图1 试验装置示意图及实物
Fig.1 Schematic and photograph of the test setup
摘要 变压器内部温度的改变会使油-纸绝缘中水分分布和聚集位置发生改变，而局部高含水量会严重影响油-纸绝缘的电气强度。因此，有必要研究温度对油-纸绝缘界面处微水迁移与局部放电（PD）的影响。该文利用楔形-板电极，研究了升温、起泡及降温过程中不同含水量（WC =3.61%和5.76%）的油-纸绝缘体系在水分瞬态作用下的PD特性。在温度变化过程中，持续监测油的温度、含水量和水活性，并采用升压及恒定电压法进行PD试验。试验结果表明，温度升高，油-纸界面处局部放电起始电压（PDIV）短时增加，随后PDIV开始逐渐降低且PD强度突然增强。两种含水量体系的油中含水量均逐渐增加。油浸纸板含水量越高，从纸板进入油中的水分越多。气泡出现，PDIV快速下降，油中含水量急剧增加。降温阶段，两个体系的PDIV呈现先减后增趋势，与之相对应，PD强度呈现先增后减趋势，且PD均保持在一个相对较高的水平。油温降至室温，PD并未完全消失。该研究成果对油浸式电力设备中水分的实时监测及其绝缘性能的评估具有重要理论价值。
关键词：矿物油 油浸纸板 微水迁移 温度 油-纸界面 局部放电
变压器是电力系统的关键设备，其对电网的安全稳定运行具有重要意义。然而，它的安全性受其绝缘性能的影响，水分是影响其绝缘性能的重要因素之一，若变压器绝缘受潮严重，不仅会加速油/纤维素绝缘的老化过程[1-2]，还可能会导致油浸纸板沿面放电或增加绝缘击穿的风险[3]。水分在油-纸界面处的迁移与聚集受温度影响[4-5]，温度的升高或降低都会促使水分聚集在纤维素绝缘的某些位置，造成绝缘失效的风险[6-8]。因此，研究温度对油-纸界面处微水迁移与局部放电（Partial Discharge, PD）的影响，对油浸式电力设备中水分的实时监测及其绝缘性能的评估具有重要理论价值。
据CIGRE 349手册报道，变压器内部水分主要来源于制造过程中的水分残留、绝缘降解过程及密封不足导致的绝缘受潮[9]。由于纤维素材料的多孔结构和较为活跃的极性基团[10]，以及矿物油的疏水性[11]，油-纸绝缘中的水分主要停留在纤维素绝缘中。然而，温度的变化会破坏油和纤维素之间的水分平衡，导致两相之间的水分迁移。
在水分迁移聚集过程中，油-纸绝缘的介电性能是一个非常值得关注的问题。W. Sikorski等[12]对20～80℃下的油-纸体系进行了升温及降温试验。结果表明，在湿绝缘情况下，随着绝缘温度的升高，PD发生，即使温度下降，PD也不会停止，进而得出结论，这一结果归因于油-纤维素界面的水分聚集行为。之后，J. P. Jiang等[13]研究了自然冷却条件下水分迁移对油浸纸板表面PD的影响。结果表明，冷却过程中，大量的水分聚集在油浸纸板表面，导致局部放电起始电压（PD Inception Voltage, PDIV）急剧下降或PD强度突然增加。同时，张锐等[14]通过试验发现，热致气泡出现之前，油浸纸板表面的PDIV和击穿电压（Breakdown Voltage, BV）随着温度升高而增大。他们认为这可能与油纸界面上的水分迁移有关。
随着计算机计算能力的发展，王伟等[15]开发了一种105原子尺度的矿物油-纤维素混合介质模型，模拟了从20～80℃的快速升温过程。模拟结果表明，纤维素中的水分在升温过程中迁移到矿物油中，并在油纸界面处聚集。当纤维素含水量大于5%时，水分子在界面处通过分子间氢键聚集，形成局部液态水。此外，文献[16]分析了油中的水分动态并跟踪其变化，估算了油浸纸板中的含水量。仿真结果表明，以亚层油的含水量来判断油浸纸板中的含水量可能更准确。
以往的仿真模拟及试验温度均不超过80℃，且无气泡干扰。很少有学者将温度升至气泡效应起始温度，研究极端温度条件下的微水迁移与PD特性。本文利用楔形-板电极，研究了升温、起泡及降温过程中不同含水量（WC=3.61%和5.76%）的油-纸绝缘体系在高切向电场分量下的PD特性。温度变化过程中，持续监测油的温度、含水量和水活性，并采用连续升压法和恒定电压法进行PD试验。最后，分别对升温、起泡和降温阶段的水分迁移过程进行了分析讨论。该研究有助于了解温度对油-纸界面处微水迁移与PD的影响，为油浸式电力设备中水分的实时监测及其绝缘性能的评估提供参考。
试验装置示意图如图1a所示。试验所需的高压电源采用频率为50 Hz、容量为10 kV·A、电压为0～110 kV的无局部放电交流变压器，并采用分压比为1 000:1的电容分压器测量试验电压。保护电阻R=10 kΩ，用于限制击穿电流。PD测量系统（TWPD-2P）用于记录相位分辨的PD（Phase-Resolved PD, PRPD）信号，其严格符合IEC 60270—2015[17]标准。
图1 试验装置示意图及实物
Fig.1 Schematic and photograph of the test setup
