陳 鑫，郝 建，高晨煜，馮大偉，廖瑞金，葉文郁

（1.國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司，江蘇 無(wú)錫 214000；2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

0 引言

絕緣油被稱為變壓器的“血液”，起著散熱、絕緣和熄滅電弧的重要作用[1]。礦物絕緣油因絕緣性能優(yōu)良、黏度小、酸值低等優(yōu)點(diǎn)，在油浸式變壓器中的應(yīng)用歷史已達(dá)100多年。近些年隨著對(duì)環(huán)?？稍偕茉匆约案叻阑鹦阅芙^緣油需求的提高，礦物絕緣油替代油品的研究一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[2-6]。植物絕緣油不僅具有更好的防火和生物降解性能，而且能有效延緩絕緣紙老化[4-7]。但與礦物絕緣油相比，植物絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度大、氧化安定性較差、介質(zhì)損耗和酸值高，在不改變變壓器結(jié)構(gòu)的前提下，無(wú)法直接應(yīng)用于傳統(tǒng)礦物絕緣油變壓器中。

將礦物絕緣油、植物絕緣油或合成酯絕緣油按照一定工序混合得到的混合絕緣油，可改善單一絕緣油性能的不足，統(tǒng)籌兼顧各種油品的優(yōu)缺點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-19]。I FOFANA等[9-10]率先研究了合成酯與礦物絕緣油組合而成的混合油的基礎(chǔ)性能，結(jié)果表明合成酯的添加，使得油品的工頻擊穿電壓、飽和含水量和熱穩(wěn)定性等都得到了一定程度的改善，但介質(zhì)損耗和運(yùn)動(dòng)黏度也隨之增大。C PERRIER等[11]進(jìn)一步提出了20%合成酯+80%礦物絕緣油的最佳混合比例，所得混合絕緣油具有更好的抗老化性能和更高的電氣強(qiáng)度，同時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)黏度增幅較小。文獻(xiàn)[12-15]對(duì)礦物絕緣油與天然酯（合成酯）組成的二元混合絕緣油的抗老化性能進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在同等熱老化條件下，二元混合絕緣油能明顯延緩絕緣紙的熱老化速率。然而，現(xiàn)有最佳配比二元混合絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度、介質(zhì)損耗因數(shù)等參數(shù)尚不能滿足GB 2536—2011的要求。基于此，本課題組在前期二元混合絕緣油研究基礎(chǔ)上，研制成功一種新型三元混合絕緣油[16-19]，其關(guān)鍵性能參數(shù)滿足IEC 60296-2012和GB 2536—2011礦物絕緣油的性能參數(shù)要求，可直接灌裝至現(xiàn)有礦物絕緣油變壓器內(nèi)使用。與傳統(tǒng)礦物絕緣油相比，該三元混合絕緣油具有更優(yōu)的工頻擊穿性能和顯著延緩油紙絕緣熱老化的性能[16-19]。

在油浸式變壓器內(nèi)，絕緣油和油浸紙板的分界面是性能非連續(xù)性界面，油-紙間的局部電場(chǎng)畸變極易引起沿面放電，甚至誘發(fā)閃絡(luò)故障[20]。沿面放電會(huì)引起局部絕緣失效，影響變壓器運(yùn)行安全[21]。針對(duì)礦物絕緣油的替代油品，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在植物絕緣油紙復(fù)合體系和礦物絕緣油紙復(fù)合體系在交流、直流和雷電沖擊電壓下的沿面放電特性進(jìn)行了對(duì)比研究[22-26]。A BEROUAL等[22-24]研究發(fā)現(xiàn)，與礦物絕緣油-紙復(fù)合體系相比，植物絕緣油-紙復(fù)合體系的總放電電荷量更大、流注停止長(zhǎng)度（Lf）更長(zhǎng)，并推測(cè)植物絕緣油-紙復(fù)合體系具有更小的沿面閃絡(luò)電壓。F MURDIYA等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在工頻電壓下，與棕櫚油脂肪酸酯（PFAE）油相比，菜籽油和礦物絕緣油沿面放電的電樹(shù)枝亮度更亮，流注通道的長(zhǎng)度更長(zhǎng)和寬度更大，且流注具有許多細(xì)小分支和閃光點(diǎn)；此外，菜籽油和礦物絕緣油中沿面放電的能量（Ji）更大，在相同的放電時(shí)間下流注發(fā)展速度更快。H SITORUS等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在雷電沖擊電壓和工頻電壓下，合成酯的流注停止長(zhǎng)度大于礦物絕緣油和天然酯的流注停止長(zhǎng)度，起始放電電壓也小于礦物絕緣油和天然酯。

