观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的装置及方法

1.本发明涉及一种观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的装置及方 法。属于高端智能型变压器技术领域。


背景技术：

2.变压器是电力系统中重要的输变电设备，随着电网电压等级的提高和智能 电网的发展，电力变压器的制造难度也随之增大。高端智能化电力变压器的一 个重要的方面就是电力变压器绝缘性能的智能化监测，而电力变压器的绝缘性 能很大程度上取决于变压器油的品质，以此对变压器油的智能化监测十分重要。
3.在电力变压器的制造、安装、运行和维修等环节中，变压器油中会掺杂不 同粒径的杂质微粒，杂质颗粒在油道不是静止不动的，而是随着油的流动不停 地运动，没有固定位置，当杂质微粒运动到绝缘薄弱部位时,可能引发局部放电， 导致变压器油的品质急剧下降。随着部分地区(如江苏)用电量的迅猛增加， 电力变压器在较高负荷或满负荷下运行，变压器油的局部放电概率增加，变压 器油的绝缘性能进一步下降。为了保证变压器的绝缘性能，智能化监测变压器 油道中的杂质微粒的动力学行为具有十分重要的意义。
4.传统观测变压器油道中杂质微粒的动力学行为的方法未考虑杂质的粒径， 而是将所有粒径杂质的运动混为一体。但变压器在实际工作时，其油道中存在 不同粒径的杂质，每种粒径的杂质在油道中力学行为不同，因此，现有技术无 法为高端智能型电力变压器油道中不同粒径的杂质的动力学行为的智能化监 测提供了技术支持与理论依据。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种观测变压器油道内不同粒径 杂质动力学行为的装置及方法。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的装置及方法，其特点是：包 括绕组模型、粒子动力学观测系统、油箱、散热片、粒子发射器、定目筛网和 直流电源模块；
8.绕组模型包括绕组饼和绕组外壳；多个绕组饼由上而下均匀设置在绕组外 壳内；
9.直流电源模块有多个，分别与多个绕组饼一一对应，绕组饼端子处出线 后与对应的直流电源模块连接；
10.相邻的两个绕组饼之间形成水平方向的油道；
11.粒子动力学观测系统包括同步机、计算机、双头激光源、激光片和ccd 相机；同步机分别与计算机、双头激光源和ccd相机连接；
12.ccd相机与双头激光源位于同一水平面上，且两者相互垂直；
13.双头激光源与所要观察的油道在同一水平面上，激光片位于双头激光源与 油道之间，且设置在双头激光源的激光发射路径上；
14.绕组模型、油箱和散热片通过油循环外管道连接，粒子发射器设置在油循 环外管
道上，且靠近绕组模型的底部，定目筛网设置在粒子发射器的出口处。
15.进一步的，绕组外壳采用透明有机玻璃材料制成，油循环外管道采用不锈 钢材料制成。
16.进一步的，绕组外壳由上而下均匀设置有卡槽，卡槽与绕组饼一一对应， 绕组饼的两端嵌入绕组外壳的卡槽内。
17.进一步的，绕组饼由多个呈弧形的镍铬合金条紧密排列构成，多个镍铬合 金条具有相同的圆心角，多个镍铬合金条的弧长从内向外为由短渐长；每个镍 铬合金条经过退火软化处理并用b级绝缘纸包裹；镍铬合金条之间用导线首尾 串联。
18.进一步的，每个绕组饼内设置有两个热电偶。
19.进一步的，油循环外管道上开有圆形手孔，粒子发射器在圆形手孔处通过 法兰与油循环外管道密封连接。
20.进一步的，油循环外管道上设置有阀门、超声波流量计和油泵，阀门包括 泄油阀，泄油阀位于超声波流量计与粒子发射器之间。
21.一种观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的方法，包括如下步骤：
22.s1：在粒子发射器的出口安装定目筛网，将粒子发射器安装在油循环外 管道上，打开双头激光源，双头激光源的的激光脉冲发射功率为由公式 确定，其中，d为定目筛网的孔径，p
e
为双头激光源最大激 光脉冲发射功率，l
