表面及上方的白斑和氣體現(xiàn)象，并基于此驗(yàn)證壓強(qiáng)影響油紙絕緣放電的機(jī)理分析.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試品制備

本研究采用1 mm的普通絕緣紙板和25# 克拉瑪依變壓器油.試驗(yàn)前，用濾油機(jī)對(duì)變壓器油進(jìn)行真空去氣、除水以及過(guò)濾.經(jīng)測(cè)試，處理后的變壓器油中水分在10 μL/L以下，而油中氣體含量低于2%.將新的絕緣紙板（剪成直徑為70 mm的圓形）置于非封閉的烘箱中加熱到105 ℃并保持48 h，然后在低于5 mbar真空和85 ℃的條件下保持24 h.最后將干燥的紙板浸入處理后的油中，一起在低于5 mbar真空和85 ℃溫度的條件下保持48 h.

圖1展示了試驗(yàn)裝置.柱和板電極夾持緊油浸紙板后被絕緣框架固定，然后一起放入油箱中.柱電極直徑為12 mm，倒角3 mm.板電極的直徑為75 mm，厚10 mm，倒角3 mm.電源通過(guò)套管引入油箱.油箱內(nèi)部尺寸為 60 cm × 40 cm × 55 cm，這足夠容納電極和固定它們的絕緣裝置，并使電極與油箱壁之間保持足夠的安全距離.如圖1所示，液壓是通過(guò)油箱頂部的儲(chǔ)油柜施加的.儲(chǔ)油柜中間有活塞，用于隔離空氣與油.通過(guò)空氣壓縮機(jī)和真空泵控制左邊的氣體壓強(qiáng)，經(jīng)過(guò)活塞將壓強(qiáng)傳遞到右邊油中形成油液壓.儲(chǔ)油柜右端通過(guò)導(dǎo)管與油箱連通，因而兩者壓強(qiáng)一致.各進(jìn)出氣口和進(jìn)出油口均使用高性能閥門(mén)，以保證試驗(yàn)過(guò)程中不漏油和空氣，試驗(yàn)腔內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定.

圖1 試驗(yàn)回路示意Fig.1 Schematic of test circuit

圖1中：R為保護(hù)電阻，取值10 kΩ；Ck為耦合電容，商用MPD600與Ck串聯(lián)后可進(jìn)行局部放電參量檢測(cè)；Zm（CPL542）為局部放電測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)阻抗.使用奧林巴斯公司生產(chǎn)的i-SPEED TR高速攝像機(jī)（high-speed image recorder，HSIR）記錄試驗(yàn)過(guò)程中的光學(xué)現(xiàn)象，監(jiān)控整個(gè)放電發(fā)展過(guò)程.試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)尖端部位全部被均壓處理，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，加壓達(dá)到55 kV時(shí)，系統(tǒng)最大局部放電量低于5 pC，因而在低于30 kV的加壓條件下可以認(rèn)為系統(tǒng)無(wú)局放.試驗(yàn)用紙板厚度為1 mm，直徑為70 mm.板電極和紙板豎直放置以方便高速攝像機(jī)拍攝.

試驗(yàn)采用階梯升壓法測(cè)取不同壓強(qiáng)下放電量隨電壓上升的過(guò)程，并依此確定局放起始電壓和擊穿電壓.階梯升壓過(guò)程為：將交流電壓上升到低于起始放電的某個(gè)電壓值，此后電壓每次快速上調(diào)1 kV并保持5 min，然后再上調(diào)電壓并保持，直至紙板擊穿.在每1 kV的5 min內(nèi)，系統(tǒng)需要短期的穩(wěn)定時(shí)間，因而忽略前2 min的放電信息，記錄后3 min的局部放電量.通過(guò)高速攝像機(jī)觀測(cè)紙板表面的放電和白斑現(xiàn)象以及油中氣泡，一旦有現(xiàn)象發(fā)生，則存下錄影以備后續(xù)分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)所施電壓增加到一定程度后，放電量將急劇上升而迅速進(jìn)入預(yù)擊穿狀態(tài).以最大放電量為例，臨近擊穿的最大放電量達(dá)到幾十納庫(kù)，放電功率達(dá)到幾百毫瓦.如果將這些超大的放電量值在圖中顯示出來(lái)，前面的放電量將高度重合而無(wú)法比較.此外，變壓器中局部放電量達(dá)到幾百皮庫(kù)時(shí)，必然要退運(yùn)檢修.因而，以下不列出這些大量值，而采用一個(gè)統(tǒng)一的較大值替代，著重關(guān)注油浸式設(shè)備從完好發(fā)展到接近退運(yùn)過(guò)程的放電量曲線.

