CN107024643A - 利用电荷测量pea法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，包括一个带有翼缘的圆柱状上壳体和一个与其相连接的长方体状的下壳体，在上壳体和下壳体之间垫有垫片；所述上壳体中心设有PEA测量上电极，所述下壳体中心设有与所述PEA测量上电极相对应的PEA测量下电极，在PEA测量上电极和PEA测量下电极之间间隔有由垫片中心孔构成的测量区油流通道；所述下壳体中设有与所述测量区油流通道相连通的流油通道，流油通道与下壳体上所设的进油孔和出油孔相贯通，由外部油流控制系统连通所述进油孔和出油孔构成变压器油流动测量通道。本发明根据油流动力系统性能的不同可实现的油流带电研究的流速范围和平均电场范围，误差小，测量效果好。

Description

利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置

技术领域

本发明属于大型电力设备绝缘破坏机理研究方法，涉及一种实验装置，特别涉及换流变压器变压器油及油纸绝缘特性研究的电极系统。

背景技术

输电网络建设对输电设备制造技术提出了更高的要求。从绝缘结构上看,普通电力变压器的主绝缘结构设计基于薄纸板小油隙理论,纸板的作用主要是分隔油隙,基本上不具备单独承受电压的能力,纸筒厚度薄且总量小。但在换流变压器中由于直流电场的存在,主绝缘中需要更多的纸板来承担大部分的直流电压,阀侧绕组要被多层纸板及角环包绕,主绝缘中纸筒的厚度和用量远高于普通变压器,而且换流变压器的绝缘结构更加紧密、复杂。

在换流变压器中,变压器油起到绝缘与冷却的双重作用,为改善变压器的温升性能,大容量变压器大多采用了强迫油循环的冷却方式。随着容量的提升,变压器的温升也越发明显。在传统的绝缘结构中,通常采用提高油流速度的方式来控制变压器的温升。但是油流速度的提升,给换流变压器油纸绝缘体系带来了新的问题——油流带电。

由于直流电压下油流带电量远大于交流，因此与普通交流电力变压器相比,换流变压器的油流带电问题将更加严重。所以为确保直流输电的可靠,必须及时开展换流变压器油流带电问题的理论分析与试验研究,以预防换流变压器在设计、生产、使用、操作及维护中因油流带电问题导致的事故或危害。

在变压器系统中，由于固体绝缘纸板与变压器油的相对摩擦运动，以及直流电压下的电荷注入和迁移等，使得在油纸绝缘的接触面和内部出现电荷分离现象，由于变压器油的流动使分离的电荷彼此远离产生电荷迁移、并且可能在绝缘结构中发生电荷积聚，当累积到一定程度后固体绝缘表面电荷通过放电释放，这个过程会造成沿面闪络，严重的时候会导致击穿，对绝缘性能行成破坏性影响。因此，油流带电问题是研究换流变压器绝缘性能过程中一个非常重要的问题。油流带电特性的研究直接关系到换流变压器能否正常运行^[3]。

目前，国内外对油流电荷的测量研究主要局限于油中电荷量的测量，无法测量绝缘纸及油纸-油界面处的电荷量变化。而较为传统的测量固体电介质内部电荷分布的方法，如电声脉冲法(PEA法)、探针法等，对液体介质中电荷分布的研究较少，而对油流时的电荷分布尚无人研究。鉴于变压器油流动时油纸-油或油纸-油-油纸等结构中可能出现大量的电荷不均匀分布而影响系统的绝缘性能，发明一种能够测量变压器油流动时绝缘系统中电荷测量PEA法电极装置十分必要。

发明内容

针对上述现有油流带电及绝缘介质中空间电荷测量电极系统存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种更加高效更加全面的测量实验装置。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，包括一个带有翼缘的圆柱状上壳体和一个与其相连接的长方体状的下壳体，在上壳体和下壳体之间垫有垫片；

所述上壳体中心设有PEA测量上电极，所述下壳体中心设有与所述PEA测量上电极相对应的PEA测量下电极，在PEA测量上电极和PEA测量下电极之间间隔有由垫片中心孔构成的测量区油流通道；

所述下壳体中设有与所述测量区油流通道相连通的流油通道，流油通道与下壳体上所设的进油孔和出油孔相贯通，由外部油流控制系统连通所述进油孔和出油孔构成变压器油流动测量通道。

优选地，所述上壳体包括一个金属外壳，在金属外壳内腔填充有能够容纳PEA测量上电极的空心圆柱体状绝缘体。

优选地，所述PEA测量上电极为铝电极，其下表面边缘有R＝2mm的倒角，且其下表面与金属外壳下表面在一个水平面上。

优选地，所述PEA测量下电极镶装在下壳体中心开设的柱形孔中，沿所述柱形孔两侧的下壳体中分别设有垂直分布的内进油孔和内出油孔；所述内进油孔和内出油孔分别与下壳体两侧水平分布的油流通道相连通，流油通道与分别在下壳体上所设的进油孔和出油孔相贯通。

