纳秒脉冲下变压器油中闪络光信号特性

　　变压器油成分复杂,其实验结果易受诸如外加电压波形、极性、试验电极和间隙距离等实验条件影响,在不同的实验条件下,变压器油表现出不同的击穿和闪络特性,因而目前对于变压器油绝缘特性的了解仍远远不够[1-3]。窄脉冲电压下液体介质中击穿和闪络场强极高、击穿时延达到ns量级,极大的减弱了击穿过程中杂质、温度、湿度和静态压力等外界因素的影响,有利于揭示绝缘介质的本征特性[4]。液体中击穿和闪络伴随着显著的光和热效应,利用高速摄影设备、光电倍增管、高灵敏度的示波器等记录击穿的电压、电流、光信号,使得深入研究流注的动态性与液体介质的击穿机理成为可能[5-6]。本文利用纳秒高压脉冲源、示波器TDS684C、光电倍增管9813SB等,分析闪络和预闪络过程中光信号的特性,进而讨论纳秒脉冲下变压器油的击穿机理。

　　1　实验设备及方法

　　高压纳秒脉冲源采用西北核技术研究所基于半导体断路开关的SPG200,这是一套电感储能方式的全固态脉冲功率源。SPG200主要由初级充电单元、磁压缩单元、SOS功率放大等几部分组成[7]。SPG200输出电压幅值的调节是通过调整循环盐水电阻的阻值来实现,最高幅值可达到350 kV。输出脉冲的幅度和宽度与负载大小密切相关,图1为电压脉冲输出包络波形。在实验间隙电路中串联高频薄膜限流电阻200Ω,防止间隙击穿电流过大对设备的损害。

　　闪络的电压、电流及光信号波形如图2所示。可以看出,光信号比电压和电流脉冲信号延迟,这是因为光电倍增管的响应时间约50 ns,然而实验中光纤长度比电流和电压信号的传输电缆短,另外光纤的信号传输速度远大于同轴电缆,综合影响导致示波器上光脉冲比闪络电流与电压脉冲信号延迟约30 ns。

　　2　光信号特性分析

　　2.1　实验检测的光谱范围

　　预闪络阶段光信号多出现在紫外线范围(<400 nm),光子可能来源于电极与液体介质的电荷交换、电子与正离子的中和以及被解离偶极子的复合等。变压器油的光传输特性如图3所示,其传输的光波长从300 nm至红外线[8],实验使用的光电倍增管9813SB的光谱范围介于290~639nm,因而本实验可检测的光谱范围为300~600 nm,包括紫外线和可见光。

　　2.2　预闪络阶段的光信号

　　预闪络阶段定义为从出现位移电流到电流突增前。由图2可知,电流脉冲信号主要由2个较大的脉冲组成,与电压波形相对应,首先出现的电流脉冲即是位移电流,位移电流主要由2部分组成:负电极发射的自由电荷与液体介质电通量突然变化引起的电流之和[9-10]。由于在纳秒脉冲下预闪络阶段极短,仅有几ns或者十几ns,受限于目前高速摄影设备的曝光率,液体中闪络区域的成像非常困难[5]。闪络过程中电流与光信号具有相同的变化形式,能够反映闪络区域密度及区域中载流子的变化,而且光信号不易受外界干扰影响,光电倍增管相当于一个光控制的电流源,具有很高的灵敏度,因此研究光信号的特征对理解闪络机理更加方便、有效与准确。