图1 流动变压器油击穿特性试验平台
Fig.1 Experimental platform for breakdown characteristics of the flowing oil
摘要 自由金属微粒的污染是导致油浸式电力变压器绝缘性能下降的重要原因之一，其运动行为与分布规律会受到油流的影响，从而导致变压器油的击穿特性发生变化，目前流动状态下含金属微粒变压器油的击穿特性和机理均不明确。该文利用所构建的流动变压器油击穿特性试验平台，分别开展了无预压和有预压两种方式下变压器油的击穿试验，并记录了击穿前微粒的分布规律以及击穿时刻的放电信号。观测结果表明：无预压时，击穿前油隙内仅存在少量游离的金属微粒，而有预压后微粒则会在油流静止和较低流速时于电极间汇聚，显著提高击穿前的微粒浓度；此外，含金属微粒变压器油的特征击穿电压将随着流速的增大先迅速上升随后逐渐趋于稳定。在流速小于0.25 m/s时，预压后的击穿电压将低于无预压时，随流速的增大而逐渐接近。通过击穿过程观测发现含微粒变压器油的击穿均是由单颗金属微粒引起的，其在靠近上电极时将引发局部放电从而导致击穿的发生。最后，结合油隙内微粒分布的变化情况讨论了油流速度对变压器油击穿特性的影响机制。
关键词：自由金属微粒 流动 变压器油 击穿特性 局部放电
高压直流输电技术（High-Voltage Direct Current, HVDC）具有长距离输送损耗小、输电线路造价低、异步互联能力强、功率灵活可调等优势，逐渐成为了构建现代新型电力系统中不可或缺的一部分[1-3]。换流变压器作为高压直流输电系统中的关键设备，其安全稳定运行对整个直流输电系统至关重要[4-5]。变压器油常用作换流变压器的液体绝缘介质，其绝缘强度直接影响着设备的运行。然而，由于变压器设备振动、主绝缘老化、油泵损耗等原因，变压器油不可避免地会受到自由金属微粒的污染[6-8]。金属微粒具有极强的导电性，在靠近变压器内部导体时极易造成电场的严重畸变，引发局部放电（Partial Discharge, PD）[9-10]与绝缘击穿[11]，导致严重的绝缘事故。
工程上常用经典的“小桥理论”来解释含杂质变压器油的击穿现象。然而由于强迫油循环和局部温度梯度的存在，油道中的变压器油常常处于流动状态[12]。油流的存在将改变杂质微粒的运动与分布，使传统的小桥理论不再适用。因此，探究含金属微粒流动变压器油击穿特性，掌握金属微粒对击穿的影响机制，可有助于丰富和发展流动液体电介质的击穿理论，具有重要意义。国内外学者针对含金属微粒变压器油的击穿特性开展了部分研究。F. Carraz等研究了mm级柱状金属微粒对变压器油在准均匀交流电场中击穿特性的影响。结果表明：随着金属微粒尺寸的增大，变压器油的击穿临界电场值从80kV/cm降至25kV/cm，并且变压器油的击穿仅在金属微粒与高压电极接触时发生[13]。曼彻斯特大学的Z. D. Wang等在不同种类变压器油中金属微粒运动特性研究的基础上，统计了微粒对各类变压器油击穿特性的影响，发现变压器油的击穿电压随金属微粒浓度的增加而逐渐降低，且矿物油的击穿电压随金属微粒浓度增加而下降的速度比酯类变压器油快得多[14]。重庆大学李剑等研究了μm级铜颗粒对植物油击穿强度和频率特性的影响。其测量了含有不同数量铜微粒时污染植物油的交流击穿电压以及频率相关介电性能。结果表明：随着铜颗粒浓度的增加，植物油的交流击穿电压降低，微粒的中值尺寸越大，油的击穿电压越低[15]。重庆大学的王有元等学者实验研究了固体颗粒对绝缘油击穿强度的影响，得到了不同电压类型下固体颗粒浓度与绝缘油击穿强度之间的函数关系。实验结果表明：电压类型、颗粒种类以及颗粒浓度对绝缘油的击穿电压存在显著影响。其认为绝缘油中固体颗粒在电场下形成固体颗粒小桥是导致绝缘油击穿电压下降的主要原因[16]。重庆工商大学陈彬等通过对多组不同粒径、不同污染度的含Cu、Fe、SiO2颗粒污染物油样进行击穿电压性能测试，获得了不同组分和颗粒含量对油液击穿电压的影响规律。其结果表明随着Cu、Fe、SiO2颗粒含量的增加，油液的击穿电压减小；颗粒污染物在5～25 μm范围内对油液击穿电压影响较为显著，且粒径越大，油液击穿电压值也越大[17]。然而，上述研究均在静止变压器油中进行，武汉大学唐炬等学者对含金属微粒流动变压器油的击穿特性开展了初步研究，结果表明：变压器油的流动对其击穿电压有明显的提升作用[18]，流动变压器油的击穿电压随油温的升高先增加后降低[19]。此外，与普通电力变压器不同，换流变压器主绝缘承受电压常包含不同比例的直流分量。直流电压的存在将导致金属微粒更易在油隙内聚集，造成击穿电压的显著降低[20]。但是，现有研究中对于直流电压下流动油中颗粒分布与击穿特性的关联关系鲜有探讨。
