变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

0 引言
电力变压器对电力系统的安全、稳定运行至关重要[1-4]。当油浸式电力变压器内部发生电弧放电时，电弧会气化、裂解变压器油，产生包裹电弧的气泡，随着电弧沉积能量在毫秒尺度上的累积，气泡迅速膨胀，由于变压器油的弱可压缩性，因此就会在变压器内部产生超压现象[5-8]。高能电弧故障甚至会造成箱体的破裂，高温裂解气体以及油雾与空气接触可能引发二次爆炸，进一步加剧电弧故障的危害[9-12]。产气作为电弧故障的主要压力源，其特性是进行电弧故障压力研究的重要基础[13-17]，因此开展油中电弧故障产气特性的研究具有重要意义。
油中电弧产气特性的两个关键理化参数是单位能量产气量和气体成分。在单位能量产气量研究方面，Tadokoro等人[18]开展了百十千焦级的油中工频电弧实验，采用计算气泡体积的方法，换算到常温常压下，电弧的单位能量产气量为0.078 L/kJ；Muller等人[14]进行了多组兆焦级别的电弧故障实验研究，其结果中产气量与电弧沉积能量近似为对数关系，但是其实验组数很少，数据离散性也较大；Dastous等人[19]进行电弧故障的压力仿真研究时，将单位能量产气量设定为标况下0.085 L/kJ，所得结果与实验具有较好的一致性。在气体成分研究方面，Tadokoro[16]等人收集了油中电弧放电后的裂解气体，其主要成分为：72.5% H2，约13.9% C2H2和约13.6% CH4；杨超杰等人[20]同样对电弧故障后的气体成分进行了分析，主要为约49.5% H2，27.2% CH4，8.9% C2H4以及14.4%以C2H2为主的其他气体。目前来看，以往研究缺乏对电弧产气特性的影响因素研究，尤其没有考虑弧长因素的影响，因此不同学者得到的结果有所差异；其次，以往研究主要聚焦于整个电弧故障期间的平均产气特性，缺乏电弧不同燃弧时段的产气特性研究；最后，以往学者虽然对裂解气体成分进行了分析，但是并未指出油中电弧放电条件下的裂解反应是否充分。
本文建立了油中工频电弧放电实验平台，开展了不同电流幅值和不同弧长下的电弧放电实验，研究了电流幅值和弧长对电弧产气特性的影响规律；此外，改变燃弧时长，研究了不同燃弧阶段的电弧产气特性。本文的研究结果对于变压器油中电弧压力特性的进一步研究有着重要意义。
1 实验平台
使用发电机或变压器产生短路电流是最贴近实际的方法。但其成本昂贵，对实验场地要求高。电容和电感谐振放电可以显著降低电源要求，是在功率容量较低的实验室进行此类工频电弧实验的最可行方法。如同大多数学者那样[16,18,21]，我们采用电容电感谐振放电来产生工频电弧。
油中工频电弧放电实验平台的电路原理图如图1所示。高压直流电源DC通过充电电阻R0给电容器C充电，充电完成后，打开开关S0；电容器C容值为1.265 mF，电抗器L电感值为8.1 mH，断路器S1闭合后可产生近似50 Hz的交流短路电流，断路器S2用于短路腔体内部的电弧，通过控制S1、S2的导通间隔即可控制电弧的燃弧时间；R1为泄能电阻，当系统发生故障时，通过闭合开关S3来泄放电容储存的能量。分别采用分压器和罗氏线圈来测量电弧电压和电弧电流。
