CN101308189B - 一种用于气液两相流状态的介质绝缘性能测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于气液两相流状态下的介质绝缘性能测量的装置，加热装置(20)位于密封容器(10)的底部，冷凝装置(90)处于密封容器(10)的上部。冷凝装置(90)开有穿出密封容器(10)顶板的进水口(100)和出水口(110)。高压电极(50)和低压电极(60)处于密封容器(10)的中部，从相对的两个方向穿入密封容器(10)内；密封容器(10)中加入待测液体介质(40)，加热装置(20)对液体介质(40)加热至沸腾两相流状态，液体介质(40)沸腾蒸发后产生的蒸汽由冷凝装置(90)冷凝，变成液体，流回密封容器(10)底部。本发明可用于各种液体介质在气液两相流状态下绝缘性能的测量，以及处于两相流状态下液体介质环境中的固体绝缘材料的绝缘性能的测量。

Description

一种用于气液两相流状态的介质绝缘性能测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于高电压绝缘性能测量的装置，特别涉及一种用于气液两相流状态下的介质绝缘性能测量装置。

背景技术

一些不燃型氟碳化合物由于其良好的绝缘和冷却特性，可以作为包括电力变压器在内的各种电力设备的绝缘和冷却介质使用。使用这种技术的电气设备具有体积小、重量轻、不燃不爆、安全可靠、绿色环保等特点，可以满足城市电网日渐增长的高电压大容量的需求，特别适用于城市中心变电站等用电负荷密集区、高层建筑群等安装空间比较狭小、消防要求比较高的场所。

在不燃型氟碳化合物作为绝缘介质使用时，蒸发后的蒸汽和沸腾状态的液体都要同时作为绝缘介质使用，介质的沸腾状态在热工学上又称为气液两相流状态。为了工程应用，进行氟碳化合物在气液共存的沸腾两相流状态下的绝缘性能的研究势在必行。

绝缘性能的测量主要包括击穿电压特性、局部放电特性和冲击电压特性，以及介电常数、介质损耗因数等的测量。目前在国内外所进行的工作中，有许多关于液体或气体介质的绝缘性能测量装置和测量结果的研究、报告，甚至国家标准。

现有国家标准中规定的进行绝缘性能的测量装置中，有以下几类：对绝缘液体的击穿电压特性测量的容器是敞口油杯，是碗型容器，高压电极和低压电极分别从其侧壁穿入油杯相对，油杯上方开口，无法密封，且无法加热；对绝缘液体的局部放电和冲击电压特性测量的是闭口油杯，管型容器，高压电极和低压电极分别从其顶部和底部穿入油杯，油杯顶部是闭口，但无法实现气体密封，也无法加热；对绝缘液体的介电常数和介质损耗因数进行测量的是三端电极杯，杯中容器，以容器壁和容器中的测量电极作为电极，容器开口，无法密封，但可以通过微波外部加热。

经过调研和检索表明，为进行不同温度下绝缘液体的绝缘性能的测量，有不少测试场合使用非标容器，可以做到对容器中的液体进行加热，但都不能做到气体密封。如专利号为93245356.2的“液体绝缘测量装置”实用新型，就是对现有三端电极杯进行了改进，使得可以内外同时加热，温度均匀且加热迅速，但仍不能保证气体密封。也就是说，现有的进行绝缘性能的测量装置，只能对装置中的液体或气体介质进行静态测量，无法加热；或者不具有密封性，无法对挥发性的氟碳化合物介质进行有效的测量。无法对挥发性的氟碳化合物进行有效的测量。

检索其他国内外专利文献，除了上述专利外，都是针对于击穿性能、局部放电性能等某种绝缘性能的测量方法，或基于某测量方法对测量装置所做的改进，但都没有从进行两相流状态下绝缘性能测量的需求入手，改进或制作测量装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术只能对装置中的液体或气体介质进行静态测量的不足，提出一种用于气液两相流状态下液体介质的绝缘性能测量装置。本发明可以测量液体介质本身在两相流状态下的各种绝缘性能，或者处于两相流状态下液体介质环境中的固体绝缘材料的各种绝缘性能，如击穿特性、局部放电特性或冲击电压特性等。

本发明由密封容器、加热装置、冷凝装置、高压电极、高压电极密封装置、低压电极、低压电极密封装置、阀门和压力测量仪表等组成。

本发明的主体是一台密封容器，该容器由具有一定机械强度的非金属材料或金属材料做成，能够承受一定的内部压力。在容器的底部有一个加热装置，可以对灌入密封容器的液体介质进行加热。液体介质被加热沸腾蒸发后产生的蒸汽被处于容器顶部的冷凝装置冷凝，重新变成液体，流回容器底部。冷凝装置是一个内部空心的金属管道或空心容器，有两个开口，称为进水口和出水口，处于密封容器顶板的上面。通过进水口和出水口对冷凝器通水，可以通过热量传递带走密封容器内部蒸汽的热量，达到冷凝介质蒸汽的目的。冷凝器的冷凝功率可由通水量的大小来线性调节，并可以间接调节密封容器内的蒸汽压力。