綜合來(lái)看，混合絕緣油紙復(fù)合體系的沿面放電特性受植物絕緣油種類的影響，目前相關(guān)研究還相對(duì)較少。為進(jìn)一步推動(dòng)新型三元混合絕緣油在變壓器中的安全應(yīng)用，需在現(xiàn)有聚焦混合絕緣油基礎(chǔ)性能參數(shù)表征研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展混合絕緣油油紙復(fù)合體系的沿面放電及局部放電特性研究。本研究以礦物絕緣油紙復(fù)合體系為參比，首先研究三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的沿面起始放電電壓和閃絡(luò)電壓，然后分析沿面放電PRPD圖譜和放電特征參量，最后結(jié)合Material Studio軟件分析兩種絕緣油紙復(fù)合體系的沿面放電特性差異的原因，為新型三元混合絕緣油的安全應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

三元混合絕緣油是以礦物絕緣油、大豆油和棕櫚油為基礎(chǔ)油按體積比為76∶19∶5進(jìn)行混合，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的復(fù)合抗氧化劑（0.2%T511+0.2%L06）得到。兩種基礎(chǔ)油的型號(hào)及性能參數(shù)如表1所示，25#礦物絕緣油及三元混合絕緣油的性能參數(shù)如表2所示，其中25#礦物絕緣油也是對(duì)照組用油。

表1 兩種基礎(chǔ)植物絕緣油的型號(hào)及性能參數(shù)Tab.1 Models and performance parameters of two vegetable insulating oils

表2 三元混合絕緣油和礦物絕緣油的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of the three-element mixed insulating oil and mineral insulating oil

絕緣紙板由南瑞集團(tuán)重慶博瑞變壓器有限責(zé)任公司提供，厚度為1.0 mm。將裁剪好的紙板在90℃下干燥24 h，然后分別在礦物絕緣油和混合絕緣油中浸漬48 h，浸漬溫度為60℃，真空度為0.9 MPa。浸漬完畢后，通過(guò)卡爾費(fèi)休法測(cè)試兩種絕緣油浸紙板的水分含量均為0.90%。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

油紙絕緣復(fù)合體系的沿面放電試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。工頻交流電壓由YDTW50/100型試驗(yàn)變壓器提供；采用針-板電極模擬極不均勻電場(chǎng)，針電極曲率半徑為100μm，半圓平板電極直徑為30 mm，針電極與紙板表面的夾角為53°，針-板電極間距離分別為 10、15、20、25 mm；采用Techimp PD Check型高頻局部放電測(cè)試儀通過(guò)高頻電流互感器進(jìn)行局部放電數(shù)據(jù)采集和分析，其等效電路圖如圖1所示，其中M為電流傳感器線圈的互感，Ls、Cs分別為線圈的自感和等效雜散電容，Rs為線圈的等效電阻，C0、R0分別為等效負(fù)載電容和電阻[27]。接地電流i1(t)流經(jīng)高頻電流互感器，產(chǎn)生Ui(t)的局部放電信號(hào)并經(jīng)通信線傳輸至脈沖分析儀進(jìn)行處理。

圖1 局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Partial discharge test system

