0 引言
油纸绝缘系统是油浸式变压器内绝缘材料的重要组成部分，其中，绝缘油承担着散热、绝缘和熄灭电弧的主要作用。矿物绝缘油因绝缘性能优良、粘度小、酸值低等优点，在油浸式变压器中的应用历史已达 100多年[1]。但近些年由于对环保可再生能源以及高防火性能绝缘油的需求，有关矿物油替代品新型绝缘油的研究一直是国内外研究的热点[2]。
除矿物油外，应用于油浸式变压器的绝缘油主要是合成绝缘油、天然酯以及混合绝缘油。合成绝缘油大部分性能参数与矿物油相当，甚至优于矿物油，但其成本昂贵和制造技术条件复杂，限制了其广泛应用[3]。天然酯绝缘油具有良好的电气和理化性能，饱和含水量高，闪点高于 300℃，生物降解率高达97%，环保可再生，而且能有效延缓绝缘纸老化，被认为是矿物绝缘油的最佳替代品[4]。近20年来，国内外在天然酯绝缘油的基础特性及应用方面，取得了令人瞩目的进展[5-6]。目前，天然酯绝缘油已成功地应用于10～420kV电压等级的电力变压器[7]。但与矿物绝缘油相比，天然酯绝缘油的运动粘度大、氧化安定性较差、介质损耗和酸值高。
将矿物绝缘油和植物绝缘油按照一定工序混合起来组成的混合绝缘油，可改善单一绝缘油性能的不足，统筹兼顾矿物绝缘油和植物绝缘油的优缺点[8]。2002年，I. Fofana等研究了合成酯与矿物油组合而成的混合油的基础性能，合成酯占比分别为10%、20%和50%，结果表明随着合成酯添加比例的上升，混合绝缘油的相对介电常数、工频击穿电压、饱合含水量和热稳定性等性能都得到了一定程度的改善，但混合油的介质损耗和运动粘度也随之增加[9-10]。2006年，法国的C. Perrier等研究提出了20%合成酯+80%矿物油混合而成的混合绝缘油，发现添加20%合成酯可以有效提高混合油品的介电强度和抗老化性能，同时油品运动粘度增加幅度较小[11]。2009年，重庆大学廖瑞金等研究提出了配方为20%橄榄油+80%矿物油+0.3%T501+0.3%L06的混合绝缘油，该混合绝缘油的凝点、闪点、酸值、工频击穿电压等关键参数满足国标 GB 2536—1990的要求，并能有效延缓油纸绝缘热老化速率；在同等热老化条件下，混合油-纸绝缘体系中绝缘纸聚合度下降的平均速率约为矿物油-纸绝缘体系中绝缘纸聚合度下降平均速率的 3/5；但该混合绝缘油的运动粘度、介质损耗因数不满足GB 2536—2011要求[12]。2014年，该课题组提出了配方为20%精炼菜籽油+80%矿物油的混合绝缘油，油品的主要理化、电气性能满足国标GB 2536—2011，但介质损耗和运动粘度稍高，该混合绝缘油成功应用于10kV配电变压器中，挂网安全运行已4年多[13]。2016年，U. Mohan Rao等开展了矿物油、天然酯、合成酯和混合绝缘油（80%矿物油+20%合成酯）分别在110℃、150℃、170℃和200℃下的加速热老化试验，在同等热老化条件下，混合绝缘油具有明显延缓油纸绝缘系统老化的作用[14]。2018年，Abderrahmane Beroual等提出配方为20%麻疯树油+80%矿物油的混合绝缘油，与矿物油相比，该混合绝缘油的平均工频击穿电压和直流击穿电压分别提升12.0%和28.5%[15]。
综合国内外混合油研究新进展，本课题组在前期从事混合油研究近10年工作成果基础上，成功研制了满足矿物油性能参数最新标准GB 2536—2011要求的新型三元式混合绝缘油，该新型三元式混合绝缘油的基础理化和电气性能参数均优于矿物油。相比于交流和直流击穿，雷电冲击击穿特性被认为是更加有效反映电介质本身绝缘性能的重要参量[16-17]。绝缘油的雷电击穿特性也是油浸式变压器绝缘设计的关键[18]。因此，本文以矿物绝缘油作为参考对象，开展新型三元混合式绝缘油的雷电冲击击穿及产气特性研究。首先，分析不同油隙距离下新型三元混合式绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压及其放电发展速度；然后，测量新型三元混合式绝缘油经过不同次数正、负极性雷电冲击击穿后的油中溶解气体组分，分析雷电冲击电弧放电模式下新型三元混合式绝缘油的产气规律。本文研究为应用新型三元混合式绝缘油及其故障诊断提供数据支撑。
