图1 变压器油循环装置
Fig.1 Circulation device of transformer oil
摘要 变压器油中不可避免地存在气泡，使其绝缘性能大幅下降。由于强迫油循环或温差热对流的作用，变压器内部的绝缘油始终处于流动状态，油道中的气泡会随油流而运动，目前流动状态下含气泡变压器油的击穿机理尚不清楚。为了探究油流速度对含气泡变压器油击穿过程的影响，该文搭建流动变压器油循环装置及放电观测平台，开展大量不同流速条件下的击穿实验，同步采集放电信号、外施电压信号及击穿影像。结果表明，根据预击穿阶段气泡行为的差异，击穿类型可以分为三类；流动状态下含气泡变压器油的工频击穿电压始终高于静止状态，随着油流速度的增大，击穿电压呈先上升后基本保持稳定的趋势；油流速度通过改变气泡破裂所形成微气泡群的排布以及气泡“尖端”的发展方向对击穿电压有影响。
关键词：气泡 变压器油 击穿 油流速度
电力变压器作为输变电设备中最重要和最昂贵的设备之一，其安全可靠运行对于整个电力系统的可靠性具有重要意义。大型电力变压器内部主要采用油纸复合绝缘，绝缘油的品质对整个变压器的绝缘性能有着重要的影响。工程使用的变压器油在长期运行过程中，由于局部放电（Partial Discharge, PD）[1-2]、局部过热[3-4]、机械振动[5]、密封不严等因素，不可避免地存在气体。悬移气泡作为变压器油中的一种典型绝缘缺陷，其介电强度低且内部电场强度大的特性易诱发PD，容易引起变压器油劣化，严重时可以诱发变压器油击穿，导致变压器故障[6-7]。
鉴于此，国内外学者开展了大量关于气泡对液体电介质绝缘性能影响的研究。M. Pompili等[8]探究了交流电压作用下变压器油中金属突出物缺陷PD的发展特性，指出流注的起始和PD的发生是同一个物理事件，初始放电会产生气泡，后续伴随着气泡的膨胀发展和破裂，形成一系列有规律变化的PD脉冲簇。气泡PD的剧烈程度受气泡大小、位置、气体的种类以及液体静压强的影响[9]。气泡的存在显著地降低了液体电介质的击穿电压[10-11]，其中，气泡击穿理论是除直接碰撞电离理论外描述液体电介质击穿的重要理论。
探究气泡击穿理论主要涉及两方面的问题：一方面是气泡的形成问题[10-12]，目前此方面的研究较多，包括冲击电压的脉宽时间、液体电介质分子结构以及电导率对气泡形成的影响[13-14]；另一方面，是有关于气泡形成后是如何导致液体电介质击穿的研究。目前，对于冲击电压下气泡导致液体电介质击穿主要持有两种观点[15-17]：一种观点认为击穿发生在气泡膨胀所形成的气相通道中[18-19]；另一种观点则认为气泡放电诱发液体电介质中的流注，即击穿发生于液相中[20]。
以往的研究主要集中在冲击电压下液体电介质的击穿中[21]，缺乏交流电压作用下的相关研究，对于交流电压作用下气泡导致击穿的具体过程尚不明确。另外，在实际运行的变压器中，由于强迫油循环或温差热对流的作用[22-23]，变压器油常常处于流动状态[24]，本课题组前期研究发现，流动状态下变压器油中气泡PD活动明显低于静止状态[25]，但是缺乏油流速度对变压器油击穿电压影响的研究，气泡在流动变压器油击穿过程中的行为亦尚不清楚。
为此，本文搭建了变压器油循环装置和气泡行为观测系统，开展了不同流速下含气泡变压器油的击穿实验，根据气泡在预击穿阶段行为的差异，阐述了油流速度对含气泡变压器油击穿过程的影响机制。
为了开展不同流速下含气泡变压器油的击穿实验，本文建立了如图1所示的变压器油循环装置，主油道由透明有机玻璃构成，方便观测气泡行为，整个循环装置的总容积为11L。电极结构由两块距离为10mm的平板铜电极构成，其表面和边缘都经过光滑处理，电极板的直径和厚度分别为200mm和10mm。根据变压器安全运行规范，一般要求器身内部最大流速不得高于0.5m/s，为了有效抑制变压器油流带电问题，目前，国内变压器器身的实际流速一般低于0.33m/s，平均流速约为0.2m/s[26]，因此，本文研究的油流速度范围为0～0.30m/s。
图1 变压器油循环装置
Fig.1 Circulation device of transformer oil
针对油流速度对含气泡变压器油击穿特性展开研究，仅测量不同条件下的击穿电压等宏观参量是远远不够的。目前，拍摄预击穿阶段的影像信息是研究击穿机理的重要手段，本文在图1的基础上搭建了如图2所示的放电信号采集系统。