针对上述问题，本文以变压器油循环流动装置为主体，构建了流动变压器油击穿特性实验平台，开展了不同流速下变压器油击穿特性实验，并利用高速相机拍摄了不同条件下预击穿过程中金属颗粒的分布影像；同时，利用所构建的采集系统分别捕获了击穿时刻的影像与放电信号，对流动油中金属微粒引发击穿的原因进行了讨论；最后，结合油中金属微粒分布情况分析了油流速度对变压器油击穿特性的影响机制。
为详尽地获取金属微粒污染对变压器油击穿特性的影响，本文构建了如图1所示的流动变压器油击穿特性试验平台。其中，变压器油循环流动装置主要由主油道、离心式油泵、温度控制系统、流速控制系统、压力计、电极等部分组成。主油道由有机玻璃制作而成；离心式油泵驱动变压器油在系统中循环流动。流速控制系统通过变频器改变油泵转速，进而控制油流速度，同时入口处的超声流量计对油流速度进行实时监测。依据变压器运行规范，同时为了防止油流带电，目前国内变压器油道内油流速度不超过0.3 m/s[21]，故试验过程中控制油流速度为0～0.3 m/s。温度传感器、加热电阻（DRQ-21）以及温控仪等部件组成的温度控制系统实时监测与调节装置内变压器油温度，试验过程中控制油温为50℃。同时，参考IEC 60156设计了一对球-球电极[22]，用于模拟实际油道中的非均匀电场。电极直径为35 mm，电极厚度为10 mm，上、下电极尺寸一致。上、下电极弧顶间距2.5 mm，以模拟实际设备中水平油道[23]。主油道上方油枕瓶与外界连通，确保试验过程中下平台内部压力始终与外界保持一致。
图1 流动变压器油击穿特性试验平台
Fig.1 Experimental platform for breakdown characteristics of the flowing oil
试验时，采用大连泰思曼公司生产的高压直流电源（TRC2025 100P）向高压级施加直流高压。从分压器引出的电压信号通过衰减探头接入数字示波器（Tektronix DPO7104）。为记录油隙击穿过程中产生的放电信号，在回路中接入高频CT传感器（HFCT 39），并通过衰减保护探头接入示波器。试验过程中采用高速摄像机（Phantom V2512，最高帧率106 f/s）记录微粒分布情况与击穿影像，试验中相机帧率设置为50 000 f/s，并利用高强度无频闪LED冷光源（AIT-100型）对油道内部进行补光，确保图像的清晰度。捕捉到的影像传输至计算机进行保存。同时，为实现击穿时刻放电信号与击穿影像的同步采集，构建了基于晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）电平信号的同步采集系统。将传感器测量得到的击穿电信号作为示波器的触发源，触发后示波器会通过辅助输出接口同步输出一组TTL电平，并以该电平作为高速相机的外部触发条件，即可实现放电信号与击穿影像的同步采集与存储。
本文的试验变压器油为实际变压器中常用的克拉玛依25号变压器油[21]。试验前，先对变压器油进行过滤、真空脱气、干燥、冷却等处理，然后通过注油口将处理后的变压器油充满油道。CIGRE报告中指出，实际运行变压器中正常污染等级下金属颗粒浓度可达到4 000颗/100 mL，其中以直径大于100 μm的微粒对绝缘危害最为严重[24]。因此，为了近似模拟实际污染条件，同时向装置内注入6.2 g直径约为150 μm的铁微粒，此时装置内部微粒浓度可达到3 500颗/100 mL，对应NAS1638污染度等级的3～4级水平[25]。开启油泵10 min，使油道内的金属微粒与变压器油充分混合后方可开始试验。
试验中分别采用无预压和有预压两种方式，其示意图如图2所示。无预压时，直接利用直流源在电极两端施加正极性直流电压，并以1 kV/s的恒定速度逐步升压直至击穿发生；有预压时，为模拟实际变压器内部电场强度[26]，先向电极两端施加+10 kV的预压共计20 min以使金属微粒的分布状态达到稳态[27]，随后再以1 kV/s的速度升高电压至击穿发生。此过程中，利用高速相机分别对电压施加0 s时、升压至10 kV或10 kV预压结束时、击穿发生前1 ms时油隙中微粒分布进行拍摄，并分别记录为①、②和③时刻。击穿发生后，记录击穿电压Up，存储放电信号与击穿时刻的影像。每个流速下的击穿测试重复10次，每两次试验间隔不少于 5 min，以减少空间电荷和击穿产物的影响。
图2 击穿试验加压模式示意图
Fig.2 Schematic diagrams of pressurization modes