图2 (a)为本文采用的变压器腔体结构，其包括圆筒状的主腔体以及顶部的油枕和连接管道：1）主腔体壁厚10 mm，直径750 mm，高度600 mm，容积为288 L，主腔体与油枕的连接管道内径为10 mm，连接管道安装有阀门a；2）主腔体底部安装有油阀e，用于注油和排油，本文使用的是克拉玛依25号矿物绝缘油；3）油枕壁面通过螺纹安装有高精度数字式的静态温度计和静态压力计，用于测量实验前后处于稳定状态的温度和压力；4）为测量油中电弧的产气量，同时避免腔体在实验过程中因内部超压而爆炸，主腔体顶部会注油到剩余6 L的气体，约占主腔体容积的2.1%，注油结束后主腔体与油枕以及连接管道内的气体体积之和共30 L；5）油枕壁面安装有3个阀门，阀门b、c、d依次连接真空泵、高纯氮气瓶以及集气袋，真空泵用于抽掉注油结束后残余的内部空气，高纯氮气瓶用于向内部注入高纯氮气，以防放电结束后高温气泡上浮时与空气发生化学反应从而对实验结果造成影响，集气袋用于收集实验后的裂解气体；6）主腔体侧面和顶部壁面上通过绝缘法兰板安装2个高频压力探头，用于测量电弧放电时腔体壁面上的动态压力，其中2号压力探头与电弧处于同一水平高度。
图2 (b)为安装于腔体内部的一对水平棒棒电极，采用直径0.2 mm的铜丝来引弧[22]，可通过改变电极间隙来调节电弧弧长。在电极同一水平高度，垂直于电极的方向上安装有一对玻璃观察窗，玻璃直径200 mm，厚度35 mm，玻璃一侧布置高速摄像机，另一侧进行补光，以此来拍摄气泡的变化。
油中电弧放电实验流程如下：
1）当注油到指定液面高度时，打开连接管道上的阀门a，使主腔体与油枕通过管道连接；
2）打开阀门b，使用真空泵抽出内部残余空气，并打开阀门c，注入高纯氮气到大气压；
3）开展电弧实验前，通过数字式的高精度静态温度计和静态压力计来测量气体的温度和压力，测量结束后关闭阀门a；
4）电弧放电结束后，打开阀门a，待静态压力计示数稳定后再次测量气体的温度和压力；
5）最后打开阀门e使用集气袋采集裂解气体，并通过气相色谱仪进行气体成分分析。
如实验流程3)和4)所述，本文的腔体直径较大，考虑到注油后绝缘油液面高度的微小变化将会对主腔体残余气体体积造成一定影响，因此本文通过实验前后改变连接管道阀门a通断，从而增大体积基数的方法来降低误差；同时，实验后打开连接管道的阀门，可大大减小腔体形变，进而降低实验前后的腔体容积变化，以此提高测量的准确性。
由于本文测量产气量时的气体体积较大，因此忽略腔体变形对腔体容积的影响；此外，由于绝缘油的可压缩性远远小于气体，因此可忽略实验前后气体体积的变化。根据理想气体状态方程pV=nRT，产气量计算公式如下：
其中，∆V为归一化到标况下的产气量，单位为L，p1、p2为实验前后的稳态气压，单位为kPa，T1、T2为实验前后的稳态温度，单位为K，p0为标况压力101.325 kPa，T0为标况温度273.15 K，V为气体体积，本文中为30 L。
忽略测量点到铜丝之间的阻性电压分量和两测量点之间感性电压分量，认为测量电压为电弧电压，电弧沉积能量计算公式如下：
2 油中电弧放电的典型工况分析
图3为通过本文实验平台产生的典型电流、电压、功率、能量以及压力波形，该工况电极间隙为35 mm。由于采用LC谐振法来产生工频电流，因此电流略有衰减，图3 (a)中电流幅值为5.83 kA（本文电流幅值特指电流第一个波峰的幅值）；电压波形接近梯形波，在放电约0.5 ms时因形成等离子体通道而产生了较高的过电压；通过式(2)计算电弧的功率和沉积能量，电弧功率为兆瓦级，电弧沉积能量为35.9 kJ。