2.1 不同液壓條件下的起始放電電壓和擊穿電壓

局部放電的測(cè)試方法按GB/T 7354—2003[17]中的規(guī)定進(jìn)行.依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17648—1998[18]，將最大放電量達(dá)到100 pC時(shí)所施電壓定義為起始放電電壓（partial discharge inception voltage，PDIV）[1].

高液壓能顯著提升純油間隙的絕緣性能[11-14]；在光滑固體表面，爬電的長(zhǎng)度、樹(shù)枝的密度、放電電流和光強(qiáng)都隨著壓強(qiáng)的上升而變?nèi)鮗15]；在開(kāi)展本試驗(yàn)之前，作者在針板電極上驗(yàn)證了增加壓強(qiáng)對(duì)切向場(chǎng)條件下紙板沿面絕緣性能的提升效應(yīng)[19].根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)分析可知：柱板電極的局部放電起始也是從紙板表面開(kāi)始，因而可以推測(cè)，液壓能增加紙板表面的起始放電電壓.持續(xù)加電壓，隨著局部放電對(duì)紙板纖維的累積破壞，最終造成柱板之間擊穿.圖2顯示了不同液壓柱板電極下油紙絕緣沿面放電的起始放電電壓和擊穿電壓以及兩者之間的差值.

由圖2可知：擊穿電壓隨液壓的上升而增加.從0.010 MPa （油箱頂部接近真空）到0.100 MPa（油箱頂部為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），擊穿電壓上升了9.77 kV；從0.100 MPa到0.600 MPa，擊穿電壓上升了3.05 kV.由此可知：壓強(qiáng)較低時(shí)，擊穿電壓隨液壓上升速率高，約為108.60 kV/MPa；液壓高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)時(shí)，擊穿電壓隨壓強(qiáng)的上升速率低，約為6.10 kV/MPa.擊穿電壓體現(xiàn)了隨液壓上升而飽和的趨勢(shì).

圖2 起始放電電壓、擊穿電壓和兩者差值與液壓的關(guān)系Fig.2 Relationships of PDIV, breakdown voltage，and their difference with hydrostatic pressure

起始放電電壓也隨液壓的上升而升高.從0.010 MPa到 0.100 MPa，起始放電電壓上升了17.37 kV；從0.100 MPa到 0.600 MPa，起始放電電壓上升了1.04 kV.由此可知：液壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)時(shí)，起始放電電壓隨壓強(qiáng)的上升速率高，約為193.00 kV/MPa；而壓強(qiáng)高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)時(shí)，起始放電電壓隨壓強(qiáng)的上升速率低，約為2.08 kV/MPa.

擊穿電壓與起始放電電壓之間的差值隨壓強(qiáng)的上升先減小后增大最后趨于平穩(wěn)，這與放電在油紙中氣泡的產(chǎn)生與溶解壓縮，以及液壓條件下氣泡產(chǎn)生二次放電的難易程度有關(guān)，詳見(jiàn)本文第3節(jié).

