林 林陈庆国高 源何子兰陈少杰

（1.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室 哈尔滨 150080 2.南方电网有限责任公司科学研究院 广州 510080）



交流电压下典型平板油纸绝缘结构油流带电特性

林 林1陈庆国1高 源1何子兰2陈少杰2

（1.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室 哈尔滨 150080 2.南方电网有限责任公司科学研究院 广州 510080）

摘要为研究交流电压作用下油纸绝缘的油流带电特性，在实验室搭建了典型平板电极结构的油纸绝缘模型，利用密闭油循环系统开展了油流带电的试验研究，并探讨了交流电压作用下冲流电流与外施电压幅值及温度之间的关系。试验结果表明：无外施电压作用时，油纸绝缘冲流电流特性与温度及油流速度有关，低温下冲流电流随流速的增加呈线性增加；高温下冲流电流与流速呈幂函数的关系。在外施交流电压作用下冲流电流大小与外施电压的幅值有关，当交流电压幅值较低时冲流电流变化较小，而当外施电压幅值提升超过一定值后冲流电流随电压幅值升高而明显增大。温度对冲流电流有较大的影响，随温度的增加冲流电流呈指数增加，且流速较高时温度对冲流电流值影响更加明显。对试验结果的理论分析表明：外施交流电压下油流带电程度的提高应归因于纸中离子迁移对界面处电荷产生速度的促进；温度通过影响油纸绝缘中离子迁移和扩散速度以及电场分布而影响油流带电特性。

关键词：油纸绝缘 交流电场 油流带电 离子迁移

国家自然科学基金（51277047），特高压工程技术（昆明、广州）国家工程实验室开放基金（NEL201517）和黑龙江省杰出青年基金（JC2010-09）资助项目。

0 引言

近年来随着电力变压器电压等级和容量的提升，靠绝缘油自然冷却方式已经不能够满足变压器的散热要求，因此在很多场合，高压大容量变压器采用强迫油循环冷却方式。绝缘油流速的增加，其副作用是加剧了绝缘油与固体绝缘表面的电荷分离，并削弱了油中游离电荷的泄放能力，即加剧了油流带电[1]。自1980年以来，我国已有数台500kV电力变压器发生与油流带电有关的绝缘事故，油流带电问题已成为威胁超高压变压器安全和影响电网稳定运行的重要因素之一[2]。

H.Miyao等对交流电压作用下的油流带电进行了研究，认为交流电压作用下油中离子发生振动，使得双电层中正离子在油中的分布变宽，绝缘油流动带走更多电荷，从而导致冲流电流增加[3]。在H.Miyao等研究的基础上，I.A.Metwally等计算得到了交流电场下冲流电流与外加电场幅值和频率的关系[4]。J.K.Nelson、S.Shimizu和R.Tamura等在试验中观察到外施交流电压下冲流电流随温度升高出现峰值[5-7]。清华大学涂愈明也对交流电压下油流带电进行了研究，提出了变压器油流带电的数学模型[8]。但以上研究中试验温度均在70℃内，温度变化范围较小，不能完全反映油流带电的规律。

鉴于以上研究现状以及国内超高压变压器安全运行的实际需求，本文开展了交流电压下典型平板油纸绝缘结构油流带电特性的研究，并探讨流速、电压幅值及温度等因素对油流带电的影响，以期为后续开展降低变压器油流带电、提高变压器整体绝缘性能提供参考。

1 试验系统及材料处理工艺

1.1 试验系统及试验模型

本文所搭建的试验系统由缓冲器、循环泵、流量计、松弛箱、油流带电箱、测量箱和温控设备等部分构成，如图1所示。

图1　油流带电试验系统Fig.1 Flow electrification experiment system

图1中，缓冲箱内的绝缘油由循环泵泵出，流经流量计后进入松弛箱；松弛箱用来对油中原有电荷充分泄放以保证绝缘油在流入油流带电箱之前呈电中性；油流带电箱中的绝缘模型采用图2所示的电极结构，并在电极上施加交流高压以建立交流电场；带电箱内油纸接触产生电荷所形成的电流在带有屏蔽的测量箱处由微电流计（Keithley 6517A）测得；而后绝缘油回到缓冲容器待进入下一次循环。