1 试验部分
1.1 试验材料及测试装置
本文雷电冲击击穿试验所用绝缘油为克拉玛依25号矿物绝缘油和新型三元混合式绝缘油，两种油品的性能参数见表 1。雷电冲击击穿测试平台基本原理如图1所示，主要由冲击电压发生系统、信号测量系统、试验电极组成。冲击电压发生系统部分主体为CJDY-900kV六级冲击电压发生器，能产生“正”“负”极性可调的标准雷电冲击电压波（1.2×(1±30%)μs/50×(1±20%)μs）。产生的雷电冲击电压通过阻容分压器衰减891倍后传至信号采集系统及示波器（PAC-5124）。采用针-板电极模拟极不均匀电场，钨针电极尖端的曲率半径为 50μm，平板电极直径为50mm，环氧树脂油杯容积为2.5L。
表1 三元混合式绝缘油与矿物绝缘油基本性能参数
Tab.1 Basic properties of the three-element mixed insulation oil and mineral oil
性能参数 新型三元混合式绝缘油 矿物油运动粘度(40℃)/(mm2/s) 11.65 9.2水分含量/10-6 14 11击穿电压(2.5mm)/kV 78.6 72密度(20℃)/(g/cm3) 0.89 0.89介质损耗因数(90℃)(%) 0.47 0.10酸值/(mg KOH/g) 0.007 0.004闪点/℃ 147 135相对介电常数(90)℃ 2.32 2.13体积电阻率(90℃)/(1010Ω·m) 2.2 ≥6
图1 雷电冲击击穿测量系统示意图
Fig.1 Measurement system of lightning impluse breakdown
1.2 绝缘油的雷电冲击击穿及产气特性测试流程
本文采用逐级升压法进行矿物油和新型三元混合式绝缘油的雷电冲击击穿试验。分别测试对比两种油品在针-板电极距离为 5mm、10mm、15mm、20mm和25mm下的雷电冲击击穿和流注发展速度，测试温度为30℃。绝缘油雷电冲击击穿及产气特性的测试主要流程如下。
（1）试验准备：击穿试验前，首先将清洁油杯用待测绝缘油润洗；然后调整发生器波头、波尾电阻阻值，得到符合标准雷电冲击 1.2×(1±30%)μs/50×(1±20%)μs的电压波形；最后，调整针-板电极至规定的测试长度，灌装待测油品 2L并密封静置10min。
（2）起始电压选择及击穿测试[16,19]：根据已有矿物油和天然酯的雷电冲击击穿研究成果，按照表2预期的冲击击穿电压（Ue）选择合适的试验起始电压（Ui）和级电压（ΔU）。从起始电压开始加压，以级电压为上升步长逐级升压，在施加两次雷电冲击电压之间至少间隔1min，直至发生击穿。每次绝缘油发生击穿后，对绝缘油样品进行搅拌并静置3min。若绝缘油样品在发生击穿之前经过了3级及以上升压，则记录雷电冲击击穿电压和雷电波波形，若击穿发生在少于3级升压之前，则将起始电压下降一级或几级电压重新进行升压击穿试验。每个油隙距离通过逐级升压击穿试验获得 14组有效的雷电冲击击穿电压及放电发展时间数据。当一个油隙距离的击穿试验完成后，更换钨针及油品，重复上述步骤进行另一油隙距离的测试。
（3）油中溶解气体分析：在油隙为10mm下对新型三元混合式绝缘油和矿物绝缘油分别施加不同次数的正、负极性雷电冲击电压，将分别击穿 20次、40次和60次的油品按照DL/T 722—2014 《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，采用中分2000B变压器油中溶解气体气相色谱分析仪进行产气特性分析。
表2 雷电冲击击穿起始电压的选择[19]
Tab.2 Choice of start voltage for lightning impulse
预期击穿电压值Ue/kV 起始电压Ui/kV 级电压ΔU/kV 50≤Ue≤100 1.5Ue-25 5 100＜Ue≤250 Ue-50 5 Ue＞250 150 10
2 结果及分析
2.1 雷电冲击击穿电压波形分析
