摘要 利用紫外吸收剂调控天然酯绝缘油流注放电的光电离行为，对正负极性流注发光通道轴向长度（速度）、发光照度及流注分支中温度分布等开展定量评估，以解析光电离对流注放电的影响规律。在25 mm针-板电极系统及相近的雷电冲击击穿电压和击穿时间下，流注发光和流注分支的超高速观测结果表明：流注发光通道主要沿针-板电极轴向发展并呈近似直线形态，而流注分支则以树枝形态发展；流注发光通道沿轴向速度可从1～2 km/s激增至5～10 km/s，并以近似直线方式贯穿油隙3～4次，而流注分支轴向发展速度则均保持在0.5～2.4 km/s；整体来看，正、负极性流注的光照度均可高达104 lx，但正极性流注的平均发光照度略高于负极性流注。流注发光通道演变行为表明，发光通道中的光电离呈现为明显的“先激励，再电离”的分级光电离特征；当光电离被紫外吸收剂抑制后，流注趋于产生更多径向发展分支，并因此导致流注轴向停止长度缩短1～3 mm。此外，抑制光电离导致流注通道内最高温度上升约74～220 K，在流注分支通道内产生了更多的高温热点，促进流注形成更多径向分支。分析结果证明，由于抑制光电离削弱了流注分支头部区域的轴向电场强度，从而抑制了流注头部的电子雪崩行为，因此降低了流注分支沿轴向发展速率。
关键词：天然酯绝缘油 流注放电 光电离 流注分支
矿物绝缘油已在变压器、电容器、电缆等充油电力设备中广泛应用了百余年。由于矿物绝缘油含有直链、支链烷烃和环烷烃等非环保成分及高度致癌添加剂，并且其28天生物降解率低于30%，矿物油电力设备一旦发生泄漏事件，会严重污染周边环境[1-3]。天然酯绝缘油作为矿物绝缘油的潜在替代品，其理化与电气性能均能满足普通电力设备对绝缘油的质量要求。天然酯绝缘油28天生物降解率超过95%，同时还具有高燃点、高吸声系数、高介电常数及延长绝缘纸使用寿命等优点[4-6]，已在配电变压器中得到较好的推广和应用。然而天然酯绝缘油在不均匀电场和长油隙条件下的冲击击穿强度显著低于矿物绝缘油，其在电场分布复杂和局部场强高的大型电力设备[7-9]中运行可能出现流注放电和击穿故障，不利于天然酯绝缘油在电力设备中的大规模推广应用。对不均匀电场下天然酯绝缘油流注放电进行研究，不仅可深入认识天然酯绝缘油冲击击穿机理，另一方面可为天然酯绝缘油的绝缘性能提升技术提供理论指导。
阴影法和直接拍摄法是获取流注放电图像的两种主要方法。前者对流注分支通道进行成像，而后者对流注发光通道成像。林翔等[10]采用阴影法系统研究了极不均匀电场和雷电冲击电压下天然酯绝缘油和矿物绝缘油中流注放电的形貌特征，发现天然酯绝缘油中流注分支比矿物绝缘油中流注分支稀疏，且该流注分支更加细长。具体表现为天然酯绝缘油中的流注分支更容易沿着针板电极轴向向前发展，而矿物绝缘油中流注分支主要以随机发散的方式向前发展。与这种发展方式紧密关联的是，在50 mm油隙下，当外施正极性电压达到天然酯绝缘油的击穿电压时，天然酯绝缘油中流注存在较大概率从第二发展模式（1～5 km/s，常称慢速流注）转变为第三发展模式（10～100 km/s，常称快速流注[11]）。而矿物绝缘油中流注需要在外施电压高于加速电压条件下才可能以第三发展模式向前发展。由此可见，天然酯绝缘油中流注分支形貌较细长且易沿着轴向快速发展是天然酯绝缘油在长油隙条件下击穿电压较低的重要原因。因此，研究天然酯绝缘油中流注分支形貌及沿轴向快速发展的影响因素，对于提升天然酯绝缘油的绝缘性能至关重要。
已有学者对绝缘油中流注放电影响因素开展了较多试验研究，包括电压、添加剂及静压力等影响因素[12-15]。S. Ingebrigtsen等[16]研究发现低电离能添加剂可以增强流注的电离程度，降低流注起始电压，从而促进正极性流注快速发展；电子吸附剂可使负极性流注头部区域吸附更多的电子，进一步增强负极性流注头部的电场畸变，从而促进负极性流注的传播[17]。两种添加剂均可使相应极性的流注分支变得更细，发展距离更远。王开正等[18-19]通过仿真建模方法，研究了氧原子对天然酯绝缘油分子前线轨道的贡献。发现在负极性流注放电过程中，天然酯绝缘油分子更易产生强烈吸附电子的含氧自由基，从而成为促进天然酯绝缘油中负极性流注快速发展的重要因素。上述研究结果表明，天然酯绝缘油中流注分支的形貌及发展特征与电离及流注内部电荷特性密切相关。
绝缘油流注通道内部电荷主要由场电离、碰撞电离及光电离等方式产生。其中，场电离和光电离可分别在强电场和含有能量较高的紫外光环境中，通过直接电离分子实现；而碰撞电离需要较大位移完成电子加速，因此，碰撞电离产生电荷耗时较长。部分研究[20]表明场电离和光电离均具有促进流注快速发展的效果。但孙安邦等[21]通过仿真发现在微秒脉冲放电条件下，流注通道内大部分区域难以发生场电离，仅流注头部区域可能存在场电离，因此认为，场电离是流注发展过程中的次要影响因素。I. Madshaven等建立了流注放电的光电离模型，其仿真结果表明光电离是导致慢速流注向快速流注转变的重要原因[22-24]。梁苏宁等采用添加紫外光吸收剂的方法大幅提升了天然酯绝缘油（FR3）的正极性击穿电压和加速电压[25]。显然，光电离是影响天然酯绝缘油流注放电分支形貌及发展特征的重要因素，但光电离对流注分支的影响规律研究几乎为空白，不利于深入理解和提出提升天然酯绝缘油绝缘强度的有效方法。
本文首先介绍天然酯绝缘油中流注放电光电离调控、实验设置及图像解析方法；然后统计分析正、负极性流注发光通道的轴向长度、速度及发光照度等参数随时间的演变规律；对比分析研究添加紫外吸收剂天然酯绝缘油中流注分支形貌和温度分布的演变规律，以系统分析光电离对流注分支发展的影响机理。