图2中，Cx为变压器油循环装置，Cd为分压电容；R1为10kW 保护电阻，耦合电容Ck与检测阻抗Zm组成脉冲电流法测量回路。瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor, TVS）与Zm并联，用以保护示波器。将背光灯、高速摄像机分别置于循环油道的两侧，利用阴影成像法记录气泡在预击穿阶段中的行为，高速摄像机型号为PHOTRON SA5，帧频为150 000f/s时，在256×144pixels的分辨率下，可持续拍摄1.03s。背光灯为高强度无频闪LED冷光源，其型号为AIT-200。
图2 信号采集系统
Fig.2 Signal measurement system
为了实现放电信号、击穿影像以及外施电压的同步采集，Zm测量得到的击穿电信号作为示波器的触发信号，用以触发存储放电信号和外施电压，与此同时，示波器输出的晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）电平信号作为高速摄像机的触发信号，从而实现以上三种信号的同步采集。
实验前，首先向循环装置中注入经干燥处理过的克拉玛依25号绝缘油，通过进气口注入150mL的干燥空气，利用油泵将油中气团打散，形成小气泡，为了避免油道中出现过大的气团，油道中安装有网孔半径为2mm的筛网，在一定程度上控制气泡的尺寸。按照300V/s的速度缓慢升压，记录击穿电压，并同步采集放电信号、外施电压及击穿影像。每个条件下的击穿测试重复10次，每两次击穿测试间隔3min，以减小空间电荷和击穿产物对下次实验的影响，求取10次测试的平均值作为该条件下的击穿电压，每10次击穿后更换新电极并重新处理过滤变压器油。
本文首先开展了流动状态下含气泡变压器油的工频击穿实验，实验按照图2进行接线，设置油流速度为0.12m/s，油温为60℃。大量实验表明，变压器油的击穿过程与气泡行为关系密切，击穿过程与所处的工频正负半周关系密切，根据气泡在预击穿阶段的行为和击穿所处的工频半周，含气泡流动变压器油的典型击穿过程可以分为三类，这里分别记为Ⅰ类工频负半周击穿、Ⅱ类工频负半周击穿和工频正半周击穿，其中，Ⅰ类工频负半周击穿定义为发生在负半周且气泡在预击穿阶段脱离上极板并发生破裂的一类击穿；Ⅱ类工频负半周击穿定义为发生在负半周且气泡在预击穿阶段未脱离上极板也未发生破裂的击穿；工频正半周击穿即为发生在工频正半周的一类击穿。50次实验中，上述三类典型击穿的占比如图3所示，发生在正、负半周的击穿基本各占50%左右，其中，在工频负半周的击穿中，Ⅰ类击穿发生的概率是Ⅱ类击穿的两倍左右，接下来详细介绍这几类典型的击穿过程。
图3 击穿类型统计
Fig.3 Statistics of breakdown type
2.1.1 在工频负半周的击穿过程
Ⅰ类工频负半周击穿的典型过程如图4所示，图中，以变压器油中发生贯通性电弧的时刻作为零时刻基准时间，气泡在-2.007ms左右时开始加速膨胀并逐渐生长出不规则“尖端”，在-1.627ms时，气泡“尖端”数量明显增多，随着时间的推移，气泡“尖端”不断生长，气泡在-0.747ms时跳跃脱离上极板，此时，气泡已经破裂形成由较多小气泡组成的气泡群，此后，气泡群向下延伸逐渐靠近下极板，当气泡群接触到下极板时，形成极为明亮的电弧，迅速导致整个间隙的击穿。击穿发生后，变压器油分解形成明显的气相通道，此后在该气相通道中继续发生多次间歇性放电，并伴随气相通道的膨胀和收缩，如图4中0.033ms和0.227ms时刻所示。为了弄清预击穿过程中放电信号的发展规律以及气泡膨胀及破裂的原因，图5给出了与上述击穿过程对应的放电信号和外施电压变化过程。
图4 Ⅰ类工频负半周击穿过程
Fig.4 Breakdown progress of class Ⅰ occurring in the negative half-cycles
图5 Ⅰ类工频负半周击穿的放电信号和外施电压
Fig.5 Breakdown signals and the applied voltage of class Ⅰ in the negative half-cycles