密封容器的顶板上还有阀门和压力测量仪表，与容器内部相通。通过阀门可以向容器内部灌入待测液体介质。压力测量仪表可以测出密封容器内部的气压，以确定气液两相流的工作状态。

本发明的高压电极和低压电极，处于密封容器的中部，分别通过高压电极密封装置和低压电极密封装置，从相对的两个方向穿进密封容器。两个电极间不接触，留有一定距离(参照国家标准为2.5mm，也可以为其他待测距离)，作为绝缘距离。高压电极和低压电极使用金属材料制成，根据所测量的绝缘性能的需要制成不同的电极形状，比如：测量击穿电压特性时一般但不限于使用球冠电极或平板电极，测量局部放电特性或冲击电压特性时一般但不限于使用针板电极或针球电极。

高压电极密封装置处于高压电极与密封容器的连接部位，保证整个密封容器的密封性，并通过螺纹结构等机械机构可以调节高压电极伸进密封容器的长度，借以调节高压电极与低压电极之间的距离。低压电极密封装置与高压电极密封装置同理，在保证密封的同时，可以调节两个电极之间的距离，以此测量不同电极距离下的绝缘性能。

进行测量时，首先对本装置密封容器进行清洗，之后把待测液体介质灌入容器，并使其没过两只电极一定高度(参照国家标准为超过15mm)。通过加热装置对液体介质进行加热，使其沸腾。同时通过进水口和出水口对冷凝器通水并通过调节水流量，改变冷凝功率，使密封容器内的压力保持在某一特定数值并稳定一段时间后(一般为10～30分钟)，液体介质就稳定处于该压力下的沸腾气液两相流状态。此时使低压电极接地，高压电极加上测量需要的高电压，即可通过相连接的测量装置测量液体在气液两相流状态下的绝缘特性。所加电压可以按照国家标准进行，也可以按照自行设计的试验方案进行。

若在高压电极和低压电极之间放置特定尺寸的固体绝缘材料试件，重复以上步骤，即可进行处于两相流状态下液体介质环境中的该固体绝缘材料的各种绝缘性能的测量。

若是测量时所述液体介质处于非沸腾的液态，可进行液体介质的液态绝缘性能的测试；若是液体介质处于沸腾气液两相态下，但其液面低于高压电极和低压电极，可进行液体介质的气态绝缘性能的测试。

所述高压电极连接有高压发生装置和测量装置。

所述高压电极或低压电极还可以加装加热部件，使电极自身发热。

所述冷凝器可以是但不限于是水冷凝器，还可以是通过风冷却的风冷凝器，或者自然空气冷却的散热器，或者通过热管散热等其他原理的散热器件。

本发明包括两种具体实施形式，分别进行介质本身在气液两相流状态下击穿电压特性的测量和局部放电或冲击电压特性的测量。另外，还可以通过在电极间夹持固体绝缘材料试件，进行固体绝缘材料在气液两相流状态的液体环境中的击穿电压特性和局部放电特性或冲击电压特性的测量。

附图说明

图1是本发明实施方式之一的结构示意图，图中：10密封容器、20加热装置、30屏蔽板、40液体介质、50高压电极、60低压电极、70高压电极密封装置、80低压电极密封装置、90冷凝器、100冷凝器进水口、110冷凝器出水口、120阀门、130压力测量仪表；

图2是本发明实施方式之二的结构示意图，图中：10密封容器、20加热装置、30屏蔽板、40液体介质、50高压电极、55固体绝缘材料试件、60低压电极、70高压电极密封装置、80低压电极密封装置、90冷凝器、100冷凝器进水口、110冷凝器出水口、120阀门、130压力测量仪表。

图3是本发明实施方式之一的高压电极和低压电极分别由球冠电极换成针板电极的结构示意图，图中：10密封容器、20加热装置、30屏蔽板、40液体介质、50高压电极、60低压电极、70高压电极密封装置、80低压电极密封装置、90冷凝器、100冷凝器进水口、110冷凝器出水口、120阀门、130压力测量仪表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明具体实施方式之一由密封容器10、加热装置20、待测液体介质40、高压电极50、低压电极60、高压电极密封装置70、低压电极密封装置80、冷凝装置90、阀门120和压力测量仪表130等组成。加热装置20位于密封容器10的底部，对灌入密封容器的待测液体介质40加热。待测液体介质40沸腾蒸发后产生的蒸汽由处于密封容器10上部的冷凝装置90冷凝，重新变成液体，流回密封容器10底部。冷凝装置90是一个内部空心的金属管道或空心容器，有两个开口：进水口100和出水口110，冷凝装置90的进水口100和出水口110穿过密封容器10顶板，通向密封容器10外。密封容器10的顶板上还安装有阀门120和压力测量仪表130，与容器内部相通。高压电极50和低压电极60处于密封容器的中部，分别通过高压电极密封装置70和低压电极密封装置80，从相对的两个方向穿入密封容器10内。其中高压电极50和低压电极60可以但不限于是球冠电极，一般用于击穿电压特性的测量研究，见图1；还可以但不限于是针板电极，一般用于局部放电特性或冲击电压特性的测量研究，见附图3。