图2　油流带电箱结构示意图Fig.2 The schematic diagram of oil-flow electrification chamber

图2中，电极分为上、下两个平行极板，电极总长度1m，电极宽度180mm，电极表面覆盖厚度为d＝0.25mm的绝缘纸。油隙宽度为2a＝5mm。电极平行放置并由聚四氟绝缘件固定于不锈钢箱体内部。在试验中，对上极板施加高压，下极板接地。

1.2 试验材料及预处理

本文采用与实际变压器相同的绝缘纸和45号矿物变压器油作为油纸绝缘材料。试验前对绝缘材料进行了预处理，处理后的变压器油含水量小于0.01%，在温度为90℃时介质损耗小于0.4%，可视为工程纯净变压器油。绝缘纸经干燥处理后含水量小于0.3%，制作成绝缘试样后置入试验箱，对试验系统真空注油后静置24h，待试样充分浸油后进行试验。

2 试验现象与试验结果

2.1 无外施电压时油纸绝缘冲流电流特性

油流速度、温度及外施电压幅值对油流带电程度均有影响，为研究绝缘油流速对油流带电的影响及对比外施交流电压幅值对油流带电的提升程度，试验对油纸绝缘无外施电压时的带电特性进行研究。

无外施电压时，不同温度下冲流电流值与流速及温度的关系曲线分别如图3和图4所示。

图3　无外施电压时冲流电流与流速的关系曲线Fig.3 Relationship between streaming current and flow velocity without external voltage

图4　无外施电压时冲流电流与温度关系Fig.4 Relationship between streaming current and temperature without external voltage

由图3可知，低温时（30～60℃）冲流电流随流速提高而线性增加，高温时（70～90℃）在不同的速度区间冲流电流与流速的不同次方成比例关系，流速区间为0.6～0.8m/s时冲流电流出现了突变现象。

由图4可知，温度对冲流电流具有较显著的影响，无外施电压情况下冲流电流随温度提高而指数增加，且流速较高时温度对冲流电流值的影响较明显。

2.2 外施交流电压下油纸冲流电流特性

试验得到各温度下冲流电流随外施电压变化具有相同趋势，图5给出的是温度为80℃时不同流速下冲流电流随电压变化曲线。

图5　80℃时冲流电流与外施电压幅值的关系Fig.5 Relationship between streaming current and amplitude of applied voltage at 80℃

由图5可以看出，在一定范围内随外施电压幅值的提高冲流电流有所提升，但外施电压对冲流电流影响较小；当电压超过一定值后，冲流电流随外施电压幅值的升高而明显增大。

试验得到冲流电流随温度变化具有相同趋势，绝缘油流速为1.2m/s油流带电量较大，不同幅值电压下冲流电流随温度的变化如图6所示。

图6　外施交流电压时冲流电流与温度关系Fig.6 Relationship between streaming current and temperature under AC voltage

根据图6可以看出，外施交流电压下冲流电流随温度的升高呈指数上升。

3 试验结果的讨论与分析

3.1 油流带电理论模型

绝缘纸和绝缘油接触时，由于两种材料对电子束缚能力的差异，将会在绝缘纸和绝缘油界面处发生电子转移，形成如图7所示的双电层结构[9]。在油纸绝缘双电层中，靠近纸侧为负离子层、靠近油侧为正离子层。扩散作用下会使油侧的正离子层形成紧贴油纸界面处的紧密层和油中分布的分散层。

图7　油-纸界面处离子分布Fig.7 Ions distribution at the oil-prossboard interface

3.2 绝缘模型中流速分布

油纸绝缘油流带电与油流状态有关，为确定本文试验中绝缘油的流动状态，根据雷诺数的临界值Rec对绝缘油的临界平均流速进行计算。当雷诺数Re＜2 000时油流属于层流流态，在Re≥2 000时油流属于紊流流态，则对应临界平均流速表达式为[10]