采用升壓法對(duì)兩種絕緣油紙復(fù)合體系的沿面放電特性進(jìn)行對(duì)比研究，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定合理的步進(jìn)電壓ΔU，在各電極距離下的步進(jìn)電壓ΔU如表3所示。以1 kV/min的升壓速度緩慢升高電壓，當(dāng)局部放電量超過(guò)100 pC時(shí)，外施電壓即為起始放電電壓[28]。從起始放電電壓至沿面閃絡(luò)電壓，每升高電壓ΔU，并維持局部放電5 min后，采用脈沖分析儀采集信號(hào)，采集時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為2μs，共記錄500組工頻放電脈沖信號(hào)。缺陷樣品發(fā)生沿面閃絡(luò)后，分別更換油浸紙板樣品與絕緣油，重復(fù)進(jìn)行5組試驗(yàn)，各特征參量取平均值。

表3 各電極距離下沿面放電實(shí)驗(yàn)的步進(jìn)電壓ΔUTab.3 Stepped voltage of creeping discharge test under various electrode distance

2 結(jié)果及分析

2.1 局部放電起始電壓和閃絡(luò)電壓分析

針-板電極結(jié)構(gòu)形式下，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系和礦物絕緣油紙復(fù)合體系在各電極距離下的局部放電起始電壓和閃絡(luò)電壓平均值如圖2所示。從圖2可以看出，隨著電極距離的增大，兩種絕緣油紙復(fù)合體系的局部放電起始電壓變化不大，而閃絡(luò)電壓逐漸增大。這是由于局部放電從電極尖端開(kāi)始，沿著油-紙分界面向板電極發(fā)展。尖端缺陷下的起始放電電壓主要由針電極的曲率半徑?jīng)Q定，受電極距離的影響較小，而沿面閃絡(luò)電壓則隨著電極距離的增大逐漸增大，這與文獻(xiàn)[20]的試驗(yàn)結(jié)果一致。與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系在尖端缺陷下具有更小的局部放電起始電壓和閃絡(luò)電壓，以25 mm電極距離為例，其局部放電起始電壓和閃絡(luò)電壓分別為15.90 kV和37.72 kV，分別比礦物絕緣油紙復(fù)合體系的小2.53%和9.28%。

2.2 沿面閃絡(luò)過(guò)程中的局部放電發(fā)展特性分析

2.2.1 放電脈沖波形分析

各電極距離下沿面放電脈沖時(shí)域、頻域波形特性相似，本研究在25 mm電極距離下對(duì)三元混合絕緣油紙復(fù)合體系和礦物絕緣油紙復(fù)合體系的放電脈沖波形進(jìn)行對(duì)比分析。外施電壓為35 kV時(shí)，兩種絕緣油紙復(fù)合體系沿面放電的典型放電信號(hào)時(shí)域波形如圖3(a)、(c)所示。從圖3(a)、(c)可以看出，兩種絕緣油紙復(fù)合體系的沿面放電信號(hào)均為快速衰減的抖脈沖，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的放電信號(hào)幅值明顯大于礦物絕緣油紙復(fù)合體系。

將沿面放電脈沖信號(hào)的時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為頻域波形，如圖3(b)、(d)所示。三元混合絕緣油紙復(fù)合體系和礦物絕緣油紙復(fù)合體系典型放電波形的頻域波形主要集中在10～20 MHz，40～50 MHz分量占比較小；此外，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的頻域波形中各分量幅值略大于礦物絕緣油紙復(fù)合體系。

圖3 礦物絕緣油紙復(fù)合體系和三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的時(shí)域和頻域譜圖Fig.3 The time-domain and frequency-domain patterns of mineral insulating oil-paper composite system and three-element mixed insulating oil-paper composite system

