一种用于测量油纸绝缘中气泡成桥特性的装置与方法

技术领域

本发明属于油浸式电气设备故障模拟与预防领域，尤其涉及一种用于测量油纸绝缘中气泡成桥特性的装置与方法。

背景技术

油纸绝缘设备是目前电压耐受能力最强、结构最复杂同时均匀电场强度密度最高的绝缘装置，矿物油作为油浸式电力设备的绝缘及冷却的介质，它们的性能与质量会直接影响设备的稳定运行。油浸式电力设备是利用矿物油进行冷却散热，矿物油具有良好的导热性能、绝缘性能、防氧化与防腐性能，因此电力系统大量采用了油浸式电力设备。随着电力输送要求的提高以及电压等级的提升，油浸式电力设备故障特点已由单一机械故障发展到机械故障与电气故障共存。不含或极少含有杂质与气泡的矿物油绝缘性能良好，但是如果气体或者气泡含量较高时，油纸绝缘的绝缘性能将大大下降。油浸式绝缘设备中的气泡产生原因有很多，气泡会在电、热、振动、流场作用下迁移、积聚成桥，容易诱发局部放电，严重时会导致击穿故障。故针对油纸绝缘体系内气泡积聚成桥、击穿特性进行实验研究，对于油浸式设备故障预防具有重要价值。

在正常情况下矿物油中会混有一定量气体的，常用的变压器油气体溶解量为9％，当变压器等设备内部压力发生较大变化时，油中气体会逐渐析出，以微小气泡的形式悬浮于变压器油中或附着在油纸表面。实际油浸电气设备内部环境十分复杂，包含电场、温度场、声场、流场等多物理场作用，特别是在一些极端条件下(如极寒环境)，设备初始启动阶段，油温很低，在低温条件下，气泡所呈现的迁移机制尚不明确，因此有必要对此进行研究。另外，多物理场的作用会加速小气泡析出速率，进而发生迁移、积聚形成小桥，进而引发局放甚至击穿，因此研究多物理场下油纸绝缘中气泡成桥过程对于预防气泡致故障具有重要意义，在注入一系列气泡过程中，同时对箱体施加电场、温度场、声场等多物理场是本装置设计的难点。

发明内容

本发明设计了一种用于测量油纸绝缘中气泡成桥特性的装置与方法，该装置可以模拟油纸绝缘体系中电场、温度场、声场、流场等多物理场作用下气泡成桥、击穿现象，并获得相应的特性，装置能够比较综合性地模拟油纸绝缘体系内部多物理环境，具有半自动化的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于测量油纸绝缘中气泡成桥特性的装置与方法，本测量装置由实验箱体、高压源、电极及其定位装置、温控装置、振动装置、高速相机、气泡小桥生成模块等构成。电极在定位模块可自动调整两电极之间的间距与高度。在温度控制柜、半导体制冷器、油泵控制下，绝缘油温度范围可在-25℃～140℃调节。箱体与振动装置通过一个夹持装置实现刚性连接，振动频率范围为5Hz～5kHz。在自动注射泵的控制下，小桥生成模块顶部注射口安装有孔径可调的气泡栅，可按需在电极之间生成尺寸可调的一系列气泡。该装置综合考虑了电场、温度场、声场、流场等多物理场作用，以模拟实际油浸式电力设备内部复杂应力环境，具有半自动化的特点。

进一步，所述电极被三个旋转电机所定位，电极定位装置可以在输入所需参数后，可自动调节两极板之间的间距以及电极的高度。

进一步，所述油泵接入箱体管道外部安装有半导体制冷器，其在温度控制柜的控制下，可将油温降至-25℃，以模拟极端条件下油浸式电气设备启动阶段内部环境。

进一步，所述装置在自动注射泵的控制下，气泡生成模块会注入一系列气泡。模块表面有一排聚四氟乙烯制成的排气针，排气针顶部为孔径可调的气泡栅，可用于调节气泡大小。排气针紧密分布，外部分气管上安装有单向阀门，可以控制气泡生成数量。

进一步，所述振动平台与实验箱体连接通过两个弧形夹持装置锁紧，可以均匀箱体所受压力，以保护箱体不发生损坏。

进一步，利用所述一种用于测量多物理场下油纸绝缘中气泡成桥特性的装置进行实验，首先调节好高速相机位置与补光灯强度，使得获得清晰图像；利用温度控制柜与油泵循环调节绝缘油的油温；调节自动注射泵与气泡栅使得注射针生成所需气泡；利用高压源给定所需电压，并调节信号发生器与功率放大器对箱体施加所需振动，从而实现电场、声场、温度场、流场的耦合；改变振动参数、气泡尺寸与数量、油温等参数，持续提高外施电压直至发生击穿，利用高速显微相机观察气泡的迁移与积聚成桥过程，并利用示波器记录击穿瞬间波形，利用计算机分析气泡成桥过程的特征。

本发明的有益效果为：测量装置能够实现对多物理场下(特别是极端条件下)油纸绝缘体系中气泡成桥过程，所模拟的复杂多物理场环境与实际油浸式电力设备内部环境相符，对电极间相对位置控制灵活，且可实现自动控制。满足多物理场下油纸绝缘中气泡成桥特性观测实验基本需求。