图3 (b)为测量得到的油中和主腔体气体中的动态压力波形，压力值为相对压力。整个过程可以分为两个阶段，首先是约0～8 ms的快速振荡期，在此阶段，气泡的压力发生剧烈变化。气泡的压力会受内部气体量和体积的影响，当气泡体积较小，气体量较大时，气泡就会加速膨胀，膨胀速度不断增加；当气泡体积快速膨胀到较大时，此时气体量相对较小，气泡就会减速膨胀，但由于气泡膨胀速度大于零，受到惯性影响，此时气泡仍会继续膨胀。在初期（0-8 ms）发生了多次的加速膨胀和减速膨胀更替。由于高频压力波在经过气液界面和气体介质中时会大量衰减，因此该阶段气相压力中并未测到明显的波动成分，该阶段气相中压力的升高是由于气泡不断膨胀导致的。
后续阶段是气泡脉动期。该阶段油压与气压呈现出交替式振荡变化，这是气泡与顶部的缓冲气体在交替式脉动变化引起的，忽略主腔体内容积的变化，气泡体积增大时，顶部的缓冲气体体积减小，气相压力增大；气泡体积减小时，顶部的缓冲气体体积增大，气相压力减小。该阶段压力变化程度相对初期较为“缓和”，气泡脉动期可以看作压力的准静态阶段。
图4为对应图3工况的油中工频电弧气泡脉动画面，由于电弧放电过程中光强变化剧烈，因此采用分段拍摄的方式进行电弧放电的拍摄。0～15 ms内采用离散脉冲式的高功率激光光源进行补光，采用帧率为20万帧的高速相机进行拍摄，15 ms以后采用led光源进行补光，采用5 000帧的高速相机进行拍摄，两次拍摄的实验条件相同。
由图4可知，电弧气泡由图4 (a)近似柱状结构逐渐发展为图4 (b)近似球状结构，初期气泡表面相对比较光滑，图4 (g)中气泡表面出现明显的凹凸不平的小气泡，图4 (h)气泡脉动过程中观察到气泡表面的小气泡发生了破裂。
气泡从图4 (a)到图4 (e)的阶段内一直处于膨胀状态，在图4 (e)对应时刻10.5 ms附近达到第一个体积峰值，随后开始收缩。图3 (b)中气相压力在10.5 ms附近达到第一个压力峰值，这表明气相压力主要受到气泡体积的影响，这与前文分析一致。
3 电流幅值和弧长对电弧产气特性的影响规律研究
根据前文表述，电弧的产气特性对气泡脉动和变压器腔体的压力分布至关重要。但目前对电弧产气特性影响因素的研究尚少，因此本节主要研究电流幅值和弧长两个参数对电弧产气特性的影响规律。通过改变电容充电电压来改变电弧电流幅值，通过改变电极间隙来改变电弧弧长，燃弧时间控制在3个工频周期。
本文调弧装置的弧长调节范围为20～80 mm。为了确保实验安全，电弧的峰值电流需小于7 kA。因此，本节实验条件设置如下：电弧峰值电流从2.62 kA增加至6.74 kA，步长近似为1 kA；弧长从20 mm增加至80 mm，步长为15 mm；每个实验重复5次，本节误差棒为样本标准差。
3.1 电流幅值和弧长对电弧单位能量产气量的影响规律研究
图5为不同电流幅值和电弧弧长条件下的单位能量产气量。由图5 (a)可知，电弧故障的单位能量产气量受电弧电流幅值的影响较小，这与以往学者的结论一致[18]。在分析弧长对单位能量产气量的影响规律时，不同弧长下第一个电流峰值为5.8 kA，但由于电流的衰减程度不同，所以不同弧长下电流波形略有变化。由于电流幅值对单位能量产气量的影响较小，也就是电流变化对单位能量产气量的影响较小，所以我们认为图5 (b)中单位能量产气量的变化主要是弧长的改变引起的。可以看到，单位能量产气量随弧长的增加而增大，近似呈现为线性关系。这是弧长的增加使得电弧通道与气液介质的导热面积所导致的。单位能量的产气量可以反映电弧沉积能量中转化为压力部分的比例，因此可以得出结论：弧长越长，电弧沉积能量中转化为压力部分的比例就越高。图5 (b)中单位能量产气量关于弧长的拟合公式如式(4)所示：