s
为双头激光源到观测油道的距离，l
c
为ccd相机到观测 油道的距离，d0为双头激光源最大激光脉冲发射功率时的规定的粒子直径；
23.s2：打开油箱和油循环外管道上各处的阀门，并打开油泵向绕组模型和 散热器中缓慢低速注入绝缘油；
24.s3：打开直流电源模块对绕组饼加热，每个直流电源的输出功率为其中，i为绕组饼的编号，p0为变压器额 定空载损耗，p
k
为变压器额定短路损耗，k为负载系数，打开粒子发射器向油 中发射粒子；
25.s4：同步机向双头激光源和ccd相机发送同步控制脉冲，使得ccd相 机在捕捉粒子反射的任何激光的同时，双头激光源发出第一束激光脉冲，第 一束激光脉冲通过激光片照亮油道中的粒子，ccd相机捕捉第一帧图像，特 定延迟时间δt后，双头激光源发射第二束激光脉冲，ccd相机捕获第二帧图 像，之后每隔特定延迟时间δt，双头激光源发射激光脉冲，ccd相机捕获相 对应帧图像，计算机接收ccd相机获取的帧图像并进行图像处理，绘制出相 应的粒子运动图像；
26.s5：待计算机绘制足够的粒子运动图像后，同步机发送同步控制脉冲， 使得双头激光源和ccd相机同时关闭，之后打开泄油阀，放尽实验装置中的 绝缘油；
27.s6：卸下粒子发射器，在其出口处更换不同孔径的定目筛网，返回s1进 行循环。
28.进一步的，水平油道的高度为h
duct
；
29.hduct由表达式确定；
30.其中，w
disc
为绕组饼的径向宽度，h
disc
为绕组饼的高度，r
out
为绕组饼 的外径
，
r
in
为绕组饼的内径；
31.绕组饼内外径关系式为
32.绕组饼的圆心角为绕组饼的圆心角为由表达式确定；其中，为 比例系数，取1.6。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
34.本发明一种观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的装置及方法，通 过改变定目筛网的孔径来控制油道中粒子的粒径，然后利用粒子动力学观测系 统观测油道中不同粒径的杂质的动力学行为，有助于探究变压器油的局部放电 和粒子运动的关系，进而为研究变压器的绝缘性能提供理论依据。
附图说明
35.图1为观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的装置示意图。
36.图2为绕组模型与直流电源连接示意图。
37.图3为绕组饼、双头激光源、激光片和ccd相机的相对位置示意图。
38.图4为图2的局部放大图。
39.图中：
40.绕组模型1，粒子动力学观测系统2，油循环外管道3，阀门4，泄油阀401， 油箱5，散热片6，超声波流量计7，油泵8，粒子发射器9，定目筛网10，直 流电源模块11，绕组饼101，热电偶102，油道103，绕组外壳104，卡槽105， 同步机201，计算机202，双头激光源203，激光片204，ccd相机205。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实 施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制发明的保护 范围。
42.参见图1
‑
3，本发明涉及一种观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为 的装置，用于研究实际工况下变压器油的绝缘性能，观测变压器油道内不同粒 径杂质动力学行为的装置如图1所示，该装置包括绕组模型1、粒子动力学观 测系统2、油循环外管道3、阀门4、油箱5、散热片6、超声波流量计7、油 泵8、粒子发射器9、定目筛网10和直流电源模块11；
43.参见图2，绕组模型1包括绕组饼101、热电偶102、油道103和绕组外壳 104；绕组饼101有多个，绕组饼101在竖直方向上均匀布置；绕组饼101自 下而上依次编号1，2，
…
，n
‑
1，n；