紫外吸收剂的电离能和吸收光谱等参数对调控天然酯绝缘油流注放电光电离至关重要，在选用紫外吸收剂时应符合以下原则：首先，紫外吸收剂不能成为流注放电的主要电离物质。如果紫外吸收剂电离能低于或等于天然酯绝缘油分子的电离能，那么紫外吸收剂有较大概率在流注放电过程中成为碰撞电离或者场电离的主要成分，这会破坏紫外吸收剂对光电离的抑制作用。因此，紫外吸收剂的电离能应高于天然酯绝缘油分子的电离能。其次，紫外吸收剂应对紫外光具有良好的吸收能力，以有效削弱流注放电中的光电离。
本文选用UV-1（N-（乙氧基羰基苯基）-N'-甲基-N'-苯基甲脒，
）为紫外光吸收剂。使用Gaussian软件建立了UV-1和甘油三油酸酯分子模型，利用B3LYP/6-311G++(d,p)基组获得UV-1分子的电离能为7.528 eV。UV‑1分子的电离能比菜籽绝缘油中流注放电主要电离物质（甘油三油酸酯分子）[26]的电离能7.223 eV高出4.22%。本文将UV-1在无水乙醇中稀释至0.001%，使用分光光度计获得了吸收光谱，如图1所示；其中天然酯绝缘油（菜籽绝缘油）的吸收光谱为未稀释样品。显然，UV-1对272～345 nm波段的紫外光吸收强于其他波段，稀释至0.001%的UV-1最大吸收值可达1.16。菜籽绝缘油也对紫外光具有较好的吸收能力。其中，未稀释菜籽绝缘油的吸收光谱在252～257 nm和389～394 nm波段出现了局部峰值，分别为4.29和4.12。考虑到UV-1已被稀释至0.001%，因此UV‑1对紫外光的吸收能力远优于菜籽绝缘油。
图1 紫外吸收剂UV-1和菜籽绝缘油的吸收光谱
Fig.1 Absorption spectrum of ultraviolet absorber UV-1 and rapeseed insulating oil
图2所示为课题组搭建的油中流注放电成像阴影成像观测系统。该系统主要由冲击电压单元、光源单元、同步成像单元构成。冲击电压单元含有冲击电压发生器，为本实验提供标准雷电冲击电压（1.2 ± 30%/50 ± 20%）μs[27]；光源单元含有平行光与朗伯漫射光源。两种光源均由恒流电路及恒流电源驱动，发光稳定、无频闪；同步成像单元含有放电油箱、宽带脉冲电流传感器（Pearson 6585）、不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）、示波器（LeCroy WaveRunner 9000）、高速摄像机（FASTCAM SA5, Photron Co.）和超高速ICCD分幅相机（XXRapidFrame, Stanford Computer Optics Inc.）、控制计算机等设备。其中，电流传感器可测量上升时间大于1.5 ns的脉冲电流，测量频带为400 Hz～250 MHz。示波器采样率最高为40 GS/s，可记录精细的电压电流数据；高速摄像机最高帧率为100万帧/s。超高速分幅相机采用棱锥分光结构，内含4台Quik E-dig相机，对200～700 nm波段光线均具有良好敏感水平，该相机最短曝光时间为1.2 ns，可连续拍摄8张图像；在阴影法成像过程中，高速相机与平行光源搭配，超高速ICCD相机与朗伯漫射光源搭配使用，可有效提升相机的成像性能。相机均由示波器输出的单脉冲信号触发同步拍照。本文采用阴影法和直接拍摄法两种成像方式获取25 mm油隙下的流注放电图像数据。
图2 绝缘油中流注放电阴影成像观测系统
Fig.2 Shadow imaging observation system of streamer discharge in insulating oil
由于光电离与流注发光通道密切相关，而超高速相机对光线感知能力优于高速摄像机，因此本文使用超高速相机在无背景光下直接拍摄精细曝光时间1 μs的流注发光通道。为开展流注发光程度的定量评估，本文采用以下步骤校准以确定流注光照度。
首先，在无外施电压条件下按图3所示的成像光路拍摄背景光图像，此时朗伯漫射光源发出的光线经过厚度约150 mm的绝缘油和油箱左、右窗口后射入相机，该光线在位置1和3（见图3中放电油箱旁标记的橙色圆）处的光照度分别为
和
，两者之间的关系可描述为
（1）
式中，
为放电油箱从位置1到3处的透光率。
图3 背景光成像光路
Fig.3 Optical imaging for background light
接着，关闭光源直接拍摄流注发光图像。此时针电极处流注发光需经过约75 mm厚的绝缘油，方可从放电油箱右窗出射。流注发光在位置2和3处的照度分别为
和
，两者之间的关系可描述为
（2）
式中，
为放电油箱从位置2到位置3处的透光率。
由于放电油箱为对称结构，因此透光率与之间的关系可描述为
（3）
根据文献[28]和相机分光方式可构建式（4）和（5）来分别描述光源和流注发出的光线在位置3处照度与图像灰度之间的关系。
（4）
（5）
式中，
和
分别为超高速相机拍摄背景光和流注发光图像的曝光时间；
和
分别为相机感光板的光谱响应系数及图像缩放比例；
和
分别为背景光图像和流注图像的灰度值。最后，联立式（1）～式（5）可求解流注发光照度
。
当放电油箱装满无紫外吸收剂的菜籽绝缘油时，本文采用照度计（泰仕TES-1339）多次测量光源在位置1和位置3处的光照度并计算平均值，分别为6.98×105 lx和2.34×105 lx，可获得放电油箱透光率和分别为33.53%和57.91%。
