等离子点火高压段绝缘油协同设计

等离子点火高压段绝缘油协同设计

抽象

油对高压点火装置起到绝缘、冷却和保护作用，但同时也会老化。本文提供了油的失效统计数据、影响这些数据的氧化和湿度方程、泵送油箱和静态油箱的温升，以及将该装置在20年使用寿命内失效风险控制在1%以下的协同设计规则。

1. 引言

在重型等离子切割中，点火高压部分可以浸入绝缘油中，包括变压器、储能电容器及其相关绝缘部件。绝缘油填充所有空隙，贴合所有轮廓，通过对流带走热量，并防止水分和灰尘侵蚀固体表面。

这种油并非被动硬件。它会在高温下氧化，吸收密封件泄漏处的水分，并在局部放电时分解成气体和碳颗粒。这些变化都会降低油液所能承受的电压。

油浸式变压器的操作人员都熟悉维护流程：取样、溶解气体分析、过滤。而油浸式点火装置的操作人员往往并不了解，因为该装置被视为一个密封的黑匣子，根本没有维护周期。

本文阐述了流体物理学、老化化学、浸没部分的热负荷、四个痛点以及使流体和固体硬件作为一个系统协同工作的协同设计规则。

2. 核心机制

油的电气性能由其击穿统计数据决定，而击穿统计数据又与体积相关：受力体积越大，击穿强度越低。在点火电压下的失效概率符合威布尔分布：

P_brk(V) = 1 − exp(−(V/V_63)^β_oil)

其中，P_brk(V) 表示电压为 V 时的击穿概率，V_63 表示 63% 的样品发生击穿时的电压（单位为 kV），β_oil 表示油品的形状参数。加工良好的油品在 12 附近具有陡峭的形状，因此安全到不安全的过渡区域较窄。

当 V_63 = 90 kV 且 β_oil = 12 时，60 kV 的点火应力会导致击穿概率为 0.8%。在 80 kV 时，同样的油的击穿概率达到 22%，在 85 kV 时达到 39%。10% 的过电压会使该部分从良好的设计变为完全随机的击穿概率。

2.1 氧化老化

在工作温度下，润滑油会发生氧化，其损耗因子也会随之升高：

tanδ_oil(t) = tanδ_0 · exp(k_ox · t)

其中 tanδ_oil(t) 为时间 t 后的损耗因子，tanδ_0 为初始值，k_ox 为每小时氧化系数，t 为使用时间（单位：小时）。初始含油量为 0.1%、k_ox = 1.2×10⁻⁵/小时的油品，十年后含油量达到 0.29%，且油品自身损耗也随之增加：

P_oil = 2πf · C · V² · tanδ_oil

其中，P_oil 为介质损耗（单位：W），f 为频率（单位：Hz），C 为受力电极间的电容（单位：nF），V 为电压（单位：kV），tanδ_oil 为损耗因子。一个 30 pF 的油节点在 20 kV 和 10 kHz 的条件下，新油损耗为 0.75 W，十年后损耗为 2.3 W，这是因为损耗与损耗因子呈同一条指数曲线变化。

2.2 水分渗入

水会溶于油中，其饱和度随温度升高而增加，因此温度较高的油箱会溶解更多的水，冷却后又会释放出这些水。溶解的水会显著降低油的分解强度：

V_63(w) ≈ V_63(0) · (1 − k_w · w)

其中，V_63(w) 为含水量为 w 时的特征击穿电压，V_63(0) 为干燥状态下的击穿电压（单位：kV），k_w 为每 ppm 水分的灵敏度，w 为含水量（单位：ppm）。当 k_w = 0.02 时，含水量为 15 ppm 时，90 kV 的油品击穿电压降至 63 kV。此时，60 kV 的点火应力位于分布内部而非分布外部：击穿概率从 0.8% 跃升至 43%。