如图5所示，气泡导致的PD首先在-2.10ms时刻，在零时刻发生油隙的击穿，此时对应的相位为270°。零时刻之后，放电信号间歇性地发生剧烈振荡，持续时间超过20ms，与之对应的外施电压信号同步地发生间歇性振荡。
除上述Ⅰ类工频负半周击穿外，在工频负半周中还存在另一类典型的击穿，气泡在预击穿阶段未脱离上极板，也并未完全破裂，即为本文定义的Ⅱ类工频负半周击穿，其击穿过程如图6所示，在预击穿前，气泡呈现为斜侧拉伸的椭球形，在-580μs时气泡开始长出“尖端”，随后“尖端”不断向下极板延伸并生长出多个分支，呈现为灌木状，气泡“尖端”在0.55ms的时间里延长了0.24cm，由此可计算得到其平均传播速度约为4.4m/s，当气泡“尖端”继续向下延伸并接近下极板时，气泡本体与气泡“尖端”构成了贯通上下极板的气相通道，进而形成明亮的电弧，导致整个间隙的击穿。为了弄清Ⅱ类工频负半周击穿中，预击穿过程中放电信号的发展规律以及气泡“尖端”形成和发展的原因，给出了与图6过程对应的Ⅱ类负半周击穿的放电信号及外施电压如图7所示。
图6 Ⅱ类工频负半周击穿过程
Fig.6 Breakdown progress of class Ⅱ occurring in the negative half-cycles
图7 Ⅱ类工频负半周击穿的放电信号和外施电压
Fig.7 Breakdown signals and the applied voltage of class Ⅱ in the negative half-cycles
由图7可以看出，在工频270°相位处极板两端的电压迅速降低到0kV左右，表明两极板间形成了导电性良好的电弧通道，击穿前0.70ms左右连续发生两次PD，临近击穿时（-12μs）发生一次幅值比较小的PD。
2.1.2 在工频正半周的击穿过程
尽管正负半周的击穿均有气泡参与，但在工频正半周击穿过程中，气泡的行为明显不同于其在负半周中的行为。典型的工频正半周的击穿过程如图8所示。
图8 典型工频正半周击穿过程
Fig.8 Typical breakdown process in the positive half-cycles
在预击穿阶段中，气泡从-0.480ms开始加速膨胀，在-0.150ms左右时开始出现“尖端”，-0.004ms时高速摄像机捕捉到了从气泡处发展的树枝状流注和细丝状流注，分别属于暗流注和明亮流注，由于实验条件的限制，树枝状流注和细丝状流注的传播过程并未捕捉到，国内外其他学者的研究表明，正极性雷电冲击下，树枝状流注发展早于细丝状流注，即明亮流注是暗流注发展到一定阶段之后的产 物[16-17]。图9为击穿过程中的放电信号及外施电压信号，在零时刻，极板两端的电压迅速降低到0kV左右，表明此时两极板间形成的放电通道具有良好的导电性，击穿时刻对应的外施电压相位是92°，击穿前0.520ms左右时发生一次正极性PD。由图9中0～20ms之间放电信号与外施电压的变化曲线可知，外施电压剧烈振荡时，对应的放电信号也非常强烈，两者具有明显的同步性。
图9 工频正半周中的放电信号和外施电压
Fig.9 Breakdown signals and the applied voltage in the positive half-cycles
尽管含气泡流动变压器油的击穿过程具有较大的随机性，实验获取的击穿影像及放电信号也各不相同，如第2.1节所述，根据预击穿阶段气泡行为的差异，含气泡变压器油的击穿过程可以分为三类，图10和图11分别给出典型工频负、正半周击穿过程的示意图。
第2.1节表明，气泡“尖端”出现的时间滞后气泡PD信号的时间，因此，推测气泡PD是导致三类击穿中气泡“尖端”形成的主要原因。如图10a所示，气泡内部发生PD后，气泡逐渐膨胀并产生气泡“尖端”，与此同时，PD产生的正负电荷分别运动至气泡上下表面，气泡上表面的正电荷与极板中的电子中和，故气泡整体带负电，受电场力的作用，气泡逐渐脱离上极板，如图10a阶段2中所示；接下来，由于局部过热和电场力的作用，气泡继续膨胀并发生破裂；气泡破裂所形成的微气泡群带负电，气泡带电使其内部电场被极大地削弱，放电不会在气泡内发生，在电场力作用下，微气泡群向下极板运动，微气泡群与下极板距离越近，两者间油隙中的电场强度越大，当带电微气泡接触或临近接触下极板时，微气泡与下极板间发生电荷转移，随后触发形成贯通上下极板的明亮电弧，导致击穿。图10b为Ⅱ类工频负半周击穿过程示意图，与Ⅰ类击穿不同的是，Ⅱ类击穿中气泡始终没有脱离上极板，这可能是由于Ⅱ类击穿主要由大气泡导致，气泡受到的浮力较大，因而难以脱离上极板。尽管气泡未脱离上极板，由于电场力的作用，堆积在气泡下表面附近的负离子受电场力的作用使气泡“尖端”不断向下极板推进，当气泡“尖端”（堆积大量负离子）接触或临近接触下极板时，气泡“尖端”与下极板间发生放电，随后，放电延伸到由气泡本体和气泡“尖端”构成的气相通道中，最终导致击穿。