试验腔体由不锈钢材料制成，圆柱形腔体四周及底部共设置五个法兰接口，其中前后及底部的三个法兰接口通过安装定制的高硼硅玻璃以获得最大通光量；左右两个法兰接口分别安装高压及接地套管，右侧法兰接口还设置有高真空航空插头，可通过航空插头实现腔体内部传感器探头与腔体外部低压设备的连接。腔体顶盖通过螺栓与腔体连接，MMT 330探头（湿度和温度传感器，Vaisala，芬兰）从腔体顶盖预留接口插入，用于实时监测探头附近油中的温度、含水量和水活度。腔体下部安装一个环形加热管（2 500 W, 220 V），该加热管与比例积分微分（Proportion Integration Differentiation, PID）温度控制系统连接。该系统可以均匀加热整个腔体，并能够实现精准的温度调节，控制精度为±0.1℃。
试验电极及腔体照片分别如图1b和图1c所示。高压电极采用楔形电极，低压电极为板电极，间距为5 mm，并通过螺母夹件固定连接线。1 mm厚绝缘纸板稳定贴合于楔形电极的下表面，并通过调整板电极与树脂框架上板之间的距离，使纸板夹紧固定。
本文采用的试验材料为KI 25X变压器油和魏德曼绝缘纸板。试验前对KI 25X变压器油和绝缘纸板进行了良好的预处理，以满足IEC 60641—2007[18]标准。处理过程如下：
1）将油样及纸板（60 mm×60 mm×1 mm）分别置于温度为105℃、压力为133 Pa的真空干燥箱中48 h，真空冷却至室温后取出。
2）取油样，用卡尔费休库仑法测得油样含水量小于15×10-4%，即得到含水量低的试验油样。
3）将绝缘油预热至90℃，缓慢注入经步骤1）处理好的装纸板的容器中。然后置于压力为133 Pa、温度为90℃的空箱中静置24 h。
4）将步骤2）中处理好的油样分别倒入不同烧杯中，使用超声波加湿器对烧杯中的绝缘油加湿，同时在烧杯底部放置磁力搅拌器进行磁力搅拌。加湿过程的定量控制较困难，所以采用重复试验法。然后将烧杯放入超声振荡器中充分振荡油样，振荡结束后静置12 h。最后对静置后的油样进行微水测量。如果符合条件，则对加工过的油样进行密封保存。
5）取出步骤3）中的纸板，分别浸入制备好的中、高含水量油样中。然后将盛有样品的烧杯放入真空室，在133 Pa压力、80℃温度下脱气24 h。
6）每12 h检测并记录每个样品中的油的含水量。如果48 h内含水量变化小于5×10-4%，则认为油-纸体系处于平衡状态。最终制备出多块绝对含水量（WC）分别为3.61%和5.76%的纸板（其中绝对含水量为水分的质量除以干燥无油纸板的质量[9,11]，通常用%表示）。
7）将步骤1）中处理好的绝缘油预热至90℃，从储油柜处将处理好的油缓慢注入腔体。打开真空泵接口阀门且关闭其余所有阀门，开启真空泵，使得腔体压力维持133 Pa，室温下静置12 h。
将制备好的不同含水量（WC=3.61%和5.76%）的油浸绝缘纸板先后置入腔体，得到两个油-纸绝缘体系。将WC=3.61%和5.76%的油浸纸板所在的油-纸绝缘体系分别记为体系Ⅰ和体系Ⅱ。同时，使用维萨拉MMT 330探头连续监测绝缘油的温度、含水量和水活度。探头从腔体顶盖预留接口插入，置于纸板上方10 mm处，以此监测温度影响下的纸板上部10 mm处油域的微水变化值。
试验过程中选取部分纸板含水量进行标定较难实现。因此，在上述制备过程和试验过程中，通过对纸板和油中含水量的连续监测，对试验过程中纸板的含水量进行标定。
根据CIGRE 349手册，油纸之间水分迁移进程的主要影响因素有：纤维素纸板的厚度和水分在纤维素材料中的扩散速率，而扩散速率的大小又主要与温度有关。对于本文中1 mm厚度的纸板和17～119℃的体系温度变化区间，本文选择试验分析时间为1 200 min，其与实际工况下的水分迁移时间基本可以匹配。
分别对体系Ⅰ和体系Ⅱ进行线性升温及降温试验。在0～600 min内，体系Ⅰ的温度（T）由17℃线性增加至122℃，600～1 200 min内由122℃线性降低至17℃。与之类似，两个体系均在第一次观测到气泡的30 min后开始降温。因此，在0～540 min内，体系Ⅱ的温度由17℃线性增加至111℃，540～1 080 min内由111℃线性降低至17℃。
采用升压法及恒定电压法进行PD试验。在前者中，电压以1 kV/(10 s)的速度提高，且以该方法测量PDIV，确定第一个PD事件的PD电荷阈值为100 pC。若施加电压达到PDIV，立刻记录并降压。其余试验是在恒定电压下进行的。所有试验均在电磁屏蔽室内进行，以避免外部活动对PD测量的干扰。试验过程中注意到，由于缺乏自由电子，PD起始阶段有显著的时间延迟（PD Time Delay, PDTD）。PDTD会导致PDIV分散性较大[19]，且一旦达到PDIV，PD现象就相对稳定。因此，本文以4次重复试验的平均值作为最终PDIV值。而油中含水量和水活度则相对稳定，本文将不再对其重复记录。对于恒压试验，对两个油-纸绝缘体系升温和降温阶段分别施加14 kV和9 kV的恒定电压。
