变压器油与绝缘纸板电导特性研究|淄博市临淄勤润油脂化工厂

0 引言
变压器油与绝缘纸板是超、特高压变压器绝缘中的重要组成部分，其绝缘水平的优劣直接关系到电力系统的稳定性。因此，多年来，国内外学者对于变压器油及绝缘纸板在直流电压下的预击穿过程及局部放电现象进行了大量的研究分析，并得到不少有益结论：液体电介质的预击穿过程与电极附近区域形成的电离的气泡具有密切关系，而且产生气泡的原因主要是电极注入能量引发液体局部气化所致；而固体电介质在直流电压下的预击穿过程主要涉及到它本身的缺陷特征、内部及表面的空间电荷效应以及电热老化等因素的影响，使得纸板内部或油纸交界面上产生气隙，在外施电压的作用下气隙、杂质等缺陷逐渐扩大，并最终导致击穿发生。以上文献都是从预击穿过程现象以及局部放电信号检测的角度对预击穿过程进行研究的。
然而，目前很少有人从变压器油与绝缘纸板在高场强下的电导特性及过程的角度来研究变压器油的局部放电机制。由于所有的电介质都不是理想的绝缘体，在外施电场作用下都会有电流通过，这就是电介质的电导。因此，对于变压器油的电导特性研究不仅关乎高压电极的电流注入，而且可以估算载流子的迁移率，进一步还能与绝缘电介质电击穿理论联系起来。而高场强下变压器油与绝缘纸板的电导特性与它们在直流电压下预击穿过程具有密切联系，对于分析和解释油纸绝缘预击穿机制具有理论支撑作用。
另一方面，目前对于绝缘纸板电导性能影响因素的研究，主要集中于绝缘纸板的温谱、频谱特性，而对于绝缘纸板浸油水平对其电导性能影响的研究，迄今鲜见于公开发表的文献。绝缘纸板的浸油程度恰恰是在实际工程应用中非常关心的问题，如果绝缘纸板未完全浸透，它是否会影响绝缘纸板的电气性能，影响程度的问题笔者仍不甚清楚。
鉴于此，本文研究了不同电场强度下，变压器油在不同场强阶段所表现出来的电导特性及机制，分析了载流子的来源以及所对应的物理过程。同时，研究了影响变压器油电导电流变化的因素并对其影响的原因做了详细论述。此外，对于绝缘纸板浸油程度对其电导特性、介电特性的影响也做了分析。
1 试验系统及方法
1.1 试验试品
变压器油试品采用我国特高压变压器选用的克拉玛依 25#油，经过滤油、脱气、干燥、除渣(滤网孔径 20 μm)、真空处理等过程，达到 GB/T 7595要求：微水含量小于 10106，油中含气量体积分数小于 2%[21]。同时，为考察温度(35、50、70 ℃)、流体压强(真空、0.05、0.1 MPa)、油中含水量(3.68、8.87、15.33 μL/L)等因素对变压器油电导特性的影响规律，将以上处理好的试品分别放入不同环境中进行为期 12 h 的处理后，进行电导特性试验研究。
绝缘纸板试品采用换流变压器用1mm 厚纸板，直径25mm。3 种不同浸油程度的绝缘纸板制备方法包括：1）全浸油纸板制备。根据IEC60641-2处理方法，将试品在105 ℃真空环境下进行24h干燥处理，然后采用真空注油的方法使绝缘纸板在90℃条件下浸油 24 h，以满足 GB/T 2688 对浸油率≥9%的要求，其值为 10.35%[22]；2）半浸油纸板制备。同样将试品在 105 ℃真空环境下进行 24 h 干燥处理，然后采用真空注油的方法使绝缘纸板在 90 ℃条件下浸油 30 min，浸油率仅为 4.76%；3）未浸油纸板制备。将试品在 105 ℃真空环境中干燥 24 h 即用于试验研究。
1.2 试验电极
测量变压器油电导电流所采用的电极模型是板-板电极模型。上、下铜板直径均为 25 mm，圆弧倒角为 5 mm，电极模型间距可调：0.25、0.45、0.65、0.90 mm；测量绝缘纸板电导电流所采用的电极结构是严格按照 GB/T 1410 中规定的标准三电极模型。
1.3 测量系统
电介质电导特性研究测量系统中，最重要仪器是 Keithley 6517A 静电计，由于具有低电流放大器，它的测量范围可以达到 1×1017A20 mA，误差率为读数的 1%。同时，静电计内置的1 kV 直流电源方便了绝缘电介质电导电流的测量，并通过 237-ALG-2 屏蔽电缆将高压接到铜电极上，典型接线示意图如图 1 所示。图中，将试品置于高 200 mm、内径300 mm 的密闭聚碳酸酯容器，利用高温烘箱可提供 20150 ℃范围的稳定温度。Is 为 2 min 时刻流经试品的电导电流值。此外，与密闭容器连接的真空装置和湿度调节装置，可以改变绝缘材料所处的环境条件。
