CN107831417A - 一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，属于超特高压油纸绝缘类电气设备绝缘油的电气性能评估与故障诊断领域，该系统包含电源模块、电极模块、温控模块、图像采集模块和电流采集模块；所述电源模块连接至所述电极模块，所述电极模块置于所述温控模块中，所述温控模块用于调节所述电极模块的温度；所述图像采集模块用于采集测量过程中的图像信息，所述电流采集模块用于测量加压及去压过程中流过所述电极模块的电流。实现超/特高压交流和直流油纸绝缘类设备在设备运行温度下绝缘油中杂质颗粒运动特性的测量，满足分析杂质颗粒对绝缘油绝缘性能影响的目的。

Description

一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于超特高压油纸绝缘类电气设备绝缘油的电气性能评估与故障诊断领域，涉及一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法。
背景技术
超特高压油纸绝缘类电气设备运行过程中，绝缘油中不可避免地受到杂质颗粒的污染，严重影响到绝缘油的电气性能及设备安全运行。研究表明，铜屑和铁屑等金属杂质以及纤维、粉尘等非金属杂质容易在变压器的制造和装配等过程中混入到绝缘油中，另外在油箱和管道的制造和装配等过程中也容易残留杂质颗粒污染绝缘油。此外，对于正在服役的变压器，绝缘油中杂质颗粒的来源还有绝缘纸老化降解、局部放电、油泵等机械部件的磨损、腐蚀等，其中94％污染物是纤维素非金属颗粒。现场运行数据也表明，高浓度的颗粒污染是导致400kV及以上换流变压器绝缘损坏的主要原因之一。近年来国内外许多起变压器事故都是由于绝缘油中杂质颗粒过多造成的。例如，加拿大、法国、巴西等多个国家均发生过由于油中杂质颗粒造成的变压器事故，上世纪末法国发生了多起由油中杂质颗粒过多导致的变压器故障。
针对矿物绝缘油，国外学者在直流(2kV，7.5kV和15kV)、交流(10kV，15kV和20kV)和交直流混合电场形式下，基于球-球电极(电极距离10cm)和针-板电极(电极距离10cm)对油中纤维颗粒的运动特性进行了研究，表明在稳定的直流电压分量存在时才会产生“纤维颗粒桥”，仅有交流电压分量存在时不会产生；同一电压等级和污染水平下，颗粒越小，泄漏电流越大，形成“纤维颗粒桥”的速度越快；同一污染水平及颗粒大小情况下，电压越高，形成“纤维颗粒桥”的速度越快，泄漏电流越大；电极的形状不同，产生“纤维颗粒桥”的形状也不同。
绝缘油中杂质颗粒的存在，明显降低了绝缘油的绝缘性能。一方面，杂质颗粒与水分的相对介电常数比绝缘油更大，它们在电场作用下会极化形成杂质小桥，杂质小桥形成并逐渐贯穿绝缘油间隙的过程中，由于其电阻很小，导致流过杂质小桥的电导电流变大，容易导致击穿。另一方面，变压器朝着小体积的方向发展，使其绝缘结构越来越紧凑，杂质颗粒依附堆积在狭窄的油隙并导致变压器故障概率大大提升。此外，杂质颗粒与绝缘油内各成分相互作用，可能引起绝缘油的加速劣化，进而导致变压器的寿命大大降低。因此，超特高压油纸绝缘电气设备对绝缘油杂质颗粒含量的要求越来越高。
超/特高压换流变压器设计一般采用均匀电场或稍不均匀电场，现有变压器油中纤维颗粒运动特性的研究主要基于球-球电极的稍不均匀电场和针-板电极的极不均匀电场，尚未针对均匀电场，以及均匀与非均匀电场过渡区域中油中纤维颗粒运动特性进行研究。另一方面，国内外学者尚未针对设备运行温度，研究绝缘油中杂质颗粒在不同温度下的运动特性。因此，需要设计一种具备温度调节和多类型电场联合作用功能的绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，实现获得绝缘油颗粒在不同温度、不同类型电压和不同类型电场联合作用下的运行特性，以及掌握对应条件下的绝缘油性能，必将为保障超/特高压油纸绝缘类电气设备安全运行提供强有力的技术支撑。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法，实现超/特高压交流和直流油纸绝缘类设备在设备运行温度下绝缘油中杂质颗粒运动特性的测量，满足分析杂质颗粒对绝缘油绝缘性能影响的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，该系统包含电源模块、电极模块、温控模块、图像采集模块和电流采集模块；