2.2.2 PRPD圖譜分析

將一定采樣時(shí)間內(nèi)的局部放電脈沖信號(hào)幅值按相位關(guān)系作圖，得到兩種絕緣油紙復(fù)合體系的PRPD（phase-resolved partial discharge patterns）圖譜，如圖4～5所示。從圖4～5可以看出，當(dāng)外施電壓達(dá)到起始放電電壓時(shí)，兩種絕緣油紙復(fù)合體系在工頻電壓峰值附近出現(xiàn)放電脈沖信號(hào)，由于極性效應(yīng)負(fù)脈沖數(shù)大于正脈沖數(shù)。隨著外施電壓的增大，PRPD圖譜中放電信號(hào)的幅值和數(shù)量均快速增大，正、負(fù)脈沖最小放電相位也向0°和180°發(fā)展。隨著電壓的進(jìn)一步增大，針尖處電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，局部放電產(chǎn)生的高溫致使紙板表面水分蒸發(fā)并產(chǎn)生白斑，表面纖維出現(xiàn)明顯劣化，放電脈沖幅值有所減小，但脈沖數(shù)仍快速增加；在發(fā)生沿面閃絡(luò)前，針-板間出現(xiàn)貫穿電極、不持續(xù)的放電樹(shù)枝，PRPD圖譜中放電脈沖數(shù)進(jìn)一步增大，放電脈沖幅值開(kāi)始回升。

圖4 礦物絕緣油紙復(fù)合體系沿面閃絡(luò)加壓過(guò)程中的放電PRPD圖譜Fig.4 The PRPD patterns of mineral insulating oil-paper composite system in surface flashover voltage applying process

圖5 三元混合絕緣油紙復(fù)合體系沿面閃絡(luò)加壓過(guò)程中的放電PRPD圖譜Fig.5 The PRPD patterns of three-element mixed insulating oil-paper composite system in surface flashover voltage applying process

與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系起始放電電壓更小、放電發(fā)展速度更快，相同外施電壓下PRPD圖譜中放電脈沖數(shù)和幅值均大于礦物絕緣油紙復(fù)合體系。

2.2.3 放電量、放電次數(shù)和放電相位分析

圖6為25 mm電極距離下，絕緣油紙復(fù)合體系基本特征參量隨外施電壓幅值的變化。從圖6(a)可以看出，隨著外施電壓幅值的增大，兩種絕緣油紙復(fù)合體系在沿面放電故障下的最大放電量Q95% max均呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)。當(dāng)電壓達(dá)到25 kV時(shí)，三元混合絕緣油浸紙板表面開(kāi)始出現(xiàn)白斑狀放電損傷，最大放電量逐漸呈減小趨勢(shì)，直至沿面閃絡(luò)發(fā)生之前才有所回升，而礦物絕緣油紙復(fù)合體系的放電量直至電壓達(dá)到29 kV時(shí)才出現(xiàn)減小趨勢(shì)。與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，在沿面放電發(fā)展前期，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系具有更大的放電量；隨著外施電壓的增大，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的最大放電量更早出現(xiàn)減小趨勢(shì)，逐漸小于礦物絕緣油紙復(fù)合體系的最大放電量；隨著閃絡(luò)前放電量的回升，兩種絕緣油紙復(fù)合體系的最大放電量的差異不斷減小。

從圖6(b)可以看出，隨著外施電壓幅值的增大，兩種絕緣油紙復(fù)合體系沿面放電的正、負(fù)及總脈沖數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且外施電壓越大增速越快。從起始放電電壓至沿面閃絡(luò)電壓，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的放電脈沖數(shù)N基本大于礦物絕緣油紙復(fù)合體系；當(dāng)外施電壓達(dá)到37 kV，在三元混合絕緣油紙復(fù)合體系沿面閃絡(luò)前，其10 s采樣時(shí)間內(nèi)總放電脈沖數(shù)為礦物絕緣油紙復(fù)合體系的1.69倍。

圖6 絕緣油紙復(fù)合體系基本特征參量隨外施電壓幅值的變化Fig.6 The variation of basic characteristic parameters with applied voltage amplitude in insulating oil-paper composite system