图10 典型工频负半周击穿过程示意图
Fig.10 Schematic diagram of typica breakdown processes in negative half-cycles
图11 典型工频正半周击穿过程示意图
Fig.11 Schematic diagram of typica breakdown processes in positive half-cycles
含气泡流动变压器油工频正半周的击穿过程与负半周的击穿过程差异较大，正半周中预击穿阶段一般不会形成明显的气相通道。典型工频正半周击穿过程示意图如图11所示，气泡内部发生PD，气泡略有膨胀并在其下表面生长出微小的气泡“尖端”，其前两阶段中气泡的行为与Ⅱ类工频负半周击穿过程类似；然而，在阶段3中，随着正离子在气泡“尖端”位置积聚，导致局部电场强度增强，PD发生后，气泡与极板等电势[27]，此时带有“尖端”的气泡可以等效为附着于上极板的针电极，并在变压器油中产生树枝状流注，连接气泡与下极板，最终导致整个油隙的击穿。
在工频负半周的击穿中，预击穿阶段能观测到微气泡群或气泡“尖端”向下发展并靠近下极板的过程；而在工频正半周的击穿中，预击穿阶段气泡的膨胀和发展并不明显，但是气泡诱发了变压器油中的树枝状流注。两者之间差异可能主要与PD发生后气泡内空间电荷的迁移有关。在工频负半周中，PD发生后，高能电子向下运动撞击气泡下表面导致C-H断裂生成新的微气泡，因此，使气泡“尖端”不断发展，而在工频正半周中，PD发生后，高能电子向上运动撞击金属极板，形成新的自由电子，正离子向下运动聚集在气泡下表面，使局部电场畸变严重，从而诱发变压器油中产生树枝状流注，导致击穿。
2.3.1 油流速度对击穿电压的影响
为了探究油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响，本文开展了大量不同流速下的工频击穿实验，击穿电压随油流速度的变化如图12所示，可以看出，流动状态下含气泡变压器油的工频击穿电压始终高于静止状态，随着油流速度的增大，击穿电压呈先上升后基本保持稳定的趋势。
图12 工频击穿电压随油流速度的变化
Fig.12 Changes of breakdown voltage with oil flow rate
2.3.2 油流速度对击穿过程的影响
不同流速下气泡在预击穿阶段的行为具有明显差异，图13、图14和图15分别是静止、低流速和高流速条件下含气泡变压器油的典型击穿过程。
由图13可知，在静止变压器油中，气泡破裂形成的微气泡群竖直向下运动并逐渐靠近下极板，临近击穿前，气泡群基本已经连接上下极板，随后形成连接上下极板的明亮电弧，从气泡开始膨胀到电弧形成共经历了2.060ms。
图14为低流速（0.12m/s）条件下含气泡变压器油的典型击穿过程，气泡在脱离极板前呈斜侧拉伸的椭球形，且气泡尖端的发展方向也有所偏移（见图14中t =-1.433ms时刻），气泡破裂形成的微气泡群同样呈偏斜状态，这与图13中静止状态下微气泡群的排列有明显的区别。
图13 静止变压器油中的典型击穿过程
Fig.13 Typical breakdown process in static transformer oil
图14 低流速条件下的典型击穿过程
Fig.14 Typical breakdown process at low flow rate
图15 高流速条件下的典型击穿过程
Fig.15 Typical breakdown process at high flow rate
