极性反转电压下变压器油的击穿特性

远距离大功率输电需要采用高压直流方式，高压直流输电技术近年来得到了飞速发展。换流变电站中的换流变压器阀侧主绝缘耐受交流叠加直流电压，潮流反转时，要承受极性反转电压。为此，换流变压器增加了极性反转，包括高压电极、低压电极、屏蔽电极和绝缘支撑。高低压电极的直径为90mm，导角的半径为15mm，高度为50mm.屏蔽与低压电极间隙为2mm，高度为20mm，避免了绝缘支架漏电流对电流测量的影响。电流测量在低压电极与屏蔽之间通过屏蔽电缆引出来获得。，包括正极性直流高压发生器、负极性直流高压发生器、保护电阻、烘箱、。电压升高采用阶梯步进方式，步进量AV为5kV，图中AV=匕-Vi.次施加到-Vi电压时间为30s，每次极性反转（图中-Vi~Vi或V2~-V2）时间t2为60s，同极性电压升高（图中Vi~V2）时间为5s.同一电压持续时间L取i0min.对每个样品。取10个样品中击穿电压相对较高的5个样品的电流作算术平均，平均电流变化曲线如所示。经计算，6mm油隙的击穿场强值的平均值为8.温下，击穿出现在同极性电压升位置概率。

时间/min（0）60下击穿电压分布时间/min（cOROt下击穿电压分布时间/min（i丨00尤下击穿电压分布不同温度下的击穿电压分布Fig.可以说明，在20°C温度下，2种油隙的击穿没有发生在极性反转位置；随油隙距离增大，击穿电压升高。计算的击穿场强数值也出现了升高。可以说明，种油隙平均电流变化规律一致，同一电压下，电流出现了明显从暂态到稳态的变化过程。2.2不同温度。对每个温度点下的10个击穿电压值的分布情况如所示。取10个样品中击穿电压相对较高的5个样品的平均电流变化曲线如所示。

说明变压器油击穿场强与温度相关，在40C以下时，随温度升高，击穿场强升高；在40C以上时，随温度升高击穿场强下降，在40C时出现了大值。由可见，击穿电压出现时刻的概率分布不同。低温时击穿电压不出现在极性反转位置，高温时击穿经常在极性反转位置；不论低温还是高v璀杳v±/璀逆不同温度下的平均电流Fig.1/璀初Vi/璀逆由可见，在各种温度下，油隙平均电流随施加电压升高而增大。在同一电压下，平均电流随温度升高而增大，而且都出现了从暂态到稳态的变化过程，这个过程的规律相差很大。低温时电流由小到大缓慢变化，高温时电流出现了过冲，电流由大到小变化。

3离子运动与击穿规律的讨论3.1液体电导的一般规律作为弱极性介质，变压器油的电导一般为杂质（包括溶解的气体、水分、酸或碱、有机盐等）电导。

在弱电场下（变压器油能承受的电压均属于该范畴），杂质分子仅有极少一部分由于热振动离解而形成的正负极性的带电离子，离解的正负离子相碰撞也能复合成中性分子（纯水即为弱电解质，25°C时电离的H+和OH-离子浓度为1×10-7ml/L，100C时为1×10-6ml/L，从含杂质的普通水和纯水的导电特性看，含杂质时，有其它离子存在，普通水的离子浓度要高得多）。

分子的热振动能量服从波尔兹曼分布，离解和复合速度相等时，离解速率N（单位体积内每秒钟离解的分子数）和离子的浓度n可以表示为原子团相对热振动频率；f为离子复合系数；为分子离解势垒；k为波尔兹曼常数；T为温度。

液体中的离子在松弛时间内与邻近的分子束缚在一起，在某一位置作振动，而另一段时间因碰撞得到较大的动能超出邻近分子的束缚势垒时，与相邻的分子分开，迁移一个与分子尺寸可相比较的一段路径后，再次被束缚。在无电场时，离子沿各方向迁移几率相等，总体无离子电流。在电场作用下，沿电场方向运动的势垒降低，沿电场反方向运动的势垒上升，沿电场方向产生的过剩离子数为AnqSvu0定向运动便产生了离子电流。离子平均迁移速度率V与离子电流密度可以描述成以上常用的统计规律很好地解释了稳态下变压器油电导电流随温度和场强等变化的关系。在开始施加电压过程和极性反转时的离子的运动情况，必须建立新的模型解释。

3.2离子运动模型建立从离子电导一般规律可以看出，正负离子的产生是分子热振动的结果，同时离子会复合成分子。在电场作用下，仅有一小部分过剩离子运动产生电导。由于离子的平均跃迁距离远小于极板之间的距离，所以过剩离子中的一小部分正负离子能够达到电极中和产生电极电流。