为了探究金属微粒分布对变压器油击穿特性的影响，所拍摄的升压过程中油中金属微粒分布变化情况如图3和图4所示。结果表明，当采用无预压的加压方式时，电压施加瞬间，静止油隙中存在少量游离的自由金属微粒。当施加电压逐步升高至10 kV后，油隙内微粒分布变化不明显，而击穿前 1 ms时油隙内的金属颗粒浓度略有升高；但是当变压器油流动后，间隙内的微粒浓度在电压升高过程中变化却较小，击穿前微粒分布状态并未发生明显变化（见图3b、图3c）。
图3 无预压时预击穿过程中的微粒分布
Fig. 3 Particle distribution in pre-breakdown process without preload
图4 有预压时预击穿过程中的微粒分布
Fig.4 Particle distribution in pre-breakdown process with preload
当采用有预压的加压方式时，间隙内的微粒的初始分布情况与无预压时基本相同。但在预压结束后，静止油隙中大量的金属微粒汇聚于上下球电极的弧顶之间，微粒浓度较①时刻显著升高。随后外施电压将被逐步提升，击穿前1 ms时间隙内的颗粒汇聚依然存在，但浓度有所降低，可能的原因是随着电压的升高原本汇聚在间隙内的颗粒获取了更大的动能，颗粒间相互碰撞更为剧烈和频繁，进而导致部分颗粒从油隙间脱离。当变压器油以0.1 m/s的速度流动时，预压结束后金属颗粒同样会在间隙内汇聚，但微粒浓度较静止油中略有下降。此后随着外施电压的升高，击穿前微粒的聚集浓度将进一步下降，但仍高于无预压时；当流速升高至0.3 m/s后，仅有少数颗粒能够在预压结束后在油隙内汇聚，击穿前1 ms时油隙内金属颗粒分布情况与无预压时基本相同。
两参数Weibull分布模型由于其适用性强而被广泛用于分析绝缘介质击穿电压统计规律[11,15,20]，本文采用其对不同流速下含微粒变压器油击穿电压进行分析。两参数Weibull分布模型的失效分布函数为
（1）
式中，t为变量，此处为试验获得的流动变压器油击穿电压，随着t的增大，变压器油的失效概率增加；α为尺度参数，当外加电压为α时，绝缘累计击穿概率达到63.2%，可用于描述绝缘油的特征击穿强度；β为形状参数，其数值决定了威布尔分布曲线的形状，代表击穿概率随外加电压增大的变化速率[15]。本文通过获得的击穿试验数据对变压器油失效分布函数中的α、β进行估计，进而确定Weibull分布模型。
式（1）可进一步变化为
（2）
（3）
故尺度参数α和形状参数β可利用最小二乘回归方法获取。
当采用无预压的加压方式时，不同流速下纯净变压器油与含微粒变压器油的击穿电压Weibull分布如图5所示。与纯净变压器油相比，含金属微粒变压器油的击穿电压Weibull分布曲线明显向左偏移，即金属微粒显著降低了绝缘油的击穿电压。同时对于纯净变压器油而言，其击穿电压的Weibull曲线随油流速度的变化并不明显，而含金属微粒变压器油的分布曲线则会随着流速的增加而右移。当采用有预压的加压方式时，不同流速下的击穿电压Weibull分布如图6所示。同样，金属微粒的染污使得变压器油的击穿电压Weibull曲线向左移动。当变压器油流动时，纯净油样的击穿电压分布曲线变化较小，而染污油样的击穿电压分布曲线则会随着油流速度的增大持续向右平移，这表明油流的存在显著提高了绝缘油样的耐受强度。
图5 变压器油无预压时击穿电压的威布尔分布
Fig.5 Weibull probability distribution of breakdown voltages without preload
为进一步定量说明不同加压方式下流动油击穿特性的差异，依据上述直流击穿电压Weibull分布，对不同条件下的尺度参数进行了统计计算，提取了各流速下不同油样特征击穿电压的变化曲线，如图7所示。结果表明，纯净变压器油的特征击穿电压随油流速度和加压方式的变化较小；而对于含金属微粒变压器油而言，其无预压时的特征击穿电压在油流静止时达到最小值的47.1 kV，并会随着流速的增大先迅速上升，随后逐渐趋于稳定。同样，染污变压器油有预压时的特征击穿电压亦在静止油中达到最小值37.9kV。当流速升高至0.05 m/s时，其迅速增加至51.3 kV，此后在波动中缓慢上升并趋于稳定。此外，在油流速度小于0.25 m/s时预压后变压器油的击穿电压将低于无预压时，且随着流速的升高二者逐渐接近。可见，金属微粒的引入使变压器油的击穿电压下降了超过30%，显著降低了变压器油的绝缘强度，而油流速度的升高对提升油样的绝缘耐受强度有着显著的作用。
图6 变压器油有预压时击穿电压的威布尔分布
Fig.6 Weibull probability distribution of breakdown voltages with preload
图7 不同流速下变压器油特征击穿电压
