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摘要 天然酯作为一种环保低碳液体电介质，被普遍认为是矿物油的良好替代品，但其在高场强、长间隙下的放电特性及绝缘性能尚不清晰。该文以天然酯绝缘油为研究对象，基于电流体动力学方程，考虑多种参与电离的甘油三酯分子的电离能、分子数密度和温度对载流子迁移率的影响，建立天然酯流注放电仿真模型，研究不同雷电冲击电压和放电间隙的流注发展特性及典型分子的电离情况，分析流注模式转换与甘油三酯分子电离的联系，以及油隙对击穿电压的影响。结果表明，天然酯的击穿特性不同于矿物油；流注模式转换与高电离能分子电离有关；间隙小于100 mm时，该模型有利于对雷电冲击电压与油隙关系进行模拟判断。该文可为研究天然酯流注发展特性提供新的思路和依据。
关键词：天然酯 仿真 流注放电 长间隙 高场强 甘油三酯分子
液体电介质具备比气体绝缘介质更高的击穿强度和导热性，拥有比固体绝缘介质更强的延展性和自愈能力，使其广泛应用于防范或快速熄灭变压器、电容器等高压绝缘设备运行中产生的放电。鉴于目前电网设备的绿色发展趋势，且与传统的液体电介质矿物油相比，天然酯绝缘油具有更高的燃点和更好的生物降解率，因而成为前者的潜在替代品[1-5]。此外，天然酯的介电常数更高，使得油纸绝缘系统的电场分布更为均匀[6-8]。尽管天然酯具有众多优秀的物化特性，但其与矿物油在成分和分子结构上的差异造成了两者绝缘性能的差别。在高压应力作用下，液体电介质中的流注放电是电介质击穿的前奏。文献[9]对比雷电冲击电压下流注在天然酯和矿物油中的传播特性得出，相对于矿物油，天然酯中的流注更容易转变成第三模式快流注。此外，天然酯在工作条件下存在显著缺陷，即在局部高场强及较大的放电间隙下的雷电冲击耐受性不足，并且随着电场强度增强和电介质体积增大，缺陷暴露得更明显[10-11]。因此，研究高场强和长间隙下液体电介质中的流注放电具有重要意义。
当电场强度超过液体电介质的电气耐受程度，产生局部放电时形成的预击穿通道被称为流注。G. A. Hebner最早提出流注模式这一概念，O. Lesaint根据流注的极性和传播速度，将正流注分为四种模式：在流注发展初期，速度缓慢，此时流注属于速度1 km/s以下的第一模式慢流注；当达到击穿电压时，流注处于第二模式，速度可达到1 km/s；随着电压达到加速电压阈值，流注会发展成速度高达10 km/s的第三模式甚至更快的第四模式快流注[12]。矿物油主要由芳香烃、链烷烃和环烷烃组成，而天然酯的主要成分是甘油三酯，在分子结构上与矿物油有较大的区别，分子结构的差异导致它们在分子的电离能、参与电离的分子数密度和介电常数等参数都不尽相同。文献[13]开展了天然酯和合成酯的击穿实验，与矿物油对比发现，酯类电介质的流注击穿电压与矿物油相近，但加速电压却有显著差别，天然酯在防止快速高能流注发展方面的能力较差。文献[14]分析了冲击电压下不同间隙的测试实验数据后发现，由于酯类对快速流注的耐受性相对较低，在较大的间隙下，天然酯的雷电击穿电压可能低至矿物油的40%。
流注发展过程中电场强度的变化及流注中载流子的运动规律难以通过实验测量，数值仿真为探究流注放电微观过程提供了新思路[15]。J. G. Hwang等基于泊松方程和载流子对流扩散方程建立了矿物油电流体动力学（Electro-Hydro Dynamics, EHD）流注仿真模型，借助仿真模型探究了矿物油流注放电不同模式转变的背后机制，该模型受到了后续学者们的广泛认可[16]。陈刚等利用载流子密度扰动模拟流注放电过程中的光电离及热电离等其他电离源，建立植物油流注放电分支模型[17]，并将模型应用至天然酯纳米基绝缘油，验证了纳米基绝缘油抑制流注传播能力的优势[18]。但目前对于天然酯在高场强下击穿特性较差的背后机理研究，以及其长间隙下放电的研究，特别是针对天然酯中甘油三酯分子的电离情况与流注放电机制的联系的研究还较少。
本文基于电流体动力学方程的液体介质流注仿真模型，利用密度泛函理论和分子模拟等量子化学方法，求取了表征天然酯的液相电离能数值，考虑载流子的迁移率会受温度的影响，建立了天然酯流注放电仿真模型。计算得到不同雷电冲击电压下和不同放电间隙的流注发展特性及典型分子电离情况，分析并讨论流注的电场分布状况、天然酯中甘油三酯分子的电离情况和各种载流子的分布特性，模拟长间隙下击穿电压与放电间隙的关系。本文的研究成果可为研究天然酯流注发展特性提供新的思路和依据。
本文采用基于电流体动力学（EHD）方程的液体介质流注仿真模型，利用流注中载流子的连续介质模型来解释电荷的产生与捕获机制，从微观角度研究流注发展的物理过程，特别关注放电动态过程中电荷密度、电场强度等参量的变化[19]。式（1）～式（3）分别表示正离子、负离子和电子的产生和捕获过程，通过泊松方程（式（4））耦合了正负离子密度和电子密度，又引入热扩散方程（式（5））来模拟液体中温度的变化及油气的产生。