图2显示了在针-板电极距离为15mm时，新型三元混合式绝缘油和矿物油分别在正、负极性雷电冲击电压作用下的击穿电压波形，UBDV为雷电冲击击穿电压，tc为放电发展时间。在绝缘油样品发生击穿的瞬间，由于针-板电极间形成放电通道，电压波形发生陡降；从开始加压至击穿的时间段即为绝缘油的雷电冲击击穿放电发展时间。图2结果表明，矿物油和新型三元混合式绝缘油在正、负极性雷电冲击作用下的击穿电压波形无本质差异，但矿物油和新型三元混合式绝缘油在正极性雷电冲击作用下的击穿电压和放电发展时间均分别小于其在负极性雷电冲击作用下的击穿电压和放电发展时间。矿物油和新型三元混合式绝缘油在针-板距离为 5～25mm下的正、负极性雷电冲击击穿电压波形与上述15mm下形状相同。下文着重对比分析两种绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压值和放电发展速的差异。
图2 三元混合式绝缘油和矿物油在15mm油隙下正、负极性雷电冲击击穿电压波形
Fig.2 Lightning impulse voltage waveforms for the three-element mixed insulation oil and mineral oil at the gap distance of 15mm under positive and negative polarity
2.2 雷电冲击击穿电压分析
双参数 Weibull分布模型是近年来在工程可靠性分析中使用最为广泛的模型之一[20]，其累积失效概率分布表达式为
式中，x为随机变量，在本文中对应击穿电压值；α 为尺度参数，表征 F(x)达到 63.2%时的 x值，通常取此 x值作为试验样品的特征击穿电压值；β 为形状参数，表示数据分散的尺度，β 越大说明试验数据的分散性越小。本文采用双参数 Weibull分布模型对绝缘油雷电冲击击穿数据进行统计分析，首先将试验数据从小到大排序，根据式（2）计算样本的失效概率值。
式中，F(i)为样本失效概率值，i为样本秩，i=1, 2,3,…, 14；m为样本总量，m=14。
图3 不同油隙距离下三元混合式绝缘油和矿物油的雷电冲击击穿电压Weibull分布
Fig.3 Weibull distribution of the lighting impulse breakdown voltage for the three-element mixed insulation
oil and mineral oil at different gap distance
表3 三元混合式绝缘油和矿物油雷电冲击击穿电压Weibull分布模型中α 值和β 值
Tab.3 Values of α and β in Weibull distribution of the lightning impulse breakdown voltage for the three-element mixed insulation oil and mineral oil
油隙/mm 极性 绝缘油种类 参数α 参数β三元混合式绝缘油 41.8 19.52正极性5矿物油 37.7 8.53三元混合式绝缘油 43.74 16.2负极性矿物油 61.82 10.58三元混合式绝缘油 46.98 15.82正极性10矿物油 45.51 9.8三元混合式绝缘油 53.82 10.4负极性矿物油 100.11 13.75三元混合式绝缘油 56.28 15.84 15 正极性矿物油 53.51 14.31
（续）
油隙/mm 极性 绝缘油种类 参数α 参数β三元混合式绝缘油 64.41 12.45 15 负极性矿物油 122.16 9.33三元混合式绝缘油 59.08 16.37正极性20矿物油 71.79 12.54三元混合式绝缘油 58.08 20.66负极性矿物油 149.96 11.81三元混合式绝缘油 63.82 20.49正极性25矿物油 85.93 11.26三元混合式绝缘油 60.6 24.99负极性矿物油 200.74 9.69?