Fig.7 Characteristic breakdown voltages under different flow velocities
为了厘清金属微粒染污时流动变压器油的击穿机制，利用所搭建的同步采集系统分别记录了击穿时刻的放电信号与击穿影像。无预压时变压器油的典型击穿过程与放电信号如图8所示。以流速为0.2 m/s时的结果为例，图中将变压器油中发生贯穿性电弧击穿的时刻设为基准时间，击穿发生前，油隙间存在游离的金属微粒，其中存在某典型金属微粒于-40 μs时向上电极靠近，并在-20μs时该微粒与电极表面接触。此后，将在该微粒与电极的接触位置形成贯穿两极的明亮电弧，迅速导致整个间隙的击穿（由于电弧发生瞬间高速相机会受到较大的电磁干扰，致使该帧的图像出现错帧现象，电弧未完整捕捉）。击穿发生后变压器油将分解并形成明显的气相放电通道，通道内部明亮，在通道旁侧出现了数条较为明显的树丛状流注；此后气相通道内将持续发生贯穿性放电（如160 μs时刻所示）。此外，由上述击穿过程中所采集到的电信号图像可知，在击穿前时刻，金属微粒在电极间的运动引发了多次局部放电（如-2.06 ms时），且放电均发生在微粒靠近电极表面时。0时刻，典型金属微粒靠近上电极表面，引发了一次较为剧烈的局部放电，随后导致间隙的贯穿性击穿。进一步地，气相放电通道内部发生多次贯穿性放电，放电信号幅值间歇性地发生剧烈振荡。此外，当流速改变时，变压器油的击穿过程并未发生明显变化，仅击穿发生的位置沿流速方向发生了位移。同时，大量结果表明，有预压时变压器油的典型击穿过程与无预压时并无明显差异，即间隙击穿均是由靠近电极表面的单颗金属颗粒引发的。因此图9中仅给出了有预压时的一组典型结果（流速0.2 m/s）。
图8 无预压时不同流速下变压器油击穿过程
Fig. 8 Typical breakdown process of oil under different velocitieswithout preload
图9 有预压时含微粒流动变压器油击穿过程（0.2 m/s）
Fig.9 Typical breakdown process of flowing transformer oil with preload (0.2 m/s)
上述结果表明，变压器油的击穿与油中金属微粒的运动情况息息相关，油中游离的微粒在接触电极表面时会诱发局部放电，从而导致击穿的发生。金属微粒具有极强的导电性，其在间隙内运动时会导致局部电场发生较为严重的畸变，当局部电场强度超过绝缘油的耐受能力后，PD将会发生。为进一步探究金属微粒对油中电场的畸变作用，基于COMSOL有限元软件，对含微粒变压器油在击穿前时刻的电场分布进行了仿真计算。以无预压、0m/s时的结果为例，依据所拍摄到的击穿前一帧微粒分布影像，利用运动分析软件ImagePro提取各微粒的坐标，进一步建立计算模型，获取电场分布，结果如图10所示。表1中给出了相关的仿真参数以便读者参考。其中金属微粒带电量Q0可根据文献[28]中的方法获得，带电量极性依据微粒运动方向确定。
图10 含金属微粒变压器油中电场分布
Fig.10 Electric field distribution in transformer oil containing metallic particles
表1 仿真参数
Tab.1 Characteristic parameters of simulation
参数数值 外施电压U0/kV47 电极间距D/mm2.5 变压器油粘度η/(Pa·s)0.005 9 变压器油密度ρ/(g/cm3)0.854 相对介电常数εr2.2 油流速度u0/(m/s)0 微粒密度ρp/(g/cm3)7.85 微粒带电量Q0/pC±13.8 微粒半径R/μm75
计算结果表明，运动的金属微粒将严重使变压器油中的电场发生畸变。图10中给出了对电场畸变最为严重的三种情况。当金属微粒运动至电极附近时，微粒与电极之间的油隙内电场强度将显著增大（见图10a和图10c）。在击穿前时刻，此处的局部电场强度值均已远远超过20 kV/mm，远大于绝缘油的耐受电场强度[16]。此外，当携带异种电荷的金属微粒之间相互靠近时，微粒间短油隙内的电场同样会严重畸变，降低绝缘油的耐受能力。综上，局部放电极易在金属微粒靠近电极表面时发生，短油隙内的绝缘油被击穿和分解，微粒与电极发生电荷交换，致使金属颗粒与所接触电极电位相等。由于放电过程极短，金属微粒的短程位移可忽略，放电发生后微粒将被视为电极表面的“金属突出物”缺陷，进一步诱发微粒周围变压器油的电离与分解。当微粒数量较多时，油中电场存在较多的畸变位点，促进油中流注的形成，引发间隙的击穿。此外，有研究指出，变压器油中正极性流注的发展速度较负极性高[29]，因此变压器油的击穿多发生在金属微粒与上电极接触时。