2.3 局部放电和气体生成

浸没固体边缘的场增强作用会引发流体中的部分放电。放电会将油分解成氢气和轻烃，这些物质可以通过溶解气体分析检测到；同时，放电还会留下碳化颗粒，进一步降低油的击穿强度。这些气体和颗粒又会引发更多的放电，如此循环往复，形成一个良性循环。

2.4 浸没段的热负荷

油箱内消耗的每一瓦功率都由油承担。对于泵送回路，油位上升与质量流量成正比：

ΔT_oil = P_loss / (m_dot · c_p)

其中，ΔT_oil 为油温升高值（单位：K），P_loss 为总损耗（单位：W），m_dot 为质量流量（单位：kg/s），c_p 为油的比热容（单位：J/(kg·K)）。功率为 85 W、流量为 0.02 kg/s、比热容 c_p = 1,900 J/(kg·K) 的油段温度升高了 2.2 K。

在静态水箱中，同一部分通过壁面传导热量，导热系数接近 2.4 W/K，因此温升为 35 K。正是这种差异使得热点不会进入加速老化区。

该部分需要保持的脉冲很容易描述，但也容易被误解。储存的能量是：

E = ½ · C · V²

其中 E 为储存的能量，C 为电容（单位为纳法，nF），V 为电压（单位为千伏，kV）。纳法和千伏等于毫焦耳，因此 47 nF 电容在 20 kV 电压下储存 9,400 mJ 的能量，即 9.4 J。同一储能罐中的传导损耗如下：

P = I² · R

其中 P 为损耗，I 为电流（单位：安培），R 为电阻（单位：毫欧）。安培和毫欧等于毫瓦，因此 0.8 A 的电流流过 150 mΩ 的绕组会消耗 96 mW 的功率。浸没式回路的自谐振频率为：

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

其中 f_r 为谐振频率（单位：MHz），L 为回路电感（单位：nH），C 为电容（单位：pF）。一个漏感为 4,000 nH、电容为 2,000 pF 的变压器谐振频率为 1.78 MHz，此时油的损耗增大。

图 1 — 氧化和 15 ppm 的水使油的特征击穿电压从 90 kV 降至 63 kV，使 60 kV 时的失效风险从 0.8% 升至 43%。

3. 工程痛点

痛点一：密封部分无人服务

点火油箱出厂时是密封的，被视为免维护部件。但油液会氧化，水分积聚，最初的症状是内部闪络，这会同时损坏变压器和电容器，而且在此之前没有任何预警。

痛点二：加速局部衰老的热点区域

老化速度在温度最高的地方最快：变压器铁芯和电容器本体。此时，劣化后的液体在电场强度峰值处击穿强度最低，因此局部放电从热点开始。

痛点3：液体和固体不相容

油会侵蚀那些从未经过浸没测试的封装材料、清漆和垫圈。这种侵蚀会将颗粒和溶解的化合物释放到液体中，从而降低包裹它们的油的抗渗强度。

痛点 4：维护计划中缺少液体诊断

即使油田可通过港口到达，作业计划也可能不包含取样和气体分析。劣化过程在发生故障之前都难以察觉，而一旦发生故障，整个油田都会受到影响。

4. 设计步骤

策略一：从一开始就解决流体管理问题

在绘制外壳图纸之前，先确定采用密封式设计还是透气式设计。对于点火应用，应密封储罐，充入氮气，并增加膨胀容积以应对热循环。密封可以防止15ppm的水进入液体中。

策略二：指定与油相容的固体

在设计定稿前，对封装材料、清漆、垫圈和软管在工作温度下与所选油品的兼容性进行验证，并进行浸没试验。如果材料发生膨胀或渗漏，则会导致油液失效，而非起到保护作用。

策略三：移除场地强化点

将浸没元件的边缘打磨圆润，在端子处安装现场分级屏蔽罩，并按照油间隙表确定间距。HVC 瓷片电容器 呈现光滑的玻璃化表面，末端呈圆形，因此流体看不到边缘，也就无法电离。