分别对体系Ⅰ和体系Ⅱ在上述温度变化条件下进行升压试验。油中含水量、水活度和油-纸绝缘界面处PDIV随温度变化关系如图2及图3所示。
图2 体系Ⅰ的油中含水量、水活度和油-纸绝缘界面处PDIV随温度的变化
Fig.2 Curves of moisture concentration, water activity in oil and PDIV at the oil-paper insulation interface as a function of temperature for System Ⅰ
图3 体系Ⅱ的油中含水量、水活度和油-纸绝缘界面处PDIV随温度的变化
Fig.3 Curves of moisture concentration, water activity in oil and PDIV at the oil-paper insulation interface as a function of temperature for System Ⅱ
本文将整个过程划分为升温（体系Ⅰ：17～114℃，体系Ⅱ：17～105℃）、起泡（体系Ⅰ：114～122℃和122～119℃，体系Ⅱ：105～111℃和111～109℃）及降温三个阶段（体系Ⅰ：119～17℃，体系Ⅱ：109～17℃）。起泡现象出现之后，两个体系仍继续线性升温30 min，然后开始降温阶段。
温度升高时，体系Ⅰ和体系Ⅱ的油中含水量、水活度及油-纸绝缘界面处PDIV均会发生变化。
1）油中含水量。两个体系的油中含水量随温度的增加均逐渐增加。且纸板含水量越高，油中含水量增速越快，从纸板进入油中的水分也越多。然而，对于体系Ⅰ，0～90 min和180～240 min两个时间段内油中含水量的变化并不明显。第一个缓慢上升期（0～90 min）可能与MMT 330探头位置和油中微水扩散系数有关。为避免PD干扰，探头被置于纸板上方10 mm处。在相同温度下，水在油中的扩散系数要比其他气体在油中的扩散系数小2～3个数量级[20]，微水扩散到探头位置的过程十分缓慢，这使得起始阶段（0～90 min）的油中含水量变化较缓。而第二个缓慢上升期（180～240 min）则可能与油-纤维素中的微水迁移现象有关。温度升高，油中水分溶解度及扩散速率均会呈指数级增加[21]，油-纸界面处的水分大量进入油中。相比而言，含水量较低的纤维素中水分解吸速率较慢，不能及时向油-纸界面和油内补充[22]。因此，体系Ⅰ的油中含水量便出现了第二个缓慢上升期。
2）油中水活度。一定温度下，水活度Aw与油中含水量CO（10-4%）及油中水分饱和溶解度CS（10-4%）存在关系[23]为
（1）
由图2和图3可知，升温阶段体系Ⅰ和体系Ⅱ的油中水活度总体均呈下降趋势。然而，对于体系Ⅰ，水活度受油中含水量两个缓慢上升阶段（0～90 min和180～240 min）的影响。且随着体系Ⅰ温度的缓慢升高，上述两个阶段中油中水分饱和溶解度CS[21,24]的增加速率远高于油中含水量CO的增加速率。因此，这两个阶段内CO的增长较缓，而CS呈指数增长，水活度急剧下降。相反，90～180 min内，CO急剧增长，而CS较小，水活度增加。体系Ⅰ中水活度存在先下降后上升再下降的过程，该过程与对应时刻的油中含水量CO密切相关。
3）PDIV。由图2和图3可知，随着温度升高，两个体系中PDIV的变化趋势均呈现先增加后减小的特征，但总体呈下降趋势。油-纸界面处PDIV的改变间接反映了油-纸界面处的微水聚集情况（热致气泡效应导致PDIV改变的情况将在下文详细叙述）。随着温度升高，油中水分饱和溶解度CS和扩散系数均呈指数级增长[20-21]，因此，油-纸界面处的水分大量向油中迁移。而纤维素内部的水分解吸和扩散速率较慢，不能及时补充至界面，导致该处短暂“干燥”，介电常数升高，油-纸界面处PDIV上升。此后，温度升高，纤维素内部水分的解吸和扩散速率大于油中水溶解度的增加速率，油-纸界面的微水会逐渐聚集，介电常数降低，PDIV呈现下降趋势。
纸板内微水扩散系数DP（m2/s）与纸板含水量WC和温度T的关系[23]为
（2）
式中，T为当前体系温度，℃；k和ET均为常量，分别衡量含水量和温度对水分扩散系数的影响，k=0.52，ET=4 211；D0为参考温度T0下，水分在理想干燥纸板中的扩散系数，m2/s。刘君等基于试验及仿真得到了各温度下纸板中水的扩散系数[20]，取T0 = 27℃，D0 = 3.16×10-11 m2/s。纸板内微水扩散系数随温度和含水量的变化关系如图4所示。
图4 纸板内微水扩散系数随温度和含水量的变化曲面
Fig.4 Surface of moisture diffusion coefficient in press-board as a function of temperature and moisture content
为进一步明确纸板含水量对扩散系数的影响，分别对27、77、127℃下的油浸纸板（WC=0%～6%）进行分析。27、77、127℃下，纸板内微水扩散系数随WC的变化关系如图5所示。