圖7為針-板電極間距離對(duì)絕緣油紙復(fù)合體系沿面放電故障下負(fù)脈沖最大放電量的影響。從圖7可以看出，當(dāng)電極距離較小時(shí)，絕緣油紙復(fù)合體系的沿面閃絡(luò)電壓較小，油-紙分界面上的放電樹(shù)枝在較低外施電壓下即可發(fā)展至板電極，此時(shí)電場(chǎng)垂直分量較小，紙板表面無(wú)顯著放電損傷，最大放電量Q95% max隨著外施電壓的增加而增大。增加電極間距離，絕緣油紙復(fù)合體系的沿面閃絡(luò)電壓增大，更大的外施電壓使得針電極尖端電場(chǎng)垂直分量增大，絕緣油浸紙板表面出現(xiàn)白斑狀損傷，放電量出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。對(duì)于三元混合絕緣油紙復(fù)合體系，電極距離為15 mm時(shí)，短時(shí)沿面放電故障紙板表面無(wú)明顯的放電損傷；電極距離為25 mm時(shí)，紙板表面出現(xiàn)明顯的白斑狀電損傷（如圖8所示），最大放電量也隨著白斑的發(fā)展出現(xiàn)減小趨勢(shì)，直至沿面閃絡(luò)前，放電量再次快速增大。

圖7 不同電極距離下兩種絕緣油紙復(fù)合體系的最大放電量Fig.7 The maximum discharge magnitudes of two insulation oil-paper composite systems at different electrode distances

圖8 沿面放電過(guò)程中三元混合絕緣油浸紙板的表面形貌Fig.8 Surface appearance of the three-element mixed insulating oil impregnated paperboard during surface discharge process

對(duì)比圖7(a)、(b)可知，與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的最大放電量Q95% max出現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)的電極距離更大。這可能是由于相同電場(chǎng)強(qiáng)度下三元混合絕緣油更容易發(fā)生局部放電，沿面放電樹(shù)枝在油中的發(fā)展速度更快，受電極距離影響相對(duì)較小?？傮w來(lái)看，在各電極距離下，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系閃絡(luò)前的最大放電量大于礦物絕緣油紙復(fù)合體系，25 mm時(shí)其最大放電量為礦物絕緣油紙復(fù)合體系最大放電量的1.42倍。

圖9為不同電極距離下兩種絕緣油紙復(fù)合體系的放電脈沖數(shù)。從圖9可以看出，在各電極距離下，兩種絕緣油紙復(fù)合體系的放電脈沖數(shù)N均隨著外施電壓的增大而快速增加；針-板間電極距離越小，放電脈沖數(shù)隨外施電壓的增大速度越快。與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，相同外施電壓下三元混合絕緣油紙復(fù)合體系在各電極距離下均具有更高的放電脈沖數(shù)，且兩者的差異隨著電極距離的增加而更為顯著。

圖9 不同電極距離下兩種絕緣油紙復(fù)合體系的放電脈沖數(shù)Fig.9 Discharge pulse number of two insulating oil-paper composite systems at different electrode distances

2.3 放電特性差異討論分析

綜合分析放電圖譜和特征參量，與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，針-板電極結(jié)構(gòu)形式下三元混合絕緣油紙復(fù)合體系更容易發(fā)生沿面放電故障，相同外施電壓下也具有更大的放電量和放電脈沖數(shù)。兩種絕緣油紙復(fù)合體系沿面放電特性的差異可以根據(jù)液體流注發(fā)展的相關(guān)理論進(jìn)行解釋。

在極不均勻電場(chǎng)下，絕緣油中流注發(fā)展過(guò)程中，油中帶電粒子的產(chǎn)生存在多種途徑，包括陰極場(chǎng)致發(fā)射、光電離、場(chǎng)電離、碰撞電離和離子電離等，其中場(chǎng)電離和碰撞電離是帶電粒子產(chǎn)生的主要途徑[29]。F M O'SULLIVAN[30]基于固體電子隧道理論，確定液體場(chǎng)電離電荷密度可由式（1）計(jì)算得到。