含金属微粒变压器油的击穿电压会随着油流速度的升高而增大并逐渐达到稳定，两种加压方式下变压器油的击穿特性差异显著。为了厘清油流速度对含金属微粒变压器油击穿特性的影响机制，依据大量试验中所拍摄的击穿前间隙内金属微粒的分布影像，基于Matlab和Image Pro软件所编写的图像处理程序对不同条件下③时刻的微粒像素点数进行了提取，以定量反映油隙内微粒的浓度，并依据3.1节的仿真方法对不同流速时击穿前油隙平均电场强度进行了计算，结果如图11所示。可以看出，油流速度的增加会改变金属微粒的运动规律与分布状态，进而影响变压器油中的电场分布，改变击穿电压。随着油流速度的增大，两种加压方式下油隙内的金属微粒浓度均有明显下降，流速由静止升高至0.05 m/s时金属微粒浓度下降速度最快。微粒数量的降低一方面使油隙内局部畸变的强电场区域减少，进而导致平均电场强度的降低；另一方面同样降低了微粒与电极的碰撞次数，减少了PD发生概率，使油中流注形成更为困难，从而使击穿电压升高；有预压时，金属微粒将在油流静止和较低流速时于电极间汇聚，尽管外施电压的升高将导致部分微粒从间隙内脱离，但依旧使击穿前的微粒数量较无预压时显著升高，从而使油隙内电场畸变更为严重，增加了击穿发生的可能性，导致预压时的击穿电压低于无预压时；但是随着流速的进一步升高，预压过程中金属微粒难以在电极间汇聚，两种加压方式下击穿前的微粒浓度逐步趋于相同，从而使击穿电压逐渐接近。
图11 击穿前金属微粒像素数及油隙平均电场强度
Fig.11 Pixel number of particles and the average electric field strength before breakdown
尽管含金属微粒变压器油的击穿过程具有较大的随机性，所捕获的放电信号和击穿影像也各不相同，但2.2节所述的结果均表明流动变压器油的击穿是由单颗金属微粒在靠近电极时引发的。图12给出了含金属微粒变压器油击穿过程的示意图。金属微粒携带负电荷后，将在电场力的作用下向高压电极运动。在靠近高压电极表面时，此处的电场将严重畸变，超过油中局部放电的起始场强。微粒与电极间发生剧烈的局部放电，两者之间发生电荷交换，导致微粒所携带电荷极性发生变化，二者处于等电位，金属微粒相当于高压电极上的突出物，会造成电场的严重畸变。同时，游离金属颗粒也将使油中出现多处局部畸变的强电场，促进了流注的形成。此后，当外施电压足够大时，将从金属微粒碰撞处形成完整的油中流柱，引发贯穿两级的明亮电弧，造成变压器油的电击穿。变压器油在电弧的作用下发生分解，形成贯穿的气相通道，此后，通道内存在大量正、负离子，致使后续击穿的发生。即使采用有预压的加压方式时部分微粒会在间隙内汇聚，但击穿前微粒的高速运动将使杂质小桥无法形成，一旦由靠近电极的典型金属微粒引发击穿后，油中流注发展速率较油流速度高出数个量级[29]，因此油流速度的变化对油中击穿通道的发展进程无明显影响。
图12 流动变压器油典型击穿过程示意图
Fig.12 Schematic diagram of typical breakdown processes
本文利用所构建的流动变压器油击穿特性试验平台，分别开展了无预压和有预压方式下流动变压器油击穿特性试验研究，并结合预击穿过程中微粒的分布情况分析了油流速度对变压器油击穿特性的影响机制。得到了以下结论：
1）金属微粒的引入会使流动变压器油的绝缘耐受能力显著下降。当油中直径约为150 μm的金属微粒数量达到3 500颗/100 mL时，变压器油的直流特征击穿电压下降了超过30%。染污油样的特征击穿电压将先随流速迅速上升，随后逐渐趋于稳定。在油流速度小于0.25 m/s时，预压后的击穿电压将低于无预压时，但随着流速的继续升高二者逐渐接近。
2）含金属微粒变压器油的击穿是由靠近上电极表面的单颗金属微粒引起的，其与电极接触时将导致局部电场的严重畸变从而引发局部放电，放电发生后金属微粒可视为高压电极的“金属突出物”缺陷，进一步诱发间隙击穿。
3）油流速度会通过改变预击穿阶段金属微粒的分布情况来影响击穿特性。随着流速的增加，预击穿过程中油隙内微粒数量逐渐减少，进而降低了击穿发生的可能性；在10 kV预压20 min后，金属颗粒能够在静止和低流速油隙内部汇聚，提高了击穿前微粒浓度，油中电场发生畸变，从而导致击穿电压的进一步降低。此外，由于油中流注的发展速率显著高于油流速度，流速的变化不影响变压器油击穿通道的发展进程。