图5 27、77、127℃下，纸板内水分扩散系数随WC的变化曲线
Fig.5 Variation curves of moisture diffusion coefficient with WC in pressboard at 27, 77, 127℃
温度和WC是影响DP的两个重要因素，DP随着温度或WC的增加呈指数增长。在一定温度下，相比于体系Ⅱ，体系Ⅰ中纤维素含水量WC较低，水分在纸板中的扩散系数DP相对较小，纤维素内部的水分向其表面迁移速率较慢。因此，体系Ⅰ油-纸界面处的PDIV出现两次先增后减的特征。
由上述分析可知，体系Ⅰ中PDIV、水活度和油中含水量存在一定的对应关系：油-纸界面处PDIV出现两次先增后减的过程；同样，水活度也存在先下降后上升再下降的过程（0～90 min和180～240 min两个时间段内急剧下降）；与之相对应，0～90 min和180～240 min两个时间段内油中含水量出现了两个缓慢上升期。然而需要注意的是，由于微水在纤维素纸板和矿物油两种介质中的扩散速率并不一致[20]，油纸界面处的PDIV和水活度虽具有大致的增减趋势，但对应的时刻不相同。
当体系Ⅰ和体系Ⅱ温度分别升至114℃和105℃时，出现肉眼可观测的μm级气泡。持续升温30 min后，立刻线性降温。降温约10 min，气泡消失。体系Ⅱ中各阶段油浸纸板表面热致气泡形成图像如图6所示。
可以发现，升温阶段大部分时期的纸板表面均无明显变化，如图6a所示。然而，升温阶段后期，纸板表面开始出现明显的“色斑”，如图6b所示。且“色斑”面积会随着温度的升高陆续扩大，并逐渐向纸板边缘移动，这与文献[25]中的结果类似。使用电子显微镜（Gaopin, GP-410H）对“色斑”区域进行观测发现，在形成可观测的表面气泡之前，纸板内部已经形成了一些直径为5～20 μm的微气腔，如图6c所示。这些气腔虽然几乎无法被肉眼观察到，但在气泡起始的早期阶段就已经存在。
图6 由普通相机和显微镜拍摄的油浸纸板（WC= 5.76%）表面热致气泡形成图像
Fig.6 Images of thermally induced bubble formation on the surface of oil-impregnated pressboard (WC= 5.76%) captured by normal camera and microscope
当温度超过一定值后，微气腔互相融合变大，并演化为气泡（见图6d）。随着温度进一步升高，气泡尺寸逐渐增加，直到它们从纸板表面脱离，进入油中，如图6e所示。
气泡出现后，两个体系的油中含水量及油-纸绝缘界面处PDIV均会发生变化。油中含水量随气泡的出现急剧增加。但当气泡消失后，油中含水量的增长几乎停止。这与微水在油-纸绝缘中的扩散速率有关，扩散速率主要取决于温度及各相之间发生传质的界面面积Stotal。气泡出现前，固-液相之间的传质面积Ssl固定，微水在油-纸绝缘中的扩散速率主要取决于温度，温度越高，扩散速率越大，油中含水量也越高。气泡出现后，气-液相之间的传质面积Sgl也增加到了总界面面积Stotal中，该关系可表示为
（3）
气泡越多，Sgl越大。气泡的出现增加了各相之间发生传质的界面面积，使得更多的水分进入油中。因此，当两个体系的温度升至较大值时，较多气泡出现，油中含水量迅速增加。然而，线性降温约10 min后，气泡消失，油中含水量几乎停止增长。
随着气泡出现，两个体系的PDIV均快速下降，且比其他阶段的降幅更加明显。气泡消失，PDIV迅速上升。这是因为气体的介电常数及耐压能力均小于油-纸绝缘材料，故气泡更容易发生局部放电，甚至绝缘击穿。此外，气泡出现带来的油中含水量CO的快速增长，使得两个体系气泡阶段的水活度不降反增。
重要的是，油中含水量及PDIV在气泡出现前的20 min便开始有了明显的变化趋势。正如前文所述，气泡效应的起始标准是油浸纸板表面形成肉眼可见的气泡。然而，从气泡出现前的油中含水量、PDIV试验结果及图6c来看，在形成可观测的表面气泡之前，油浸纸板内部已经形成了一些微气腔。这些肉眼很难观测到的微气腔在一定程度上增加了油中含水量，并降低了油-纸绝缘界面处的PDIV。
降温阶段，两个体系的油中含水量CO、水活度Aw及油-纸绝缘界面处PDIV的变化趋势大致相似：随着温度的降低，油中含水量CO逐渐降低，水活度Aw呈指数增长，油-纸界面处PDIV先减后增。
对于油中含水量CO，两个体系的CO均随着温度的降低逐渐减小，该过程正好与升温阶段的油中含水量变化趋势相反。因此可得到初步结论：温度升高，纤维素内部的水分向油中迁移；温度降低，油中水分又反向迁移至纤维素。
对于油中水活度Aw，两个体系的Aw随着温度的降低整体均呈指数增长。出现该现象的原因与升温阶段一致，根据式（1），Aw与对应时刻的CO和CS密切相关。温度降低，CO缓慢降低，而CS呈指数急剧降低，这便导致了降温阶段的Aw整体呈指数增长。