优选地，所述垫片为中心设有长方形开孔的圆形薄片，开孔长度应大于内进油孔和内出油孔之间的距离，垫片中心开孔孔道构成测量区油流通道。

优选地，所述PEA测量下电极下设有紧贴其底面的传感器PVDF，PEA测量下电极和传感器PVDF外包裹有PEA下电极保护壳体，在保护壳体下端部设有出线孔；PEA下电极保护壳体自下壳体的柱形孔底端延伸至其外侧。

优选地，所述下壳体上表面外周开有上螺孔，所述上壳体的翼缘周上均布有下螺孔；上螺孔与下螺孔对应，配合使壳体密封。

优选地，所述垫片设有多层，垫片材料为聚四氟乙烯，紧贴垫片上设有油纸。

优选地，通过改变外部油流控制系统能够调整测量区油道内油流速度为0～2m/s。

优选地，所述PEA测量上电极和PEA测量下电极均能够任意更换而不影响油流通道的形成。

本发明进行变压器油流动时绝缘系统中电荷测量研究时，可以满足以下要求：

1)、体积小，便于移动，且安装简便；

2)、可施加直流电压(0～30kV)，并且在油流区域内电场为均匀场，即最大电场畸变小于5％；

3)、电极之间距离在1～10mm之间可调，误差小于10％；

4)、油纸在油道中的位置可调，且可分隔油道，进行多层油道油流特性研究。

5)、油道除进出油孔外为密封结构，油流速度为0～2m/s，误差小于5％。

本发明所采取的改进方案是采用PEA法下电极镶嵌到带有油道的壳体下部中，壳体上部与PEA上电极相连，壳体上下分部通过垫片结合成密闭系统。此电极系统包括PEA下电极、壳体两大部分，其中壳体包括上壳体、下壳体和垫片。

本发明的电极系统需要外部附属设备进行变压器油流动时空间电荷分布测量研究，附属设备包括油流动力系统，PEA上电极，脉冲电压源，放大器，示波器，高压直流电压源。其中PEA上电极，脉冲电压源，放大器，示波器，高压直流电压源为典型的PEA空间电荷测量系统中常用的设备。根据油流动力系统性能的不同，本发明可实现的油流带电研究的流速范围为0～2m/s，平均电场范围为0～60kV/mm。根据油道内油纸放置位置不同可研究仅单个电极紧贴油纸、上下电极都紧贴油纸、单层油纸在上下电极之间等多种油流时油纸-变压器油中的空间电荷分布特性。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明装置立体结构示意图；

图3是本发明装置的上壳体结构示意图；

图4是本发明装置的下壳体结构示意图；

图5是本发明装置的垫片结构示意图；

图6(a)、6(b)是本发明装置PEA下电极保护壳体结构示意图；

图7是本发明油流动时绝缘系统中电荷测量PEA法电极装置附属所需的油流动力系统；

图8是典型的PEA空间电荷测量系统中常用的设备。

图中：1-1：PEA测量下电极；1-2：PEA下电极保护壳体；2：上壳体；2-1：金属外壳；2-2：测量上电极；2-3：绝缘体；2-4：下螺孔；3：下壳体；3-2：油流通道；3-3：上螺孔；3-4：内进油孔；3-5：内出油孔；4：垫片；5：测量区油流通道；6：进油孔；7：出油孔。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1、图2所示，该利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，包括一个带有翼缘的圆柱状上壳体2和一个与其相连接的长方体状的下壳体3，在上壳体2和下壳体3之间垫有垫片4。上壳体2中心设有PEA测量上电极2-2，下壳体3中心设有与PEA测量上电极2-2相对应的PEA测量下电极1-1，在PEA测量上电极2-2和PEA测量下电极1-1之间间隔有由垫片4中心孔构成的测量区油流通道5；下壳体3中设有与测量区油流通道5相连通的流油通道3-2，流油通道3-2与下壳体3上所设的进油孔6和出油孔7相贯通，由外部油流控制系统连通所述进油孔6和出油孔7构成变压器油流动通道。

图1结合图3所示，上壳体2包括一个金属外壳2-1，金属外壳为柱状壳体，在金属外壳2-1内腔填充有能够容纳PEA测量上电极2-2的空心圆柱体状绝缘体2-3；绝缘体2-3为浇筑的环氧树脂。其中，PEA测量上电极2-2为铝电极，其下表面边缘有R＝2mm的倒角，且其下表面与金属外壳下表面在一个水平面上。

