基于微流控技术的油纸绝缘受潮微观模拟方法

本发明属于电气，涉及一种基于微流控技术的油纸绝缘受潮微观模拟方法。

背景技术：

1、油纸绝缘是油浸式变压器、油浸式高压套管、油浸式互感器等电气设备内绝缘的主要组成部分。油纸绝缘设备在电网设备中占据了很大比例，具有重要的作用。油纸绝缘是将绝缘纸浸渍在绝缘油中而形成的一种绝缘形式。其中，绝缘纸由纤维素纤维组成，纸中的纤维相互交错，纤维之间未被填充的空腔形成空间多微孔结构，这些微孔隙的孔径分布于几十微米到几百微米之间。绝缘纸浸渍绝缘之后，纸中的毛细孔道被绝缘油充分填充而形成油纸绝缘。由于长时间受机械压力、化学腐蚀、运行电压及潮湿等多因素的联合作用，油纸绝缘的性能将逐渐下降，并可能最终导致绝缘击穿而引发设备故障。其中，因运维不当等原因，当高压电气设备外部的水分进入到设备内部时，会导致油纸绝缘受潮，这些水分会被吸收到绝缘纸纤维之间的毛细管中，引起油纸绝缘宏观电气性能的显著下降，成为引发设备故障的首要原因。

2、因此，研究油纸绝缘的受潮过程、受潮后电气强度的变化，以及油纸绝缘受潮程度的诊断方法是本领域的热点工程问题和重要需求，其基本前提是在实验室中采用合适的方法，对油纸绝缘进行受潮条件可控的人工模拟，从而制备出具有不同受潮程度的油纸绝缘样本，用于开展后续实验和理论研究。现有油纸绝缘的人工受潮模拟方法，均是采用一定大小、一定形状的油浸绝缘纸板，通过将纸板暴露于具有潮气的空间中，从而让纸板自然吸潮，并通过称重法，获得纸板吸潮前和吸潮后的重量差值，从而制备得到具有不同微水含量的油浸绝缘纸板样本。但是，油纸绝缘宏观受潮现象及其引发的其他宏观电气性能变化，均根植于绝缘纸毛细管空间中所发生的物理过程。现有油纸绝缘受潮方法属于宏观实验方法，不能直接精准操控、可视化观测绝缘纸毛细管中微米尺度下的水分行为，导致目前尚无法在微孔隙尺度上开展油纸绝缘受潮的相关实验研究，因而阻碍了对油纸绝缘受潮问题的进一步理论认识。针对这一问题，本发明基于微流控技术，通过制作具有微流道的微流控芯片，模拟绝缘纸中的微米级毛细孔道环境，并结合外部压力泵、加热台、显微镜等设备，将现有油纸绝缘受潮模拟方法的宏观制备流程：绝缘油及绝缘纸的真空干燥、真空浸油、吸潮处理工艺，分别改变为适于在微流控芯片上进行的相应微观操作，从而形成一套油纸绝缘受潮的微观模拟方法，具有油样消耗少、处理快速、微米尺度精准可控可观测的优点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于微流控技术的油纸绝缘受潮微观模拟方法。针对现有油纸绝缘受潮方法属于宏观实验方法，不能直接精准操控、可视化观测受潮油纸绝缘毛细管微米尺度下的水分行为问题，本发明基于微流控技术，通过制作具有微流道的微流控芯片，模拟绝缘纸中的微米级毛细孔道环境，并结合外部压力泵、加热台、显微镜等设备，将现有油纸绝缘受潮模拟方法的宏观制备流程：绝缘油及绝缘纸的真空干燥、真空浸油、吸潮处理工艺，分别改变为适于在微流控芯片上进行的相应微观操作，从而形成一套油纸绝缘受潮的微观模拟方法，具有油样消耗少、处理快速、微米尺度精准可控可观测的优点。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于微流控技术的油纸绝缘受潮微观模拟方法，该方法包括以下步骤：