44.参见图2和图4，绕组外壳104采用透明有机玻璃材料制成；绕组外壳104 由上而下均匀设置有卡槽105，卡槽105与绕组饼101对应，绕组饼101的两 端嵌入绕组外壳104的卡
槽105内；
45.参见图2和图3，绕组饼101呈扇形，绕组饼101由多个呈弧形的镍铬合 金条紧密排列构成，多个镍铬合金条具有相同的圆心角，多个镍铬合金条的弧 长从内向外为由短渐长，每个镍铬合金条经过退火软化处理并用b级绝缘纸包 裹；镍铬合金条之间用导线首尾串联；绕组饼101内部放置有两个热电偶102；
46.直流电源模块11有多个，分别与多个绕组饼101一一对应，多个直流电 源模块对应于绕组饼101，自下而上依次编号1，2，
…
，n
‑
1，n；
47.绕组饼101端子处出线后与对应的直流电源模块11连接；
48.相邻的两个绕组饼101之间形成水平方向的油道103，水平油道103的高 度为h
duct
；
49.h
duct
由表达式确定；
50.其中，w
disc
为绕组饼101的径向宽度，h
disc
为绕组饼101的高度，r
out
为绕组饼101的外径，rin为绕组饼101的内径；
51.绕组饼101内外径关系式为
52.绕组饼101的圆心角为绕组饼101的圆心角为由表达式确定；其中， 为比例系数，取1.6；
53.粒子动力学观测系统2包括同步机201、计算机202、双头激光源203、激 光片204和ccd相机205；ccd相机205也称为电荷耦合相机；
54.双头激光源203与所要观察的油道103在同一水平面上，激光片204位于 双头激光源203与油道103之间，且设置在双头激光源203的激光发射路径上；
55.ccd相机205与双头激光源203位于同一水平面上，且两者相互垂直；
56.同步机201分别与计算机202、双头激光源203和ccd相机205连接，计 算机202接收并处理来自ccd相机205拍摄的粒子运动图像；
57.绕组模型1、油箱5和散热片6通过油循环外管道3连接，油循环外管道 3采用不锈钢材料制成，油循环外管道3上设置有阀门4、超声波流量计7和 油泵8；
58.粒子发射器9和定目筛网10设置在油循环外管道3上，且两者靠近绕组 模型1的底部；油循环外管道3上开有圆形手孔，粒子发射器9在圆形手孔处 通过法兰与油循环外管道3密封连接，定目筛网10设置在粒子发射器9的出 口处，粒子发射器9向油循环外管道3内的油发射粒子，定目筛网10用于控 制进入油内粒子的尺寸并使粒子在油道103中均匀分布；
59.阀门4包括泄油阀401，泄油阀401位于超声波流量计7与粒子发射器9 之间；
60.观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的方法包括如下步骤：
61.s1：在粒子发射器9的出口安装定目筛网10，将粒子发射器9安装在油 循环外管道3上，打开双头激光源203，双头激光源的203的激光脉冲发射功 率为由公式
确定，其中，d为定目筛网10的孔径，p
e
为双 头激光源203最大激光脉冲发射功率，l
s
为双头激光源203到观测油道103的 距离，l
c
为ccd相机205到观测油道103的距离，d0为双头激光源203最大 激光脉冲发射功率时的规定的粒子直径；
62.s2：打开油箱5和油循环外管道3上各处的阀门4，并打开油泵8向绕组 模型1和散热器5中缓慢低速注入绝缘油；
63.s3：打开直流电源模块11对绕组饼101加热，每个直流电源的输出功率 为其中，i为绕组饼101的编号，p0为变 压器额定空载损耗，p
k
为变压器额定短路损耗，k为负载系数，打开粒子发射 器9向油中发射粒子；
64.s4：同步机201向双头激光源203和ccd相机205发送同步控制脉冲， 使得ccd相机205在捕捉粒子反射的任何激光的同时，双头激光源203发出 第一束激光脉冲，第一束激光脉冲通过激光片204照亮油道103中的粒子， ccd相机205捕捉第一帧图像，特定延迟时间δt后，双头激光源203发射第 二束激光脉冲，ccd相机205捕获第二帧图像，之后每隔特定延迟时间δt， 双头激光源203发射激光脉冲，ccd相机205捕获相对应帧图像，计算机202 接收ccd相机205获取的帧图像并进行图像处理，绘制出相应的粒子运动图 像；