图1结合图4所示，下壳体3中心开有够容纳PEA测量下电极1-1的柱形孔3-1，沿柱形孔3-1两侧的下壳体3中分别设有垂直分布的内进油孔3-4内出油孔3-5；内进油孔3-4和内出油孔3-5分别与下壳体3两侧水平分布的油流通道3-2相连通，流油通道3-2与分别在下壳体3上所设的进油孔6和出油孔7相贯通。

PEA测量下电极1-1外包裹有PEA下电极保护壳体1-2，保护壳体下端部应有出线孔1-3(见图6(a)和图6(b))。装配传感器时，应先放置传感器PVDF紧贴在PEA测量下电极1-1下部，并经由声阻抗吸收器件与传输线相连。PEA测量下电极1-1材料为铝，保护壳体1-2材料可为机械强度较好的金属。PEA下电极保护壳体1-2自下壳体3的柱形孔3-1底端延伸至其外侧。

图1结合图5所示，垫片4为中心设有长方形开孔的圆形薄片，开孔长度应大于内进油孔3-4和内出油孔3-5之间的距离，垫片4中心开孔孔道构成测量区油流通道5，由进油孔6、流油通道3-2、内进油孔3-4、测量区油流通道5、内出油孔3-5、流油通道3-2和出油孔7连通形成贯通的油流通道，由外部油流控制系统连通所述进油孔6和出油孔7构成变压器油流动测量通道。在该装置中垫片4设有多层，垫片4材料为聚四氟乙烯，紧贴垫片4下设有油纸8。通过调整垫片4厚度能够调整测量区油流通道5的截面积，调整垫片4数量及油纸紧贴垫片的位置能够调整油层数量及油道形式；通过改变外部油流控制系统能够调整测量区油道5内油流速度为0～5m/s。而且，PEA测量上电极2-2和PEA测量下电极1-1均能够任意更换而不影响油流通道的形成。

在该装置中，下壳体3上表面外周开有上螺孔3-3，上壳体2的翼缘周上均布有6个下螺孔2-4；上螺孔3-3与下螺孔2-4对应，两部分可在边缘由紧固螺栓或者强力胶粘合，配合使壳体密封。

装配本装置时，PEA测量上电极为柱状电极，直径为20mm，高度不低于40mm，下底面应有半径为2mm的倒角。金属外壳材料为机械强度较好的金属，如不锈钢，PEA测量上电极材料为铝，内绝缘体为环氧树脂。组装时，应先利用磨具放置测量上电极在金属外壳同轴正中心，其底面应与金属外壳底面在一个平面上，然后从上至下进行环氧树脂浇筑。浇筑完毕后，应保证下表面水平。浇筑完毕后若上表面不平整，应进行机械切削，保证上表面平整。

下壳体材料为机械强度较好的金属，如不锈钢。壳体中心开有柱形孔3-1，其尺寸应与PEA测量下电极相配合，使PEA测量下电极嵌入柱形孔中，PEA测量下电极的测量电极表面应与下壳体上表面在一个水平面上。组装PEA测量下电极嵌入柱形孔中后，两者之间的缝隙应与固体抗油抗高温固体胶进行粘连密封。在下壳体两侧正中央分别开有柱形油流通道3-2，此通道由壳体侧面垂直于上表面向中心导通至据中心柱形孔3-1距离为5mm时延上表面放心导通。为了使油流动时较为顺畅便于加大流速，油道拐弯处应平滑，避免直角或锐角。油流通道两端应开有螺纹，可与快捷插头连接进行与外部油道相连。上表面外周开有6个上螺孔3-3，其位置与上壳体螺孔对应，并与上壳体螺孔配合使壳体密封。

垫片为圆形，材料为聚四氟乙烯。其中间开有长方形孔洞，其长度应大于下壳体上表面两个油道孔之间的距离，宽度为15mm。其厚度应根据所需油道的横截面积确定，根据PEA法能测量试样厚度，其厚度范围为1～10mm。加工时，应保证其厚度均匀，表面平整。实验时，应放置垫片在下壳体上表面中央，且长方形孔洞的方向与油道孔的方向一致。上壳体紧压垫片在上壳体上，并通过上壳体2-4螺孔与下壳体3-3螺孔进行紧固，使垫片中间长方形孔洞与上下壳体表面形成长方形油道。绝缘纸的放置位置可根据垫片的数量或位置选择放置在靠近下壳体表面、靠近上壳体表面、油道中央等部位。

下面以测量单层绝缘纸紧贴下电极油流动时油纸-油系统中空间电荷分布为例来说明电极系统的安装与使用：

(1)实验前，应先检查PEA测量下电极1的上表面是否与下壳体3的上表面在一个平面上，且两者之间的缝隙粘连紧密。检查油流通道3-2是否通畅，并进行清洁处理。裁剪油纸试样成长方形，使其长度大于垫片4中方形孔的宽度，其宽度小于内进油孔3-4和内出油孔3-5之间的距离。油纸试样裁剪完毕后进行浸油、干燥、除气等处理；

