非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置及方法

2023-06-20 13:17:41 1

非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置及方法
【專利摘要】非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置及方法，屬於高電壓技術與流體力學交叉學科領域，本發明為解決目前的技術未能實現不同種類非均勻電場下液體的擊穿特性研究難題。本發明包括反應容器、液體電介質、針式高壓電極、接地電極、光纖、高壓直流電源、光電倍增管、示波器和控制器；所述方法為：開啟針式高壓電極向接地電極放電，形成非均勻電場；在放電過程中產生的光由光纖接收，並在示波器上顯示；控制器將接收的電信號進行處理，建立液體電介質放電物理模型，採用有限元方法對流體動力學模型進行數值求解，對正離子、負離子和電子的連續性方程進行相應的賦值計算；從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液體電介質放電過程中的變化規律。
【專利說明】非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種耐電強度測試技術，屬於高電壓技術與流體力學交叉學科領域。

【背景技術】
[0002] 隨著電力系統電壓的提高，急需開發新型電介質滿足電力設備絕緣的需求。目前 電力電容器、變壓器等電力設備中大多仍採用液體電介質來增強絕緣系統的電氣強度，因 此，合理運用液體電介質，提高電氣設備使用壽命，減少或消除由於絕緣介質擊穿導致的電 氣設備故障，才能確保發電、輸電及用電安全可靠。因此，對液體電介質放電現象的深入探 索，不但可以為電力設備結構設計提供技術支持和理論依據，而且也可以拓展液體電介質 應用的新領域。
[0003] 關於液體電介質擊穿的機理，許多學者進行了大量的研究工作，但由於問題的復 雜性，到目前為止，液體電介質的擊穿理論還很不完善。由於液體電介質放電與其含氣、含 雜質情況密切相關，在液體淨化技術不夠高的條件下，液體淨化程度沒有嚴格的指標規定， 因此不少研究得到的實驗結果差異很大，無法進行分析比較。近年來，隨著液體淨化技術不 斷的提高，得到一些合乎規律的實驗結果，從而建立了一些比較粗糙的液體電介質擊穿理 論觀點：電擊穿理論、氣泡擊穿理論以及雜質小橋理論。
[0004] 電擊穿理論是把氣體碰撞電離擊穿機理擴展用於液體，並進一步把碰撞電離與液 體分子振動聯繫起來；氣泡擊穿理論是基於液體電介質擊穿往往與液體含氣或從液體中產 生氣體密切相關提出來的；而雜質小橋理論主要是針對液體電介質中因為受潮而含有水分 或其他紙、布脫落的纖維等固體雜質對液體擊穿的影響提出來的。這些理論雖然在一定程 度上能定性的解釋液體電介質擊穿現象，但都具有局限性。隨著科學技術的進步，國內外學 者對液體電介質的擊穿過程研究已經取得了很多成果。
[0005] 中國科學院電氣工程研究所研究了脈衝電壓下液體和固體絕緣材料的擊穿特性， 通過蓖麻油、變壓器油、聚酯薄膜、聚醯亞胺薄膜的擊穿實驗的波形處理和分析，說明了擊 穿電壓與脈衝陡度、脈衝寬度和作用時間的相互關係，給出了一些具體的絕緣材料擊穿值。 美國克拉克大學研究所從電壓極性的角度，研究在300ns/3ms脈衝電壓條件下對烷烴進行 擊穿特性研究，實驗結果表明，一般的正流注以超聲速呈樹枝狀增長，負流注以亞聲速呈刷 狀傳播。正流注也能夠以亞聲速呈刷狀傳播，電壓由低變到高，更容易發生超聲波擊穿。當 間隙較大時，流注速度也會從亞聲波轉化為超聲波，但絕對不會反向轉化。Beroual和Zahn Markus都發現電壓極性對流注的傳播有明顯的影響，正流注和負流注有著不同的傳播速度 和發展階段，受液體電介質種類、外加電壓幅值U、針電極曲率、周期、液體有無添加物等的 影響，且在不同的階段佔據著不同的發展時間比例。Chadband利用變壓器油和兩種矽油，在 2-3mm針-板電極間隙、幾百納秒脈衝電壓作用的條件下發現，正流注速度隨間隙距離d的 減小或外加電壓U的升高而增大。
[0006] 目前，還未發現具有系統性地實現不同種類非均勻電場液體的擊穿特性研究的實 驗裝置，實現其放電過程的光電信息採集、分析、處理以及放電通道演化微觀可視性。


