CN104280620A - 冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置 - Google Patents

Abstract

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作用下变压器油中空间电荷测量的试验系统，由光源氦氖激光器发出的光依次经过起偏器、1/4波片、扩束镜、油箱、反光镜组I、反光镜组II、检偏器、空间滤波器，由光接收装置接收；油箱内设置有平行板电极，上极板接高压电源部分，下极板接地，光在油箱中穿过上下极板；本发明的装置，利用克尔效应的原理，采用光信号作为测量的媒介，安全可靠且易于自动控制和计算机信号处理；通过使用反光镜组倍增光路，增大了克尔效应的光相位差，有效地解决了低克尔常数变压器油光相位差太小难以识别的问题。本发明为变压器油中空间电荷产生、输运及消散的研究分析提供了一种有效的方案。

Description

冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置

技术领域

本发明涉及变压器油中空间电荷测量的试验技术领域，特别涉及一种冲击电压作用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与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作用下的击穿机理，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的实际电场变化过程，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，并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。因此，冲击电压作用下变压器油中空间电荷的测量，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，有非常重要的理论意义和工程应用价值。

目前，对于空间电荷的测量研究方法有电声脉冲法、热刺激电流法、使用CCD的克尔电光测量方法等。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的电场及空间电荷进行无干扰测量，已有研究机构搭建了使用CCD作为光接收装置的克尔电光测量系统。然而，该方法适用于具有较高克尔常数的液体电介质，但对于低克尔常数的变压器油，难以辨别通过CCD测量得到的电光场图的光纹。

有研究机构使用阵列光电探测器作为光接收装置对变压器油中的空间电荷进行克尔电光测量，但是该方法中光通过变压器油的光路比较短，使得变压器油中克尔效应的光相位差非常小，测量得到的光强的波峰波谷数量较少，克尔效应的检测灵敏度较低，不能够非常准确地得到变压器油中空间电荷的分布情况。

因此，现有技术方法不能很好地解决冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量的试验系统。本装置有效地解决了冲击电压作用下变压器油中空间电荷的测量问题。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，由光源氦氖激光器发出的光依次经过起偏器、1/4波片、扩束镜、油箱、反光镜组I、反光镜组II、检偏器、空间滤波器，由光接收装置接收；所述油箱内设置有电极，光在油箱中穿过上下极板，上极板接高压电源部分，下极板接地；

所述反光镜组I、反光镜组II设置于油箱两侧，所述氦氖激光器发出的光经过起偏器、1/4波片、扩束镜后，从油盒中电极的上下极板之间穿过，经过反光镜组I反射再次穿过电极的上下极板，经过反光镜组II再次反射并再一次穿过电极的上下极板，经过多次反射的光信号到达检偏器。

进一步，所述光接收装置的信号输出端与多通道示波器的信号输入端相连接。

进一步，所述氦氖激光器、起偏器、1/4波片、扩束镜、油箱、反光镜组I、反光镜组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°，为平行偏振形式。

进一步，所述1/4波片与x轴夹角为0°。

进一步，所述扩束镜具有2到5倍可变焦距。

进一步，所述光路经过的两个油箱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，所述电极为平行板电极对，上下两个极板的尺寸均为长450-550mm、宽90-110mm、厚8-15mm，所述电极为金属材料制成的电极，所述电极经抛光，粗糙度为0.8-1.2μm，且四周成圆角。

进一步，所述反光镜组I和反光镜组II均由两片镜面相互垂直的宽带介质膜反光镜组成，反光镜的镜面与z轴的夹角均为45°，反光镜的反射率97％以上，反光镜镜面的俯仰角可调。

进一步，所述空间滤波器包括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，每片凸透镜的直径均为22-25.4mm、焦距为45-50.2mm，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。

本发明的有益效果在于：本发明提供在冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，利用克尔效应的原理采用光信号作为测量的媒介，排除了与高电压的直接联系，不仅安全可靠而且易于进行自动控制和计算机信号处理；采用了阵列光电探测器作为光接收装置并使用反光镜倍增光路，通过使用反光镜，使有效光路多次通过电极板，等效于倍增了电极的长度，增大了克尔效应的光相位差，有效地解决了低克尔常数变压器油光相位差太小难以识别的问题；采用灵敏度高于CCD的阵列光电探测器，能够在同一时刻接收多个位置点的光信号，以此计算不同位置处变压器油中的电场与空间电荷分布。本发明有效地解决了冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量的问题，为变压器油中空间电荷产生、输运以及消散的研究分析提供了一种有效的方案。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