2.2 不同液壓下的局部放電量和放電重復(fù)率

如前所述，變壓器中局部放電達(dá)到幾百皮庫(kù)時(shí)，就要考慮退運(yùn)維修.為使曲線圖清晰可讀，又不丟失關(guān)鍵信息，將大于500 pC的最大放電量用500 pC代替，形成了圖3中不同液壓下最大放電量隨所施電壓的變化曲線.

由圖3（a）可知：放電前期，最大放電量幾乎可以忽略不計(jì).待到最大放電量達(dá)到數(shù)十皮庫(kù)及以上之后，隨著液壓的增大各電壓條件下放電量均減小.最大放電量達(dá)到10 pC以上后，在每一液壓條件下的曲線隨電壓上升的斜率都很大，但液壓大于0.040 MPa以后曲線上升的斜率更大.液壓小于0.040 MPa時(shí)，各上升曲線之間的距離較長(zhǎng)，主要因?yàn)榇藭r(shí)起始放電電壓和擊穿電壓隨液壓改變較大；液壓大于0.040 MPa后，各上升曲線之間距離短，主要因?yàn)榇似陂g起始放電電壓和擊穿電壓隨液壓的改變小.鑒于液壓較高時(shí)，各上升曲線間距離太近，因而將這些緊貼的曲線放大顯示于圖3（b）中.

圖3 不同液壓下最大放電量隨電壓的增長(zhǎng)Fig.3 Relationship between peak discharge capacity and applied voltage under different hydrostatic pressures

圖4顯示了不同液壓下平均放電量隨電壓的增長(zhǎng)趨勢(shì).同樣，將大于500 pC的放電量用500 pC代替.與最大放電量曲線一樣，平均放電量超過(guò)10 pC后，曲線的上升斜率也很大，液壓高時(shí)上升更快且曲線之間的距離更小.因?yàn)樽畲蠓烹娏勘绕骄烹娏扛邕_(dá)到500 pC，故平均放電量在500 pC以上維持更短時(shí)間就發(fā)生了擊穿.

圖4 不同液壓下平均放電量隨電壓的增長(zhǎng)Fig.4 Relationship between average discharge capacity and applied voltage under different hydrostatic pressures

圖5顯示了不同液壓下放電重復(fù)率隨電壓上升的變化情況.從整體而言，放電重復(fù)率隨液壓的上升而降低，與文獻(xiàn)[20]中對(duì)純油間隙局部放電的研究結(jié)果一致，也與文獻(xiàn)[19]中針板沿面的試驗(yàn)結(jié)果一致，可以認(rèn)為壓強(qiáng)增加抑制了油紙絕緣的沿面放電重復(fù)率.多個(gè)液壓條件下，放電重復(fù)率發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了短暫的平穩(wěn)，不隨電壓的上升而增高，這是由于紙板的階段性老化使得柱電極和紙板之間的電場(chǎng)暫時(shí)趨于更高的均勻度.

圖5 不同液壓下放電重復(fù)率隨電壓的增長(zhǎng)Fig.5 Relationship between discharge repetition rate and applied voltage under different hydrostatic pressures

2.3 不同液壓條件下的局放電流和局放功率

升高液壓可以減小放電量和放電重復(fù)率.放電對(duì)絕緣的破壞在很大程度上取決于放電的累積效應(yīng)[21]，因而放電電流和放電功率更值得關(guān)注.依據(jù)文獻(xiàn)[17]，平均放電電流的定義為

式中：Tref為選定的參考時(shí)間長(zhǎng)度，本文中選定為180 s；qi（i=1,2,···,n） 為測(cè)試門(mén)檻值2 pC及以上的第i次放電量，n為參考時(shí)間內(nèi)的總放電次數(shù).

放電功率的定義為

式中：ui為產(chǎn)生放電量qi瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的放電電壓.

這些通過(guò)MPD600測(cè)得的平均放電電流和平均放電功率如圖6所示.

為利于放電較小時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，描述故障擴(kuò)大前的狀況，將數(shù)據(jù)大于500 nC/s的放電電流統(tǒng)一用500 nC/s代替，將大于4 mW的放電功率統(tǒng)一用4 mW代替.從圖6可以看出：放電電流隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系與放電功率極相似，液壓上升明顯降低了平均放電電流和放電功率，這與前面的推測(cè)一致.