【發明內容】

[0007] 本發明目的是為了解決目前的技術未能實現不同種類非均勻電場下液體的擊穿 特性研究難題，提供了一種具有系統性地實現不同種類非均勻電場下液體擊穿特性研究 的實驗裝置，實現其放電過程的光電信息採集、分析、處理以及放電通道演化微觀可視性技 術。
[0008] 本發明所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置，它包括反應容器，所述 反應容器內部充滿液體電介質，反應容器內部相對設置有針式高壓電極和接地電極，光纖 的光輸入端設置在針式高壓電極的放電端和接地電極的電弧接收端的間隙處，光纖的光輸 出端連接光電倍增管的光信號輸入端，光電倍增管的電信號輸出端與示波器的顯示信號輸 入端相連；光電倍增管的電信號輸出端還與控制器的數據信號輸入端相連；高壓直流電源 的一端連接針式高壓電極高壓供電端子；高壓直流電源的另一端接地；接地電極接地。
[0009] 所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置的方法包括以下步驟：
[0010] 步驟一、開啟高壓直流電源，針式高壓電極向接地電極放電，形成非均勻電場；
[0011] 步驟二、在放電過程中產生的光由光纖接收，並由光電倍增管將該光信號轉換成 電信號，並在不波器上顯不；
[0012] 步驟三、控制器將接收的電信號進行處理，建立液體電介質放電物理模型，採用有 限元方法對流體動力學模型進行數值求解，利用液體電介質的固有參數，對正離子、負離子 和電子的連續性方程進行相應的賦值計算；
[0013] 步驟四、針對步驟三放電物理模型，從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液 體電介質放電過程中的變化規律。
[0014] 本發明的優點：本發明提供了一種非均勻場下液體電介質耐電強度實驗裝置，排 除外界噪聲、變壓器油純淨度等對放電研究過程的幹擾問題；本發明提供了一種非均勻場 下液體電介質耐電強度研究方法，提出液體電介質場致電離，結合流體中微觀粒子在場致 電離機理下的運動規律，說明液體電介質在非均勻場下粒子運動對耐電強度的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置的結構示意圖；
[0016] 圖2是場致電離機理示意圖；
[0017] 圖3是本發明所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試方法流程圖。

【具體實施方式】
[0018]

【具體實施方式】一：下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述非均勻場 下液體電介質耐電強度的測試裝置，它包括反應容器1，所述反應容器1內部充滿液體電介 質2,反應容器1內部相對設置有針式高壓電極3和接地電極4,光纖5的光輸入端設置在 針式高壓電極3的放電端和接地電極4的電弧接收端的間隙處，光纖5的光輸出端連接光 電倍增管7的光信號輸入端，光電倍增管7的電信號輸出端與示波器8的顯示信號輸入端 相連；光電倍增管7的電信號輸出端還與控制器9的數據信號輸入端相連；高壓直流電源6 的一端連接針式高壓電極3高壓供電端子；高壓直流電源6的另一端接地；接地電極4接 地。
[0019] 反應容器1採用絕緣、密閉且隔音的箱體。防止白噪聲對放電過程的幹擾。
[0020] 充滿液體電介質2選取GB2536-90變壓器油。變壓器油為透明，無懸浮和機械雜 質，排除如氣泡和雜質產生的局部放電對變壓器油放電過程的影響。
[0021] 針式高壓電極3和接地電極4均為金屬材料，且電極表面粗糙度保持在V9的程 度。
[0022] 根據場致電離機理在變壓器油放電過程中產生的空間電荷，利用所述的空間電 荷，結合流體動力學模型，研究在非均勻場下液體電介質的耐電強度。場致電離是一種直接 的電離機理，即在液體電介質某處區域電場強度達到IX 108V/m及以上時，處於此區域的 液體分子內部處於低能級電子受電場激勵獲得能量，向高能級躍遷，成為自由遷移的電子， 在生成自由電子的同時，原本顯電中性的液體分子因失去電子而成為正離子。參見圖2所 示，為場致電離機理示意圖。通常在低電場條件下，液體分子中的電子在各自能級上圍繞原 子核做圓周運動；當液體介質中某處處於極端電場下，電場強度達到I X 108V/m及以上時， 處於該區域的液體分子內部低能級電子將受到電場激勵，所獲得的能量足以使其向高能級 躍遷，電子掙脫原子核的束縛，成為自由電子。在生成自由電子的同時，原本顯電中性的液 體分子因失去電子而成為正離子。由於電子遷移率遠高於離子遷移率，因此當電子迅速向 正極遷移時，在原位置便留下了新生成的正離子。
[0023] 所述空間電荷包括，正離子、負離子以及電子。
[0024] 利用針-球電極在放電過程中產生的光現象，通過光纖5及光電倍增管7將光信 號轉換成電信號，在示波器8顯示出電壓變化規律。結合流體中微觀粒子在場致電離機理 下的運動規律，在控制器9中分析出在非均勻場下粒子運動對液體電介質耐電強度的影 響。