65.s5：待计算机202绘制足够的粒子运动图像后，同步机201发送同步控 制脉冲，使得双头激光源203和ccd相机205同时关闭，之后打开泄油阀401， 放尽实验装置中的绝缘油；
66.s6：卸下粒子发射器9，在其出口处更换不同孔径的定目筛网10，返回 s1进行循环。
67.实施例：
68.以一台额定容量为630kva，额定电压为10kv的油浸式变压器为例，其 额定状态下一相负载损耗为3150w，其中额定空载损耗为p0＝630w，额定短 路损耗p
k
＝2520w，模拟变压器绕组模型的绕组饼的数量n＝10，绕组饼内径 r
in
＝690mm，外径r
out
＝790mm，圆心角为20
°
，绕组饼的径向宽度w
disc
＝90mm， 单个绕组饼的高度h
disc
＝12mm，时间延迟δt＝10μs，双头激光源的最大激光脉 冲发射功率p
e
＝20000kw，ccd相机到观测油道的距离l
c
＝0.2m，双头激光源到 观测油道的距离l
s
＝0.18m，最大激光脉冲发射功率时的规定的粒子直径 d0＝0.15mm，实验操作方法包括以下步骤：
69.第一步：在粒子发射器9出口安装孔径为d的定目筛网10，将粒子发射器 安装在油循环外管道上圆形手孔处，本次实施例所选的五个孔径的定目筛网， 分别为0.510mm、0.350mm、0245mm、0198mm和0.165mm，打开双头激光 源，双头激光源的功率按公式确定，依次为p
s1
＝3823kw、 p
s2
＝5672kw、p
s3
＝8121kw、p
s4
＝10223kw和p
s5
＝13120kw；
70.第二步：将十组绕组饼101按照图2所示固定于绕组外壳104的卡槽105 内，十个绕组饼101由上而下分别编号为101、102
…
110，多个绕组饼101之 间没有电气连接，如图2所
示，每个绕组饼101与各自对应直流电源模块11 连接，多个直流电源模块11自下而上依次编号为1101、1102
…
1110；
71.第三步：将系统中的其他元件按照图1所示连接，ccd相机205、激光片 204和双头激光源203的相对位置如图3所示；
72.第四步：打开油箱5和阀门4，缓慢低速向绕组模型1和散热片6内注入 绝缘油，观察超声波流量计7示数，待超声波流量计7示数稳定，调整油泵8 使得油循环外管道3内的绝缘油保持一定的流速；
73.第五步：按照公式设置k＝1.2时各直流电 源的输出功率分别为p1＝2.5w、p2＝159w、p3＝317w、p4＝397w、p5＝476w、 p6＝556w、p7＝635w、p8＝635w、p9＝556w、p
10
＝524w，接通直流电源模块 11对绕组饼101加热相同时间，打开粒子发射器9向绝缘油中发射粒子；
74.第六步：同步机201通过采集软件向双头激光源203和ccd相机205发 送同步控制脉冲，使得ccd相机205在捕捉粒子反射的任何激光的同时，双 头激光源203发出第一束激光脉冲，第一束激光脉冲通过激光片204照亮油 道103中的粒子，ccd相机205捕捉第一帧图像，特定延迟时间δt＝10μs后， 双头激光源203发射第二束激光脉冲，ccd相机205捕获第二帧图像，之后 每隔特定延迟时间δt＝10μs，双头激光源203发射激光脉冲，ccd相机205捕 获相对应帧图像，计算机202接收ccd相机205获取的帧图像并进行图像处 理，绘制出相应的粒子运动图像；
75.本发明一种观测变压器油道内不同粒径杂质动力学行为的装置及方法， 通过改变定目筛网10的孔径来控制油道103中粒子的粒径，然后利用粒子动 力学观测系统2观测油道103中不同粒径的杂质的动力学行为，有助于探究 变压器油的局部放电和粒子运动的关系，进而为研究变压器的绝缘性能提供 理论依据。
76.在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅 读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各 种修改。