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式中，E为电场强度；J为耗散电流密度；
为场致电离源项；ρp、ρn、ρe分别为正离子、负离子和电子的电荷密度，其中负离子和电子的电荷密度均为负值；μp、μn、μe分别为正离子、负离子和电子的迁移率；Rpn、Rpe分别为正离子与负离子、正离子与电子之间的复合系数；τa为电子被中性分子吸引而附着在中性分子上的时间；q为元电荷；T、v、ρl、cv、kT、ε分别为油的温度、速度、质量密度、比热容、导热系数和介电常数。而流注放电的时间尺度（ns～μs）很小，油中的速度可以忽略不计，所以式（1）～式（3）中忽略了流体对流项。
电流体动力学通过式（5）中的耗散项将电场和温度耦合在一起，其中耗散电流密度为
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式（6）反映了在电场影响下，自由电荷载流子在油中运动的电功率耗散或产生的焦耳热。
与气态和固态不同，液体的分子结构和行为更为复杂，对于液体电介质高场强主导的电离机制的认识尚不统一。文献[20]借助仿真模型与放电实验相结合，证实了场致电离可能在流注发展过程中起主导作用。场致电离是一种直接电离机制，极高的电场水平导致中性分子中的价电子上升到导带，从而产生自由电子和正离子。正因为产生的电子和正离子迁移率的不对称性，在流注发展的时间尺度内，液体电介质中才能形成显著的空间电荷区，与外加电场强度叠加，从而驱动流注的发展与传播。因此，本文选择场致电离作为流注电荷的产生机制。
场致电离源项为
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式中，ni（i=1, 2,…）为可电离的分子数密度；a为分子间距；h为普朗克常数；m*为分子质量；Δi（i=1, 2,…）为参与电离的分子电离能；γ为电离势能函数参数。
液体电介质的击穿与液体性质密切相关，由式（7）可知，电离能是评估流注起始和传播难易程度的重要分子描述符，流注放电过程中电荷的产生取决于液体中可电离分子的数密度和电离能[21-23]。天然酯主要成分为甘油三酯分子，是通过对大豆油、棕榈油等植物油进行精炼、漂白、脱臭等工艺得到的一种新型绝缘电介质，在电离能、介电常数和可电离分子的数密度等方面与矿物油存在差异。这些因素一起决定了液体绝缘油的放电行为，沿用矿物油的电离能数据不能准确地反映天然酯的放电行为。为了准确地建立天然酯流注放电仿真模型，本文利用密度泛函理论和波函数分析，从微观角度研究天然酯主要成分分子的电离性质，在高精度泛函分析中计算出天然酯主要分子液相下的电离能。选取了分子结构、几何空间结构，以及由结构导致的性质不同的甘油三亚油酸酯、甘油三油酸酯、甘油三棕榈酸酯和甘油三硬脂酸酯四种主要甘油三酯分子作为典型分子。模拟盒子空间中容纳的分子数密度为6.43×1026 m-3，四种分子的比例为2:8:9:1，四种分子比例的选取是对标棕榈油基天然酯实际质量比例。文献[19]表明典型碳氢液体的分子数密度约在1027～1028 m-3之间，而参与电离的分子只占了其中的小部分。甘油三酯分子体积比环烷烃、链烷烃分子都要大，同体积下，天然酯中分子数密度小于矿物油中分子数密度是符合实际情况的。
模拟计算得到液相下天然酯主要分子的电离能与分子数密度见表1。天然酯中的甘油三酯电离能梯度较小，处于7.50～8.88 eV范围内。而矿物油中典型高电离能分子为环己烷，液相下环己烷的电离能高达9.90 eV；低电离能的芳香烃在矿物油中的比例仅有5%，其电离能仅为7.05 eV。有文献表明，在纯环己烷中加入低电离能的芘后，低电离能的芘有效地增加了流注的加速电压，明显抑制了油中快速流注的发展[24]。J. G. Hwang等仿真研究了不同电离能分子对流注模式的影响，验证了P. Biller的猜想，得出了矿物油中含量少、电离能较低的芳香烃是流注发展为第二模式的主要原因，油中含量较多且电离能较高的链烷烃和环烷烃是流注从第二模式转换成第三模式甚至第四模式的原因[16]。天然酯中主要分子的电离能比较接近，并且高电离能分子与低电离能分子的数密度差距不大，这也可能是天然酯有别于矿物油，即其击穿电压和加速电压如此接近的重要原因。
表1 液相下天然酯主要分子的电离能与分子数密度
Tab.1 Ionization potential and molecular number density of the main components of insulating liquids in the liquid phase
分子种类电离能/eV分子数密度/m-3 甘油三亚油酸酯7.506.43×1025 甘油三油酸酯7.622.57×1026 甘油三棕榈酸酯8.802.89×1026 甘油三硬脂酸酯8.883.21×1025 环己烷9.90— 1-甲基萘7.05—