电导电流试验数据的采集利用 LabVIEW 软件来实时测量和记录，采样速率为 1 次/s，并通过 GPIBEEE-488 总线实现静电计与计算机的数据传输。根据 IEC 61620 和 IEC 60247 标准规定：测量电介质电流时，当施加直流电压时，由于空间电荷向两极迁移，流经试品的电流将逐渐减少到一极限值。图和图 3 分别为变压器油与绝缘纸板在外施不同场强下(分别为 Eo和 Ep)电导电流随外施电压时间内的变化关系曲线，试验结果表明，变压器油与绝缘纸板中的电导电流在 30 s 内均呈现稳定趋势。因此，在本文试验中，笔者认为读取 2 min 时电导电流值作为稳态情况下流过试品的电流值是合理的。 2 试验结果与讨论
2.1 变压器油电导机制研究
电接触通常是指金属和非金属材料之间的接触，当使具有不同费密能级的 2 种材料接触时，自由载流子将从一种材料流向另一种，直到平衡条件建立为止。现阶段，国内外学者对绝缘电介质的电导机制进行了大量研究，发现当电流密度 J 和电场强度 E 满足不同数学关系时，电介质电导电流所遵循的物理规律及机制不同，这主要是指载流子的来源、导电的物理过程以及载流子的迁移率等，具体如表 1[23]所示。
在本文中，笔者对变压器油在不同电场强度下的电导特性进行了研究，并利用描述电导电流与电场关系的 Fowler-Nordheim 作图法(即 ln(I/E2)与E1的关系)，对随电场强度增加的油中电导电流变化趋势进行分析，提出明显地可以将油电导机制划分为3 个阶段，如图 4 所示，并用虚线进行分割标识：
1）低电场阶段(E<0.44 kVmm1)。I 与 E 成正的线性关系，如图 5 所示，满足欧姆定律，符合电阻性电流的变化规律，即这时变压器油具有较高的体电阻率，通常所说的液体电介质电阻率都是按这个范围来定义的。由于在低电场阶段，低温下，液体电介质电导主要是杂质离子引起的，而且只有很小的迁移率。离子的形成主要是源于液体中的杂质在电子粘附作用下产生，它们将在外施电场下定向运动，增加了载流子的视在迁移率，从而使电流随外加场强的增加而增加。
2）适中电场阶段(0.44kVmm1E1.33 kVmm1)。
随着外界场强逐渐增加，ln(I/E2)E1的关系呈正线性关系，图4第2阶段及表 1 表明此阶段是变压器油隧道效应电流发生阶段。在适中电场阶段，液体电介质中电导往往主要是电子电导，这在很薄层变压器油介质中更为明显。当电子能量低于势垒高度不多、势垒厚度又很薄时，电子就可能由隧道效应穿过势垒进入变压器油中，这些透过的电子就构成了隧道电流。此过程中导电电子的来源主要是场致发射。
3）高电场阶段(E>1.33kVmm1)。IU2呈线性关系，ln(I/E2)E1呈现饱和趋势，如图 6 所示。随着电场的继续增强，电子电流由电极向变压器油中注入电子形成的注入电荷 Ic 与油中电子电流 Ib 连续构成，在稳态情况下，Ic=Ib。若 Ic≠Ib，则在油中将出现空间电荷。若 IcIb，则在阴极前形成正的空间电荷，它将加强阴极处的电场强度，增加阴极注入电荷，直至Ic升高到 Ic=Ib。反之，如果 c>Ib，在阴极前形成负的空间电荷，即积聚于电极同极性电荷。它一方面削弱阴极表面的电场，使 Ic 增加缓慢；另一方面，由于油中空间电荷的存在，引起空间电荷限制电流 Is，直到 Ic=Ib，电子电导电流达到平衡。
如忽略油中本身电子电流 Ib(Ic>>Ib)与电介质中陷阱对电子的捕获作用，根据 Mott-Gurney Law[24结合电极结构参数可估算出空间电荷限制电流 Is 随外加电压 U 的关系为式中：变压器油介电常数=2.2；d 为油隙长度，cm；α 为与电极尺寸相关的因数，0.006 π；为载流子视在迁移率(cm2·(V·s)1)，如果假定是常数，则流速v 与外加电场 E 成正比，v=E。电流(单位 nA)与电压(单位 V)的平方呈线性关系。可知在电流饱和阶段视在迁移率约为 2.93×10  3cm 2·(V·s)  1，在2 kV·mm1 电场下电荷流速 v=E5.86×101m·s1。所得的结果与 McCluskey 等人的所得结论一致[25]。这主要是由于电介质中有电子陷阱存在，并未被填满时，在空间分布的电子可能被陷阱所捕获，而且只有部分自由电子能参与导电，不可能所有电子都跑到电极上，因此，随着电场增加而增加的电流变得越来越小，呈现饱和的趋势。