由于超高速相机无法同时捕获流注发光通道演变的全部动态过程，因此本文进行了大量流注放电实验，发现电压峰值和击穿时间相近的流注放电具有高度相似性。故本文从放电实验数据中挑选出电压峰值和击穿时间相近且曝光时间不同的流注，以研究流注放电至击穿的动态演变规律。
由于超高速相机拍摄的流注发光通道很细且偏暗，因此本文将流注发光图像转换成颜色分明的伪彩图以增强流注发光通道的可分辨性。采用以下配色方案进行伪彩图转换：①将图像灰度值为0～100的流注发光区域映射成从蓝色渐变至暗红色的伪彩色；②将图像灰度值超过100的区域直接映射成暗红色。
考虑到峰值为56～60 kV的冲击电压下，绝缘油中正极性流注放电的击穿时间主要分布在15～16 μs，因此本文采用超高速分幅相机以击穿时间为基准，分三个时段拍摄了相近条件下正极性流注放电发光图像，如图4所示。这三次流注放电的电压峰值和击穿时间分别为56.45 kV、56.45 kV、56.53 kV和15.40 μs、15.72 μs、15.65 μs，对应流注发光图像分别编号为L+1、L+2和L+3。
图4 正极性流注放电发光通道演变过程
Fig.4 Evolution of luminescence channel of positive streamer discharges
从图4中可以看出，在0.212～1.212 μs期间(L+1)，正极性流注首先在针电极处形成极亮的团簇状发光通道。接着，发光通道在1.212～3.212 μs期间向前延伸，但发光通道灰度值比前一时期有较大幅度的下降，下降幅度为40～60。表明流注放电发光通道在剧烈发光后呈现出减弱趋势。然后，发光通道在4.212～5.212 μs期间以近似直线的方式快速向前发展并首次贯穿了油隙，发光通道首次贯穿油隙时间比油隙击穿时间提前约10 μs。发光通道贯穿油隙后没有立刻发生击穿，表明发光通道内可能存在电荷密度低且导电能力较弱的区域。这与长油隙条件下快速流注[29-30]的发光通道含有大量电荷的性质有所区别。在随后的5.212～7.212 μs 期间，发光通道灰度值和面积整体上呈现出逐渐下降的趋势，其中流注发光通道靠近板电极区域在6.212～7.212 μs时期趋近消失。
图4中L+2和L+3流注发光通道演变过程与L+1流注发光通道较为相似。L+2和L+3流注发光通道分别在10.516～12.516 μs及13.514～15.514 μs期间贯穿了油隙。这两次流注放电的发光通道在贯穿油隙之后，大部分区域表现出灰度减弱的趋势。其中L+2流注发光通道靠近板电极区域在12.516～13.516 μs期间趋近消失；L+3流注右侧次要发光通道大部分区域在14.514～15.514 μs期间也趋近消失，且其位于中间发光主通道的灰度相比前一曝光时期有大幅度下降。上述现象表明在油隙彻底击穿前，正极性流注放电的发光通道部分区域会重复发光，发光通道以近似直线的方式重复贯穿油隙3次。
由于在峰值为-86～-87 kV冲击电压下，负极性流注放电击穿时间约22～23 μs。本文以此击穿时间的1/4时段为基准设置曝光时段，分别拍摄了四次相近条件下的负极性流注发光图像，如图5所示。这四次流注放电的电压峰值和击穿时间分别为 -86.35、-86.16、-86.34、-86.43 kV和22.873、22.944、22.502、22.481 μs，相应的流注发光通道分别被编号为L-1、L-2、L-3、L-4。
图5 负极性流注放电发光通道演变过程
Fig.5 Evolution of luminescence channel of negative streamer discharges
图5结果表明，负极性流注发光通道演变过程与正极性流注发光通道相似度较高。在0.268～1.268 μs期间，L-1流注首先在针电极处形成了较亮的团簇状发光通道。但该发光通道最大灰度值91比相近时期的L+1正极性流注发光通道最大灰度值156低63。接着在4.268～5.268 μs 期间，L-1流注也首次贯穿了油隙，同样没有导致彻底击穿。在随后的5.268～7.268 μs 期间，L-1流注发光通道再次衰减。L-2和L-3流注发光通道分别在10.323～13.323 μs和16.295～19.295 μs期间也表现出相似的演变趋势。而L-4流注发光通道在临近油隙击穿的19.29～21.29 μs期间则维持了较稳定的贯穿状态。结合L-1～L-4流注放电发光通道的演变过程，可推测在负极性流注放电至击穿的过程中，发光通道大约会重复贯穿油隙4次。
根据发光原理[31-32]，可推测流注发光主要依赖两种机制：激发态分子退激发发光和电子与正离子复合发光[33]。其中根据分子被激发的方式又可细分为场致激发、光致激发和电子碰撞激发[34]等三种。考虑到流注处于较强的极不均匀电场环境中，可先假定流注发光主要来源于被电场和电子碰撞激发的分子。由于流注分支持续向前发展，流注头部与板电极间的距离越来越短，导致两者之间的电场强度持续增大。同时文献[35]通过仿真模拟表明在流注发展过程中，流注头部可维持较高的电场强度。因此，流注头部到板电极区域的高电场强度可为此区域场致激发和电子碰撞激发提供较稳定的能量，应当促使此区域持续发光。然而流注发光通道重复贯穿油隙和板电极附近区域重复发光行为表明，该区域的分子激发较不稳定。显然，单独的场致激发和电子碰撞激发难以解释流注发光通道的不稳定性。所以还应考虑光致激发及电子与正离子复合等因素。考虑到天然酯绝缘油分子第1激发态能量为4 eV，需波长小于326 nm的紫外光激发。因此，流注发光通道内部分子的光激发由紫外光所致。流注发光通道内的紫外光通常由电子与正离子复合产生。菜籽绝缘油分子电离能高达7.2 eV，假定流注中电子与正离子复合成分子释放的光子能量等于电离能7.2 eV。根据