载流子的迁移率也是影响天然酯绝缘油流注击穿过程的关键参数，对预击穿过程中空间电荷区的产生和局部的焦耳加热起着重要的作用。目前，针对获得电介质液体的电荷载流子迁移率，通常有两种实验测量方法：飞行时间（Time of Flight, ToF）法和空间电荷限制电流（Space Charge Limited Current, SCLC）法[25]。其中ToF法用于获得准均匀电场中的载流子的运动，而SCLC法用于在点面电极拓扑中产生的高度发散电场的情况下获得电荷载流子迁移率，并且施加的电场范围也比ToF法的大。文献[26]报道了使用ToF法测得的载流子迁移率比使用SCLC法测得的迁移率值大约低了两个数量级。薛晴江等利用ToF法和SCLC法，获得了矿物油、天然酯的电荷载流子迁移率。在ToF法下，即准均匀电场下，矿物油的电荷载流子迁移率最高，达到了5.3×10-9 m2/(V·s)，而天然酯的电荷载流子迁移率为1.2×10-9 m2/(V·s)；使用SCLC法测得天然酯的电荷载流子迁移率为6×10-9 m2/(V·s)，高于矿物油的4.6×10-9 m2/(V·s)[27]。载流子迁移率与流注传播息息相关。非均匀电场下，矿物油和天然酯的击穿特性存在着显著差异，较低的雷电冲击测试电压就使得天然酯中的正流注迅速发展成为高能快流注，因此SCLC法测得的天然酯电荷载流子迁移率高于矿物油[14]。电场的均匀性对于流注击穿特性也存在影响，因此本文选择外加电场强度较高，且适用于非均匀场的SCLC法测得的电荷载流子迁移率。
而对于液体电介质中电子的迁移率，其数值远远大于电荷载流子迁移率，且易受到温度的影响。此外粘度与温度密切相关，外推粘温关系可以确定迁移率与温度的关系[16,19]。利用洛伦茨半径公式，将天然酯中电子的迁移率与粘度结合。在介电常数为εe的介质中，电子可被建模成一个电荷密度为ρ，半径为Re的均匀带电小球。
组装带电小球的能量为
（8）
根据爱因斯坦的相对论，组装电荷所需的功以能量的形式存储，联立质能方程W=mec2，其中c为自由空间中的光速，me为电子静止质量，可以得到电子半径的表达式为
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其中，q=1.6×10-19 C，me=9.1×10-31 kg，可求得Re= 5.44×10-16 m。
利用瓦尔登法则可以计算得到电子的迁移率为
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式中，η为天然酯绝缘油粘度的代表值。联立式（9）和式（10）求得不同温度下的电子迁移率，见表2。利用非线性拟合函数对电子迁移率随温度变化的数据进行拟合，得到电子迁移率随温度的变化方程和曲线，如图1所示。
表2 不同温度下的粘度与电子迁移率
Tab.2 Viscosity and electron mobility at different temperatures
温度/℃粘度/(mPa·s)电子迁移率/[m2/(V·s)] 00.153 81.01×10-4 200.060 62.66×10-4 400.029 45.49×10-4 600.016 59.75×10-4 800.010 41.55×10-3 1000.007 12.28×10-3 1200.005 13.15×10-3
图1 不同温度下电子迁移率变化曲线
Fig.1 Electron mobility change curve at different temperatures
本文选取了符合IEC 60897标准的针-球电极，针电极的曲率半径为40 μm，球电极的半径为6.35 mm。为探究较长间隙的放电特性，间隙设置为50 mm。
在针电极施加国际电工委员会定义的由两个指数函数相减的标准雷电冲击电压，即
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式中，V0为本文所期望施加的电压峰值；K为无量纲补偿因子，以保证施加电压的峰值等于V0；
和
为时间参数，通过调整和可以调整冲击电压的上升沿和下降沿时间。由于ns级脉冲电压作用时间短，介电击穿场强极高，符合本文探究高场强下天然酯的流注传播特性，因此选择上升时间为100 ns的雷电冲击电压[28]。和分别选择695.6和69.56，计算选取K=1.432。针电极外加电压波形如图2所示。模型中其他主要仿真参数见表3。
图2 针电极外加电压波形
Fig.2 Applied voltage of needle tip electrode
表3 其他主要仿真参数
Tab.3 Other main simulation parameters