此外，与气、固体电介质不同的是，液体电介质在外加电场作用下将导致液体电介质受到电流体力学的作用，它是电场力与流体力学的综合作用，它用于描述电场对液体电介质影响的力学效应。电流体力学迁移率h 作为流体的一个重要特征，在均匀电场下，其表达式[17]为式中：为介电常数；为液体电介质密度。对于变压器油在均匀电场下来说，相对介电常数取为 2.2，绝对介电常数为 8.854×1012F·m1，变压器油的密度约为 77895 kg·m3，易估算出的电流体力学迁移率约为 1.5×103cm2·(V·s)1，它近乎是高场强区内视在迁移率的一半。因此，变压器油中的电荷载流子包括液体电介质中电子、空穴、离子等，其运动主要由视在迁移率决定。
2.2 变压器油电导影响因素
2.2.1 油温
图 7 是温度对变压器油电导电流影响的关系曲线，发现在 3570℃范围内，随着温度的增加，变压器油的电导电流相应增加。这主要是因为载流子在高温下热运动更加剧烈所引起。随着温度的增加，变压器油的粘度减小，流速增加，从而载流子的迁移率也会增加。
2.2.2 流体压强
图 8 是流体气压对变压器油电导电流影响的关系曲线，随着流体气压从常压降低至真空状态的过程中，变压器油电导电流将会逐渐增大。这主要是由于类似于气体碰撞电离中，分子间隙随着流体气压的减小而增加，自由行程增加，也就意味着载流子在电场中加速的时间和积聚的能量均将增加，碰撞产生的电子数量也就相应增加，导致变压器油中电导电流随流体气压的减小而逐渐增加。
2.2.3 油中含水量
图 9 是变压油中含水量对其电导电流特性影响的关系曲线，结果表明：随着油中含水量的增加，变压器油的电导电流也相应增加。受潮的变压器油中水有 2 种状态：溶解态和悬浮态。前者对油的电导性能影响较小，而后者所产生的影响较大。当油中达到饱和状态，油中含水量进一步增加，导致溶解态的水向悬浮态的水转化，油中杂质及载流子的数目明显增加，因此，油中含水量越多，电导电流逐渐增加。
2.3 绝缘纸板油浸程度对其介电特性影响规律
2.3.1 油浸程度
图 10 是利用三电极模型对不同浸油水平的绝缘纸板的电导特性进行测量，发现随着浸油水平的提高，电导电流逐渐增加。在低温下固体电介质电导主要由杂质离子引起，它们由于热激发而活化并发生定向热跃迁，从而构成离子电导。但由于变压器油与绝缘纸板相比，电导性能远远优于绝缘纸板，载流子的运动力更强，因此，随着绝缘纸板浸油水平的提高，电导电流逐渐提高。
2.3.2 温度
图 11 是温度对绝缘纸板电导特性影响的关系曲线，随着环境温度的升高，绝缘纸板的电导性能也相应提高。从能带论观点来看，除介质本身导带电子以外，电极上的电子向介质中注入亦为载流子的主要来源。金属电极中具有大量兹有电子，在电子离开金属时必须克服一势垒，当温度上升后导致金属中部分电子由于热的作用具有较高的能量，超过势垒脱离金属向绝缘纸板中发射，引起热发射电流，并随着温度的升高而升高。
2.3.3 频谱特性
图 12 是绝缘纸板电导率随电源频率的频谱特性曲线，发现随着频率的升高，绝缘纸板电导率均呈上升趋势，而且随着浸油水平的提高，电导率也相应提高。通常，多晶材料的电导率反映了离子长程迁移的特性，与外电场频率无关，即电导率应基本保持不变。图 12 所示结果是非晶态材料所具有的特性，它可以认为是非晶态结构的长程无序对离子迁移的特殊影响造成的[26]。
3 结论
1）将变压器油在不同电场下的电导机制分为 3个阶段：①在电场低于 0.44 kVmm时，I 与 E 成正的线性关系，符合欧姆定律；②电场强度在0.441.33 kVmm范围内时，ln(I/E2)-1/E 成正比，满足 Fowler-Nordheim 方程，属于场致发射电流阶段；③当油中电场强度 E>1.33 Vmm，I 与 U2成正比，属于空间电荷限制电流阶段，随着外施场强的逐步升高，变压器油预击穿前均经历此电导机制的转换过程。
2）变压器油电导电流随温度的升高、流体气压的减小以及油中含水量的增加均将明显增加。
3）绝缘纸板浸油水平、环境温度的提高将导致绝缘纸板电导特性的明显提高；绝缘纸板电导率随着频率的升高呈上升趋势，而且随着浸油水平的提高，绝缘纸板电导率也相应提高。

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