对于油-纸绝缘界面处的PDIV，其与时间的关系如图2和图3中紫色曲线所示。PDIV在降温过程的前40 min呈急剧增长趋势，随后便开始降低。300 min后下降到最小值（约为降温过程中最高值的70%），然后缓慢上升并最终趋于稳定。降温过程前期，PDIV的急剧增长可能与油浸纸板表面的气泡有关。随着温度的降低，油浸纸板表面气泡逐渐消失。虽然无法肉眼观测到纸板表面气泡的存在，但纸板内部可能仍然存在较多微气腔暂未溶解消失。温度继续降低，纸板内部微气腔逐渐消失，PDIV急剧增长。
降温过程的中期和后期，PDIV呈先减后增的趋势，出现该现象的可能性解释如下。与升温过程一致，PDIV的变化可能与纸板表面含水量CI的增加或减少有直接关系。气泡消失的50 min之后，油中存在较大比例水分。随着温度的降低，水从油向油浸纸板的扩散被激活，且开始在界面处积聚，PDIV逐渐降低。由于温度的降低，水分继续从油扩散至油浸纸板，并逐渐积累到最大值，PDIV降至最小值。下一阶段，随着油中含水量的降低，扩散至纸板界面的水分减少，油浸纸板表面积聚的水分大量向其内部扩散，界面处水分积累减少，PDIV逐渐上升。
本文对两个体系在恒压条件下的PD规律进行了试验研究。PD试验中，“视在放电量”是最常用的评价变压器PD严重程度和绝缘情况的参数[17]。为了不影响PD数据的采集，接下来的试验中不再测量油中含水量和水活度。此外，本文假设电场对油-纸界面的水分迁移影响不大，且假设PD对纸板表面几乎无损伤。经过多次试验发现，两个体系中起泡现象出现的时间及温度误差极小。因此，本文认为油中含水量、水活度和起泡现象的变化趋势与第2节的结果相似。
为避免白斑的出现对试验结果产生较大影响，本文将高低压电极的间距设置得足够小（5 mm），且恒压试验过程施加较小的恒定电压（升温阶段：14 kV，降温阶段：9 kV）。
在恒压试验的第一阶段，体系Ⅰ（WC=3.61%）及体系Ⅱ（WC=5.76%）均在14 kV的电压下工作，直至绝缘击穿。测量了两个体系中油-纸界面处的PD数据，如图7和图8所示。
对于体系Ⅰ，在试验的前90 min（油浸纸板周围油温约为17～33℃）并没有PD发生。随着温度升高，在试验的90～380 min内发现了能量相对较低的稳定的PD。除单次少量PD事件外，其视在放电量均未超过300 pC。当测量的油温达到82℃时，PD的视在放电量（q＞1 nC）发生了阶跃式变化，水分从纤维素绝缘材料向油迁移的同时发生了动态增长，聚集在油-纸界面处的微水增加。从那一刻起，PD活跃程度普遍呈上升趋势。值得注意的是，发生沿面闪络的前8 min内，楔形电极一侧的纸板表面出现白斑。白斑出现后放电强度显著增强，视在放电量阶跃式增长，该白斑迅速沿着纸面向低压电极延伸。由于本文设置的电极间距足够小，仅在数min之内，白斑便迅速发展并连通高低压电极，与纸板接触的地电极开始出现表面爬电并迅速引发沿面闪络，纸板被击穿。击穿时（109℃）的视在放电量达到了非常高的水平，约为12 nC。
图7 升温及起泡阶段，体系Ⅰ中视在放电量随温度变化的试验结果
Fig.7 Experimental results of temperature-dependent changes in apparent discharge in System Ⅰ during the temperature-raising and bubbling stages
图8 升温及起泡阶段，体系Ⅱ中视在放电量随温度变化的试验结果
Fig.8 Experimental results of temperature-dependent changes in apparent discharge in System Ⅱ during the temperature-raising and bubbling stages
白斑为油浸纸板沿面PD过程中特有的现象。由于油浸纸板为多孔隙结构，当放电能量足够大或放电时间足够长时，将产生具有一定能量的高温高压流注通道，将油浸纸板表层纤维素孔隙中的变压器油/水分挤出，或者直接使变压器油分解或水分气化，并使孔隙重新填满气体。油浸纸板表层纤维素孔隙被气体填满后，纸板表面颜色变浅而呈现白色，但其本质仍是气体通道[26-27]。
对于体系Ⅱ，第一个PD出现的时间相比于体系Ⅰ约提前了35 min。在该试验的55～250 min内，不稳定的视在放电量（150 pC～3 nC）出现。然后，连续且稳定的PD起始，其视在电荷量急剧增长。与体系Ⅰ类似，发生沿面闪络的前5 min，楔形电极一侧的纸板表面出现白斑，并迅速向低压电极发展。在试验的330 min（75℃）左右，视在放电量达到了约13 nC，并发生了击穿。该击穿事件在很大程度上与白斑的出现和油-纸界面处水分积聚相关。
从以上两个体系的击穿事件可以发现，由于电极间距足够小，从白斑出现至其迅速发展引发沿面闪络现象，仅有数min时间。而白斑出现前的视在放电量增长现象极大可能与油-纸界面处的水分迁移和积聚有关。因此，本文认为白斑出现前的放电现象与油-纸界面处水分迁移和积聚密切相关；考虑累积效应，白斑出现后的放电和击穿现象很可能来自白斑和与油-纸界面处水分积聚的叠加作用。