附图说明

图1为测量多物理场下油纸绝缘中气泡成桥特性的装置整体结构图。

图2为测量多物理场下油纸绝缘中气泡成桥特性的方法流程图。

图3为气泡栅结构示意图。

图中标记说明：

实验箱体-1，高压电极-2，绝缘纸-3，旋转电机-4，从动轮-5，滑动导轨-6，热电偶-7，温度控制柜-8，半导体制冷器-9，铁氟龙加热管-10，高速显微相机-11，补光灯-12，夹持装置-13，自动注射泵-14，分气管-15，振动装置-16，功率放大器-17，信号发生器-18，油泵-19，示波器-25，电极定位模块-21，高压交直流电源-22，振动传感器-23，孔径调节把手-24，聚四氟注射管-25，气泡栅叶片-26。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

一种用于测量油纸绝缘中气泡成桥特性的装置与方法，用于研究油浸式电气设备内部复杂应力环境下气泡小桥的形成与积聚特性。该装置主要由实验箱体1、高压源22、电极2及其定位装置21、温控装置、振动装置16、高速显微相机11、气泡小桥生成模块等构成，如图1所示。实验箱体1为石英玻璃制成的圆柱形容器，内部装有25号变压器油。箱体底部为振动装置16，其在信号发生器18与功率放大器17的控制作用下可以产生5Hz-5kHz的有效振动，箱体与振动装置之间通过一个金属台面相连接，台面上安装有夹持装置13，可以通过旋转螺丝锁紧箱体，振动装置与箱体之间从而实现了刚性连接，使得振动能够有效传播，另外，两个弧形夹持装置可以均匀箱体所受压力，以保护箱体不发生损坏。由于振动在传播过程中，可能会有所衰减，因此为了获得实际箱体振动信息，在实验箱体上安装了精密测振仪23，实际测试过程中的振动参数使用测振仪所获得的参数。

箱体上部安装有支架与高压电极2，其材质分别为环氧树脂与黄铜，支架中部为U形槽，在滑动导轨6与电机的控制与锁紧套的支撑下，电极可以在槽内左右移动，锁紧套材质为聚四氟乙烯，具有良好的绝缘性能与机械性能。左右两电极顶部分别固定有两个旋转电机4及配套从动轮5，电极在定位装置21的控制下，可以自动灵活移动。电机主动轮与从动轮材质均为聚四氟材质，可以有效避免不必要的电晕放电。为模拟实际设备内部绕组状态，电极表面包有绝缘纸3。

箱体底部安装有气泡生成模块，模块表面有一排聚四氟制成的排气针，排气针顶部为孔径可调的气泡栅，可用于调节气泡大小。排气针紧密分布，外部分气管上安装有单向阀门，可以控制气泡生成数量。也可以防止油回流进入气管内。自动注射泵14可以调节气体注入速率，其注射速率范围为0mL/h～1000mL/h。导气管的材质为聚四氟乙烯，具有良好的绝缘性能以及耐高温性能。导管与自动注射泵之间的连接、导管与导管之间的连接采用鲁尔元件，保证良好的气密性。

通过温度控制柜8控制加热管与半导体制冷器9来实现温度的宽范围控制，热电偶7可以实时反馈油温。箱体外部与油泵相连接，油泵19的循环能够清除油中杂质并方便更换变压器油，油泵顶部接入箱体的导油管外部设有半导体制冷器9，可以产生-25℃的低温。当绝缘油在油泵驱动下缓慢流动时，绝缘油最低温度可以被冷却到-25℃，用于研究在寒冷条件下，油浸式设备启动阶段内部气泡成桥特性。

通过高速显微相机11实现图像的采集，相机、观测区域、补光灯三者在一条直线上，调节补光灯光照强度与相机位置，使得气泡图像足够清晰。高速显微相机的拍摄频率为1000fps，每次拍摄气泡迁移或击穿过程大约需要2s，即2000帧图像。气泡迁移与成桥过程可以手动控制相机拍摄，气泡击穿过程需要示波器提供触发信号使相机记录击穿过程。示波器同时也会记录下击穿时的波形，可以用于进一步深入分析其内部机制。

实验前，首先固定实验腔体到振动装置上，并用螺丝锁紧实验腔体。然后固定好电极位置并测试定位模块的运行情况。按照实验计划调节气泡栅，使得获得所需尺寸气泡。向实验腔体中注入绝缘油，然后安装温度控制装置，调节振动装置的参数，并测试振动参数是否正常。

实验过程中，首先调节好高速相机11位置与补光灯12强度，使得获得清晰图像；利用温度控制柜8调节绝缘油的油温，并稳定一段时间；调节自动注射泵14使得排气针生成一系列气泡，观察并调整高速显微相机捕捉到的图像，使气泡图像清晰；调节信号发生器18与功率放大器17对箱体施加振动信号，并使用测振仪获得实际振动参数；利用高压源22给定所需电压，并改变振动参数、气泡数量与尺寸、油温等参数，持续施加电压直至发生击穿，利用高速显微相机11记录气泡迁移、积聚成桥的过程，利用示波器20与高速显微相机11记录击穿瞬间图像与波形，利用计算机分析其特性。

综上所述，实验装置能够实现测量多物理场下油纸绝缘中气泡成桥特性的测量。可以模拟电场、温度场、声场、流场等多物理场应力作用下气泡成桥特性，特别是可以模拟极端条件下(如极寒环境)，设备初始启动阶段气泡的迁移、成桥与击穿特性。所考虑的多物理场条件贴近实际油浸式电气设备内部复杂的运行环境。装置对电场、温度场、声场的控制灵活且精度较高；气泡小桥的形成速率可控；小桥击穿现象与波形可以实时记录。因此，该实验装置满足测量多物理场下油纸绝缘中气泡成桥特性的测量的要求。