图3是新型三元混合式绝缘油和矿物绝缘油在不同油隙距离下的正、负极性雷电冲击穿电压Weibull分布，其对应的双参数Weibull分布模型参数见表3。图3和表3中α 值表明，相同油隙距离下，新型三元混合式绝缘油的正极性雷电冲击击穿电压特征值略大于矿物油，但新型三元混合式绝缘油的负极性雷电冲击击穿电压特征值显著小于矿物油。随着油隙距离的增大，两种油品的正、负极性雷电冲击击穿电压特征值均呈现增大的趋势，负极性雷电冲击击穿电压特征值大于正极性雷电冲击击穿电压特征值。此外，测试数据表明新型三元混合式绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压数据分散性小于矿物油。
图4 三元混合式绝缘油和矿物油在不同油隙长度下雷电冲击击穿电压特征值
Fig.4 Eigenvalues of lightning impulse breakdown voltages for the three-element mixed insulation oil and mineral oil at different gap distance
图4 进一步对比了新型三元式混合绝缘油和矿物油的正、负极性雷电冲击击穿电压特征值随油隙距离（5～25mm）的变化趋势。正极性雷电冲击电压下，两种油品的雷电冲击击穿电压特征值随油隙距离的增大缓慢增加，二者增加幅度基本相同。而在负极性雷电冲击电压下，两种油品的雷电冲击击穿电压特征值随油隙距离的增大显著增加，且新型三元式混合绝缘油增大的幅度小于矿物油。在 5～25mm油隙距离下，矿物油的负极性雷电冲击击穿电压特征值约是新型三元式混合绝缘油的 1.5～3.5倍，随着油隙距离的增大，二者负极性雷电冲击击穿电压特征值差距越大。此外，对比分析两种油品各自在正、负极性雷电冲击击穿电压特征值，表明相同油隙距离下，矿物油的正、负极性雷电冲击击穿电压特征值差距显著，且油隙距离越大，差距越大；相比之下，新型三元式混合绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压差距值明显小于矿物油，这表明雷电冲击击穿电压的极性对新型三元混合式绝缘油击穿电压的影响小于矿物油。
2.3 雷电冲击放电发展特性分析
根据示波器上的雷电冲击击穿电压波形，读取绝缘油在雷电冲击电压下的放电发展时间 tc。图 5和表 4为三元混合式绝缘油和矿物油在针-板电极距离为5～25mm下正、负极性雷电冲击放电发展时间Weibull分布分析结果。结合油隙长度loil，根据式（3）可得到绝缘油的放电发展速度[21]为
式中，v为绝缘油流注放电发展速度特征值；loil是油隙长度；tcc为放电发展时间特征值，其根据Weibull分布分析获得，即表4中α 值。
图 6为根据 Weibull分布放电发展时间特征值计算得到的三元混合式绝缘油和矿物油的放电发展速度。可见，在针-板距离小于25mm的情况下，两种油品在正、负极性雷电冲击电压下的放电发展速度处于0.8～2km/s之间，属于慢速流注。此外，两种绝缘油在正极性雷电冲击电压下的放电发展速度均大于其各自在负极性雷电冲击电压下的放电发展速度。矿物油的正极性雷电冲击放电发展速度约是其负极性雷电冲击放电发展速度的1.11～1.44倍，三元混合式绝缘油的正极性雷电冲击放电发展速度约是其负极性雷电冲击放电发展速度的1.19～1.54倍。
图5 三元混合式绝缘油和矿物油在不同油隙距离下的放电发展时间Weibull分布图
Fig.5 Weibull distribution of the discharge propagation time for the three-element mixed insulation oil and mineral oil at different oil gap distance