(2)使油纸试样紧贴下壳体3上表面放置，其方向为其长度方向垂直于内进油孔3-4和内出油孔3-5之间的轴向，并完全覆盖PEA测量下电极1-1；

(3)按照需要选择垫片4的厚度，如5mm厚，放置于下壳体3中央，其方向为其长方形孔的长度平行于内进油孔3-4和内出油孔3-5之间的轴向，使内进油孔3-4和内出油孔3-5露在垫片4的长方形孔中，并把油纸试样部分压下下面；

(4)将上壳体置于垫片上，并在上下壳体的下螺孔2-4和上螺孔3-3中通过螺钉使上下壳体压紧垫片4，从而使测量区油道形成在一定压力下只有内进油孔3-4和内出油孔3-5可以进行油的流动；

(5)由进油孔6和出油孔7连接外部油流动力设备，如图7所示，检验油道的密闭性；

(6)将PEA测量上电极置于本发明装置上壳体上，高压直流电源与脉冲电源通过PEA上电极作用于发明装置，脉冲电源信号同时传输至示波器，变压器油通过外部油流动力设备从实验油道流过。此时便可以完成变压器油流动时油纸绝缘空间电荷特性的测试，测试输出信号经过放大器放大后输出至示波器显示，同时示波器将测试信号传输至计算机保存以便于后续处理，如图8所示。

调节油流速度，既可以进行油流动时空间电荷测量。

为保证实验结果准确可靠，每次试验前应打开上下壳体并进行充分清洗。

以上所揭露的仅是本发明的较佳实施例而已，然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域技术人员利用上述揭露的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于：包括一个带有翼缘的圆柱状上壳体(2)和一个与其相连接的长方体状的下壳体(3)，在上壳体(2)和下壳体(3)之间垫有垫片(4)；

所述上壳体(2)中心设有PEA测量上电极(2-2)，所述下壳体(3)中心设有与所述PEA测量上电极(2-2)相对应的PEA测量下电极(1-1)，在PEA测量上电极(2-2)和PEA测量下电极(1-1)之间间隔有由垫片(4)中心孔构成的测量区油流通道(5)；

所述下壳体(3)中设有与所述测量区油流通道(5)相连通的流油通道(3-2)，流油通道(3-2)与下壳体(3)上所设的进油孔(6)和出油孔(7)相贯通，由外部油流控制系统连通所述进油孔(6)和出油孔(7)构成变压器油流动通道。

2.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，上壳体(2)包括一个金属外壳(2-1)，在金属外壳(2-1)内腔填充有能够容纳PEA测量上电极(2-2)的空心圆柱体状绝缘体(2-3)。

3.如权利要求2所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述PEA测量上电极(2-2)为铝电极，其下表面边缘有R＝2mm的倒角，且其下表面与金属外壳下表面在一个水平面上。

4.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述PEA测量下电极(1-1)镶装在下壳体(3)中心开设的柱形孔(3-1)中，沿所述柱形孔(3-1)两侧的下壳体(3)中分别设有内进油孔(3-4)和内出油孔(3-5)；所述内进油孔(3-4)和内出油孔(3-5)分别与下壳体(3)两侧水平分布的油流通道(3-2)相连通，流油通道(3-2)与分别在下壳体(3)上所设的进油孔(6)和出油孔(7)相贯通。

5.如权利要求4所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述垫片(4)为中心设有长方形开孔的圆形薄片，开孔长度应大于内进油孔(3-4)和内出油孔(3-5)之间的距离，垫片(4)中心开孔孔道构成测量区油流通道(5)。

6.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述PEA测量下电极(1-1)下设有紧贴其底面的传感器PVDF，PEA测量下电极(1-1)和传感器PVDF外包裹有PEA下电极保护壳体(1-2)，在保护壳体(1-2)下端部设有出线孔(1-3)；PEA下电极保护壳体(1-2)自下壳体(3)的柱形孔(3-1)底端延伸至其外侧。

7.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述下壳体(3)上表面外周开有上螺孔(3-3)，所述上壳体(2)的翼缘周上均布有下螺孔(2-4)；上螺孔(3-3)与下螺孔(2-4)对应，配合使壳体密封。

8.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述垫片(4)设有多层，垫片(4)材料为聚四氟乙烯，紧贴垫片(4)上设有油纸。

9.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，通过改变外部油流控制系统能够调整测量区油道(5)内油流速度为0～2m/s。

10.如权利要求1所述的利用电荷测量PEA法对变压器油流动时绝缘系统测量的装置，其特征在于，所述PEA测量上电极(2-2)和PEA测量下电极(1-1)均能够任意更换而不影响油流通道的形成。