一种多物理场下油纸绝缘气泡生成模拟实验的装置与方法

1.本发明属于油浸式电气设备故障模拟与预防领域，尤其涉及一种多物理场下变压器/高压电抗器油纸绝缘中气泡生成模拟实验的装置与方法。


背景技术：

2.目前电网中绝大部分高压电抗器/电力变压器均为油浸式，油纸绝缘结构在电场、振动场及热场的长期作用下，绝缘纸中的主要成分纤维素，分解析出较多的水分、气体等单个分子，在电场、振动场及热场等外界因素共同作用下发生聚集，并在一定条件下聚合形成微小气泡。绝缘油中主要成分除烷烃外，混有一定量的气体。常用的绝缘油气体溶解量为9％左右，当变压器等设备内部温度、压力发生较大波动时，油中溶解的气体会逐渐从油中析出，以微小气泡的形式悬浮于变压器油中或附着在绝缘纸纸表面。水分、气体小分子在变压器油纸绝缘中的含量是动态平衡的，温度是影响动态平衡的重要因素，水分、气体小分子的存在会破坏高压电抗器/电力变压器绝缘性能,加速纤维素老化，最终可能导致气泡出现。伴随着变压器负荷快速波动时，多物理场的作用会加速小气泡析出速率，促使水分和气体分子在油-纸间迁移并再次分布,形成气泡附着在油纸绝缘表面或在油中，积聚成桥，从而导致变压器绝缘水平的降低,发生局部放电甚至绝缘击穿。目前气泡的生成规律及其对绝缘的影响程度并不十分清楚，因此针对不同温度变化、水分含量，不同电场强度、振动强度对油纸绝缘气泡形成的影响进行研究具有重要价值。


技术实现要素：

3.本发明设计了一种多物理场下变压器/高压电抗器油纸绝缘中气泡生成模拟实验的装置与方法，该装置可以模拟油纸绝缘体系中电场、温度场、振动场等多物理场作用下气体析出、气泡生成现象，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。
4.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
5.一种多物理场下变压器/高压电抗器油纸绝缘中气泡生成模拟实验的装置与方法，本测量装置由实验箱体、高压源、电极及其固定装置、控温装置、振动装置、高速相机、气泡生成模块等构成。电极在固定装置的作用下可调整两电极之间的水平间距。在温度控制箱控制下，绝缘油温度范围可在0℃～150℃调节。箱体与振动装置通过一个刚性装置实现固定连接，振动频率范围为5hz～5khz。实验油箱顶部装有顶盖，顶盖中间开孔，孔内旋入一根铜棒，铜棒外部包裹有绝缘纸，用于模拟变压器/高压电抗器的绕组。该装置综合考虑了电场、温度场、振动场等多物理场作用，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。
6.进一步，所述电极被两个聚四氟套管所固定，通过套管内部的螺纹调节电极间距。
7.进一步，油箱底部焊有一根中空的玻璃管，管内插入一根pt100型热电阻加热棒，加热棒连入温度控制箱，在智能温控仪的作用下，可将温度维持在0℃～150℃内的任一温
度值，模拟不同负荷状况下变压器内部温度。
8.进一步，将干燥后的绝缘纸缠绕在旋入顶盖的铜棒上，模拟变压器内部绕组，加热棒加热油箱使得绕组周围的油纸绝缘温度升高,随着模拟变压器绕组温度的升高,绝缘纸表面将会有气泡生成,通过油箱侧壁可实现对气泡生成过程的观测。
9.进一步，所述振动平台与实验油箱通过两个刚性夹持装置锁紧连接，可以均匀箱体所受压力，以保护箱体不发生损坏，同时避免油箱发生滑移。
10.进一步，一种多物理场下变压器/高压电抗器油纸绝缘中气泡生成模拟实验的装置进行实验，首先调节好高速相机位置与补光灯强度，以能从相机中获得清晰图像为标准；利用温度控制箱油箱内部的油温；调节绝缘纸与铜棒的高度；利用交/直流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、温度场及振动场的耦合；改变振动参数、绝缘油含水量、油温等参数，持续提高外施电压直至产生气泡，利用高速显微相机观察气泡的产生与迁移过程，利用计算机分析气泡生成过程的特征。
11.本发明的有益效果为：测量装置能够实现对多物理场下油纸绝缘体系中气泡生成过程的观测，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，实现对不同温度、不同水分含量、不同电场强度及不同振动频率情况下的油纸绝缘气泡生成过程观测的目的，同时模拟过程与变压器实际工况一致。满足多物理场下油纸绝缘中气泡生成特性观测实验基本需求。
附图说明
12.图1为测量多物理场下油纸绝缘中气泡生成特性的装置整体结构图。
13.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。
14.图中标记说明：
15.pt100电阻型加热棒-1，铜棒-2，聚四氟套管-3，高压电极-4，绝缘纸-5，测温热电偶-6，顶盖-7，铜棒-8，高压交直流电源-9，温度控制箱-10，振动台-11，功率放大器-12，信号发生器-13，补光灯-14，高速相机-15，固定装置-16。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明进一步详细说明。
17.一种多物理场下变压器/高压电抗器油纸绝缘中气泡生成模拟实验的装置与方法，用于研究油浸式电气设备内部复杂应力环境下气泡生成的形成与积聚特性。该装置主要由实验油箱、高压源9、电极4及其固定装置3、温控装置10、振动装置11、高速显微相机15、气泡生成模块等构成，如图1所示。实验箱体为石英玻璃制成的方形容器，内部装有25号变压器油。箱体底部为振动台11，其在信号发生器13与功率放大器12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，台面上安装有固定装置16，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。
18.箱体安装有固定装置与高压电极4，其材质分别为聚四氟乙烯与黄铜，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能与机械性能，固定套管内部车有螺纹，可根据实验需要手动调节电极间距。
19.油箱顶盖中央开孔，旋入一根铜棒，铜棒上均匀缠绕经干燥、脱气处理后的绝缘纸，将其放入实验油箱中，变压器油中水分含量根据实验需要自行确定。每隔2小时抽取10ml油箱中的变压器油，通过水分测试仪测量油中含水量,测量三次取平均值。若水分含量波动低于5μl/l, 则认为油纸间水分平衡，此时根据当前油中水分含量,通过油纸水分平衡曲线换算为变压器绕组绝缘纸中水分含量。此时可以研究水分对于油纸绝缘气泡生成的影响规律。
20.通过温度控制箱10控制加热棒来实现温度的控制，热电偶6可以实时测量油温。随着绕组周围的绝缘油温度升高,绝缘纸表面将会有气泡生成,通过高速相机15可实现对气泡生成过程的观测。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。
21.实验前，首先将实验油箱固定到振动平台上，并用螺丝锁紧实验油箱。然后固定好电极位置。按照实验计划调节油纸绝缘高度，使其位置处于高压电极中间。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。
22.实验过程中，首先调节好高速相机15位置与补光灯14强度，使得获得清晰图像；利用温度控制箱10调节绝缘油的油温，并稳定一段时间；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12与功率放大器13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9给定所需电压，并改变振动参数、含水量、油温等参数，持续施加电压直至产生气泡，利用高速显微相机15记录气泡生成、迁移的过程，利用计算机分析其特性。
23.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生成特性。可以模拟电场、温度场、振动场等多物理场应力作用下气泡生成特性，特别是可以模拟过负荷条件下，设备负荷波动较大阶段气泡的生成、迁移特性。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、振动场的控制灵活且精度较高；气泡的形成可观测。因此，该实验装置满足测量多物理场下油纸绝缘中气泡生成特性的测量的要求。