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的油箱光路示意图；

图3示出了冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置中高压电源部分的结构示意图。

图中，氦氖激光器1；起偏器2；1/4波片3；扩束镜4；反光镜组II5；油箱6；电极7；反光镜组I8；检偏器9；空间滤波器10；光接收装置11；多通道示波器12；高压电源部分13；光学防震平台14。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

参见图1、2，本实施例的冲击电压下变压器油中空间电荷测量装置，冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，光源氦氖激光器1发出的光依次经过起偏器2、1/4波片3、扩束镜4、油箱6、反光镜组I8、反光镜组II5、检偏器9、空间滤波器10，由光接收装置11接收；所述油箱6内设置有电极7，光在油箱中穿过上下极板，上极板接高压电源部分13，下极板接地；所述氦氖激光器1、起偏器2、1/4波片3、扩束镜4、油箱6、反光镜组I8、反光镜组II5、检偏器9、空间滤波器10和光接收装置11均设置在光学防震平台14上。

所述反光镜组I8、反光镜组II5设置于油箱6两侧，所述氦氖激光器1发出的光经过起偏器2、1/4波片3、扩束镜4后，从油盒6中电极7的上下极板之间穿过，经过反光镜组I8反射180°再次穿过电极7的上下极板，经过反光镜组II5再次反射180°并再一次穿过电极7的上下极板，经过多次反射的光信号到达检偏器9。本实施例采用两次反射光信号到达检偏器，也可以根据实际情况，设置多组反光镜组，如设置三组反光镜组或四组反光镜组，使得光信号反射路径更长。每组反光镜的角度采用自动调节或手动调节，如果采用自动调节则需要增加相应的自动控制电路来对每组反光镜进行调节。

所述光接收装置11的信号输出端与多通道示波器12的信号输入端相连接。

所述起偏器2和检偏器9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°，为平行偏振形式。

所述1/4波片3与x轴夹角为0°。

所述扩束镜4具有2到5倍可变焦距。

所述光路经过的两个油箱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，所述电极为平行板电极对，上下两个极板的尺寸均为长450-550mm、宽90-110mm、厚8-15mm，所述电极为金属材料制成的电极，所述电极经抛光，粗糙度小于等于0.8-1.2μm，且四周成圆角。本实施例所述电极为平行板电极对，上下两个极板的尺寸均为长500mm、宽100mm、厚10mm，所述电极可由不同金属材料制成，如黄铜、铝以及不锈钢等，所述电极经抛光，粗糙度小于等于1μm，且四周成圆角。

所述反光镜组I8和反光镜组II5均由两片镜面相互垂直的宽带介质膜反光镜组成，反光镜的镜面与z轴的夹角均为45°，反光镜的反射率97％以上，反光镜镜面的俯仰角可调。

所述空间滤波器10包括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，每片凸透镜的直径均为22-25.4mm、焦距为45-50.2mm，两凸透镜的焦点重合于孔所在的位置。本实施例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。

所述光接收装置11的核心元件为阵列光电探测器。

实施例2

本发明的光源采用氦氖激光器，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，透过克尔元件的偏振光矢量在坐标系中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9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x轴夹角为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x轴夹角也为45°,用来检验平面线偏振光。

所述1/4波片I3与与竖直方向x轴夹角为0°，即与线偏振光夹角为45°，在此设置一片1/4波片可以增加π/2的相位，零电场下的初始光强为最大光强的一半，从而提高了系统的灵敏度。

所述扩束镜4具有2到5倍可变焦距，测量时使从激光器中发射出来直径为1mm的光扩大至充满整个极板之间。

所述光路经过的两个油箱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。

所述反光镜组I8和反光镜组II5均由两片镜面相互垂直的宽带介质膜反光镜组成，反光镜的镜面与z轴的夹角均为45°，使入射光能够垂直反射。

所述空间滤波器10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11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。

