高壓發(fā)生器中變壓器油對(duì)絕緣性能的影響分析

1、高壓發(fā)生器中變壓器油對(duì)絕緣性能的影響分析在X射線源高壓發(fā)生器中，變壓器油是最主要的絕緣介質(zhì)，在實(shí)際使用中，高壓發(fā)生器內(nèi)部 打火現(xiàn)象是射線源主要故障之一，發(fā)生這個(gè)現(xiàn)象的原因就是由于變壓器油被擊穿所至，因此 變壓器油的好壞也就成為產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)變壓器油介質(zhì)的電流與外界施加的電壓達(dá)到一定程度時(shí)，如果電壓繼續(xù)增加時(shí)，電流就會(huì) 急劇增加，直至絕緣被破壞，變壓器油將被擊穿。此時(shí)，在高電場(chǎng)的作用下，液體或雜質(zhì)分 子在電場(chǎng)作用下解離為離子；電極溢出電子，由于高電場(chǎng)的作用從電極引出電子；碰撞電離， 電子在高電場(chǎng)作用下被加速到能在碰撞液體分子時(shí)使液體分子電離。當(dāng)外加電場(chǎng)增強(qiáng)至很高 時(shí)，電流將急劇增加而

2、導(dǎo)致液體擊穿。同時(shí)，由于液體分子由電子碰撞而產(chǎn)生氣泡，或在電 場(chǎng)作用下由于陰極的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射的電子電流加熱變壓器油，使他分解出氣體。由氣泡內(nèi)的氣體 放電也會(huì)引起液體介質(zhì)擊穿。當(dāng)變壓器油中氣泡中的場(chǎng)強(qiáng)比油中場(chǎng)強(qiáng)大2.22.4倍，由于氣體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比變壓器油 低的多，所以氣泡先開(kāi)始電離，這又使氣泡溫度升高、體積膨脹，電離將進(jìn)一步發(fā)展；而帶 電粒子又會(huì)撞擊油分子，使油分解出氣體，擴(kuò)大氣體通道。如果電離的氣泡在電場(chǎng)中堆積成 氣體“小橋”，擊穿就可能在這個(gè)通道中發(fā)生。同時(shí)，變壓器油在放電作用下會(huì)發(fā)生分子的裂 解，產(chǎn)生新的氣體。由于在發(fā)生器制造過(guò)程中難免會(huì)有雜質(zhì)混入，工作中也會(huì)因變壓器油劣化而分解出氣體。

3、由 于水和纖維的相對(duì)介電常數(shù)很大，使得這些雜質(zhì)很容易被極化，而在沿電場(chǎng)方向定向排列形 成連續(xù)小橋，由于水分及纖維等的電導(dǎo)系數(shù)大而引起泄漏電流大、發(fā)熱增多，促使水分汽化、 氣泡擴(kuò)大；如果纖維尚未貫穿整個(gè)電極間隙，則由于纖維的介電常數(shù)大而使氣泡擴(kuò)大。最后 導(dǎo)致液體介質(zhì)在氣體信道中發(fā)生擊穿。影響變壓器油擊穿電壓的主要原因有以下幾個(gè)：（1）水分水分會(huì)以沉積、溶解和結(jié)合三種形式存在于變壓器油中。油中含水量越小，擊穿電壓就越高。 當(dāng)變壓器油中含水量為3%時(shí)，其耐壓強(qiáng)度約下降10%。變壓器油中如果存在著懸浮狀態(tài)的 氣體和水分會(huì)使擊穿電壓明顯下降；純凈的變壓器油可達(dá)80100kV/mm，而有雜質(zhì)的變壓 器油擊