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Abstract The presence of free metallic particles in power transformer oil poses a significant threat to its insulation due to their conductivity and their ability to distort the electric field. With the increasing rated voltage levels, the negative effects resulting from particle motion and accumulation have gained considerable attention. However, previous investigations have primarily focused on static liquid conditions, overlooking the fact that transformer oil in operational equipment keeps consistentlyflowing due to circulation systems and temperature gradients. The motion behaviors of metallic particles are altered by the flowing of oil, consequently affecting the breakdown characteristics of contaminated oil. The breakdown characteristics and mechanisms of transformer oil containing metallic particles under flowing conditions are not well understood.
Therefore, this study aims to address this knowledge gap. Before the test, 6.2 g of metallic particles with a diameter of ～150 μmare injected into the circulating system of transformer oil, with a particle concentration of 3 500 pieces/100 mL. The flow velocity of the transformer oil is controlled by adjusting the oil pump speed. Experimental tests on the breakdown characteristics of flowing transformer oil are conducted, using a custom-built experimental platform. And two types of breakdown tests, without preload and with preload, are performed. During the experiments, a synchronized data acquisition system comprising a high-speed camera and oscilloscope is employed to record the distribution of metallic particles before breakdown and the discharge signals at the moment of breakdown.
The results indicate that the presence of metallic particles significantly reduces the insulation withstand capability of flowing transformer oil. Compared to pure transformer oil, the DC breakdown voltage of oil decreases by more than 30%. Furthermore, the characteristic breakdown voltage of contaminated oil initially exhibits a rapid increase with flow velocity and then gradually stabilizes. When the oil flow velocity is below 0.25 m/s, the breakdown voltage after preload is lower than that without preload. However, as the flow velocity continues to increase, the two values gradually converge.