圖6 不同液壓下平均放電電流和平均放電功率隨電壓的增長(zhǎng)Fig.6 Relationship between average discharge current,average discharge power and applied voltage under different hydrostatic pressures

液壓處于極低的0.010 MPa和0.020 MPa時(shí)，放電電流很快就達(dá)到了50 nC/s，初期隨電壓的增加逐漸上升，這是因?yàn)榈鸵簤菏沟糜椭幸恢贝嬖谖⑿馀?，使得電壓較低時(shí)也能產(chǎn)生放電，初期放電產(chǎn)生的氣泡少，氣體產(chǎn)生與消散能平衡而保持穩(wěn)定的氣體含量；之后放電電流和放電功率迅速上升，是因?yàn)榉烹娔芰吭黾?，使得分解產(chǎn)氣速度大于氣體消散速度，因而高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的氣體含量不斷增加，放電與產(chǎn)氣相互促進(jìn).

隨著液壓增加，需有一定程度的放電分解后才有初始?xì)馀莸某霈F(xiàn)，產(chǎn)氣速度在初期總比氣體消散速度慢，因而放電電流維持一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期的低值，只有放電強(qiáng)度足夠后放電電流才陡然上升.在放電電流維持穩(wěn)定的時(shí)候，放電功率緩慢上升，這是因?yàn)橐罁?jù)式（2）放電瞬時(shí)的電壓有所上升，而放電量沒(méi)變.

由上可知，隨著液體壓強(qiáng)的升高，油紙絕緣沿面放電的最大放電量、平均放電量、放電重復(fù)率、放電電流和放電功率均明顯降低.由此可以認(rèn)為：液壓的上升可以從多角度抑制油紙絕緣沿面放電，從而達(dá)到保護(hù)油紙絕緣的目的.此外，由于不同壓強(qiáng)下的電壓施加方式相同（都是升壓1 kV然后維持5 min），更高的擊穿電壓體現(xiàn)了更大的場(chǎng)強(qiáng)和更長(zhǎng)的電老化時(shí)間.因而，增大液壓能增加油紙絕緣的電耐受能力，即增加了油紙絕緣的絕緣性能.

3 分析與討論

3.1 液壓對(duì)放電參數(shù)的影響

文獻(xiàn)[19]分析了油紙絕緣中氣泡產(chǎn)生的難易程度，指出了隨著壓強(qiáng)的上升，氣泡總量和粒徑逐漸減小，其原因在于兩方面：

1） 依據(jù)亨利定律（見(jiàn)式（3））可知：氣體在液體中的溶解度隨液壓的上升而增加，因而氣體分子總量減少，氣泡粒徑變小.

式中：H為亨利常數(shù)；x為氣體摩爾分?jǐn)?shù)溶解度；Pg為氣體的分壓強(qiáng).

2） 依據(jù)克拉伯龍方程（見(jiàn)式（4））可知：壓強(qiáng)增加會(huì)壓縮氣體體積，因而氣泡粒徑進(jìn)一步變小.

式中：P為壓強(qiáng)；V為氣體體積；N為氣體的摩爾數(shù)；C為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度.

液壓增加減少了油紙中的氣體體積分?jǐn)?shù)，從而縮減了油紙絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，使得油紙中的最大放電量、平均放電量、放電重復(fù)率、放電電流和放電功率等參數(shù)都得到抑制.