，流注中电子与正离子复合产生的光子波长最短可达181 nm，属于高能级紫外光。因此该光子不仅足以激发菜籽绝缘油分子发光，还可直接电离油分子或以分级电离模式电离处于激发态的分子，可判定流注发光通道主要为光电离产生区域。
图6给出了从图3和图4中提取的流注最大发光照度随时间的变化行为，并分别从30次相近条件的正极性流注放电和40次相近条件的负极性流注放电发光图像中统计了流注发光通道的平均照度值。图6a正极性流注发光照度数据显示，在油隙击穿之前，L+1～L+3流注发光照度最大值在（0.44×104～2.19×104）lx范围内波动。这表明，虽然曝光时间1 μs的流注发光图像较暗难以被肉眼观察，但其最大发光照度达到了104 lx的水平。流注最大发光照度仅能反映局部区域的发光水平，而光照度平均值则可以较好体现流注整体发光水平。在1 μs左右时，正极性流注平均光照度在（0.43×104～0.64×104）lx范围内波动，高于油隙击穿前其它时期流注平均光照度（0.11×104～0.40×104）lx。虽然流注平均光照度大部分时间只有背景光源的0.16%～0.57%，但仍远高于室内灯光的光照度200 lx。
图6 菜籽绝缘油中流注发光照度随时间变化规律
Fig.6 Time-dependent variation of illuminance of steamer luminescence in rapeseed insulating oil
从图6b负极性流注光照度变化中可以看出，在1 μs左右时，L-1流注最大光照度达到了击穿前的最大值1.30×104 lx。在随后的2～21 μs时期，L-1～L-4流注最大光照度在（0.47×104～1.13×104）lx范围内波动。负极性流注平均发光照度也表现出相同的变化趋势：在1 μs左右时流注平均光照度（0.26×104～0.40×104）lx处于较高水平；而在随后的2～21 μs时期，流注平均光照度（0.11×104～0.27×104）lx处于较低水平。虽然正极性流注电压峰值低于负极性流注，但正极性流注平均发光照度波动范围明显高于负极性流注，具体表现为正极性流注发光通道总体较负极性流注更为明亮，表明正极性流注发光通道的光电离具有比负极性流注更加剧烈的特点。
图7统计了正负极性流注分支与发光通道的轴向发展长度随时间的变化特征。图7中流注分支数据来自电压峰值和击穿时间相近的正负极性流注，其中S+1～S+3和S-1～S-4分别为相近曝光时段的流注分支图像（见附图1和附图2）。
图7 菜籽绝缘油中流注分支与发光通道的轴向长度随时间的变化规律
Fig.7 Time-dependent variation of axial propagation length of streamer luminescence channels and branches in rapeseed insulating oil
图7a中正极性流注数据表明：在0.633 μs时，L+1流注发光通道轴向发展长度（1.4 mm）比S+1流注分支（1.9 mm）短0.5 mm，L+1流注发光通道轴向发展速度2.2 km/s略低于S+1流注分支轴向速度3.1 km/s。在流注放电起始阶段，正极性流注发光通道轴向发展长度和速度与流注分支的差距很小。在随后的4.212～6.212 μs期间，L+1流注发光通道抵达板电极，其轴向速度激增至9.8 km/s。而S+1和S+2流注分支轴向发展速度稳定在0.75～2.4 km/s。此时流注发光通道轴向发展速度显著高于流注分支轴向发展速度。在7.212 μs时，L+1流注发光通道轴向长度发生衰减，降低至11.82 mm，稍低于S+2流注分支轴向长度11.89 mm。在后续时间，L+2和L+3流注发光通道轴向速度均发生了激增和衰减，与L+1流注发光通道较为相似。而S+2与S+3流注分支的发展与S+1流注分支较为相似，它们的轴向发展速度均稳定在0.75～2.4 km/s，直到油隙被彻底击穿。
图7b负极性流注轴向长度变化规律显示：L-1流注发光通道在1.268 μs时的轴向长度（2.8 mm）比S-1流注分支轴向长度（3.3 mm）短0.5 mm，此时对应的轴向发展速度分别为2.2 km/s和2.6 km/s。在负极性流注发展起始阶段，流注发光通道与流注分支在轴向发展长度和速度上的差距较小。在随后的4.268～5.268 μs期间，L-1流注发光通道轴向速度突然激增至9.8 km/s，而流注分支轴向发展速度则稳定在0.5～1.6 km/s，没有发生突变。然后在7.268 μs时，L-1流注发光通道轴向发展长度衰减并再次与流注分支轴向发展长度相近，此时流注发光通道可能与流注分支重合。接着在9.323～21 μs期间，L-2～L-4流注发光通道轴向发展速度也发生了激增（5.1～9.8 km/s），而流注分支发展速度则较稳定。
上述现象表明在击穿过程中，正、负极性流注发光通道的发展过程较为相似。流注发光通道出现多次速度激增，其轴向长度会显著超过流注分支。而流注分支轴向发展速度较稳定，直到临近击穿时才会贯穿油隙。显然，流注发光（光电离）可显著促进流注分支行为。