高压电极密封装置处于高压电极与密封容器的连接部位，保证整个密封容器的密封性，并通过螺纹结构等机械机构可以调节高压电极伸进密封容器的长度，借以调节高压电极50与低压电极60之间的距离。低压电极密封装置80与高压电极密封装置70同理，在保证密封的同时，可以调节两个电极之间的距离，以此测量不同电极距离下的绝缘性能。

如图1所示，以参照国家标准，对击穿电压的测量过程为例，对本发明的工作过程描述如下：首先通过高压密封装置70和低压密封装置80调节并固定高压电极50和低压电极60之间的距离。对容器内部进行全面清洗后，安装密封容器10。把待测液体介质40通过阀门120灌入密封容器10，液体介质40没过高压电极50和60一定高度(按照国家标准规定，超过电极竖直高度15mm)。关闭阀门120，使密封容器10处于密封状态。加热装置20对液体介质40进行加热，使其沸腾，压力测量仪表130可以显示沸腾后的容器40内的蒸汽压力。同时通过进水口100和出水口110对冷凝器90通水，并调节水流量，使密封容器10内的压力保持在某特定数值并稳定一段时间(10～30分钟)后，液体介质40就稳定处于该压力下的沸腾气液两相流状态。此时使低压电极60接地，高压电极50加上按照一定速率(2～3kV/s)线性增加的高电压，直至高压电极50和低压电极60之间发生击穿放电，测量并记录发生击穿的时间和电压。间隔一定时间(3～5分钟)，进行下一次两极板之间的升压和击穿过程。重复若干次，即可得到液体介质40在气液两相流状态该气压下的击穿电压特性。

如图3所示，高压电极50和低压电极60可以替换为针板电极，但不限于针板电极，一般用于局部放电特性或冲击电压特性的测量研究。以参照国家标准，对局部放电特性的测量过程为例，与对击穿电压的测量过程相比较，除了在高压电极50上加上高电压直至两极板间得到局部放电时需要记录发生放电的电压和放电量外，其他过程均相同。

如图2所示，在高压电极50和低压电极60之间放置固体绝缘材料试件55，重复与实施方式之一的测量步骤，即可进行该固体绝缘材料在液体40的气液两相流状态下的绝缘特性的测量。

一般用于击穿电压特性的测量时，高压电极50和低压电极60可以但不限于是球冠电极，如图2所示；用于局部放电特性或冲击电压特性的测量时，高压电极50和低压电极60可以但不限于是针板电极，如图3所示。

Claims (5)

1.一种用于气液两相流状态下介质绝缘性能测量的装置，包括密封容器(10)，其特征是该装置还包括加热装置(20)、冷凝装置(90)、高压电极(50)、低压电极(60)、高压电极密封装置(70)和低压电极密封装置(80)；加热装置(20)位于密封容器(10)的底部，冷凝装置(90)处于密封容器(10)的上部；冷凝装置(90)为内部空心的金属管道或空心容器，开有进水口(100)和出水口(110)；冷凝装置(90)的进水口(100)和出水口(110)穿过密封容器(10)顶板，通向密封容器(10)外；高压电极(50)和低压电极(60)处于密封容器的中部，分别通过高压电极密封装置(70)和低压电极密封装置(80)，从相对的两个方向穿入密封容器(10)内；密封容器(10)中加入待测液体介质(40)，加热装置(20)对待测液体介质(40)加热至沸腾两相流状态，待测液体介质(40)沸腾蒸发后产生的蒸汽由冷凝装置(90)冷凝，变成液体，流回密封容器(10)底部。

2.按照权利要求1所述的一种用于气液两相流状态下介质绝缘性能测量的装置，其特征是：测量液体介质在两相流状态下的绝缘性能时，高压电极(50)和低压电极(60)之间留有一定距离，两个电极间的距离可调节。

3.按照权利要求1所述的一种用于气液两相流状态下介质绝缘性能测量的装置，其特征是：测量处于两相流状态下液体介质(40)环境中的固体绝缘材料的绝缘特性时，在高压电极(50)和低压电极(60)之间放置固体绝缘材料试件(55)。

4.按照权利要求1所述的一种用于气液两相流状态下介质绝缘性能测量的装置，其特征是：所述密封容器(10)的顶板上安装有阀门(120)和压力测量仪表(130)，与密封容器(10)内部相通。

5.按照权利要求1所述的一种用于气液两相流状态下介质绝缘性能测量的装置，其特征是：若测量时所述液体介质(40)处于非沸腾的液态，进行液体介质的液态绝缘性能测试；若液体介质(40)处于沸腾气液两相流状态下，液体介质(40)液面低于高压电极(50)和低压电极(60)，进行绝缘液体的气态绝缘性能的测试。

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