式（1）中：q為電荷量；n0為分子數(shù)密度；a為分子間距；m*為有效電子質(zhì)量；h為普朗克常量為電場(chǎng)強(qiáng)度；Δ為電離電勢(shì)。

由式（1）可知，場(chǎng)電離電荷密度G與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。本研究通過(guò)COMSOL Multiphysics的靜電模塊對(duì)兩種絕緣油紙復(fù)合體系針-板電極下的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，絕緣油的相關(guān)參數(shù)如表1所示，三元混合絕緣油浸紙板和礦物絕緣油浸紙板的相對(duì)介電常數(shù)分別為5.05和4.95，紙板厚度為1.0 mm；結(jié)合圖2中沿面起始放電電壓和閃絡(luò)電壓，仿真中10 mm和20 mm電極距離下的外施工頻電壓幅值分別設(shè)置為15 kV和25 kV，得到20 mm電極距離下三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的仿真結(jié)果如圖10所示。以針尖的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度E和沿紙板表面方向的水平分量Ex在針-板間的分布如圖11所示，具體數(shù)值如表4所示。從圖10～11可以看出，針電極尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于平板電極，三元混合絕緣油紙分界面的電場(chǎng)強(qiáng)度略小于礦物絕緣油紙分界面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖10 20 mm電極距離下三元混合絕緣油紙復(fù)合體系的電場(chǎng)分布Fig.10 Electric field distribution of the three-element mixed insulating oil-paper composite system at 20 mm of electrode distance

圖11 20 mm電極距離下兩種絕緣油紙復(fù)合體系在針電極與板電極間的電場(chǎng)分布Fig.11 Electric field distribution of two insulating oil-paper composite systems from needle electrode to plate electrode at 25 mm of electrode distance

表4 絕緣油紙復(fù)合體系在針尖處的電場(chǎng)強(qiáng)度E和水平分量ExTab.4 Magnitude of electric field intensity E and its horizontal component Exfor insulation oil-paper composite system at the needle tip

場(chǎng)電離電荷密度G與分子電離電勢(shì)的平方Δ2成反比。三元混合絕緣油中含有體積分?jǐn)?shù)為24%的植物絕緣油，導(dǎo)致其分子電離能與礦物絕緣油分子存在一定差異。絕緣油分子的能帶結(jié)構(gòu)可以有效反映其在電場(chǎng)作用下的電離特性，因此本研究對(duì)三元混合絕緣油中的棕櫚油、大豆油以及礦物絕緣油分子的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

采用Material Studio軟件完成仿真模型的建立和分子模擬。大豆油基天然酯中的脂肪酸主要包括硬脂酸（C18：0，CH3(CH2)16COOH）、油酸（C18：1，CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH）、亞油酸（C18：2，CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH）和亞麻酸（C18：3，CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH），棕櫚油基天然酯中的脂肪酸主要包括月桂酸（C12：0，CH3(CH2)10COOH），礦物絕緣油主要包含鏈烴（C20H42）。為了使模型合理，需要幾何和能量?jī)?yōu)化。執(zhí)行了5個(gè)循環(huán)退火優(yōu)化，溫度范圍為300～500 K。通過(guò)速度“Verlet”算法以1 fs的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算原子運(yùn)動(dòng)方程，并使用“Ewald”和“At‐om-based”的求和方法計(jì)算靜電作用和范德華作用。為使模型更合理，在PCFF力場(chǎng)下采用NPT系綜對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行1 000 ps的模擬，3種絕緣油分子模型如圖 12所示[31-33]。