为解析光电离对天然酯绝缘油流注分支发展和形貌的影响，本文采用高速摄像机拍摄了菜籽绝缘油中流注分支动态过程，如图8所示。图8a中菜籽绝缘油未添加紫外吸收剂；而图8b菜籽绝缘油添加了5% UV-1以抑制光电离对流注放电的影响。两图中施加的雷电冲击电压峰值分别为53.06 kV和53.32 kV，一方面避免贯穿性油隙击穿；另一方面可对比研究流注的发展及其形貌。显然，在电压相近的条件下，未添加紫外吸收剂的绝缘油中流注轴向停止长度为14.49 mm，较含有5% UV-1的绝缘油中流注轴向停止长度（12.08 mm）高出2.41 mm，表明光电离对正极性流注发展具有明显的促进作用。此外，未添加紫外吸收剂绝缘油中流注分支更趋于沿针板电极轴向发展，而包含5% UV-1绝缘油中流注分支则趋于沿针板电极径向发展，说明了光电离可调控流注分支沿轴向或沿径向发展的行为。这与图4中正极性流注发光通道沿轴向以近似直线传播的现象吻合。由于光电离区域与发光通道密切相关，因此沿针板电极轴向的发光通道将在该方向上引发较高光电离效果，产生沿轴向分布的空间电荷使流注分支前端电场发生畸变，从而促进正极性流注分支沿轴向快速发展。
图8 未添加紫外吸收剂的菜籽绝缘油与添加5% UV-1的菜籽绝缘油中正极性流注分支发展过程
Fig.8 Propagation of positive streamer branches in rapeseed insulating oil without ultraviolet absorber and rapeseed insulating oil with 5% UV-1
由于需要先消除背景光的干扰，才可以直观比较流注灰度随时间的变化，因此本文将流注图像灰度统一减去背景图像灰度得到流注与背景的灰度差，并将灰度差沿着针板电极轴向投影，如图9所示。图中灰度差值越小，表明流注灰度绝对值越小，流注颜色越黑；反之则流注灰度值越大，颜色越浅。图9中流注灰度差分布显示，在0.9～1.9 μs和10.9～11.9 μs期间菜籽绝缘油中流注灰度逐渐减小，其中未添加紫外吸收剂绝缘油中流注灰度差最小值分别为‑86.65和-89.36，而添加5% UV-1绝缘油中流注灰度差值更小，分别为‑88.31和‑91.46。在随后的20.9～21.9 μs和30.9～31.9 μs，菜籽绝缘油中流注灰度逐渐增大。此时未添加紫外吸收剂绝缘油中流注灰度差整体上仍高于添加5% UV-1绝缘油中流注灰度差，两者最小值分别为-85.64、-84.76和‑87.73、‑85.81。表明光电离具有增大流注灰度的作用，反之抑制光电离则使流注灰度降低。此外，图9a中绘制灰度差的蓝色线条整体上比图9b更加稀疏，这主要是因为光电离促使流注分支沿轴向快速发展，因而未添加紫外吸收剂菜籽绝缘中油流注偏径向发展分支的数量在整体上比添加5% UV-1菜籽绝缘油中流注少，所以添加5% UV-1菜籽绝缘油中流注分支呈现茂密丛状。
图9 沿针板电极轴向投影获得的正极性流注与背景光灰度差分布
Fig.9 Axial projection of the grayscale difference between the positive streamer and the background light along the needle-plate electrodes
图10a和图10b分别为未添加紫外吸收剂与添加5% UV-1菜籽绝缘油中负极性流注发展过程。两图的电压峰值分别为-76.38 kV和-76.94 kV，均不能使油隙击穿。流注发展图像显示，在相近电压条件下，未添加紫外吸收剂菜籽绝缘油中负极性流注轴向停止长度达到15.64 mm，较添加5% UV-1菜籽绝缘油中负极性流注轴向停止长度（14.32 mm）增加1.32 mm；进一步印证了光电离对负极性流注分支发展的显著促进效果。
图10 未添加紫外吸收剂的菜籽绝缘油与添加5% UV-1的菜籽绝缘油中正极性流注分支发展过程
Fig.10 Propagation of negative streamer branches in rapeseed insulating oil without ultraviolet absorber and rapeseed insulating oil with 5% UV-1
未添加紫外吸收剂与添加5% UV-1菜籽绝缘油中负极性流注灰度差沿针板电极轴向投影如图11所示。从图中灰度差分布可以看出，在0.7～1.7 μs和10.7～11.7 μs期间，负极性流注灰度差整体上呈现为逐渐降低的趋势。其中，未添加紫外吸收剂的菜籽绝缘油中流注灰度差最小值分别为‑92.15和‑96.22，均大于对应时期添加5% UV-1的菜籽绝缘油中流注灰度差最小值（-93.01和-97.38）。在随后的20.7～21.7 μs期间，负极性流注灰度差在茎部和中部区域开始逐渐增大，头部区域仍在持续降低。此时未添加紫外吸收剂菜籽绝缘油中流注灰度差最小值为-95.29，仍稍大于添加5% UV-1菜籽绝缘油中负极性流注灰度差最小值‑95.74。最后在30.7～31.7 μs和40.7～41.7 μs时期，流注灰度差开始整体性增大。此时未添加紫外吸收剂菜籽绝缘油中流注灰度差最小值分别为-88.67和-74.31，高于添加5% UV-1菜籽绝缘油中负极性流注灰度差最小值（-89.05和‑75.82）。注意到图11b中流注灰度差的蓝色线条比图11a更加茂密，表明抑制光电离有利于负极性流注向径向发展。
图11 沿针板电极轴向投影获得的负极性流注与背景光灰度差分布
Fig.11 Axial projection of the grayscale difference between the negative streamer and the background light along the needle-plate electrodes