参数数值 分子间距a/m3×10-10 正负离子复合系数Rpn /(m3/s)1.64×10-17 正离子电子复合系数Rpe/(m3/s)1.64×10-17 电子吸附时间τa/ns200 分子质量m*/kg9.1×10-32 导热系数kT/[W/(m·K)]0.13 比热容cv/[J/(kg·K)]1.7×103 介电常数ε3.2 绝缘油密度918
本节给出了基于场致电离的天然酯流注放电模型的数值计算结果，模型所使用的电离能、分子数密度及其他各项参数见表1和表3。图3是天然酯流注发展传播过程电场分布形貌，该图展示了一个典型的流注放电过程。采用上升时间为100 ns的100 kV雷电冲击电压，外加电压在间隙产生非均匀的拉普拉斯电场。在场致电离的带电粒子产生机制作用下，甘油三酯分子电离出正离子和电子，受外加电场作用，两者在油中沿着相反方向运动。由于电子的迁移率要比正离子的迁移率高出大约105倍，这使得电子迅速离开电离区往阳极运动，留下的正离子形成了空间电荷区。空间电荷区与拉普拉斯电场产生叠加，驱动着流注沿着z轴往油中更深处发展。在t=90 ns时，电场强度的峰值为2.23×108 V/m，此时电离出的电子和正离子有限，电场增强区域局限于尖锐的针电极附近，流注发展平均速度为0.22 km/s，处于第一模式。随着施加电压不断增大，当t=160 ns时电场强度达到3.3×108 V/m，距离针尖最远的流注尖端电场增强效果最大，流注发展平均速度达到4.53 km/s，流注转变为第二模式。
图3 天然酯流注发展传播过程电场分布形貌
Fig.3 Natural ester streamer development propagation process electric field distribution morphology
天然酯和矿物油在电离能、介电常数等各种参数上的差异导致了流注发展传播的差异。天然酯和矿物油不同电压下流注速度的对比情况如图4所示。图中天然酯和矿物油流注速度实验数据参考文献[29]。对比可知，天然酯和矿物油在50 mm间隙的流注传播速度存在着巨大差异，天然酯流注速度在突破1 km/s后持续显著增加并快速突破10 km/s，流注迅速完成了从第一模式慢流注到第三模式快流注的转变，这也符合天然酯击穿电压和加速电压十分接近的特性。而矿物油的流注速度则缓慢上升，当电压达到250 kV时流注才转变成快流注，其加速电压是击穿电压的两倍多，具有较强的抵抗高场强快速流注的能力。矿物油流注仿真模型的相关参量设置参考文献[30]，处于第二模式的矿物油流注速度仿真数据接近并略高于实验速度数据，但达到加速电压后，仿真流注速度并未骤增，流注并未转变成第三模式快流注，速度反而有下降的趋势。原因在于该文献中模型的相关参量设置，针对矿物油的电离能参量只设置了代表芳香烃、电离能为7.25 eV的低电离能分子。当外加电压继续升高时，含量较低的低电离能分子未能电离出足够的电子和正离子以维持流注的发展与传播，已有文献[16]证明芳香烃等低电离能分子是流注维持第二模式的主要原因，而高电离能的烷烃、环烷烃是矿物油流注转变成第三模式快流注的主要原因。
图4 天然酯和矿物油不同电压下流注速度的对比
Fig.4 Comparison curves of streamer velocity of natural ester and mineral oil at different voltages
针对本文的天然酯流注仿真模型对照发现，在流注处于第一模式慢流注时，仿真流注速度接近且略低于实验数据，随着外加电压达到97 kV，仿真流注速度和实际流注速度均骤增并迅速突破10 km/s，流注转变为第三模式快流注。但处于第三模式的仿真流注速度却远远低于实际流注速度。模型中设置了表征天然酯的四种不同电离能的甘油三酯分子，模拟得出天然酯击穿电压和加速电压接近、流注容易从慢流注发展成为快流注的特性，但对于载流子的产生源只设置了场致电离一项，忽略了流注发展过程中可能的碰撞电离、热电离和光电离等机制。由于缺少多机制的共同作用，载流子的产生数量受到了限制，从而限制了第三模式的仿真流注速度。通常认为流注以恒定速度传播，在击穿之前，流注的速度由停止长度与传播时间的比值计算，一旦发生击穿，则以放电间隙距离和击穿时间来确定。然而，受仿真时间与仿真难度的影响，第三模式仿真流注速度略低的原因也在于该速度并非是流注击穿或流注停止传播前的速度，而是设置的外加雷电冲击电压达到峰值时的流注速度。
由2.1节可以发现，矿物油流注模型缺少高电离能分子参与电离，达到加速电压后，流注速度没有骤增反而呈下降趋势，无法从慢流注转变为快流注。而天然酯模型加入了四种不同电离能的甘油三酯分子，模拟出了天然酯的击穿电压和加速电压相近、对高能快流注的耐受性相对较低的特性。由此可知，参与电离的分子对流注模式的转变有着至关重要的作用。
图5是天然酯中不同电离能的甘油三酯分子在不同电压下的电离情况。图中电离分子种类参考表1，n1和n2分别代表电离能为7.50 eV的甘油三亚油酸酯和电离能为7.62 eV的甘油三油酸酯，n3和n4分别代表电离能为8.80 eV的甘油三棕榈酸酯和电离能为8.88 eV的甘油三硬脂酸酯；z轴是场致电离项的对数值，反映电离分子的电离情况。