式中，dH为油道的水力直径；ν为绝缘油运动粘度。

在本文的试验模型中，油道的水力直径为9.73mm，绝缘油运动粘度与温度的关系如图8所示。

图8　绝缘油运动粘度随温度变化曲线Fig.8 The curre of oil viscosity versus temperature

因此，可根据式（1）得出不同温度下临界平均流速的计算结果，见表1。

表1　各温度下绝缘油的临界平均流速Tab.1 The critical average velocity of insulating oil under different temperatures

根据临界雷诺数计算得到的不同温度下临界平均流速可知，绝缘油流速度低于umc时绝缘油流动状态为层流、高于umc时为紊流。本文绝缘油流速范围为0.2～1.2m/s，所以在高温下绝缘油存在两种流动状态。

3.3 无外施电压时油纸绝缘油流带电特性分析

当油流达到稳态时，双电层中油侧正离子（＋q）被油流剥离带走形成冲流电流，对应的纸内有等量的负离子（-q）失去库仑力束缚成为自由离子。自由负离子在浓度梯度作用下向电极方向扩散，离开了界面的位置。这些位置随后再次起电产生新的正、负离子，补充了被油流带走的正离子和扩散离开界面的负离子。这一过程连续不断地发生，分别在油中和绝缘纸中形成持续的冲流电流IS和扩散电流ID，如图9所示。

图9　油流动时离子稳态运动Fig.9 Ions motion during oil flowing in steady state

Hirotaka Muto在试验中得出稳态下油流带走的正离子数量q正比于界面处油流剪应力[11]

式中，系数α 为与纸表面粗糙度有关的常数；τ 为界面处油流剪应力，扁矩形油道绝缘油流动为层流状态时，其与油流平均流速的关系为[10]

式中，ρm为绝缘油密度；um为油流平均流速。

正离子q被油流带走后，失去束缚的负离子在纸内形成的稳态扩散电流ID为[12]

式中，D-为负离子扩散系数；δ-为负离子层厚度。

考虑到绝缘油在进入绝缘模型时呈电中性，则稳态时绝缘模型内的电流平衡关系为

结合式（2）～式（5）得到绝缘油流动状态为层流时冲流电流表达式

随着温度的升高绝缘油的粘度下降，导致绝缘油流动时的雷诺数提高，此时绝缘油的流动状态将由层流向紊流转变。由绝缘油流速分布计算可知，高温下绝缘油的流动包含层流和紊流两种状态，90℃时绝缘油的临界平均流速为0.55m/s，与图3中冲流突变所对应的流速值接近。试验中流速区间为0.6～0.8m/s时，冲流电流出现了突变现象，此现象在T.Tanaka等试验中也有发生[13]。由于层流向紊流转变中流体存在过渡形态，过渡形态时绝缘油的流动更为复杂，导致油流带电量增加。研究表明，在层流向紊流的过渡阶段冲流电流与流速的2～4次方成比例关系，紊流下冲流电流与流速的1～2次方成比例关系[13-15]。

低温下绝缘油的流动状态为层流，由式（6）可知，冲流电流随流速线性提高；高温下绝缘油的流动状态由层流向紊流转变，根据已有的研究成果，在绝缘油不同流态下冲流电流与流速的不同次方成比例关系，这与图3中试验结果相符。

式（6）表明无外施电压时，冲流电流与纸内负离子扩散系数D-成正比，纸内负离子扩散系数可以表示为[16]

假设纸内负离子均为一价离子，则负离子迁移率与绝缘纸电导率的关系为[17]