绝缘油的雷电冲击击穿电压受到电极结构、绝缘油分子电离能、雷电冲击电压极性等多方面因素的影响。电子与正电荷迁移速率差距大，在正极性雷电冲击电压下，电离产生的相对静止的正电荷削弱了针电极附近电场，而加强了流注前方的电场，使得放电更易发展，因此，正极性雷电冲击电压下两种油品的放电发展速度快，雷电冲击击穿电压也都较低；而在负极性雷电冲击电压下，电离产生的正电荷加强了针电极附近电场，削弱流注前方的电场，使得放电不容易发展，导致两种油品在负极性雷电冲击电压下的放电发展较慢，其击穿电压也高于各自在正极性雷电冲击电压下的击穿电压[16, 21]。
表4 三元混合式绝缘油和矿物油放电发展时间Weibull分布模型中的α 值和β 值
Tab.4 Values of α and β in Weibull distribution of the discharge propagation time for the three-element mixed insulation oil and mineral oil
油隙/mm 极性 绝缘油种类 参数α 参数β三元混合式绝缘油 6.04 5.77正极性5矿物油 4.96 4.88三元混合式绝缘油 7.66 6.72负极性矿物油 6.77 6.14三元混合式绝缘油 9.08 6.37正极性10矿物油 6.92 5.73三元混合式绝缘油 12.93 6.52负极性矿物油 10.39 6.27三元混合式绝缘油 10.63 8.84正极性15矿物油 8.36 9.25三元混合式绝缘油 16.30 8.79负极性矿物油 12.34 6.28三元混合式绝缘油 13.45 7.59正极性20矿物油 10.62 7.55三元混合式绝缘油 21.14 11.76负极性矿物油 14.52 7.72三元混合式绝缘油 16.61 8.71正极性25矿物油 13.56 5.84三元混合式绝缘油 26.19 10.13负极性矿物油 17.56 7.29
图6中更值得关注的是，矿物油在正、负极性雷电冲击电压下的放电发展速度均大于三元混合式绝缘油，正极性雷电冲击电压作用下，矿物油的放电发展速度是三元混合式绝缘油的1.10～1.38倍；负极性雷电冲击电压作用下，矿物油的放电发展速度是三元混合式绝缘油的1.22～1.51倍。根据式（4）Walden原理所示，由于三元混合式绝缘油具有较高的运动粘度，其电子迁移率低于矿物油，从而导致三元混合式绝缘油放电发展速度也慢于矿物油[21]。
图6 三元混合式绝缘油和矿物油在不同油隙长度下放电发展速度的特征值
Fig.6 Eigenvalues of discharge propagation velocity for the three-element mixed insulation oil and mineral oil
式中，μ 为电子的迁移率；η 为液体粘度；a为电子半径；e为球形电子总电荷量。
此外，已有研究表明矿物油的电离能约在8.17～8.38eV 之间，而植物油的电离能约在 6.5～7eV之间[16]。在正极性雷电冲击电压作用下，由于流注前方电场得到加强，矿物油和植物油电离能的差异对流注发展放电的影响减弱，使得正极性雷电冲击电压作用下两种绝缘油的击穿电压相差很小。而在负极性雷电冲击电压作用下，流注前方电场得到削弱，导致电离更难发生，此时绝缘油分子电离能的差异对流注发展放电的影响变得显著，具有更高电离能的矿物油在负极性雷电冲击电压下的击穿电压高于三元混合式绝缘油。
2.4 雷电冲击击穿后的产气特性分析