针对图8中未添加紫外吸收剂和添加5% UV-1的菜籽绝缘油中正极性流注分支，本文利用课题组已建立的流注图像数值解析方法[26]分别估算了它们的温度分布，如图12所示。图中结果表明，在0.9～31.9 μs期间，正极性流注的整体温度均随流注向前发展而不断升高，随后因流注趋于消散而下降。此外，添加5% UV-1菜籽绝缘油中流注温度最大值（1 196.12 K）比未添加的菜籽绝缘油中流注温度峰值（976.05 K）高220.07 K。需要注意的是，添加5% UV-1菜籽绝缘油中流注大部分区域温度均高于未添加紫外吸收剂绝缘油中流注相应值，且含有更多局部热点，这表明光电离被抑制后，正极性流注分支升温趋于增加，与光电离对流注灰度差的影响规律相关联。
图12 菜籽绝缘油中正极性流注温度分布
Fig.12 Temperature distribution of positive streamers in rapeseed insulating oil
本文也估算了图10中负极性流注分支通道的温度分布，如图13所示。在0.7～11.7 μs期间，负极性流注温度持续升高。未添加紫外吸收剂和添加5% UV-1的菜籽绝缘油中负极性流注最高温度分别为2 327.09 K和2 401.62 K。在随后的20.7～21.7 μs，负极性流注上半部分区域（轴向0～6 mm）的温度开始下降，而流注头部区域温度还在持续上升。未添加紫外吸收剂和添加5% UV-1的菜籽绝缘油中负极性流注最高温度分别达到了1 406.01 K和 1 479.32 K。然后在30.7～31.7 μs期间，负极性流注温度整体呈现下降的趋势。未添加紫外吸收剂和添加5% UV-1的菜籽绝缘油中负极性流注最高温度分别为935.34 K 和955.16 K。总体上，添加5% UV-1菜籽绝缘油中负极性流注含有更多的局部热点，其温度比未添加紫外吸收剂菜籽绝缘油中负极性流注更高，两者最高温度差值可达74.53 K。表明抑制光电离也可使负极性流注温度升高。相比于正极性流注，其温升幅值相对较弱。
图13 菜籽绝缘油中负极性流注温度分布
Fig.13 Temperature distribution of negative streamers in rapeseed insulating oil
图14为根据IEC60897标准测量的菜籽绝缘油正、负极性雷电冲击击穿电压随UV-1含量的变化。从击穿电压数据中可以看出，未添加紫外吸收剂时，菜籽绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压分别为58.3 kV和‑88.5 kV。当UV-1含量为2%时，正、负极性雷电冲击击穿电压分别提升至61.79 kV和‑88.94 kV，提升幅度分别为6%和0.5%，UV-1对菜籽绝缘油正极性雷电冲击击穿电压的提升效果比负极性雷电冲击击穿电压更佳。当UV-1含量进一步增加至5%，正极性雷电冲击穿电压增至63.55 kV，提升幅度高达9%。
图14 菜籽绝缘油雷电冲击击穿电压随UV-1含量的变化
Fig.14 Variation of lightning impulse breakdown voltage of rapeseed insulating oil with the content of UV-1
直接光电离的必要条件是绝缘油分子能够吸收能量高于其电离能的紫外光。流注中的紫外光主要由电子与正离子复合产生，然而参与复合的电子通常会先形成负离子再与正离子复合，负离子在复合过程中会吸收部分能量，正、负离子因复合而释放的紫外光能量通常稍低于绝缘油分子电离能[36]。因此，流注光电离应以分级电离的模式发生。由于负离子在流注通道中极不稳定，会再次分解成电子与分子。相比于雷电冲击电压持续时长10～50 μs，负离子对电子的吸附时长较短，约为0.1～0.2 ns[35,37]。因此本文可合理假定流注通道内电荷主要包含电子与正离子[26]。
图15a为天然酯绝缘油中流注分级光电离示意图。天然酯绝缘油分子先被电场激发或者碰撞激发（电子碰撞激发主要发生在流注分支内部），然后被激发的分子再吸收紫外光进而发生电离，产生正离子和电子。这种电离方式可较好地解释流注发光通道的形貌。在流注早期（0～3 μs），由于流注发光通道与流注分支区域重合，流注分支内部具有密度较高的电子，发光通道内的分子除了被电场激发外，还易被电子碰撞激发。此外，流注分支内部也存在大量电子与正离子复合，并释放紫外光。这三种因素共同导致流注发光通道在发展早期阶段呈现为团簇状和微弱发光的分支状。在3 μs后流注已发展至距离针电极5 mm处（见图7），针电极在其前方5 mm处产生的电场强度已有大幅下降[26]，此时流注发展主要由针-板电极电场与流注头部空间电荷叠加的电场共同促进。流注头部空间电荷与针-板电极轴线处电场强度显著高于其他区域的电场强度。因此该区域有较多分子被电场激发至高能级，而其他区域被激发的分子数密度相对较低。由于分级光电离包括分子被激发后再吸收紫外光的多步过程，因而流注分支内部正负电荷复合所致紫外光仅能引发该轴线区域处于激发态分子的光电离。光电离产生的电子得以与发光通道内正离子复合产生了紫外光，可引起流注前端远处已被电场激发分子发生光电离，因此得以促进流注发光通道以近似直线形方式向前传播直至贯穿油隙。
图15 不均匀电场下天然酯绝缘油中流注光电离模型
Fig.15 Photoionization model of streamer in natural ester insulating oil under inhomogeneous electric field