图15为高流速（0.24m/s）条件下的典型击穿过程，气泡在-21.93ms时开始加速膨胀，在-20.99ms时脱离上极板，气泡在向下极板运动的过程中破裂形成微气泡群，在-11.04ms时刻，气泡群运动到下极板，然而此时并未触发形成电弧，此后经历半个工频周期后，即在-0.006ms时，微气泡群又呈现为竖直排列，随后导致贯通两极的电弧。
油流速度较高时，除存在图15中所示的典型击穿过程外，还存在未击穿的情况。图16给出了高流速时气泡的另外一种典型行为。可以看出，气泡从零时刻开始膨胀，然后脱离上极板并破裂成为多个小气泡，然而气泡并未在竖直方向排列，气泡群随油流运动出两极板区域，因而在整个运动过程中都没有诱发击穿。
图16 高流速时气泡的典型行为
Fig.16 Typical bubble behavior at high flow rates
含气泡流动变压器油的击穿过程具有较大的随机性，即使在完全相同的实验条件下，击穿影像及放电信号也不完全相同，为了更加清晰地分析油流速度对含气泡变压器油击穿过程的影响，这里归纳总结得到了高流速下的击穿过程示意图，如图17和图18所示。
图17 高流速下Ⅰ类工频负半周击穿过程示意图
Fig.17 Schematic diagram of class Ⅰ breakdown processes in negative half-cycles at high flow rate
图18 高流速下Ⅱ类工频负半周击穿过程示意图
Fig.18 Schematic diagram of class Ⅱ breakdown processes in negative half-cycles at high flow rate
图17为高流速（v＞0.24m/s）下Ⅰ类工频负半周击穿过程的示意图，击穿过程可以大致分为5个阶段。击穿前油道中的气泡呈斜侧拉伸椭球形，在阶段1中，气泡内部发生PD，在阶段2中，气泡脱离上极板并在气泡下端出现尖端，随后在阶段3中，气泡发生破裂并形成微气泡群，微气泡群的形态同样呈倾斜状态。与图10a中Ⅰ类击穿不同的是，由于此时气泡群呈倾斜状态，难以导致油隙的击穿，随后携带正负电荷的气泡群由于电场力的作用形成两个气泡群，当携带负电荷的气泡群运动到下极板时，电极极性已经发生反转（如图17阶段4所示），因此不会触发放电。再经过半个工频周期后，上下极板极性反转，此时作用在两个气泡群上电场力的方向同样发生反转，在图17阶段5中，两个气泡群又逐渐接近并导致电场严重畸变，最终致使油隙的击穿。从预击穿阶段中的PD到击穿发生一般要经历20ms左右。较高的油流速度使气泡破裂后形成的气泡群排布相对分散，使击穿发生的概率降低，需要更长的时间才能达到击穿条件；另外，还会存在阶段5中的气泡群不能触发形成电弧的情况，导致击穿不能发生，因此，流速较高时发生Ⅰ类击穿所需的外施电压增大。
图18为高流速下Ⅱ类工频负半周击穿过程示意图，其与图10b低流速下的Ⅱ类击穿过程的主要差别在于，图18中的气泡形态呈倾斜状态，气泡“尖端”的生长也呈倾斜状态，这等效于两极板间距离的拉长，因此，导致Ⅱ类工频负半周的击穿电压随流速的升高而增大。
油流速度除对上述击穿过程有明显影响外，对变压器油中气泡所诱发PD强度也有明显的影响[25]，为了分析击穿电压与PD剧烈程度之间的关联特性，本文计算不同油流速度下击穿电压与文献[25]中PD特征参量之间的Pearson相关系数为
式中，下标i为数据序列；Xi为PD统计特征参量；Yi为工频击穿电压；
和
为对应参数的均值。根据文献[25]中的实验数据，计算得到的不同流速下放电重复率以及视在放电量与工频击穿电压的Pearson相关系数分别为-0.90和-0.81，均呈负极强相关，表明PD越剧烈，击穿电压越低。本文研究发现，几乎所有的击穿均由气泡内的PD发展而来，因此，不同流速下气泡内的PD剧烈程度对击穿电压有一定的影响，与上述相关性计算吻合。因此，油流速度通过影响预击穿阶段中气泡PD的剧烈程度，进而影响击穿电压。
油流速度除通过改变PD剧烈程度及击穿过程来影响击穿电压外，还会改变气泡通过油道的时间。静止状态下，气泡始终存在于两极板之间，流速越高，气泡通过油道所需的时间越短，导致击穿发生的概率降低。
本文研究了油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响，并结合预击穿阶段气泡行为的差异，分析了油流速度对击穿电压的影响机制，得到了如下结论：