Finally, the influence mechanism of oil flow velocity on the breakdown characteristics of transformer oil is discussed in conjunction with the variation in particle distribution in the oil gap. The images captured before breakdown indicate that the breakdown of transformer oil containing metallic particles is primarily caused by individual metallic particles in close proximity to the energized electrode surface. When these particles come into contact with the electrode, it results in severe distortion of the local electric field, leading to partial discharge (PD). Following discharge, the metallic particles can be regarded as metallic protrusions on the high-voltage electrode, further contributing to gap breakdown. The oil flow velocity affects the breakdown characteristics by modifying the distribution of metallic particles during the pre-breakdown stage. As the flow velocity increases, the number of particles in the oil gap gradually decreases, reducing the possibility of breakdown. After preload for 20 minutes at 10 kV, metallic particles tend to accumulate in stagnant and low-velocityflow. Thereby, the particle concentrationprior to breakdownincreases and the electric field in the contaminated oilis distorted, resulting in a further reduction of the breakdown voltage.
Keywords：Free metallic particles, flow velocity, transformer oil, partial discharge, breakdown characteristic
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L10108
中图分类号：TM855
国家自然科学基金资助项目（51977158）。
收稿日期 2023-02-24
改稿日期 2023-05-30
姚雨杭 男，1997年生，博士研究生，研究方向为高电压设备绝缘状态监测。Email：yao_yh@whu.edu.cn
潘 成 男，1986年生，博士，副教授，研究方向为电力设备状态监测与诊断、新型电工材料与装备开发。E-mail：pancheng1986@whu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）