所述电源模块连接至所述电极模块，所述电极模块置于所述温控模块中，所述温控模块用于调节所述电极模块的温度；
所述图像采集模块用于采集测量过程中杂质颗粒的运动图像信息，所述电流采集模块用于测量加压及去压过程中流过所述电极模块的电流。
进一步，所述电源模块包括交流电源模块、直流电源模块和交直流电源模块分别用于提供和调节施加在所述电极模块上的交流、直流和交直流复合电压；
所述交流电源模块包含柱式调压器、变压器、保护电阻和分压器，所述柱式调压器的输入端连接至交流电源，输出端连接至所述变压器的一侧，变压器的另一侧连接至所述保护电阻和分压器，所述分压器的两端作为交流电源模块的输出端；
所述直流电源模块由单个的直流稳压电源串联构成；
所述交直流电源模由交流电源侧和直流电源侧组成，所述交流电源侧包含依次连接的试验变压器Ⅰ、保护电阻Ⅰ、隔直电容，所述试验变压器Ⅰ的一端接地，所述直流电源侧由依次连接的试验变压器Ⅱ、隔离电阻、硅堆组成，所述试验变压器Ⅱ的一端接地，所述硅堆的负极连接至保护电阻Ⅱ的一端，保护电阻Ⅱ的另一端连接至所述隔直电容，所述硅堆的负极与地之间还设置有滤波电容，试品的一端接入所述保护电阻Ⅱ与所述隔直电容之间，试品的另一端接地。
进一步，所述电极模块包含板板电极、球球电极和针板电极，分别用于提供均匀电场，稍不均匀电场和极不均匀电场。
进一步，所述图像采集模块为带图像录制功能的显微镜或者高清照相机。
进一步，所述电流采集模块分为交流电流采集模块和直流电流采集模块，所述交流电流采集模块由依次连接的计算机、采集卡和电流放大器构成；所述直流电流采集模块由静电计组成。
进一步，所述温控模块为控温油浴锅。
一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量方法，包含如下步骤：
S1：制备杂质颗粒浓度不同的绝缘油；
S2：确定施加的电压类型以及电场作用形式；
S3：确定绝缘油体系的温度；
S4：连接试验电路，并检查接线；
S5：调整温控模块的温度，使得其中的绝缘油温度满足要求；
S6：启动试验回路对试验电极模块进行加压；
S7：采集绝缘油中杂质颗粒的运动图像以及电流变化情况；
S8：根据所采集到的图像及电流进行试验分析。
本发明的有益效果在于：
1.本发明装置具备油温调节与控制功能，可实现超/特高压交流和直流油纸绝缘类设备在设备运行温度下绝缘油中杂质颗粒运动特性的测量，满足分析杂质颗粒对绝缘油绝缘性能影响的目的。
2.本发明测量系统能够在温度宽范围调节和控制的条件下，灵活改变电场作用形式及电场强度大小，满足超特高压交流和直流油纸绝缘类设备运行条件下绝缘油中杂质颗粒运动特性的分析需求。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例交流电源模块电路图；
图2为本发明实施例交直流电源模块电路图；
图3为本发明实施例电极模块示意图，其中a为板板电极示意图，b为球球电极示意图，c为针板电极示意图，d为电极模块实物图；
图4为本发明实施例交流电流采集模块示意图；
图5为本发明结构示意图；
图6为本发明实施例球球电极在直流电压下绝缘油中杂质小桥形成现象；
图7为本发明实施例球球电极在直流电压下绝缘油中的电流；
图8为本发明实施例球球电极在交流电压作用下绝缘油中杂质小桥形成现象；