流注内部电荷迁移方式也会影响发光通道照度及光电离的剧烈程度。图15b和图15c分别为正极性和负极性流注光电离原理图。正极性流注内部电子朝着针电极及针板电极中心轴方向迁移，导致电子在中心轴区域聚集，从而增大中心轴区域的电子密度。电子密度增大有利于中心轴区域正负电荷的复合，从而产生更多的紫外光。而负极性流注内部电场正好反向，电子朝着板电极和流注外部区域迁移，导致流注内部电子较为分散，这不利于正负电荷的复合，所以负极性流注发光照度相对较弱。此外，流注头部的空间电荷对流注分支外部区域的光电离也存在一定的影响。其中正极性流注头部因电子快速向针电极迁移而留下较多正离子空间电荷，导致正离子空间电荷加强了流注头部与板电极间电场，进而引起正极性流注头部激发更多分子到较高能级，可能促进后续光电离发生。而负极性流注头部区域电子在向板电极迁移过程中，在负极性流注头部前方易被电负性较大的油分子捕获形成负离子。该负离子空间电荷的积累会削弱流注头部区域的电场强度，不利于电场激发负极性流注头部区域的分子，导致负极性流注头部发生光电离较为困难。因此，即使在冲击电压峰值相差较大时，正极性流注光电离程度较负极性流注更加剧烈，表现为正极性流注平均发光照度仍然稍高于负极性流注。表明抑制光电离对正极性流注可产生更为明显的影响。
光电离对流注分支发展的影响如图16所示。由于流注分支通道具有气体性质，同时具有较高的温度，因此流注分支的发展由其内部温度和空间电荷共同影响。流注分支通道温度较高，促进流注通道向四周膨胀。如图16中（灰色）箭头所示。而光电离有助于流注分支内部和外部产生新的电荷，正、负电荷在电场作用下发生分离，可增强正、负极性流注分支头部区域电场强度，有利于流注头部产生电子雪崩，进而促使流注分支沿着针板电极轴向快速发展，如图16中（紫色）箭头所示。当光电离被紫外吸收剂抑制后，紫外吸收剂将能级较高的紫外光能转换成了流注分支的热能，因此添加UV-1的菜籽绝缘油中流注温度较未添加紫外吸收剂的菜籽绝缘油温度有所升高，并出现更多个局部高温热点。在高温热点的影响下，流注分支更倾向于沿径向发展，具体表现为径向发展流注分支数目增多。从而抑制了流注分支快速沿轴向快速发展，最终导致天然酯绝缘油的雷电冲击击穿电压的升高[25]。
图16 光电离对流注分支发展的影响
Fig.16 Influence of photoionization on the propagation of streamer branches
本文通过添加紫外吸收剂对天然酯绝缘油中流注放电光电离进行调控，解析了正负极性流注发光通道演变规律及光电离对流注分支的影响规律，深入讨论了光电离对流注分支发展的影响机理，为提升天然酯绝缘油绝缘性能提供指导。主要结论如下：
1）在流注发展早期约0～3 μs期间，流注发光通道与流注分支主干区域重合，流注发光通道呈现为团簇状和分支状。大约在3 μs后，流注发光通道以近似直线的方式多次贯穿油隙，直到油隙被彻底击穿。流注发光通道主要以分级电离的模式进行光电离。发光通道在不同时期和位置的形貌与分子激发方式、空间电荷和光电离密切相关。
2）光电离促进流注分支沿针板电极轴向快速发展。光电离可在流注分支内部和外部区域产生电荷。由于流注发光通道近似直线发展，导致光电离产生的电荷也集中在该直线区域，这些正负电荷发生分离后会进一步增强流注分支头部电场强度，有利于引发流注头部形成电子雪崩，从而促使流注分支沿着轴向快速发展。光电离被抑制后，流注分支内部区域出现更多局部高温热点。在高温影响下，流注易发展出更多偏径向分支。抑制光电离削弱了流注分支沿轴向快速发展的趋势，从而可有效提升天然酯绝缘油的雷电冲击击穿电压。
3）流注分支内部电荷迁移及头部空间电荷可显著影响流注发光照度及光电离水平。正极性流注内部电子向针电极及针板电极轴线迁移并集中在该轴线区域，有利于与正离子复合而发出强烈的紫外光。正极性流注头部的空间电荷也有利于增强流注头部电场并促进流注头部前方区域更多分子激发至高能级，有利于后续光电离。而负极性流注内部电子向板电极和流注外部迁移，流注内部电子较为分散不利于正负电荷复合。负极性流注头部电场因负离子空间电荷的积累而被削弱，不利于激发流注前方区域的分子及后续光电离。两个因素共同导致正极性流注发光照度和光电离水平高于负极性流注。
附 录
附图1 正极性流注分支发展过程（分幅相机拍摄）
App.Fig.1 Propagation of positive streamer branches
附图2 负极性流注分支发展过程
App.Fig.2 Propagation of negative streamer branches
