CN104007330A - 冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种冲击电压下变压器油中空间电荷分布测量的试验系统，包括电压系统和光学系统两部分，其中光学系统包括氦氖激光器、光接收装置,在氦氖激光器和光接收装置之间的光路上依次设有起偏器、λ/4波片I、扩束镜、油箱、λ/4波片II、检偏器、空间滤波器和光接收装置；所述油箱内设置有电极；本发明的装置较之于其他空间电荷测量方法具有直观、安全、可靠的优点，又易于进行计算机信息处理。特别是采用光信号作为测量的媒介，排除了与高电压的直接联系，不仅安全而且易于进行自动控制和信号处理，应用于冲击高压作用下的空间电荷测量具有很大优势，以满足对变压器油中空间电荷的产生、输运以及消散的研究分析的需求。

Description

冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置

技术领域

 本发明属于变压器油中空间电荷测量的试验技术领域，具体涉及一种冲击电压下变压器油中空间电荷测量的试验系统。

背景技术

随着我国特高压电网的快速发展，电力变压器的绝缘设计制造技术面临着新的挑战。深入研究变压器内绝缘在冲击电压下的击穿机理，改进和提高绝缘材料性能，是我国特高压电力设备发展的迫切需要。绝缘材料的电击穿特性是电气设备及电力行业的研究重点，电介质的绝缘性能极大地受到其内部电场的影响，其中空间电荷在改变绝缘电介质内部电场分布中起着重要的作用。传统上对绝缘电介质电场的研究主要依靠实验经验，通过分压器及传感器测量，再通过计算还原得到绝缘电介质的电场变化过程。但这种实验方法无法精确计算绝缘体内部实际的电场变化过程，特别是电极处于液体电介质（如变压器油）环境中，当电压达到一定程度后，液体中会出现空间电荷。空间电荷的产生、输运以及消散会改变变压器油中的电场分布，从而影响液体电介质的绝缘击穿性能，且冲击电压作用下变压器油中的空间电荷对于流注的产生和发展有着重要的作用。

目前，对空间电荷的研究方法有电声脉冲法、热刺激电流法、使用CCD的克尔电光测量系统等。但是这些方法都有一定的局限性。电声脉冲法、热刺激电流法主要针对于固体聚合物材料，而冲击电压作用下变压器油中的空间电荷分布变化迅速，空间电荷运动规律复杂，因此对聚合物空间电荷的测量方法并不适用于变压器油中空间电荷的测量。利用液体电介质在电场下的克尔电光效应，可对液体电介质内部电场进行无干扰测量，已有研究机构搭建了使用CCD的克尔电光测量系统。然而，该方法仅适用于具有较高克尔系数的液体电介质，对于低克尔系数的变压器油来说并不适用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，测量过程更为直观、安全和可靠。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，包括相对设置的氦氖激光器 和光接收装置,在氦氖激光器和光接收装置之间的光路上依次设置有起偏器 、λ/4波片I 、扩束镜 、油箱 、λ/4波片II 、检偏器 、空间滤波器 和光接收装置；所述油箱内设置有电极。

 进一步，所述光接收装置的信号输出端与示波器冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置的信号输入端电连接

进一步，所述氦氖激光器 、光接收装置、起偏器  、λ/4波片I 、扩束镜 、油箱 、λ/4波片II 、检偏器 、空间滤波器和光接收装置均设置在光学防震平台上。

进一步，所述起偏器和检偏器均为偏振片由方解石构成，消光比为10000:1，其与x轴方向夹角分别45°和45°。

进一步，所述λ/4波片I和λ/4波片II 与x轴夹角都为0°。

进一步，所述扩束镜具有2到5倍可变焦距。

进一步，所述光路经过的油箱两个侧面由光学玻璃制成，油箱的其它两个侧面、底面以及盖子由有机玻璃制成，所述电极经抛光，粗糙度小于等于1μm，四周成圆角，所述电极为黄铜电极对、铝电极对或不锈钢电极对。

进一步，所述空间滤波器由前后两片参数相同的凸透镜以及两凸透镜之间的一个直径为10-15μm的孔组成，每片凸透镜的直径均为25.4mm、焦距为50.2mm，两凸透镜的焦点重合于孔所在的位置。