为避免升温阶段的击穿事件对降温阶段PD试验造成影响，降温阶段选用新的油浸纸板开展试验（体系Ⅰ：WC =3.61%，体系Ⅱ：WC=5.76%）。此外，为了使整个恒压试验的试验条件一致，依旧先对两个体系进行升温，但升温阶段不施加电场，其他试验操作与3.1节类似。
在恒压试验的第二阶段，体系Ⅰ（WC=3.61%）及体系Ⅱ（WC=5.76%）均在9 kV的电压下工作约500 min，测量两个体系油-纸界面处的PD数据，结果如图9和图10所示。
图9 降温阶段，体系Ⅰ中视在放电量随温度变化的试验结果
Fig.9 Experimental results of temperature-dependent changes of apparent discharges in System Ⅰ during the cooling down phase
图10 降温阶段，体系Ⅱ中视在放电量随温度变化的试验结果
Fig.10 Experimental results of temperature-dependent changes of apparent discharges in System Ⅱ during the cooling down phase
为避免热致气泡对PD测量的影响，降温阶段中PD的测量均在无肉眼可见气泡的50 min之后开展。
降温阶段中，两个体系的PD均保持在相对较高的水平。对于体系Ⅰ，PD强度在670～1 000 min内相对中等，在1 000～1 030 min内突然增强，然后再次变为中等，并有一定的降低趋势。重要的是，当油温降至室温时，PD并未完全消失。而在体系Ⅰ和体系Ⅱ的升温起始阶段，室温下两个体系中均无PD发生。由此，本文推断当油温降至室温时，PD并未完全消失与油-纸界面处的微水聚集有关。
PD的强弱变化趋势与图2中PDIV大小的变化趋势基本一致，特别是在1 000～1 030 min内突然增强的PD与图2中PDIV最小值的发生时间一致。视在放电量的变化反映了油浸纸板表面含水量的变化，其中水分的积累导致不同程度的PD在纸板表面发生。此外，降温阶段的体系Ⅰ并没有发生绝缘击穿。
两个体系均在气泡消失的50 min后开始施加电压，开展PD特性试验。体系Ⅱ中PD刚出现时的强度显著大于体系Ⅰ，且随着温度降低，体系Ⅱ的PD强度逐渐增加。776 min之后，纸板表面出现白斑，PD的视在放电量发生了阶跃式变化，783 min时，体系Ⅱ被击穿。这可能是由于体系Ⅱ中油浸纸板含水量较高造成的。
此次击穿事件与前两次的击穿事件不同，其发生在降温阶段，且该试验在气泡消失的较长时间后开展。因此，白斑出现前，视在放电量的急剧增加在很大程度上与油-纸界面处的水分迁移和积聚相关。然而，考虑累积效应，与升温阶段一致，该次击穿事件可能来自油纸界面处的水分聚集和白斑的叠加作用。
基于以上试验，本文得出两个主要结论。
1）升温阶段，油-纸界面处PDIV短时增加，随后PDIV开始逐渐降低或PD强度突然增强。
2）降温阶段，PDIV逐渐降低或PD强度逐渐增加。在PD出现最大强度后，PD缓慢降低，但并不会消失。
温度变化期间，PDIV和PD强弱程度的变化在很大程度上与油-纸界面处的水分迁移和积聚相关。下面将分别对升温和降温阶段的水分迁移过程展开讨论。
根据试验结果可以推断出升温过程中油-纤维素纸板界面附近的水分迁移过程，其示意图如图11所示。水分迁移过程分为四个阶段。第一阶段，试验开始，水分集中在油浸纸板，油中几乎无水分。第二阶段，随着温度的升高，水分迁移起始，油浸纸板表面的水分最先开始向油中迁移扩散。这便导致在试验初期界面处的水分减少，PDIV短时升高。第三阶段，由于温度的升高，油浸纸板内部大量的水分迁移至其表面和油中，油浸纸板表面积聚的微水逐渐增加，PDIV下降。第四阶段，界面处微水聚集较多，到达一定温度后，界面处的微水开始蒸发，并演化为气泡。
图11 升温过程中油-纸界面附近的水分迁移过程示意图
Fig.11 Schematic diagram of moisture migration near the oil-paper interface during the temperature rise process
随着油浸纸板表面气泡半径的进一步增大，气泡会脱离纸面进入油中。随后，气泡在浮力、热对流的作用下顺着变压器油道流动，泡内水蒸气会沿着气泡边界层向油中扩散。气泡的出现增加了各相之间发生传质的界面面积，使得更多的水分进入油中。产生此现象的物理原因是气泡周围油介质中的气体浓度远小于泡内气体浓度。因此，气泡-油边界层便显得尤为重要，因为它决定了不同相之间发生传质的界面面积。
根据P. S. Epstein等[28]对不饱和液体中气泡溶解速率的研究，气泡中的水分迁移和扩散不仅与气泡半径有关，还与水分在油中的扩散系数DO及溶解度C有关，关系式为
（4）