式中，γP为绝缘纸电导率；ρ-为绝缘纸内总的负离子体密度。

结合式（6）～式（8）得到冲流电流的另一种表达式

式中

式（9）表明，无外施电压时温度通过影响绝缘纸电导率和油的运动粘度而改变冲流电流。

本文对绝缘纸电导率进行了测试，得到A（T）随温度变化的曲线如图10所示。

图10　A（T）随温度变化曲线Fig.10 Changing curve of A（T）versus temperature

由图10可知，A（T）随温度升高而指数增加，则根据式（9）可知无外施电压时冲流电流随温度指数增加，提高流速会导致冲流电流增加，这与图4中的试验结果相符。

3.4 外施电压下的油纸绝缘油流带电特性分析

对油纸绝缘施加交流电压会导致绝缘中的离子受到电场力的作用，这一外施电场不会对界面处的束缚离子造成明显影响，正、负离子分离仍依靠油流的剪切作用。剪切力作用下界面处正、负离子分离，油纸绝缘中离子在外施交流电压正半周期内（电场方向为由高压电极指向接地电极）运动行为如图11所示。

图11　外施交流电压正半周期内油纸绝缘中离子行为Fig.11 Ions behavior in the insulation in the positive period of external AC voltage

在外施交流电压正半周期内，由于电场方向与界面双电层所建立内电场方向的差异，外施交流电压对高压侧和接地侧油纸界面双电层中的离子迁移将产生不同的影响。接地侧油纸双电层所建立的电场与外电场方向一致，正、负离子在电压作用下都向油纸界面处迁移，造成界面处正、负电荷的集聚，不利于油纸间的电荷转移和消散，从而抑制了油流带电的产生。而高压侧的油纸双电层电场方向与外电场方向相反，外电场作用下双电层中的正离子在绝缘油中发生迁移，正离子迁移的同时被绝缘油流动带走形成冲流电流IS（t），绝缘纸中负离子在扩散、迁移作用下向高压电极运动，形成扩散电流ID（t）及电场迁移电流IM（t），正、负离子不断离开油纸界面为油流下油纸接触界面处的电荷再次转移创造条件，促进了油流带电的产生。所以交流电压正半周期内冲流电流主要取决于高压侧油纸界面双电层的产生与消散。交流电压负半周期内冲流电流的产生与正半周期内原理相同，负半周期内冲流电流主要取决于接地侧油纸界面双电层的电荷分离。

以交流电场正半周期为例，双电层中被油流剥离的正离子在电场作用下向接地电极方向迁移，油纸绝缘中绝缘油内电场分布为[18]

式中，ω为角频率； εP为绝缘纸相对介电常数；εoil为绝缘油相对介电常数；U为外施电压幅值。

正半周期内正自由离子在油中的迁移距离为[19]

试验最大电压幅值为Umax＝18kV，油中正离子迁移率bi＋＝8×10-9m2/（V·s）[4]， εP＝4.4，εoil＝2.2，ω ＝314rad/s。得到电场作用下，油中正离子最大迁移距离为δmax＝0.174mm，远小于油隙宽度。这一关系表明，油中正自由离子不会迁移至接地电极泄放，而是全部被油流带走形成冲流电流IS，如图11所示。

当绝缘油循环流动一定时间后，绝缘纸内自由负离子迁移电流和扩散电流以及油流冲流电流达到稳定的动态平衡状态。考虑到绝缘油在进入绝缘模型时呈电中性，则外施交流电压的半个周期内绝缘模型中的电荷守恒

外施交流电压幅值较低时，油纸界面处负离子在正半周期内不能迁移至高压电极，而在负半周期内又重新迁移回油纸界面处，即低电压下负离子在绝缘纸中发生往复迁移，此时高压电极处迁移电流IM（t）为零，纸内负离子运动至电极处仍依靠离子的扩散行为，与未施加交流电压情况类似，所以外施交流电压较低情况下，冲流电流没有发生明显变化，与图5低电压下冲流电流变化情况相符。

外施交流电压较高情况下，纸内负离子可迁移至高压电极处，此时由于纸内负离子在电场作用下的迁移行为抑制了负离子的扩散行为，扩散电流ID（t）与迁移电流IM（t）相比可以忽略，因此式（13）可以简化为

在式（14）基础上得到冲流电流的周期平均值为

纸中负自由离子迁移电流为[15]