进一步，所述光接收装置的核心元件为阵列光电探测器。

本发明的有益效果：本发明的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，较之于其他高压电场测量方法具有直观、安全、可靠的优点，又易于进行计算机信息处理，是一种有效的高压电场测量方法。特别是采用光信号作为测量的媒介，排除了与高电压的直接联系，不仅安全而且易于进行自动控制和信号处理，应用于冲击高压作用下的电场测量具有很大优势，以满足对变压器油中空间电荷的产生、输运以及消散的研究分析的需求; 光接收装置采用阵列光电探测器，其灵敏度高于CCD，且可以同一时间测量不同位置处的电场随时间的变化情况，因此可用于低克尔系数的液体电介质中空间电荷的测量和分析。搭建使用阵列光电探测器的变压器油中空间电荷测量装置，对空间电荷在变压器油中的作用机制以及纳米变压器油击穿机理的研究，有重要的理论意义和工程应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1示出了冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置的结构示意图；

图2示出了冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置中电路部分的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，本实施例的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，包括电压系统和光学系统两部分，其中光学系统包括相对设置的氦氖激光器 1和光接收装置 10,在氦氖激光器 1 和光接收装置 10之间的光路上依次设置有起偏器 2 、λ/4波片I 3、扩束镜 4、油箱 5、λ/4波片II 7、检偏器 8、空间滤波器 9和光接收装置 10；所述油箱 5内设置有电极 6，装有液体介质；所述光接收装置 10的信号输出端与示波器11的信号输入端电连接。所述氦氖激光器 1、光接收装置 10、起偏器 2 、λ/4波片I 3、扩束镜 4、油箱 5、λ/4波片II 7、检偏器 8、空间滤波器 9和光接收装置 10均设置在光学防震平台 12上。

本发明的光源采用He-Ne激光发生器，可为该测量系统提供波长为632.8nm、光束直径为1mm的线偏振光，光源输出强度稳定、光束集中且方向性良好，能够保证在外加电场作用下，透过Kerr元件的偏振光矢量在坐标系不同方向上的分量有确定的相位差，保持整个试验过程中出射光强度的稳定。

所述起偏器 2和检偏器 8均为偏振片由方解石构成，消光比为10000:1，透光率较高，能够获得较为理想的平面线性偏振光；起偏器与竖直方向夹角为45°，用来使光源发出的光束变成平面线偏振光, 检偏器与竖直方向夹角为-45°用来检查平面线偏振光。当经过起偏器后的线偏振光的偏振方向与1/4波片快慢轴一致时，出射光仍为线偏振光；当偏振方向与1/4波片的快慢轴成45°时，出射光为圆偏振光。

所述λ/4波片I3和λ/4波片II 7与与竖直方向夹角为0°，即与线偏振光夹角为45°，这样经过λ/4波片的出射光是右旋圆偏振光。设置λ/4波片还用于增加两偏振分量之间的相位差, 起到提高测量精度的作用。

所述扩束镜4具有2到5倍可变焦距，测量时使从激光中出来的直径为1mm的光扩大至充满整个极板之间。

所述光路经过的油箱两个侧面由光学玻璃制成，油箱的其它两个侧面、底面以及盖子由有机玻璃制成，所述电极经抛光，粗糙度小于等于1μm，四周成圆角,以免边缘放电，所述电极为黄铜电极对、铝电极对或不锈钢电极对。

所述空间滤波器9由前后两片参数相同的凸透镜以及两凸透镜之间的一个直径为10-15μm的孔组成，每片凸透镜的直径均为25.4mm、焦距为50.2mm，两凸透镜的焦点重合于孔所在的位置。空间滤波器用来消除光在电极行进过程中的分散或衍射，提高测量精度。

所述光接收装置的核心元件为阵列光电探测器。该阵列光电探测器具有14个通道，可同时测量14个点的光强。每个通道间距为0.31mm，响应度为0.5A/W。将阵列光电探测器连至多通道示波器，一次加压便可获得这14个点的光强随时间的变化曲线，为油中空间电荷的分析计算提供准确可靠的实验数据。