根据表 3和图 4所示两种油品在油隙距离为10mm时的雷电冲击击穿电压特征值，表明两种油品的正极性雷电冲击击穿电压特征值均小于50kV，两种油品的负极性雷电冲击击穿电压特征值均小于110kV。因此，本文在测试油隙距离为10mm，经过不同次数雷电冲击击穿后的油中溶解气体时，考虑到两种绝缘油的正极性雷电冲击击穿电压差距很小，所以对两种绝缘油施加的正极性雷电冲击电压波的峰值均为50kV。而两种绝缘油的负极性雷电冲击击穿电压差距较大，对矿物绝缘油施加的负极性雷电冲击波峰值为 110kV，而对混合绝缘油分别施加的负极性雷电冲击波峰值为 55kV。每种油品在正、负极性雷电冲击电压作用下，均分别测试分析击穿20次、40次和60次情况下的产气特性，油中溶解气体检测结果如图7所示。
图7 三元混合式绝缘油和矿物油中溶解的H2、CO2、CH4、C2H4、C2H2和总烃气体的浓度值随油品雷电冲击击穿次数的变化规律
Fig.7 The variation of dissolved H2、CO2、CH4、C2H4、C2H2 and total hydrocarbon gases concentrations with lightning impulse breakdown times in the three-element mixed insulation oil and mineral oil
图7 表明：①无论对于新型三元式混合绝缘油还是矿物油，二者油中溶解的 H2、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2和总烃气体的含量均随着雷电冲击击穿次数的增加而增大，其中，H2、CO2、CH4、C2H4、C2H2和总烃气体的浓度值随击穿次数的增加明显增大，C2H6的浓度值（值较小图中未标出）均随击穿次数的增加仅略微增大；②无论对于新型三元式混合绝缘油还是矿物油，正、负极性雷电冲击击穿相同次数后，负极性雷电冲击电压作用下油中溶解的各类气体浓度值均大于正极性雷电冲击电压的作用。这主要是由于负极性雷电冲击击穿电压高于正极性雷电冲击击穿电压的原因（见图4）。图8所示为雷电冲击击穿前后三元混合式绝缘油和矿物油中溶解气体含量。
图8 雷电冲击击穿前后三元混合式绝缘油和矿物油中溶解气体含量的对比
Fig.8 Comparison of dissolved gas concentrations in the novel three-element mixed insulation oil and mineral oil before and after lightning impulse breakdown
图7 a和图7b表明：经过相同次数的雷电冲击击穿后，相比于矿物油，三元混合式绝缘油中的H2和 C2H2浓度小于矿物油；在正极性雷电冲击击穿20次后，矿物油中溶解的H2和C2H2浓度分别为三元混合式绝缘油中的1.37倍和1.56倍；击穿60次后，矿物油中溶解的H2和 C2H2浓度分别为三元混合式绝缘油中的1.54倍和1.85倍；在负极性雷电冲击击穿20次后，矿物油中溶解的H2和C2H2浓度分别为三元混合式绝缘油中的1.13倍和1.34倍；击穿60次后，矿物油中溶解的H2和C2H2浓度分别为三元混合式绝缘油中的1.13倍和1.49倍；表明击穿次数越多，H2和 C2H2在矿物油中的浓度与三元混合式绝缘油中的浓度相差越大。此外，正极性雷电冲击击穿60次后，矿物油中H2、C2H2含量占油中总溶解气体含量的比例从新油中0.47%、0.27%分别上升到26.60%和44.95%，三元混合式绝缘油中H2、C2H2含量占油中总溶解气体含量的比例从新油中4.81%、0%分别上升到 30.42%和 42.42%，如图 8c和图8d所示。两种油品在负极性雷电冲击击穿 60次后，油中H2、C2H2含量占油中总溶解气体含量比例的变化规律也是如上一样显著，如图 8e和图 8f所示。因此，油中溶解的H2、C2H2可作为三元混合式绝缘油电弧放电产气的首选特征参量。