4、穿場(chǎng)強(qiáng)只有1220kV/mm。因此我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中就采用真空加熱噴霧干燥的方法去除變壓器油中的水份。變壓器油首 先經(jīng)過(guò)加熱，將油中水份的溫度提高，當(dāng)油和水份同時(shí)以霧狀噴出時(shí)，因?yàn)橛偷臒崛萘枯^高， 其微粒仍能再合成較重的油粒滴入罐內(nèi)，而水份微粒本身帶有一定熱量。在從油罐上部抽真 空，這時(shí)油罐上部的真空度會(huì)比較高，由于變壓器油的飽和蒸汽壓力比水的飽和蒸汽壓力低， 于是，水微粒很快形成“汽化”狀態(tài)，被真空泵吸走。這就能大大降低變壓器油中的含水量。（2）雜質(zhì)純凈的變壓器油擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高。當(dāng)油中存在雜質(zhì)時(shí)，油的擊穿電壓會(huì)明顯下降。發(fā)生器中有 各式各樣的絕緣材料，特別是G10這種含玻璃絲的環(huán)氧絕緣板。這些纖

5、維雜質(zhì)，特別是含有 水分的纖維更容易導(dǎo)電。這些雜質(zhì)很容易沿電場(chǎng)方向排列成小橋。沿小橋的泄漏電流大，發(fā)熱多，容易引起水分汽化。 從而使氣泡擴(kuò)大，引起擊穿。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，我們還在對(duì)變壓器油真空干燥處理的同時(shí)用精細(xì)的過(guò)濾器（5um）將 油中的雜質(zhì)過(guò)濾掉，同時(shí)在產(chǎn)品裝配后進(jìn)行仔細(xì)檢查，清除發(fā)生器內(nèi)部雜質(zhì)和異物，最大程 度保證產(chǎn)品清潔度。另外，為了減少發(fā)生器內(nèi)氣泡和雜質(zhì)形成小橋”的可能性，在設(shè)計(jì)中選用了 PC (聚碳酸酯) 零件放置于高電位處，已減少直接形成這個(gè)通道的可能性。油的含氣量變壓器油中的含氣量直接影響其絕緣性能。變壓器油中正常溶解空氣量為10%左右。當(dāng)油的 含氣量超過(guò)飽和溶解量時(shí)，氣體就

6、會(huì)從油中釋放出來(lái)，懸浮在油中。當(dāng)油中存在懸浮的氣泡 時(shí)，由于兩者的介電系數(shù)不同，界面電場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生畸變。而且氣體的耐壓強(qiáng)度低，會(huì)產(chǎn)生氣 泡放電。發(fā)生器工作時(shí)，油和絕緣材料在溫度和電場(chǎng)的作用下會(huì)逐漸老化，產(chǎn)生少量氣體。 當(dāng)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生氣體。所以對(duì)發(fā)生器進(jìn)行真空注油就是為了消除發(fā)生器內(nèi)部油中的氣泡，防止產(chǎn)品工作中產(chǎn)生放電。 同時(shí)發(fā)生器采用常壓真空密封設(shè)計(jì)，以減少變壓器油長(zhǎng)期使用裂化的途經(jīng)，盡量延長(zhǎng)變壓器 油的工作壽命。溫度溫度的高低會(huì)影響到變壓器油中水分的氣化，在060C范圍內(nèi)，受潮的變壓器油的擊穿電壓 會(huì)隨著溫度升高而明顯增加；在6080C時(shí)擊穿電壓最高，溫度繼續(xù)上升，又會(huì)使

7、擊穿電壓 下降；右圖所示溫度對(duì)油耐壓強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)“V”型特性。擊穿電壓極小值的溫度隨著油中含 水量的增加而增加。而擊穿電壓極小值隨著油中含水量的增大而降低。因此，當(dāng)射線源工作在0攝氏度左右的環(huán)境時(shí)，需要對(duì)發(fā)生器進(jìn)行預(yù)熱，我們可以采用低電 壓訓(xùn)機(jī)的方式進(jìn)行預(yù)熱，如果時(shí)間不允許的話，也可以用發(fā)生器外部安裝預(yù)熱加熱帶的方式 提高初始工作溫度。適當(dāng)提高油溫，避免油在&”型曲線底部的油擊穿電壓最低值處運(yùn)行。右圖所示在060C范圍內(nèi)，變壓器油受潮后其擊穿電壓隨溫度升高而明顯上升，這是因?yàn)?隨著溫度上升油中懸浮狀態(tài)的水轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)。在6080C范圍內(nèi)，受潮油擊穿電壓可能 出現(xiàn)最大值。電壓作用時(shí)間變壓器油