【具體實施方式】 [0025] 二：下面結合圖3說明本實施方式，根據實施方式一所述非均勻場 下液體電介質耐電強度的測試裝置的方法，該方法包括以下步驟：
[0026] 步驟一、開啟高壓直流電源6,針式高壓電極3向接地電極4放電，形成非均勻電 場；
[0027] 步驟二、在放電過程中產生的光由光纖5接收，並由光電倍增管7將該光信號轉換 成電信號，並在示波器8上顯示；
[0028] 步驟三、控制器9將接收的電信號進行處理，建立液體電介質2放電物理模型，採 用有限元方法對流體動力學模型進行數值求解，利用液體電介質2的固有參數，對正離子、 負離子和電子的連續性方程進行相應的賦值計算；
[0029] 步驟四、針對步驟三放電物理模型，從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液 體電介質2放電過程中的變化規律。
[0030] 步驟三中的流體動力學模型包括空間電荷與電場的耦合泊松方程、正離子、負離 子和電子的連續性方程。
[0031] 空間電荷與電場的稱合泊松方程為Vjk) = /?, e表不液體電介質的介電常 數，P表示空間中某點處空間電荷電量之和；所述正離子、負離子和電子的連續性方程為 1 + 二X ,其中P i表示流體中第i種粒子的電量密度y i表示第i種粒子 的遷移率，左表示空間電場強度矢量，Si表示第i種粒子的產生項，Qi表示第i種粒子的消 失項。
[0032] 在變壓器油中，電子在電場的作用下逆電場方向運動，在電子遷移過程中，會有 部分電子與中性分子附著形成負離子。在遷移過程中，電子、負離子也會分別與正離子發 生複合形成中性分子，則形成流體動力學模型中的粒子消失項；根據液體電介質2中一 個電子在電場作用下向高能級躍遷成為自由電子的概率，則形成流體動力學模型中粒子 的產生項。通過對空間電荷與電場的耦合泊松方程= p與粒子運動連續性方程 進行合理賦值，利用有限元方法求解得到電場、正離子、負離子和 CJl ' 7 電子在放電過程中變化規律，從而確定非均勻場下液體電介質的耐電強度。
[0033] 以上描述的是本發明的基本原理、特徵和優點。本發明不受上述實施例的限制，上 述實施例和說明書描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明範圍的前提下本發明還 會有各種的變化和改進，所作的變化和改進都應視為屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置，其特徵在於，它包括反應容器（1)，所 述反應容器（1)內部充滿液體電介質（2)，反應容器（1)內部相對設置有針式高壓電極（3) 和接地電極（4)，光纖（5)的光輸入端設置在針式高壓電極（3)的放電端和接地電極（4)的 電弧接收端的間隙處，光纖（5)的光輸出端連接光電倍增管（7)的光信號輸入端，光電倍增 管（7)的電信號輸出端與示波器（8)的顯示信號輸入端相連；光電倍增管（7)的電信號輸 出端還與控制器（9)的數據信號輸入端相連；高壓直流電源￠)的一端連接針式高壓電極 (3)高壓供電端子；高壓直流電源（6)的另一端接地；接地電極（4)接地。
2. 根據權利要求1所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置，其特徵在於，反 應容器（1)採用絕緣、密閉且隔音的箱體。
3. 根據權利要求1所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置，其特徵在於，充 滿液體電介質（2)選取GB2536-90變壓器油。
4. 根據權利要求1所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置，其特徵在於，針 式高壓電極（3)和接地電極（4)均為金屬材料，且電極表面粗糙度保持在V9的程度。
5. 根據權利要求1所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試裝置的方法，其特徵在 於，該方法包括以下步驟： 步驟一、開啟高壓直流電源（6)，針式高壓電極（3)向接地電極（4)放電，形成非均勻電 場； 步驟二、在放電過程中產生的光由光纖（5)接收，並由光電倍增管（7)將該光信號轉換 成電信號，並在示波器（8)上顯示； 步驟三、控制器（9)將接收的電信號進行處理，建立液體電介質（2)放電物理模型，採 用有限元方法對流體動力學模型進行數值求解，利用液體電介質（2)的固有參數，對正離 子、負離子和電子的連續性方程進行相應的賦值計算； 步驟四、針對步驟三放電物理模型，從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液體電 介質（2)放電過程中的變化規律。
6. 根據權利要求5所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試方法，其特徵在於，步 驟三中的流體動力學模型包括空間電荷與電場的耦合泊松方程、正離子、負離子和電子的 連續性方程。
7. 根據權利要求6所述非均勻場下液體電介質耐電強度的測試方法，其特徵在 於，空間電荷與電場的稱合泊松方程為▽_(eZ) = P，e表不液體電介質的介電常數， P表示空間中某點處空間電荷電量之和；所述正離子、負離子和電子的連續性方程為
其中P i表示流體中第i種粒子的電量密度y i表示第i種粒子 的遷移率，A表示空間電場強度矢量，Si表示第i種粒子的產生項，Qi表示第i種粒子的消 失項。
【文檔編號】G01R31/12GK104360246SQ201410653335
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】鄭殿春, 趙大偉, 陳亭, 楊仁旭 申請人:哈爾濱理工大學