三元混合式绝缘油与矿物油中溶解的 CH4和C2H4浓度随击穿次数的变化如图7c和图7d所示。随着击穿次数的增加，两种绝缘油中溶解的CH4和C2H4浓度值逐渐升高，同时两种绝缘油中溶解的CH4和 C2H4浓度差异也越来越大。经过 60次正极性雷电冲击击穿后，矿物油种溶解的 CH4和 C2H4浓度分别为三元混合式绝缘油中的 1.88倍和 1.65倍。虽然三元混合式绝缘油中 CH4和 C2H4浓度值随击穿次数的增加明显增大，但二者各自含量占油中总溶解气体含量的比例偏小，低于 6%，可作为三元混合式绝缘油电弧放电产气的次要特征参量。
图 7e表明，两种绝缘油中溶解的 CO2浓度值始终处于较高水平，但随着雷电冲击击穿次数的增加，其浓度值增幅较小。此外，由图8也可知，负极性雷电冲击击穿60次后，三元混合式绝缘油和矿物油油中溶解的CO2含量占油中总溶解气体含量的比例，分别从新油的91.00%和98.63%下降到27.26%和29.69%；正极性雷电冲击击穿60次后，三元混合式绝缘油和矿物油油中溶解的CO2含量占油中总溶解气体含量的比例，分别从新油的 91.00%和98.63%下降到 22.49%和 25.38%。此表明 CO2不宜作为三元混合式绝缘油电弧放电产气的特征参量。
两种绝缘油中总烃气体浓度值与油品击穿次数的关系如图7f所示。随着击穿次数的增加，两种油中溶解的总烃类气体浓度值均明显增大，三元混合式绝缘油中总烃类气体浓度依然小于矿物油。图 8表明，负极性雷电冲击击穿60次后，三元混合式绝缘油和矿物油油中溶解的总烃类气体含量占油中总溶解气体含量的比例，分别从新油的7.26%和6.58%上升至到 30.36%和 31.89%；正极性雷电冲击击穿60次后，上升至45.32%和47.87%。可见，总烃类气体（浓度）含量在油品雷电冲击击穿过程中变化显著，可作为电弧放电产气的特征参量。
Ostwald平衡系数是反应绝缘油溶解气体特性的重要参数[22-23]。本文根据GB/T 17623—2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》和DL/T 722—2014《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，测试得到 50℃下三元混合式绝缘油和矿物油的 Ostwald平衡系数平均值见表 5。可见，两种绝缘油中各溶解气体的Ostwald平衡系数基本一致，上述气体结果差异不是由溶解特性差异引起的。
表5 三元混合式绝缘油与矿物油的Ostwald平衡系数
Tab.5 The Ostwald equilibrium constant of the three-element mixed insulation oil and mineral oil
油品 CO2 CO H2 C2H2 C2H4 C2H6 CH4三元混合式绝缘油 0.84 0.16 0.07 1.04 1.45 2.14 0.41矿物油 0.92 0.12 0.06 1.02 1.46 2.30 0.39
新型三元混合式绝缘油的产气机理与矿物油存在本质的区别。矿物绝缘油主要由烷烃（CnH2n+2，质量分数约 60%）、环烷烃（CnH2n，质量分数约10%～40%）和芳香烃（CnH2n-6，质量分数约5%～15%）三大类碳氢化合物的混合物组成。以 C20H42为例，在电应力会发生断链反应如式（5），且断链反应发生在碳链中心附近的概率最高。
断链反应产生的自由基 H·、CH3·、C2H5·等会加速烷烃的脱氢反应，生成H2、CH4、C2H6等小分子气体。同时，在强电场作用下，含有自由基的最外侧碳原子极易引起大分子烃自由基的β -C断裂，生成大量的 C2H4，如式（6）所示。C2H6、C2H4、C3H8、C3H6等低分子烃类气体在雷电冲击电压作用下会进一步发生断链和脱氢反应，产生C2H2和 H2以及碳的固体颗粒等[22, 24]。