图5 天然酯中各甘油三酯分子的电离情况
Fig.5 Ionization of triglyceride molecule in natural ester
在50～70 kV低电压下，低电离能分子率先电离，而高电离能分子的电离程度有限，此时流注处于第一模式。随着电压达到击穿电压，低电离能分子电离速度骤增，产生大量的电子和正离子，驱动流注的发展与传播，流注转变为第二模式。由于天然酯不同电离分子之间电离能和分子数密度差距并不大，随着电压继续升高，高电离能分子参与电离，给第二模式的流注注入了更多自由电子和正离子，流注速度骤增，转变成第三模式快流注。当流注处于第三模式时，各电离能分子的电离趋势放缓，基本不再增加，高电离能分子的电离程度整体小于低电离能分子。由于缺少光电离、热电离等多机制的共同作用，达到第三模式之后，电离速度放缓，导致仿真下第三模式流注速度明显低于实验流注速度。
在均匀场及稍不均匀场雷电冲击电压下，天然酯与矿物油的绝缘性能相当。在长油间隙（一般指间隙≥50 mm）下，非均匀场的研究结果表明，天然酯的击穿电压总体上是低于矿物油的。文献[31]针对长油隙条件下的击穿特性进行了统计，发现长油隙不均匀场条件下天然酯绝缘油的击穿电压与加速电压均低于矿物绝缘油，并且油隙越长，天然酯的击穿电压与加速电压越接近。图6是不同间隙下液体电介质的击穿电压，实验数据参考文献[32]。电极参数设置采用1.4节中符合IEC 60897标准的针-球电极。
图6 不同间隙下液体电介质的击穿电压
Fig.6 Breakdown voltage of liquid dielectric under different gaps
当放电间隙较小时，天然酯和矿物油的击穿电压相近，随着间隙增大，天然酯的击穿电压缓慢上升，远远小于矿物油击穿电压。在较长间隙下，天然酯承受高压的能力相对较差。由于更长的间隙的击穿需要施加更高的电压，进而导致绝缘油受到了更高电场强度的作用，天然酯与矿物油在电离能等方面的差异更是加剧了二者在不同间隙下击穿性能的表现。本文仿真模型模拟了天然酯在不同间隙下的击穿电压，如图6所示，随着间隙的增加，该模型能在一定程度上有利于在更长油隙下对天然酯雷电冲击击穿电压与油隙关系进行模拟判断。本模型目前所使用的电极形状适用于符合IEC 60897标准的针-球电极，电极距离范围在10～100 mm，外加电压波形为上升时间为100 ns的雷电冲击电压。在后续的研究中，将考虑其他电极形状以及更长油间隙等情况的电压与油隙关系的模拟判断。
基于天然酯流注放电仿真模型，本文对比了天然酯与矿物油在不同电压下的击穿特性，探究了天然酯流注传播过程中各甘油三酯分子的电离情况，模拟分析了长间隙下天然酯的放电及发展特征，所得到结论如下：
1）不同于矿物油，天然酯的击穿电压和加速电压十分接近，导致天然酯容易从慢流注转变为快流注。仿真结果表明，天然酯较弱的抵抗高能快速流注的特性与天然酯中不同电离能分子的电离状况存在着紧密的联系。
2）对流注发展中不同电离分子的电离情况讨论发现，在流注发展的初期，低电离能分子的电离贡献了大部分的自由电子和正离子，高电离能分子的电离程度有限。而随着电压的升高，由于天然酯高低电离能分子的电离能差距不大，高电离能分子很快参与电离，为第二模式流注注入足够的载流子，流注完成从第二模式慢流注向第三模式快流注的转变。
3）在较长的油隙中，天然酯的击穿电压远远小于矿物油。长间隙的击穿需要较高的电压，使得绝缘油受到了高电场强度的作用，天然酯与矿物油在电离能等方面的差异加剧了二者在不同间隙下击穿性能的表现。本文仿真模型模拟了不同间隙下天然酯击穿电压的变化曲线，在一定程度上有利于对天然酯雷电冲击击穿电压与油隙关系进行模拟判断。
由于天然酯独特的击穿特性与分子电离能紧密相关，而对于分子构型所引起的天然酯电离能、电子亲和能的分布特征相关研究目前还较少。虽然已有相关研究表明分子构型与电气性能存在一定关联，但仅针对分子结构相关的少数特征及电子结构性质参数与电气性能的构效关系尝试作出解释，并未揭示分子结构影响电气性能的内在机理。未来开展研究的方向应当明晰天然酯分子结构与电气性能的构效关系，利用分子设计实现天然酯电气性能的改进，拓展天然酯的应用场景。
参考文献
[1] 崔鲁, 陈伟根, 杜劲超, 等. 植物油-纸绝缘气隙放电形态及发展特征[J]. 电工技术学报, 2018, 33(3): 618-626. Cui Lu, Chen Weigen, Du Jinchao, et al. Investigation on air-gap discharge patterns and development characteristics of vegetable oil-paper insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(3): 618-626.