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Abstract In order to analyze the influence of photoionization on streamer discharge in natural ester insulating oil, an ultraviolet absorber was used to regulate the photoionization behaviour of the streamer discharge; Axial length (velocity) and illuminance of streamer luminescence channels, temperature of streamer branches were quantitatively evaluated. Under conditions with a 25 mm needle-plate electrodes system, similar lightning pulse breakdown voltage, and breakdown time, the ultra-high-speed observations for luminescence channels and branches of streamers demonstrate that: streamer luminescence channel mainly propagates along the axis of needle-plate electrodes and approximately presents a morphology of straight line, while streamer branches propagate with dendritic morphology; The axial propagation velocity of streamer channel can increase from 1～2 km/s to 5～10 km/s and penetrates the oil gap 3～4 times in an approximately straight path, while the axial propagation velocity of the streamer branches keeps at 0.5～2.4 km/s; Overall, the illuminance of both positive and negative streamers can reach up to 104 Lx, but the average illuminance of positive streamer is slightly higher than that of negative streamer. The evolution of the luminescence channel of streamers reveals that the photoionization in the luminescence channel presents an explicit feature of step photoionization, i.e. "first excitation then ionization"; When photoionization is inhibited by the ultraviolet absorber, streamers tend to produce more radially propagated branches, consequently causing a decrease in axial stop length of streamer by 1～3 mm. In addition, the inhibition of photoionization leads to the increase of the maximum temperature of streamer by 74～220 K and the generation of more high-temperature hot spots in streamer branches, which promotes streamer to generate more radial branches. The analysis and results prove that the inhibition of photoionization weakens the axial electric field intensity in the head region of streamer branches, which can suppress the electron avalanche behavior at the head of streamer, therefore reducing the axial propagation rate of streamer branches.
keywords：Natural ester insulating oil, streamer discharge, photoionization, streamer branches
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220409
中图分类号：TM85；TM21
国家自然科学基金（52177016，52130707，51425702）和高等学校学科创新引智计划（BP0820005）资助项目。
收稿日期2022-03-21
改稿日期2022-04-24
李向荣 男，1989年生，博士研究生，研究方向为高电压绝缘技术。E-mail：731496207@qq.com
王飞鹏 男，1977年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘技术。E-mail：fpwang@cqu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）