式中，EP（t）为纸中电场强度。

外施交流电压作用下纸中电场强度EP（t）与外施加交流电压幅值U的关系为[18]

结合式（2）、式（3）及式（15）～式（17）得到冲流电流为

从式（18）可以看出，冲流电流随外施电压幅值升高而增大，与图5电压幅值较高时冲流电流变化趋势相符。

根据式（8）及式（18）可以得到冲流电流与温度的关系为

式中

式（19）表明在外施交流电压作用下，温度通过影响绝缘纸电导率以及油粘度而改变冲流电流。通过对油纸电导率以及油粘度的测量，得到B（T）随温度的变化曲线如图12所示。

图12　B（T）随温度变化曲线Fig.12 Changing curve of B（T）versus temperature

由图12可知，参数B（T）随温度提高而指数增加，则根据式（19）可知外施交流电压作用下，冲流电流随温度指数增加，这与图6中的试验结果相符。

4 结论

本文结合国内超高压变压器安全运行的实际需求，开展了交流电压下典型平板油纸绝缘结构油流带电特性的试验研究，并对试验结果进行理论分析，研究结果表明：

1）无外施电压作用时，油纸绝缘冲流电流特性与温度及油流速度有关，低温下冲流电流随流速的增加呈线性增加；高温下冲流电流与流速呈幂函数的关系。

2）在外施交流电压作用下，冲流电流大小与外施电压的幅值有关，当交流电压幅值较低时冲流电流变化较小，而当外施电压幅值提升超过一定值后冲流电流随电压幅值升高而明显增大。

3）温度对冲流电流有较大的影响，随温度的增加冲流电流呈指数增加，且流速较高时温度对冲流电流值影响更加明显。

4）外施交流电压下，油流带电程度的提高应归因于纸中离子迁移对界面处电荷产生速度的促进；温度通过影响绝缘中离子迁移和扩散速度以及电场分布而影响油流带电特性。

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林 林 女，1988年生，硕士研究生，主要从事高电压与绝缘技术方向研究。

E-mail:linlin_hrbust@163.com（通信作者）

陈庆国 男，1970年生，博士生导师，研究方向为高电压绝缘、电力设备绝缘检测及高电压应用新技术。

E-mail:qgchen@263.net

Flow Electrification Characteristics of Typical Plane Oil-Pressboard Insulation under AC Voltage

Lin Lin1Chen Qingguo1Gao Yuan1He Zilan2Chen Shaojie2
（1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China 2.Electric Power Research Insititute China Southern Power Grid Co.Ltd.Guangzhou 510080 China）

AbstractTo investigate the flow electrification characteristics of oil-paper insulation under AC voltage,a typical plane oil-pressboard insulation structure was built in laboratory.Experiment study on flow electrification was carried out with the closed oil circulating system,and the relationships were also discussed among streaming current,the voltage amplitude and temperature under AC voltage.The results show that the flow electrification characteristics of oil-paper insulation are related to the temperature and flow velocity in the absence of an external energizing voltage.The streaming current increases linearly with flow velocity at low temperature.At high temperature,the streaming current and flow velocity have the relationship of power function.The streaming current is associated with the amplitude of the applied voltage under AC voltage.The streaming current changes little if the amplitude of AC voltage applied on the oil-paper insulation is low.After the applied voltage amplitudebook=245,ebook=251rises to a certain value,the streaming current increases obviously with the voltage amplitude.Temperature has great influence on streaming current.That is,the streaming current increases exponentially with the increase of temperature,and the influence of the temperature is even more obvious under high velocity.The theoretical analysis demonstrate that the increase of charging tendency under AC voltage can be attributed to the enhancement of charge generation speed at oil-paper interface by ions migration in the paper.The temperature influences the flow electrification characteristics through affecting the ions migration,diffusion speed,and the electric field distribution.

Keywords：Oil-paper insulation,AC electric field,flow electrification,ions migration

作者简介

收稿日期2014-06-04 改稿日期 2014-09-09

中图分类号：TM411