调整光路，使激光发生器1、起偏器2、1/4玻片3、扩束镜4、1/4玻片7、检偏器8、空间滤波器9、阵列光电探测器10在一条水平线上。激光发生器产生波长为632.8nm、光束直径为1mm的线偏振光，依次通过起偏器、1/4玻片、扩束镜、变压器油、1/4玻片、检偏器空间滤波器，到达阵列光电探测器10。其中，起偏器的起偏方向与电场方向成45°；若起偏方向与检偏方向相平行，则称为平行偏振(AP)；若起偏方向与检偏方向相垂直，则称为垂直偏振(CP)。阵列光电探测器具有14个通道，可以自上而下同时测量极板间隙竖直方向的14个点的光强，并在示波器中显示并记录。

所述示波器11为多通道示波器，有二十个输入接口，可以同时显示各输入接口的电信号随时间变化的波形。

本装置使用高压试验电源13，所述高压试验电源13为单级连续脉冲冲击电压发生器，输出电压峰值在10~150kV可调，输出波形为标准雷电波或标准操作波（正极性或负极性），输出频率为1次/min,可外触发

如图2为本发明中电压系统的电路部分结构示意图，包括变压器油5、电极6、多通道示波器11、限流保护电阻15和高压分压器14。高压试验电源13输出端经限流保护电阻15与油箱中电极对中的一片电极电连接，电极对中的另一片电极接地；整个油箱形成一个克尔元件，电源输出端同时连接一个分压比为3000:1的高压分压器14，输出信号送至示波器11以测试高压端电压幅值与波形。

在多通道示波器中设置合适的触发方式，使示波器从施压时开始记录极板间隙中竖直方向的10个点的光强随时间的变化规律。用MATLAB编程，对原始光强曲线进行滤波、归一化处理，通过克尔电光理论反算出每个点的电场强度随时间的变化规律。将某一特定时刻下所测10个点的电场强度绘制成电场强度在竖直方向上随距离变化的散点图，再拟合成光滑、且与散点图吻合的曲线，即得到变压器油中两极板间竖直方向上电场强度随距离的变化规律，进而通过计算求得变压器油中空间电荷的分布规律。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：包括相对设置的氦氖激光器 (1)和光接收装置 (10),在氦氖激光器 (1) 和光接收装置 (10)之间的光路上依次设置有起偏器 (2) 、λ/4波片I (3)、扩束镜 (4)、油箱 (5)、λ/4波片II (7)、检偏器 (8)、空间滤波器 (9)和光接收装置 (10)；所述油箱 (5)内设置有电极 (6)。

2.如权利要求1所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述光接收装置 (10)的信号输出端与示波器（11）的信号输入端电连接。

3.如权利要求1所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述氦氖激光器 (1)、光接收装置 (10)、起偏器 (2) 、λ/4波片I (3)、扩束镜 (4)、油箱 (5)、λ/4波片II (7)、检偏器 (8)、空间滤波器 (9)和光接收装置 (10)均设置在光学防震平台 (12)上。

4.如权利要求1-3中任一项所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述起偏器 (2)和检偏器 (8)均为偏振片由方解石构成，消光比为10000:1，其与x轴方向夹角分别45°和45°。

5.如权利要求4所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述λ/4波片I(3)和λ/4波片II (7)与x轴夹角都为0°。

6.如权利要求5所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述扩束镜(4)具有2到5倍可变焦距。

7.如权利要求6所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述光路经过的油箱两个侧面由光学玻璃制成，油箱的其它两个侧面、底面以及盖子由有机玻璃制成，所述电极经抛光，粗糙度小于等于1μm，四周成圆角，所述电极为黄铜电极对、铝电极对或不锈钢电极对。

8.如权利要求7所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述空间滤波器(9)由前后两片参数相同的凸透镜以及两凸透镜之间的一个直径为10-15μm的孔组成，每片凸透镜的直径均为25.4mm、焦距为50.2mm，两凸透镜的焦点重合于孔所在的位置。

9.如权利要求8所述的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述光接收装置的核心元件为阵列光电探测器。