[2] 陈刚, 黄正勇, 段瑜, 等. 基于不同油纸介电常数配比的油纸沿面放电仿真[J]. 电工技术学报, 2020, 35(增刊2): 620-628. Chen Gang, Huang Zhengyong, Duan Yu, et al. Simulation of surface discharge based on the different ratio of dielectric constants of oil and papers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S2): 620-628.
[3] Lu Wu, Liu Qiang. Effect of cellulose particles on impulse breakdown in ester transformer liquids in uniform electric fields[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(5): 2554-2564.
[4] 别朝红, 任彦哲, 李更丰, 等. “双碳”目标下城市能源系统的形态结构和发展路径[J]. 电力系统自动化, 2022, 46(17): 3-15. Bie Zhaohong, Ren Yanzhe, Li Gengfeng, et al. Morphological structure and development path of urban energy system for carbon emission peak and carbon neutrality[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46(17): 3-15.
[5] 张永泽, 唐炬, 潘成, 等. 油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响[J]. 电工技术学报, 2022, 37(2): 479-487. Zhang Yongze, Tang Ju, Pan Cheng, et al. Impact of velocity on breakdown characteristics of transformer oil containing bubbles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 479-487.
[6] Zheng Hanbo, Yang Enchen, Li Xufan, et al. Microscopic reaction mechanisms of formic acid generated during pyrolysis of cellulosic insulating paper[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2021, 28(5): 1661-1668.
[7] 陈宝辉, 邓捷, 孙易成, 等. 电场均匀性对细水雾短空气间隙工频放电特性的影响[J]. 电工技术学报, 2021, 36(8): 1734-1742. Chen Baohui, Deng Jie, Sun Yicheng, et al. Influence of electric field uniformity on power frequency discharge characteristics of short air gap in water mist condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1734-1742.
[8] 梁苏宁, 李剑, 王飞鹏, 等. 正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸沿面流注动态变化规律研究[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(1): 156-165, 406. Liang Suning, Li Jian, Wang Feipeng, et al. Study on the dynamic characteristics of streamer along the interface surface of natural ester insulating oil-pressboard system under positive lightning impulse voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(1): 156-165, 406.