为进一步研究弧长对变压器内部压力的影响规律，我们对不同弧长下的电弧沉积能量进行了研究，结果如图6所示。每组样本中电弧能量的离散程度略大，这是因为油中电弧放电是一个涉及电-磁-热-力-流等多物理场耦合以及化学裂解的复杂过程，存在一定的随机特征，但整体上电弧能量随弧长增大而增加。值得注意的是，电弧能量关于弧长有一个近似饱和的趋势，这是LC谐振放电的电流衰减性质所导致的，在实际的电弧故障过程中，由于电流没有衰减，弧长对于电弧能量的增加效果会更明显。
图7为电流幅值5.8 kA，燃弧3个周期条件下，弧长20 mm和65 mm弧长的电弧放电压力波形，图中压力为相对压力。弧长65 mm相比弧长20 mm，电弧能量由28.96 kJ增加至85.7 kJ，单位能量的产气量由0.069 kJ/L增加至0.093 kJ/L，两者叠加作用下，产气量由2 L增加至7.97 L。取油压波形中快速振荡期的峰值压力(poil1)和脉动期的峰值压力(poil2)进行比较，可以明显看到，相较于弧长20 mm，弧长65 mm两阶段的峰值压力都有明显增加（分别为276 kPa增加至599 kPa和105 kPa增加至301 kPa），同时弧长65 mm的油压和气压整体上都高于弧长20 mm的压力。
弧长的增加对压力的影响是多方面的。一方面会增大电弧能量，另一方面也增加了单位能量的产气量，因此双重作用下导致了压力的显著增加。
3.2 电流幅值和弧长对油中电弧产气成分的影响规律研究
对实验后采集的气体进行气相色谱分析，矿物绝缘油成分复杂，主要由烷烃、环烷烃和芳香烃三大类碳氢化合物组成，热解产物也较多[20,23-26]，因此本文主要检测氢气、甲烷、乙烯、乙炔和其他碳原子数量小于五的有机气体，主要包括乙烷、丙烷、丙烯、正丁烷、异丁烷、正丁烯、异丁烯、顺-2-丁烯、反-2-丁烯、1,3-丁二烯、异戊烷等气体。
如图8 (a)和(b)所示，油中电弧燃弧3个周期后，产生气体的主要成分为H2、C2H2、CH4、C2H4，共占检测气体总含量的98%以上，这表明高能电弧放电条件下，绝缘油的裂解反应是充分的，且H2、C2H2、CH4、C2H4为裂解的最终产物。由于碳原子数3～5的有机气体含量很低（<2%），那么裂解反应中更高碳原子数的有机气体含量必定更低，因此忽略高碳分子对含量的影响，认为本文的检测结果即为裂解气体成分结果。
根据图8 (a)可知，电弧弧长一定时，电弧电流幅值的增大对气体成分影响较小，35 mm弧长条件下油中电弧裂解气体的成分为约64% H2，21.1% C2H2，7.5% CH4，6.5% C2H4以及0.9%的其他气体。
在分析弧长对裂解气体成分的影响规律时，由于电弧电流对气体成分的影响较小，所以本文忽略了各弧长下电流衰减程度不同对气体成分的影响，认为气体成分的变化主要是弧长的改变引起的。根据图8 (b)可知，增大弧长，H2含量略微增加，推测该现象的主要成因是高温电弧通道会电离有机气体产生了碳原子和H2，弧长的增大使得高温电弧通道与有机气体的接触面积加大，因此导致H2含量增加。油中碳原子以炭黑的形式存在，如图9所示。