4、s1采用聚二甲基硅氧烷材质作为微流控芯片的流体层，在流体层上制作带有矩形截面的微流道，微流道的宽度和深度为0-100μm范围；制作完毕后，采用等离子体清洗机对流道内表面及流体层表面进行等离子清洗，使流道壁面产生亲水性，并和玻璃盖板进行封合，完成微流控芯片的制备；

5、s2采用压力泵产生2000mbar的正压力，向微流道中注入去离子水冲洗5min，然后注入无水乙醇冲洗5min；上述清洗过程重复2～3次，直至洗净流道中残余的油污、杂质；清洗完毕后，保持上述压力，向微流道中注入空气，并通过显微镜同步观察，直至吹干流道壁面残余的清洗试剂；

6、s3量取10ml绝缘油置于带盖的离心管中，采用压力泵抽取离心管中多余的空气，使离心管内的压力保持50pa，并将离心管置于水浴锅内，设置温度为90℃，对绝缘油进行真空干燥20min；

7、s4称取10g微晶维素加入到10ml 64％h2so4 w/w溶液中，w/w为质量比浓度，搅拌使纤维素分散均匀，然后再在45℃水浴中搅拌3min后，加大量的去离子水终止反应；随后进行3次离心清洗，去除残余的硫酸，然后使用透析的方式完全除去硫酸及其他多余的离子，将酸解后的纤维素使用细胞破碎仪50w超声处理1min得到微纤维素悬液，将其以100mg/l分散于去离子水中，制备成纤维素溶液；

8、s5通过压力泵将所述纤维素溶液通入微流道，控制压力泵的压力，使纤维素溶液以5μl/min的速度在流道中通流10～30min，使溶液中的纤维充分吸附至微流道壁面，形成绝缘纸纤维之间的微毛细管环境；将流道中的液体排空；

9、s6关闭微流道的液体出口端，通过压力泵控制流道内气压为5pa，并将芯片置于恒温加热台上，控制加热台的温度为50℃，对微流道壁面的纤维素吸附层进行真空干燥，同时，通过显微镜进行同步观察；

10、s7根据所需模拟的油纸绝缘受潮程度，移取去离子水，滴入s3已完成干燥的10ml绝缘油，并将两者进行超声分散，制成油水乳浊液；

11、s8采用压力泵，将油水乳浊液注入上述s6已干燥的微流道，然后将微流控芯片静置12小时，使乳浊液中分散的微米级水滴逐渐吸附至流道壁面上的纤维素层；在此期间，采用显微镜进行观察记录；

12、s9静置完毕后，采用显微镜观察水分在流道壁面纤维素层表面的稳定分布状态；采用显微镜观察流道中的油水二相分布状态；

13、s10在显微镜视野下，测量得出水滴的尺寸分布、水滴在流道壁面的润湿角分布；

14、改变第s7步滴入绝缘油中的去离子水量，重复第s8～s10步，模拟出绝缘纸毛细管的不同微观受潮状态，通过显微观察，研究对应的水分在微流道中的赋存状态。

15、可选的，所述去离子水为1-10μl。

16、本发明的有益效果在于：现有油纸绝缘受潮方法属于宏观实验方法，该方法不能直接精准操控、可视化观测绝缘纸毛细管微米尺度下的水分行为。与现有技术相比，本发明提出基于微流控技术，通过使用微流控芯片上的微流道，模拟绝缘纸中的微米级毛细孔道环境，并结合外部压力泵、加热台等设备，将制备、真空干燥、真空浸油、吸潮等对应于宏观流程改造为对应的微观处理工艺，从而形成一套油纸绝缘受潮的微观模拟方法，具有快速、精准、微米尺度可视化的优点。

17、本发明所提出的方法能够根据多介质复合绝缘的整体介电响应反推得出其中每种介质单独的介电变量，能够弥补现有介电响应技术在应用中仅能得到整体介电响应，无法获知每部分单独介电特性的问题。

18、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。