[9] Rozga P, Stanek M, Cieslinski D. Comparison of properties of electrical discharges developing in natural and synthetic ester at inception voltage[C]//2013 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Shenzhen, China, 2014: 891-894.
[10] Huang Zhengyong, Chen Xiuping, Li Jian, et al. Streamer characteristics of dielectric natural ester-based liquids under long gap distances[J]. AIP Advances, 2018, 8(10): 105129.
[11] 刘毅, 赵勇, 任益佳, 等. 水中大电流脉冲放电电弧通道发展过程分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(16): 3525-3534. Liu Yi, Zhao Yong, Ren Yijia, et al. Analysis on the development process of arc channel for underwater high current pulsed discharge[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(16): 3525-3534.
[12] Lesaint O. Prebreakdown phenomena in liquids: propagation ‘modes’ and basic physical properties[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2016, 49(14): 144001.
[13] Liu Qiang, Wang Zhongdong. Streamer characteristic and breakdown in synthetic and natural ester transformer liquids with pressboard interface under lightning impulse voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(6): 1908-1917.
[14] Rozga P. Streamer propagation in a non-uniform electric field under lightning impulse in short gaps insulated with natural ester and mineral oil[J]. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 2016, 64(1): 171-179.
[15] 冯谟可, 王傲群, 袁帅, 等. 国产化电磁暂态仿真平台发展方向分析及展望[J]. 电力系统自动化, 2022, 46(10): 64-74. Feng Moke, Wang Aoqun, Yuan Shuai, et al. Analysis and prospect of development of China’s independent electromagnetic transient simulation platform[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46(10): 64-74.
[16] Hwang J G, Zahn M, Pettersson L A A. Mechanisms behind positive streamers and their distinct propagation modes in transformer oil[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, 19(1): 162-174.
[17] 陈刚, 李剑, 黄正勇, 等. 考虑载流子密度扰动的植物绝缘油中初始流注放电仿真[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(3): 1176-1185. Chen Gang, Li Jian, Huang Zhengyong, et al. Simulation of streamer discharge considering carrier density fluctuation in vegetable insulating oil[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(3): 1176-1185.
[18] Chen Gang, Li Jian, Huang Zhengyong, et al. Simulation of the effect of carrier density fluctuations on initial streamer branching in natural ester during pulsed positive discharges[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(5): 1604-1610.
[19] Hwang J W G. Elucidating the mechanisms behind pre-breakdown phenomena in transformer oil systems[D]. Cambridge, MA, USA: Massachusetts Institute of Technology, 2010.
[20] O'Sullivan F M. A model for the initiation and propagation of electrical streamers in transformer oil and transformer oil based nanofluids[D]. Cambridge, MA, USA: Massachusetts Institute of Technology, 2007.
[21] Vanraes P, Bogaerts A. Plasma physics of liquids—a focused review[J]. Applied Physics Reviews, 2018, 5(3): 031103.
[22] 李元, 温嘉烨, 李林波, 等. 液体介质微/纳秒脉冲放电的特性与机理：现状及进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33(6): 6-18. Li Yuan, Wen Jiaye, Li Linbo, et al. Characteristics and mechanisms of streamer discharge in liquids under micro/nano-second pulsed voltages: status and advances[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(6): 6-18.
[23] Zheng Hanbo, Li Xufan, Feng Yongji, et al. Investigation on micro-mechanism of palm oil as natural ester insulating oil for overheating thermal fault analysis of transformers[J]. High Voltage, 2022, 7(4): 812-824.
[24] Holroyd R A, Preses J M, Boettcher E H, et al. Photoconductivity induced by single-photon excitation of aromatic molecules in liquid hydrocarbons[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1984, 88(4): 744-749.
[25] 董明, 杨凯歌, 马馨逸, 等. 纳米改性变压器油中载流子输运特性分析[J]. 电工技术学报, 2020, 35(21): 4597-4608. Dong Ming, Yang Kaige, Ma Xinyi, et al. Analysis of charge-carrier transport characteristics of transformer oil-based nanofluids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4597-4608.
[26] Xue Qingjiang, Timoshkin I, Given M J, et al. Mobility of charge carriers in dielectric liquids[C]//2019 IEEE 20th International Conference on Dielectric Liquids (ICDL), Roma, Italy, 2019: 1-4.
[27] Xue Qingjiang, Timoshkin I, Wilson M P, et al. Mobility of charge carriers in mineral oil and ester fluids[J]. High Voltage, 2021, 6(6): 1040-1050.
