低温环境下电场配置与水分对变压器混合油击穿特性的协同影响机制

《Results in Engineering》：Effects of Combined Electric Field Configuration and Moisture under Cryogenic Conditions on Breakdown Characteristics of Transformer Oil Blends

本研究针对极端寒冷地区变压器绝缘油性能需求，通过系统分析矿物油与FR3植物油脂以8:2比例混合的油样在-30°C至20°C温度区间、40-175 mg/L含水量条件下的击穿特性。结果表明：混合油击穿电压呈U型温度特性，在-10°C至0°C出现极小值；含水量增加可使均匀电场中击穿电压差异最高降低71.4%；Weibull统计与COMSOL仿真揭示植物油组分通过延缓水滴聚集（矿物油中聚集速率快68倍）和抑制"水桥"形成（混合油形成时间延长4.5倍）的机制提升绝缘稳定性，为寒区变压器绝缘设计提供关键数据支撑。

　　

随着电力系统对变压器绝缘油性能要求的不断提高，特别是在东北地区、俄罗斯西伯利亚和阿拉斯加平原等严寒地带，冬季极端低温环境对变压器油的绝缘性能提出了严峻挑战。变压器油作为兼具绝缘和冷却功能的关键介质，其介电特性和热稳定性直接关系到电网的安全运行。传统研究多聚焦于矿物油或植物油的单独性能，而将两者优势结合的混合油（矿物油与植物油按特定比例混合）在寒区的绝缘特性研究仍存在空白，尤其是电场均匀性、水分相变与击穿电压U型拐点之间的内在关联机制尚不明确。

为解决这一难题，内蒙古工业大学电力学院秦春旭课题组在《Results in Engineering》发表了题为"低温条件下电场配置与水分对变压器混合油击穿特性的影响"的研究论文。该研究通过构建集成温度、水分含量和电场配置的多参数实验系统，结合介电泳力-流体相互作用仿真模型，深入揭示了混合油在极端寒冷条件下的绝缘性能变化规律。

研究人员采用三大关键技术方法开展研究：首先制备了45#矿物油与FR3植物油脂以8:2质量比混合的油样，通过卡尔费休库仑滴定法精确控制含水量为40 mg/L（A样）、107 mg/L（B样）和175 mg/L（C样）三个梯度；其次利用DW-50低温试验箱和XMYA-500T电热恒温烘箱建立温度控制平台，在-30°C至20°C范围内设置6个温度测试点；最后采用FJ-JYY80KV绝缘油耐压测试仪，分别使用板-板电极和针-板电极模拟均匀电场和高度非均匀电场条件，按照IEC 60156-2018标准进行击穿电压测试，每个条件重复6次测量确保统计可靠性。

3.1 电场配置对击穿电压的影响

研究结果显示，在-30°C至20°C温度范围内，混合油击穿电压呈现明显的U型变化规律，最低值出现在-10°C至0°C区间。当温度低于0°C时，击穿电压随温度升高而下降；高于0°C时则随温度上升而增加。在均匀电场条件下，含水量对击穿电压的影响尤为显著，A、B、C三种油样的击穿电压分别为46 kV、38 kV和32 kV，而在非均匀电场中相应值为32 kV、29 kV和28 kV，差异最大降低达71.4%。这表明在低含水量条件下，电场配置成为影响击穿电压的主导因素。

3.2 水分对混合油击穿电压的影响机制

通过分析水分在油中的三种存在形态（溶解态、乳化态和游离态），研究发现当温度高于0°C时，水分溶解度随温度升高而增加，更多水分以溶解态存在，对击穿电压影响较小；当温度低于0°C时，水分析出形成游离态和乳化态，但部分水分会固化为冰晶，反而增强绝缘性能。这种水分相变过程是导致击穿电压出现U型特性的核心机制。

3.3 Weibull统计分析

采用二参数Weibull分布模型（形状参数h和尺度参数θ）对击穿电压数据进行拟合，发现在90%累积击穿概率下，均匀电场中击穿电压始终高于非均匀电场。随着含水量增加，板-板电极的形状参数从7.28503（A样）降至4.30008（C样），表明温度对击穿电压的影响程度随含水量上升而增强。双因素方差分析证实含水量和电场配置对击穿电压存在显著交互作用（F(2,30)=3.56, p=0.041）。

3.4 统计显著性分析

通过独立样本t检验发现，在均匀电场中低含水量样品（A样）的击穿电压（31.90±4.18 kV）显著高于中、高含水量样品（p<0.001），效应量Cohen's d达3.03，表明含水量对绝缘强度具有实质性影响。

4.1 水分运动仿真

COMSOL多物理场耦合仿真显示，在非均匀电场中，矿物油内水滴聚集速率是植物油的68倍，而混合油中水滴形成导电"水桥"的时间比矿物油延长4.5倍。这从动力学角度解释了混合油具有更高绝缘强度的机理：植物油组分通过抑制水滴的介电泳运动和变形过程，有效延缓了导电通道的形成。

4.2 水滴变形仿真

通过耦合静电场与两相流水平集模块，模拟发现5 mm直径水滴在5 kV工频交流电场作用下，矿物油中形成水桥仅需4秒，而混合油中需18秒。植物油分子通过增强油相粘度、提高界面张力等特性，显著延缓了水滴在电场作用下的拉伸变形过程。

本研究通过实验与模拟相结合的方法，系统阐明了混合绝缘油在寒区条件下的击穿特性变化规律。主要结论包括：首先，击穿电压的U型温度特性与水分相变过程密切相关，在-10°C至0°C区间存在绝缘风险窗口；其次，电场均匀性对击穿电压的影响程度受含水量调控，低含水量条件下电场配置成为主导因素；第三，Weibull统计为混合油的可靠性评估提供了量化工具，形状参数的变化反映了温度敏感性的动态特征；最后，仿真研究从微观层面揭示了植物油组分通过抑制水滴运动和变形来提升绝缘强度的物理机制。

这项研究的创新性在于首次从多物理场耦合角度揭示了混合油在寒区的绝缘性能变化规律，为寒区变压器绝缘设计提供了重要的理论依据和实验数据。特别是发现20%植物油添加即可显著改善混合油的耐湿性能，同时保持矿物油良好的低温流动性，这一优化配方为开发适用于极端环境的高性能绝缘油提供了新思路。未来研究可进一步关注不同配方比例的影响、多水滴相互作用机制以及相变过程的实时观测等方向，推动混合绝缘油在寒区电网中的规模化应用。