圖12 253 K下3種絕緣油分子模型Fig.12 Models of three insulating oil at 253 K

能帶結(jié)構(gòu)通過(guò)在廣義梯度近似（GGA）交換相關(guān)項(xiàng)下使用PBEsol函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在此計(jì)算工作中，采用DNP基集來(lái)設(shè)置C、H、O原子的參數(shù)，核心電子通過(guò)全電子法處理，計(jì)算結(jié)果如圖13所示[34]。從圖13可以看出，3種絕緣油分子軌道中最高已占軌道（HOMO）差異較小，而礦物絕緣油分子的最低空軌道（LUMO）大于棕櫚油分子和大豆油分子。礦物絕緣油分子能隙（EL-EH）為5.85 eV，而植物絕緣油分子的能隙較小，棕櫚油分子和大豆油分子的能隙分別為4.39 eV和3.48 eV。由于植物絕緣油分子能隙小于礦物絕緣油分子，因而在電場(chǎng)作用下，與礦物絕緣油相比，三元混合絕緣油分子更易發(fā)生電離。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，與油-紙間電場(chǎng)分布的差異相比，在針-板電極下兩種絕緣油分子電離電勢(shì)的差異對(duì)電離電荷密度的影響更大。

圖13 棕櫚油、大豆油和礦物絕緣油的能帶結(jié)構(gòu)Fig.13 The energy band structures of palm oil,soybean oil,and mineral oil

從單次脈沖放電量的角度對(duì)三元混合絕緣油紙復(fù)合體系和礦物絕緣油紙復(fù)合體系放電量的差異加以解釋。單次放電脈沖的放電量Qpd可由式（2）表示[35]。

式（2）中：n為一次放電過(guò)程中碰撞電離所產(chǎn)生的電子總數(shù)；q為電子電荷量；v為電子運(yùn)動(dòng)速度；s為放電通道的面積；dt為單次放電脈沖的持續(xù)時(shí)間。

從式（2）可知，由于相同電場(chǎng)強(qiáng)度下三元混合絕緣油分子更易發(fā)生電離，所產(chǎn)生的電子總數(shù)n更大，使得三元混合絕緣油紙復(fù)合體系沿面放電單次放電脈沖的放電量更大。

綜上，由于植物絕緣油分子的電離能小于礦物絕緣油分子，在極不均勻電場(chǎng)下，三元混合絕緣油分子更容易發(fā)生電離產(chǎn)生更多的帶電粒子，從而更有利于流注的發(fā)展，也使得沿面放電故障下三元混合絕緣油紙復(fù)合體系具有更大的放電量和放電脈沖數(shù)。

三元混合絕緣油紙復(fù)合體系在沿面閃絡(luò)故障下的絕緣性能略差于礦物絕緣油紙復(fù)合體系。新型三元混合絕緣油具有優(yōu)良的基礎(chǔ)理化性能和延緩纖維素老化的性能，應(yīng)針對(duì)其放電特性對(duì)變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，推進(jìn)新型三元混合絕緣油的安全應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）在相同電極距離下，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系沿面放電的起始放電電壓和閃絡(luò)電壓均小于礦物絕緣油紙復(fù)合體系，25 mm電極距離下，分別比礦物絕緣油紙復(fù)合體系的小2.53%和9.28%。

（2）綜合分析局部放電圖譜和基本特征參量，與礦物絕緣油紙復(fù)合體系相比，三元混合絕緣油紙復(fù)合體系更容易發(fā)生沿面閃絡(luò)故障，相同外施電壓下具有更大的放電量和放電脈沖數(shù)。

（3）根據(jù)電場(chǎng)仿真和分子模擬結(jié)果，針-板電極結(jié)構(gòu)下分子電離電勢(shì)對(duì)沿面放電的發(fā)展影響較大；綜合分析基礎(chǔ)油品分子的能帶結(jié)構(gòu)，三元混合絕緣油中棕櫚油分子和大豆油分子的能隙小于礦物絕緣油分子，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下更容易發(fā)生電離而有利于流注的發(fā)展，是三元混合絕緣油-紙復(fù)合體系更容易發(fā)生沿面放電故障的重要原因。