3.2 液壓對(duì)起始放電電壓和擊穿電壓的影響

文獻(xiàn)[22]指出，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到4.000 MPa時(shí)，觀察不到油中放電產(chǎn)生的氣泡.油紙絕緣中，柱電極與紙板接觸面附近的氣泡是油紙沿面放電的薄弱點(diǎn).當(dāng)壓強(qiáng)增加到足夠大之后，油紙內(nèi)放電產(chǎn)生的氣體會(huì)迅速溶解到油中，因而，此時(shí)起始放電和擊穿基本與油中氣體無(wú)關(guān)，油的介電強(qiáng)度不會(huì)隨壓強(qiáng)增加而改變，則起始放電電壓與擊穿電壓隨液壓的上升呈飽和趨勢(shì).

依據(jù)式（3），當(dāng)液壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，油中溶解的少量氣體組分會(huì)逐漸析出，析出量隨液壓的降低而增大，同時(shí)放電產(chǎn)生的氣體溶解程度隨之降低.因而，液壓降低時(shí)，由于油中氣體的影響，油紙絕緣的沿面放電起始放電電壓和擊穿電壓都會(huì)隨之降低.由圖6可知：液壓極低時(shí)起始放電電壓下放電電流和放電功率都很低，實(shí)際中只有放電電流和放電功率隨所施電壓上升到較大值時(shí)才能加速老化紙板，導(dǎo)致?lián)舸?液壓極低（如0.010 MPa和0.020 MPa）時(shí)，放電電流和放電功率隨電壓的上升而緩慢上升，其原因在于施加的電壓不高時(shí)（如接近起始放電電壓），油紙界面的氣泡擊穿電壓低，單次局部放電釋放的能量不高，分解產(chǎn)生的氣體不多，溢出的氣泡受低壓強(qiáng)的影響迅速膨脹而離開(kāi)紙板，并上浮到遠(yuǎn)離電極的低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，故單次放電（起始放電）不會(huì)迅速發(fā)展成大頻次和大幅度的局部放電，更不會(huì)發(fā)展出紙板擊穿現(xiàn)象.氣泡膨脹的原因在于式（4）所示出的克拉伯龍方程，文獻(xiàn)[19]通過(guò)受力計(jì)算證明了液壓降低后氣體更容易脫離紙板而上浮.隨著施加電壓的上升，放電重復(fù)率增大，油中分解產(chǎn)生的氣體也隨之增加.這些新生的氣體引發(fā)二次放電，但不會(huì)聚集在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)使放電極速增長(zhǎng)，因而后續(xù)的放電電流和放電功率只能逐步上升，放電發(fā)展到能有效侵蝕紙板需要一個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，因而起始放電電壓比擊穿電壓低得多.

液壓增加到0.030 MPa以后，從過(guò)濾除氣后的油中析出初始?xì)怏w逐漸變得困難，即使少量氣泡飄過(guò)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，也難以形成穩(wěn)定的放電，使起始放電電壓隨壓強(qiáng)的增加迅速上升.由于此時(shí)的起始放電電壓較高，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的放電強(qiáng)度比更低液壓下起始放電時(shí)大得多，將分解出較多氣體.此時(shí)的壓強(qiáng)相對(duì)之前大，密度升高的氣體產(chǎn)生后膨脹、上浮和消散過(guò)程相對(duì)緩慢，能短時(shí)聚集在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，引發(fā)后續(xù)放電.持續(xù)的放電和氣泡群相互促進(jìn)，使大強(qiáng)度的放電迅速產(chǎn)生，紙板老化加速，擊穿隨之而來(lái).故壓強(qiáng)極低時(shí)，擊穿電壓和起始放電電壓的差值隨壓強(qiáng)的增加而降低，到0.040 MPa時(shí)為2.24 kV.

液壓進(jìn)一步增強(qiáng)（大于0.100 MPa），電壓增加到起始放電后，油紙界面上的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)產(chǎn)生局部放電.亨利定律表明，氣體的分壓與該氣體溶在溶液內(nèi)的摩爾濃度成正比.由于壓強(qiáng)的上升，油溶解氣體的能力增強(qiáng)，初始放電產(chǎn)生的氣體快速消融在油中，不能引發(fā)后續(xù)放電.放電和氣泡相互促進(jìn)發(fā)展的情況不容易發(fā)生，使得較低強(qiáng)度的初始放電不能迅速發(fā)展成擊穿，擊穿電壓和起始放電電壓之間的差值又逐漸增大.綜上所述，造成擊穿電壓與起始放電電壓差值先減小后增大的原因，是氣體膨脹和溶解兩方面競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.