8、的擊穿電壓會(huì)隨著電壓的作用時(shí)間的增加而呈下降趨勢(shì)。因?yàn)橛椭须s質(zhì)的聚集和介 質(zhì)的發(fā)熱均需要一定的時(shí)間，當(dāng)油的純凈度及溫度較高時(shí)，電壓作用時(shí)間對(duì)擊穿電壓的影響 較小。長(zhǎng)時(shí)間工作后，變壓器油的耐壓強(qiáng)度會(huì)逐步下降。正常油質(zhì)在1min以后，耐壓值下 降很小。所以，一般做工頻耐壓試驗(yàn)?zāi)蛪?min不擊穿視同受長(zhǎng)期運(yùn)行電壓作用也不擊穿。電場(chǎng)均勻程度在變壓器油的潔凈度比較高時(shí)，改善電場(chǎng)的均勻程度能使擊穿電壓明顯提高。在品質(zhì)較差的 油中，因雜質(zhì)的聚集和排列已使電場(chǎng)畸變，電場(chǎng)均勻的好處并不明顯。含雜質(zhì)的油受沖擊電 壓作用時(shí)，因?yàn)殡s質(zhì)來(lái)不及形成“小橋”，則改善電場(chǎng)均勻程度能提高其擊穿電壓。圖15為電 場(chǎng)均勻程度對(duì)油擊

9、穿電壓的影響。曲線1為劣質(zhì)油工頻擊穿電壓的變化曲線；曲線2為優(yōu)質(zhì) 油工頻擊穿電壓的變化曲線：曲線3為劣質(zhì)油沖擊電壓的變化曲線。在實(shí)際生產(chǎn)中的發(fā)生器內(nèi)部留有金屬異物、氣泡、引線屏蔽不良、導(dǎo)體和外殼有毛刺等都會(huì) 影響發(fā)生器內(nèi)部電場(chǎng)均勻的程度，造成發(fā)生器局部放電、擊穿。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于不同的問(wèn)題采取各種措施來(lái)減少這種可能性。比如在燈絲變壓器的 磁芯外加增加屏蔽、選用屏蔽線做為發(fā)生器源內(nèi)連接線、在陽(yáng)極螺栓外增加一個(gè)螺栓帽等加 大電極曲率半徑的措施，對(duì)于可以選用尼龍螺釘?shù)奈恢镁x用尼龍螺釘，這樣就可以改善變 壓器電場(chǎng)均勻程度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。壓力 如果變壓器油中含有氣體時(shí)，其擊穿電壓會(huì)隨著變壓器油

10、的壓力增大而升高。因?yàn)閴毫υ黾?時(shí)，氣體在變壓器油中的溶解量增大，并且氣泡的局部放電起始電壓也提高。但是變壓器油 經(jīng)過(guò)排氣之后，則壓力對(duì)沖擊電壓的影響減小。因此在設(shè)計(jì)上我們?cè)黾恿艘粋€(gè)膨脹器，避免發(fā)生器在-20160C正常使用溫度范圍內(nèi)發(fā)生 器內(nèi)部出現(xiàn)正壓或者負(fù)壓的情況。綜上所述，盡管影響變壓器油擊穿場(chǎng)強(qiáng)的因素有很多，但其中有一部分是間接的影響，例如 壓力因素，另一部分是發(fā)生器實(shí)際的工作特性而無(wú)法改善的，例如電壓的作用時(shí)間。其余最 直接的影響因素還是水份、雜質(zhì)和電場(chǎng)均勻程度，同時(shí)這幾個(gè)因素也是我們可以改進(jìn)和完善 的。所以在發(fā)生器的設(shè)計(jì)和制造當(dāng)中，如何改善變壓器油的性能以及延長(zhǎng)變壓器油的使用壽 命也是主要從這幾個(gè)方面著手進(jìn)行。在設(shè)計(jì)中盡量避免出現(xiàn)金屬尖端這樣的設(shè)計(jì)，盡量采取 圓角過(guò)渡的設(shè)計(jì)；在高電場(chǎng)附近