1）在工频负半周中，击穿发生在气相或气相液相组成的混合通道中；在工频正半周中，击穿发生于液相中。
2）静止状态下的击穿电压最低，随着油流速度的增大，击穿电压呈先上升后基本保持稳定的趋势。
3）油流速度可能主要通过改变预击穿阶段中气泡群的排布、气泡尖端的发展方向以及气泡PD强度改变击穿电压。
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Impact of Velocity on Breakdown Characteristics of Transformer Oil Containing Bubbles
Abstract Bubbles are inevitable in transformer oil, which greatly degrade the insulation performance. Under the action of submersible pump and temperature difference, bubbles move with oil flow in oil duct. However, the breakdown mechanism of flowing transformer oil contacting bubbles is unclear. To explore the influence of oil flow rate on the breakdown process of transformer oil, a circulation device of transformer oil and a bubble motion observation system were set up. Breakdown experiments of transformer oil containing bubbles were also performed, and discharge signals, applied voltages and breakdown images were simultaneously collected. The results show that breakdown can be divided into three types according to the difference of bubble behavior in the pre-breakdown stage. The breakdown voltage of flowing transformer oil containing bubbles is always higher than that of the static transformer oil. With the increase of the oil flow rate, the breakdown voltage increases first and then basically keeps stable. The velocity affects the breakdown voltage by changing the arrangement of microbubble groups formed by the bubble burst and the development direction of the bubble tip.
Keywords：Bubbles, transformer oil, breakdown, oil flow rate
中图分类号：TM855
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90196
国家自然科学基金资助项目（51977158）。
收稿日期 2020-06-30
改稿日期 2020-10-27
E-mail: yongzezhangzyz@163.com
潘 成 男，1986年生，博士，副研究员，研究方向为局部放电机理、表面电荷积聚特性。
E-mail: pancheng2036@gmail.com（通信作者）
（编辑 崔文静）