策略四：控制油温

散热器或水泵的尺寸应确保矿物油的热端温度低于 90°C，而合成酯类油的热端温度则应高于 90°C。在静置油箱中，85 W 的功率段在 0.02 kg/s 的流量下温度升高 2.2 K，温度升高 35 K，因此水泵的选择决定了整个流体体积的老化速率。

策略五：对流体进行仪器化

安装采样口或溶解气体和水分传感器，并将油液检查纳入维护计划。监测气体和水的浓度变化趋势，并与报警阈值进行比较，氢气浓度升高是油田平整需要关注的首要信号。

策略六：选择履行职责所需的石油

合成酯的分解强度更高，耐水性更强，老化速度也比矿物油慢，而价格仅略高一些。对于脉冲剧烈、热点频发的点火装置而言，只要罐内所有固体物料都符合该酯的要求，那么这点性能优势是值得的。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	< 50 mΩ	25°C
回路电感（E40弦）	< 8 纳亨	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 10 GΩ。	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	> 50 kV/µs	额定电压

5. 该节点的高压电容器

浸没式电容器必须能够承受其所处液体的腐蚀。HVC部件就是为这种环境而设计的：

• 这些致密、密封的壳体及其封装符合变压器级油的要求，不会发生物质腐蚀，也不会释放颗粒。
• 陶瓷玻璃表面和圆形末端可最大限度地减少油中引发局部放电的场增强。
• 在额定电压下，局部放电保持在 5 pC 以下，因此电容器不会导致油分解。
• tanδ 低于或等于 0.1% 可使电容器在储罐热负荷中所占的比例保持较小。
• 在温暖的、充满油的密闭空间中，漂移控制在±30 ppm/°C以内，从而保证了电气参数的稳定性。
• 40千伏 门把手电容 和 薄膜电容器 在高压系统中进行系列测试，其中流体工程和组件兼容性是常规操作。

交付和支持 涵盖一个 交叉参照 针对您油箱目前使用的电容器，提供封装的浸没兼容性数据、流体老化测试样品，以及现场分级和油箱内部间隙的应用支持。请提供油品类型、油段额定电压、热点温度以及…… 分级电阻器 安装在末端。

6. 常见问题

Q1：这种油能耐受多少水？

浓度必须保持在 5 ppm 以下。浓度达到 15 ppm 时，90 kV 的油的耐压值会降至 63 kV，而 60 kV 的点火应力对应的击穿概率也会从 0.8% 上升到 43%。必须防止水进入油箱，因为一旦水进入油箱，任何过滤器都无法及时将其去除。

Q2：石油老化速度有多快？

损耗因子随温度时间呈指数增长。调试时损耗因子为 0.1%，氧化系数为每小时 1.2×10⁻⁵，十年后损耗因子为 0.29%，而流体自身的介电损耗也在同一曲线上从 0.75 W 上升到 2.3 W。

Q3：密封式还是呼吸式？

密封状态下，内部填充氮气，并设有膨胀容积。呼吸罐在每个热循环中与房间进行空气交换，每次交换都会引入水。膨胀容积能够应对油自身的收缩，而无需吸入房间空气。

Q4：为什么静水箱的温度会高得多？

因为热量会通过壁面散失。接近 2.4 W/K 的导热系数会将 85 W 的损耗转化为 35 K 的温升，而 0.02 kg/s 的泵回路则会将同样的损耗转化为 2.2 K 的温升。热点的位置决定了油的老化程度处于阈值的哪一侧。

Q5：石油取样应该检测哪些方面？

水分含量、酸度、损耗因子和溶解气体。氢气含量升高表明部分放电，水分指示密封件存在问题，损耗因子反映氧化状态。将这四项指标与其报警限值进行比较。

Q6：合成酯值得这个价钱吗？

如果用于点火，当油箱出现过热点时，酯类确实需要更换。酯类在分解强度下降前能吸收更多水分，且老化速度更慢。首先要用酯类测试油箱内所有固体的耐腐蚀性，因为换液过程会接触到所有被润湿的物质。

7。 参考

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com