由擊穿電壓和起始放電電壓的差值隨液壓的變化關(guān)系可知：在高原地區(qū)運(yùn)行的變壓器，液壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓而又高于0.030 MPa時(shí)，沿面放電故障點(diǎn)產(chǎn)生起始放電后容易快速發(fā)展成擊穿，其原因在于兩個(gè)電壓的差值很小.

3.3 紙板表面和油中的氣體現(xiàn)象

圖7顯示的是擊穿前夕紙板表面及油中的氣體現(xiàn)象，氣體濃度隨著液壓的上升而明顯降低，印證了前面關(guān)于液壓影響油中氣體的推測(cè).同時(shí)，文獻(xiàn)[19]的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（0.100 MPa）下，針板沿面試驗(yàn)時(shí)紙板表面不會(huì)產(chǎn)生的白斑現(xiàn)象，卻在液壓升高后出現(xiàn).究其原因，在于壓縮變小后的氣泡有如下特點(diǎn)： 1） 密度更大，上浮速率變小；2） 更易于粘附在紙板表面；3） 絕緣能力變強(qiáng)，大場(chǎng)強(qiáng)下產(chǎn)生的放電能量更大；4） 中心離紙板更近，放電產(chǎn)生的能量沿紙板表面及內(nèi)部散發(fā)的比例更高.大量的能量經(jīng)過(guò)紙板內(nèi)部，造成紙板內(nèi)的油分解氣化，部分未散發(fā)而藏于紙板纖維間的氣體，形成了切向電場(chǎng)作用放電時(shí)紙板表面的白斑.本文采用柱板模型，切向和法向的電場(chǎng)同時(shí)存在，法向場(chǎng)推動(dòng)了放電向紙板內(nèi)部的延伸，在液壓為0.070 MPa （低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.100 MPa）時(shí)白斑就可以產(chǎn)生.然而，液壓極低（0.002 ～ 0.020 MPa）時(shí)，紙板中氣體迅速溢出導(dǎo)致無(wú)白斑現(xiàn)象；液壓上升到0.500 MPa后，紙板內(nèi)氣體的快速溶解，又使得氣體無(wú)法穿過(guò)紙板纖維而導(dǎo)通兩極，只能在較高的電壓下逐步碳化紙板后最終導(dǎo)致?lián)舸?，這就是圖中0.500 MPa時(shí)紙板表面出現(xiàn)碳化黑點(diǎn)的原因（碳化黑點(diǎn)放大后顯示于圖形的左上角）.

圖7 擊穿前夕紙板表面的白/黑斑和氣體現(xiàn)象Fig.7 Wihte/black spots and gas on pressboard surface before breakdown

4 結(jié) 論

本文在不同液壓下采用柱板模型觀測(cè)了油紙絕緣的沿面放電發(fā)展過(guò)程，測(cè)試了從起始放電直至擊穿整個(gè)過(guò)程中的各放電參量值，并對(duì)所觀測(cè)到的現(xiàn)象進(jìn)行了解釋和分析，結(jié)論如下：

1） 沿面放電的起始放電電壓和擊穿電壓皆隨液壓的上升而升高，且逐漸趨于飽和，兩者差值先減小后增大；

2） 液壓的上升能從整體上抑制各種放電參量，延緩紙板的損壞過(guò)程；

3） 液壓通過(guò)改變氣體在油中的溶解和對(duì)剩余氣體的壓縮而改變起始放電電壓、擊穿電壓以及各放電參數(shù)，兩種改變的推測(cè)在擊穿前夕的氣泡和白斑現(xiàn)象中得到了驗(yàn)證.