4 不同燃弧阶段的电弧产气特性研究
当前的研究均主要集中在电弧故障期间的平均产气特性，对电弧故障期间不同阶段产气特性的研究尚少。因此本节通过改变两个断路器的导通间隔来控制电弧的燃弧时间，以此来研究电弧产气特性的时变特征。
本节进行了弧长35 mm和65 mm下的两组变燃弧时长的电弧放电实验。图10为电流幅值为5.8 kA，弧长分别为35 mm和65 mm下不同燃弧时长的单位能量产气量。
如图10所示，电弧电流5.8 kA条件下，在各个燃弧时段，65 mm弧长的单位能量产气量均明显高于35 mm弧长。在整个电弧故障期间，弧长35 mm的单位能量的产气量在各个燃弧时段相差较小，弧长65 mm的趋势与35 mm一致。这表明电弧单位能量的产气量随燃弧时间变化较小。同时以上现象也表明：其他条件相同时，在各个燃弧时段，弧长的增加均会导致单位能量产气量的增加。由于电弧单位能量产气量的时变性较小，因此式(4)在电弧的不同燃弧时段都有很好的适用性。
如图11所示，整个电弧故障期间，绝缘油裂解都比较充分，H2、C2H2、CH4、C2H4始终为主要裂解产物。此外，虽然放电过程中H2、C2H2、CH4、C2H4的含量总和变化较小，但是各成分含量并非定值。图11 (a)中，弧长35 mm条件下，H2含量在10～30 ms时段内略有波动，随后降低至稳定值，而图11 (b)中，弧长65 mm条件下，H2含量从10 ms后不断降低至稳定值。虽然两组实验结果局部细节上有所不同，但都整体上呈现出H2含量随燃弧时长的增加而降低至稳定值的趋势。
闫晨光[27]对油中电弧气泡温度的研究结果表明:气泡内部温度会随着燃弧时长的增加逐渐降低至稳定值。前文分析表明，气泡在10 ms后处于一个脉动状态，随着电弧不断裂解绝缘油产气，气泡内部压力的趋势应为波动上升。
温度和压力的变化会导致化学反应平衡的移动，对于最终产物H2、C2H2、CH4、C2H4，压力增大和温度降低，均会导致H2含量的降低。根据气泡温度和压力变化推测出的H2含量变化趋势与实验基本吻合，因此本文认为，是气泡内部温度和压力的变化导致了裂解气体中成分含量的变化。
5 总结
本文建立了油中工频电弧放电实验平台，开展了油中工频电弧放电实验，对油中电弧的产气特性进行了研究，主要结论如下：
1）电弧的单位能量产气量受电弧电流幅值的影响较小，而随弧长的增加明显增大，即弧长会明显影响电弧沉积能量中转化为压力部分的比例；电弧单位能量的产气量在不同燃弧时段均比较接近，在不同燃弧时段，弧长的增加均会导致单位能量产气量的增加。
2）弧长的增大会显著增加变压器油中电弧放电的压力效应。一方面弧长的增加导致电弧的沉积能量增大，另一方面，弧长的增加使得单位能量产气量增加，因此，两者叠加导致了产气量的增加，最终导致腔体内部压力的显著增加。
3）电弧放电过程中，变压器油裂解比较充分，在各个燃弧时段，H2、C2H2、CH4、C2H4均为主要的裂解产物。
4）电弧电流幅值对气体成分影响很小，35 mm弧长条件下裂解气体成分为约64% H2，21.1% C2H2，7.5% CH4，6.5% C2H4以及0.9%的其他气体；弧长的增加会导致H2含量的略微增加；
5）电弧燃弧过程中裂解气体H2、C2H2、CH4、C2H4的含量总和变化很小，但是H2含量受到气泡内部温度和压力的影响，随着燃弧时间的增加，有一个降低至稳定值的趋势。