植物油主要由甘油三酸酯组成，三元混合式绝缘油中含有 19%的大豆油和 5%的棕榈油，这两种植物油中脂肪酸种类及含量见表 6[25]，其中多不饱和脂肪酸亚油酸含量占比达到50%以上。本文以甘油三亚油酸酯为例，分析三元混合式绝缘油分子在电应力下的产气机理，如图9所示[25]。与甘油三亚油酸酯中心碳原子相连的C-O键键能为430kJ/mol，在电应力下首先发生断裂生成C17H31COO·，并经过脱羧反应生成CO2和C17H31·，或C-C键发生断裂生成烃类分子，即图9的过程3和过程4。在雷电冲击电压下，甘油三亚油酸酯分子的 C-(O-C)键亦可能发生断裂并生成 C17H31CO·，进而生成烃类长链分子，如图9的过程2和过程17。上述过程产生的烃类分子在电应力作用下转化为H2和CH4、C2H4、C2H6等小分子烃类气体，如图9的过程 7～9等。较高的放电能量会使得烃类气体的 C-H进一步断裂，生成大量乙炔和氢气，同时CH4裂解产生的游离 C与 H·的结合也是 C2H2的产生途径，反应式如式（7）～式（9）所示。
表6 大豆油与棕榈油脂肪酸含量
Tab.6 The fatty acid content of soybean oil and palm oil（%）
不饱和脂肪酸含量植物油种类 饱和脂肪酸含量 单不饱和脂肪酸含量多不饱和脂肪酸含量大豆油 14.2 22.5 63.3棕榈油 35 15 50
因此，三元混合式绝缘油在雷电冲击击穿后油中溶解的 H2和 C2H2含量高，占总溶解气体含量的55%以上，而油中溶解的 CH4、C2H4、C2H6等烃类气体所占比例少于5%。可见，含有24wt%植物油成分的三元混合式绝缘油在雷电冲击电压下与矿物油不同的放电特性，以及三元混合式绝缘油与矿物油分子组成的不同，以上二者是导致两种绝缘油雷电冲击击穿后油中溶解气体含量差异的根本原因。
3 结论
本文在针-板电极油隙距离为 5～25mm极不均匀电场下，以矿物油为参比，研究分析了新型三元混合式绝缘油的雷电冲击击穿及产气特性，所得主要结论如下。
1）三元混合式绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压数据分散性小于矿物油；在正极性雷电冲击电压下，三元混合式绝缘油与矿物油的雷电冲击击穿电压相差不大；在负极性雷电冲击电压下，矿物油的雷电冲击电压约是三元式混合绝缘油的 1.5～3.5倍。随着针-板油隙距离的增大，三元混合式绝缘油和矿物油的正、负极性雷电冲击击穿电压特征值均呈现增大的趋势，两种油品各自的负极性雷电冲击击穿电压特征值均大于正极性雷电冲击击穿电压特征值。
2）三元混合式绝缘油与矿物油在正、负极性雷电冲击电压下的放电发展速度处于 0.8～2km/s之间，属于慢速流注；矿物油在正、负极性雷电冲击电压下的放电发展速度均大于三元混合式绝缘油。
图9 甘油三亚油酸酯主要分解途径[25]
Fig.9 The principal decomposition pathways of linoleic-type triglyceride
3）无论对于新型三元式混合绝缘油还是矿物油，正、负极性雷电冲击击穿相同次数后，负极性雷电冲击电压作用下油中溶解的各类气体含量均大于正极性雷电冲击电压的作用。但在正、负极性雷电冲击击穿相同次数后，三元式混合绝缘油中溶解的气体含量显著小于矿物油。油中溶解的 H2、C2H2是三元混合式绝缘油电弧放电分析的首选特征量。
后续将进行基于油中溶解气体分析的三元混合式绝缘油放电类型判别方法研究，研究确定不同故障类型对应的边界阈值。
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