式中，R为溶解气泡半径；t0为气泡溶解的起始时刻；t-t0为气泡在液体中溶解时长。
降温过程中油-纤维素纸板界面附近的水分迁移过程示意图如图12所示。水分迁移过程分为三个阶段。第一阶段，气泡消失的50 min之后，绝缘油中存在较大比例的水分；随着温度的降低，水从油中向油浸纸板的扩散被激活，且开始在界面处积聚。初期界面处水分较少，导致PDIV相对较高或PD强度相对较弱。第二阶段，由于温度的降低，水分继续从油扩散到油浸纸板，并且含水量逐渐积累到最大值，PDIV下降到最小。第三阶段，油中水分向油浸纸板界面的扩散较少，水分从油浸纸板表面向内部扩散，导致界面处的水分积累减少。
图12 降温过程中油-纸界面附近的水分迁移过程示意图
Fig.12 Schematic diagram of moisture migration near the oil-paper interface during the cooling process
本文研究了温度对不同含水量（WC=3.61%和5.76%）的油-纸绝缘体系在高切向电场分量下的PD特性的影响。在升温及降温过程中，持续监测油的温度、含水量和水活性，并采用升压法及恒定电压法进行PD试验，得到结论如下：
1）升温阶段，两个体系的油中含水量随温度的增加均逐渐增加，且纸板含水量越高，油中含水量增速越快，从纸板进入油中的水分也越多。而油-纸界面处PDIV短时增加，随后PDIV开始逐渐降低或PD强度突然增强。
2）当体系Ⅰ和体系Ⅱ的温度分别升至114℃及105℃时，μm级可观测气泡出现。随着气泡的出现，两个体系的PDIV均快速下降，油中含水量急剧增加。持续升温30 min后，立刻线性降温，降温约 10 min后，气泡消失，PDIV迅速上升，油中含水量的增长几乎停止。
3）降温阶段，两个体系的PDIV呈现先减后增趋势，与之相对应，PD强度呈现先增后减的趋势，且PD均保持在相对较高的水平。当油温降至室温时，PD并未完全消失。
本文有助于了解温度对油-纸界面处微水迁移与PD的影响，可为油浸式电力设备中水分的实时监测及其绝缘性能的评估提供参考。
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Effect of Temperature on Moisture Migration and Partial Discharge at the Oil-Paper Interface
Abstract The increase and decrease of internal temperature in transformers can cause changes in the distribution and accumulation of moisture in the oil-paper insulation, and high moisture content can seriously affect the electrical strength of the oil-paper insulation. Previous simulations and tests were conducted at temperatures not exceeding 80℃ and without bubble interference. Few scholars have raised the temperature to the initial temperature bubble effect to study the moisture migration and partial discharge (PD) characteristics under extreme temperature conditions. Therefore, it is necessary to study the effects of temperature changes during the heating, bubbling and cooling phases on the moisture migration and PD at the oil-paper insulation interface.