[28] 王琪, 王萌, 王珏, 等. 纳秒脉冲下变压器油两相流注放电仿真研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32(2): 63-67. Wang Qi, Wang Meng, Wang Jue, et al. Two-phase streamer characteristics in transformer oil under nanosecond impulses voltages[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32(2): 63-67.
[29] Liu Q, Wang Z D. Streamer characteristic and breakdown in synthetic and natural ester transformer liquids with pressboard interface under lightning impulse voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(6): 1908-1917.
[30] Jadidian J, Zahn M, Lavesson N, et al. Effects of impulse voltage polarity, peak amplitude, and rise time on streamers initiated from a needle electrode in transformer oil[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2012, 40(3): 909-918.
[31] Duy C T, Lesaint O, Denat A, et al. Streamer propagation and breakdown in natural ester at high voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, 16(6): 1582-1594.
[32] 林翔. 植物绝缘油长油隙雷电冲击放电特性研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2017.
Abstract Natural ester, which has a greater ignition point and a better rate of biodegradation than conventional dielectric liquid mineral oil, has emerged as a prospective substitute for the former in light of the present green development trend of power grid equipment. It differ from mineral oil in terms of chemical and molecular structure, which impacts how well they insulate. Dielectric breakdown is preceded by streamer in liquid dielectric under high electric field magnitude. Natural ester streamer has a higher propensity to become 3rd mode fast streamer when compared to mineral oil. Natural esters also suffer from the substantial issue of having insufficient lightning shock resistance when working in areas with strong local fields and wide discharge gaps. This paper develops an enhanced model of natural ester streamer to analyze the process underlying the unique breakdown characteristics of natural ester by investigating the streamer development characteristics.
First, the continuous medium model of carriers in streamer is used to explain the mechanism of charge generation and capture, and the physical process of streamer development is studied from a microscopic perspective, with special attention to the changes of charge density, electric field magnitude and other parameters during the dynamic process of discharge. Secondly, the ionization potentials of different triglyceride molecules representing natural esters were calculated with the help of density flooding theory (DFT) and wave function analysis. Third, considering the temperature for the carrier mobility in the streamer development, and finally adding the standard lightning impulse voltage simulated by subtracting the two exponential functions, the simulation data of the streamer development of natural esters are calculated.
Simulation results for natural esters show that unlike mineral oil, the breakdown voltage and acceleration voltage of natural esters are very close to each other, leading to the easy transition from slow to fast streamer. Discussion of the ionization of different ionized molecules in the development of streamer reveals that in the early stage of development, the ionization of low ionization potential molecules contributes most of the free electrons and positive ions, and the ionization of high ionization potential molecules is limited. And with the increase of voltage, as the ionization potential difference between high and low ionization potential molecules of natural esters is not large, the high ionization potentialy molecules quickly participate in ionization, injecting enough carriers for the 2nd mode streamer, and the streamer completes the transition from the 2nd mode slow streamer to the 3rd mode fast streamer. In long oil gaps, the breakdown voltage of natural esters is much smaller than that of mineral oil. The breakdown of long gaps requires higher voltage, which makes the insulating oil subject to high field magnitude. The difference in ionization potential and other aspects between natural ester and mineral oil intensifies the performance of both in breakdown under different gaps.
Since the unique breakdown properties of natural esters are closely related to the ionization potential of molecules, the distribution characteristics of ionization potential and electron affinity energy of natural esters induced by molecular configuration are less studied. Although some studies have been conducted to show the correlation between molecular configuration and electrical properties, only a few features related to molecular structure and the conformational relationship between electronic structure properties and electrical properties have been attempted to explain, and the intrinsic mechanism of molecular structure affecting electrical properties has not been revealed. The future direction should clarify the conformational relationship between the molecular structure and electrical properties of natural esters, use molecular design to improve the electrical properties of natural esters, and expand the application scenarios of natural esters.
keywords：Natural ester, simulation, streamer discharge, long gap, high electric field strength, triglyceride
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221558
中图分类号：TM214
国家自然科学基金（52277139, 51907034）和广西科技基地和人才专项（2020AC19010）资助项目。
收稿日期 2022-08-11
改稿日期 2022-09-15
郑含博 男，1984年生，副教授，博士生导师，研究方向为电工绝缘新材料及智能配电网。E-mail：hanbozheng@163.com（通信作者）
杨 杭 男，1996年生，硕士研究生，研究方向为液体电介质放电仿真。E-mail：yanghang0596@163.com
（编辑 李冰）