平衡（稳定）状态下，单位时间内离子数应该满足热离解离子数=复合离子数+中和离子数。

当等号不成立时，便会出现变化（暂态）过程。

在单位时间内离子运动的平均距离为5，设电场间隙d为5的m倍，则暂态过程彻底完成需要m个单位时间。假设离子在所处的区域内均匀分布，则在第个单位时间，热电离产生的浓度为的离子，沿电场方向产生的过剩离子为，这些过剩离子有5距离空间的离子能够达到极板，间隙内剩余（d-5）距离空间的过剩离子。在第二个单位时间内，会有相同浓度（个单位时间内的过剩离子与总离子数相比较可以忽略）的离子产生，沿电场方向也产生的过剩离子A~和相同距离5的位移，但与个单位时间不同的是，个单位时间内剩余的过剩离子由于复合作用浓度下降到A~同时也完成了5距离的移动。如次累计，当单位时间数增加到定程度后，由于离子复合的作用，个单位时间离解的过剩离子已经不存在了，离子运动进入稳态过程。在整个间隙内，过剩离子的空间分布如所示。同时考虑存在正负极性离子时，过剩离子的空间分布如0所示，其中阴影部分为正负离子浓度差，即极板附近形成了反极性电荷的集聚。由此，引起的电场分布如1所示。

正负过剩离子运动规律的差异会导致电场分布空间非对称性；电场强度变化会导致过剩离子运动发生改变，通过弱场区域离子运动速度减慢，通过强场区的运动速度加快，也会导致电场改变，所以实际电场分布与1会有所差异。

按照以上离子运动模型，极板电流及电场的分布与过剩离子的复合速度、离子运动速度（单位时间内离子运动的平均距离5）和极板间距有关。

其他条件不变时，随温度增加，过剩离子复合速度和运动速度都增加，电场畸变减弱；其他条件不变时，电场强度增大，过剩离子运动速度与复合速度增加，电场畸变减弱。

I一电压升高前过剩离子浓度；2?电压升高后过剩离f浓度。

2电场改变离子浓度变化Fig.电压升高使电场增加，离子运动速度加快，极板电流增加，电流和电场从种稳态到另外一种稳态变化，电压升高前极板附近集聚的部分离子迅速到达极板中和，运动速度快时中和速度快。实验结果中便出现了低温时电流持续上升，高温时电流过冲现象。

同极性电压升高会导致变化过程中比稳态后电场畸变严重的情况。

3.3.2极性反转过程电流与电场变化极性反转时，电极极性变化导致离子做相反方向的运动。离子运动速度慢时，极性反转前集聚的过剩电荷运动过程中会被复合，达不到新极板，极板电流不受影响；离子运动速度快时，反转前集聚的过剩电荷会迅速到达新极板，电流迅速增加。实验结果中低温为离子运动速度慢的情况，高温为运动速度快的情况。

极性反转会造成极板附件电荷集聚由同极性到反极性的变化，极板附近电场由弱到强的转变，转变速度缓慢时集聚电荷对电场增加影响小，转变速度快时受集聚电何影响大。

3.3.3极性反转电压下的击穿规律般，击穿电压与电场畸变程度有关。电场畸变造成局部场强过高，引起局部放电或击穿，后导致整体绝缘击穿。

相同温度和场强下，油间隙在一定范围内变化不会影响电极附近离子浓度分布，场强畸变变化不大，所以在极性反转电压下，击穿场强没有出现随油间隙增加而下降的“体积效应”现象。

同极性电压升高瞬间使电场畸变，无论在低温还是在高温状态下，油隙击穿概率都提高。

在极性反转过程中，高温时离子运动速度快，受离子集聚影响，电极附近电场强度增大。所以，高温时击穿会常常发生在极性反转过程中。

稳态时，随温度增加，离子运动和复合速度加快，电场畸变减弱。所以低温时更容易在稳态击穿。

变压器油在极性反转电压下击穿的温度特性是以上3种情况共同作用出现的结果。

4结论在极性反转电压下，击穿场强随油间隙没有出现“体积效应”现象；变压器油击穿电压与温度相关，出现击穿电压由低到高，再由高到低的变化，在本实验温度点范围内，40出现了击穿场强的高值；在极性反转后，流过油隙的电流出现了暂态过程，该过程随温度变化明显；采用提出的离子运动模型可以解释极性反转电压下变压器油击穿的规律；变压器油的击穿特性及其规律研究结果对于换流变压器绝缘结构设计及安全运行具有重要的价值。