所述示波器12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。

调节光路使氦氖激光器1发出的光与起偏器2、1/4波片3、扩束镜4、油盒6在一条直线上，令入射到油盒6中的光从极板7的上下极板之间穿过；调节反光镜组I8与反光镜组II5，使光垂直反射、3次从极板7的上下极板之间穿过；调节光路使从油盒6穿出的光与检偏器9、空间滤波器10、光接收装置11在一条直线上。光源氦氖激光器产生波长为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，进入油盒6中上下极板间的变压器油，经过反光镜组I和反光镜组II的反射3次从极板7的上下极板之间穿过，再经过检偏器、空间滤波器，到达阵列光电探测器。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中间位置竖直方向的14个点的光强，并在示波器中显示并记录。

如图3为本发明的高压电源部分示意图，包括冲击电压发生器13.1、限流保护电阻13.2和分压器13.3。冲击电压发生器13.1的输出端经限流保护电阻13.2与电极7的上极板相连；冲击电压发生器13.1的输出端同时连接一个分压比为3000:1的分压器13.3将信号送至多通道示波器12以测试高压端电压幅值与波形。

所述冲击电压发生器13.1为四级连续脉冲冲击电压发生器，可输出正极性或负极性的雷电波或操作波，输出电压峰值在10-400kV范围内可调，输出频率为1次/min,可外触发。

在多通道示波器12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间位置竖直方向的14个点的光强随时间的变化规律。通过MATLAB编程，对原始光强曲线进行滤波、归一化处理，利用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14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，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的精神和范围。

Claims (10)

1.冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：由光源氦氖激光器(1)发出的光依次经过起偏器(2)、1/4波片(3)、扩束镜(4)、油箱(6)、反光镜组I(8)、反光镜组II(5)、检偏器(9)、空间滤波器(10)，由光接收装置(11)接收；所述油箱(6)内设置有电极(7)，光在油箱中穿过上下极板，上极板接高压电源部分(13)，下极板接地；

所述反光镜组I(8)、反光镜组II(5)设置于油箱(6)两侧，所述氦氖激光器(1)发出的光经过起偏器(2)、1/4波片(3)、扩束镜(4)后，从油盒(6)中电极(7)的上下极板之间穿过，经过反光镜组I(8)反射再次穿过电极(7)的上下极板，经过反光镜组II(5)再次反射并再一次穿过电极(7)的上下极板，经过多次反射的光信号到达检偏器(9)。

2.如权利要求1所述的冲击电压作用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(11)的信号输出端与多通道示波器(12)的信号输入端相连接。

3.如权利要求1所述的冲击电压作用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)、起偏器(2)、1/4波片(3)、扩束镜(4)、油箱(6)、反光镜组I(8)、反光镜组II(5)、检偏器(9)、空间滤波器(10)和光接收装置(11)均设置在光学防震平台(14)上。

4.如权利要求1-3中任一项所述的冲击电压作用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(9)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°，为平行偏振形式。

5.如权利要求4所述的冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述1/4波片(3)与x轴夹角为0°。

6.如权利要求5所述的冲击电压作用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所述的冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述光路经过的两个油箱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，所述电极为平行板电极对，上下两个极板的尺寸均为长450-550mm、宽90-110mm、厚8-15mm，所述电极为金属材料制成的电极，所述电极经抛光，粗糙度为0.8-1.2μm，且四周成圆角。

8.如权利要求7所述的冲击电压作用下变压器油中空间电荷测量装置，其特征在于：所述反光镜组I(8)和反光镜组II(5)均由两片镜面相互垂直的宽带介质膜反光镜组成，反光镜的镜面与z轴的夹角均为45°，反光镜的反射率97％以上，反光镜镜面的俯仰角可调。

9.如权利要求8所述的冲击电压作用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(10)包括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，每片凸透镜的直径均为22-25.4mm、焦距为45-50.2mm，两凸透镜的焦点重合于孔所在的位置。

10.如权利要求9所述的冲击电压作用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(11)的核心元件为阵列光电探测器。