In this study, using wedge-plate electrodes, the PD characteristics of oil-paper insulation systems with different moisture content (WC = 3.61% and WC = 5.76%) were investigated under transient moisture conditions during the processes of heating, bubbling, and cooling. During the temperature change process, the temperature, moisture concentration, and moisture activity of the oil were continuously monitored, and PD tests were conducted using the voltage rise and constant voltage methods. For the voltage rise, the voltage was increased at a rate of 1 kV/(10 s) and the partial discharge inception voltage (PDIV) was measured by this method to determine the PD charge threshold for the first PD event as 100 pC. If the applied voltage reached the PDIV, it was immediately recorded and the voltage was reduced. The rest of the tests were performed at a constant voltage. All tests were performed in an electromagnetically shielded room to avoid interference with PD measurements from external activities.
The experimental results showed that as the temperature increased, the PDIV at the oil-paper interface briefly increased, followed by a gradual decrease in PDIV and a sudden increase in PD intensity. The moisture content in the oil gradually increased in both systems. The higher the moisture content in the oil-immersed paperboard was, the more moisture entered the oil. Bubbles appeared, PDIV rapidly decreased, and the moisture content in the oil sharply increased. During the cooling stage, PDIV in both systems showed a decreasing-then-increasing trend, and correspondingly, PD intensity showed an increasing-then-decreasing trend, maintaining a relatively high level. Even when the oil temperature dropped to room temperature, PD did not completely disappear. The research findings have important theoretical value for the real-time monitoring of moisture in oil-immersed electrical equipment and the evaluation of its insulation performance.
keywords: Mineral oil, oil-impregnated pressboard, moisture migration, temperature, oil-paper interface, partial discharge
中图分类号：TM852
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231596
国家电网有限公司总部科技项目资助（5500-202116119A）。
收稿日期 2023-09-27
改稿日期 2023-12-17
刘云鹏 男，1976年生，教授，博士生导师，研究方向为特高压输电、电气设备在线监测及故障诊断。
E-mail：liuyunpeng@ncepu.edu.cn
赵 涛 男，1982年生，讲师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断。
E-mail：t.zhao@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）