图9为本发明实施例球球电极在交流电压下绝缘油中的电流。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明的目的之一是提供具备温度调节功能，且可灵活改变电压/电场作用形式的绝缘油中杂质颗粒运动特性测量装置，电压形式：交流、直流、交直流复合电压；电场形式：均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场。
本发明的系统包含电源模块、电极模块、温控模块、图像采集模块和电流采集模块。
如图1所示为本发明实施例交流电源模块电路图；交流电源模块由工频试验变压器(YDTW50/100)、柱式调压器(TEOSZ)、分压器(YDTW50/100)和保护电阻(YDTW50/100、5kΩ)组成，用于提供和调节施加的交流电压及其电压值大小，交流电压有效值0-50kV。其中交流电源连接至柱式调压器的输入端，柱式调压器与试验变压器连接形成本实施例的调压单元，试验变压器的输出端上连接保护电阻和分压器，分压器两端输出试验所需交流电压。
本发明实施例的直流电源模块由单个直流稳压电源(AU-20R3-LC(220V)串联组成，用于提供和调节施加的直流电压的电压值的大小，直流电压0-20kV。
如图2所示为本发明实施例交直流电源模块电路图，交直流电源模块由两台试验变压器(YDTW-50/50型变压器(50kVA；0.33kV/50kV))S1、S2，保护电阻R1、R3，隔直电阻R2，隔直电容C1，滤波电容C2，整流硅堆D，示波器组成，用于提供交流和直流联合作用的交直流复合电压，交流电压有效值0-50kV，直流电压0-50kV。交直流电源模块分为交流电源侧和直流电源侧，交流电源侧由试验变压器S1，保护电阻R1和隔直电容C1依次连接组成，直流电源侧由试验变压器S2，隔离电阻R2和硅堆D依次连接组成，硅堆D输出端上还连接有滤波电容C2，硅堆D输出端与保护电阻R3连接后进行直流输出。试品的一端接入隔直电容C1和保护电阻R3之间，另一端接地。
图3为本发明实施例电极模块示意图，其中a为板板电极示意图，b为球球电极示意图，c为针板电极示意图，d为电极模块实物图。电极模块分别用于提供均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场，实现对绝缘油中杂质颗粒施加不同形式的电场作用。
本发明的图像采集模块用于采集加压和去压过程中绝缘油中杂质颗粒的运动行为，可根据需要进行选择如带图像录制功能的显微镜或者带图像放大功能且清晰度高的照相机等。
图4为本发明实施例交流电流采集模块示意图，电流模块用于测量加压及去压过程中流过高低压电极的电流。
如图4所示，交流电压作用下的电流测量模块由计算机、电流放大器(HE-321)、采集卡(NI 9218DSUB)组成，电流采集模块原理。交流电压作用下的电流测量也可交流测量仪(Multimeter 2001)实现。
直流电压作用下的电流测量由(Keithley静电计(6517B))实现。
交/直流复合电压作用下的电流测量由计算机、电流放大器(HE-321)、采集卡(NI9218DSUB)或电流测试仪(Multimeter 2001)组成，电流采集模块原理图。
温控模块用于控制和调节试验过程中绝缘油体系的油温。该模块由油浴温度控制系统组成，本实施例选用控温油浴锅。
本发明还提供一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量方法，
首先进行试验准备，制备含有杂质颗粒油品，并确定所制造的含有杂质颗粒的油品在变压器实际运行过程中的电压等级，电场形式以及变压器运行时候的温度范围。
接着进行试验，连接设备并检查接线，控温油浴锅设定好所选定的油温，将制备的含有杂质颗粒油品放入控温油浴锅内，将电极模块放入控温油浴锅内(本实施例选用球球电极模拟稍不均匀电场)，在电极两端施加电压；
然后采集试验系统的电流以及图像信息，并对所采集到的信息进行分析，从而获得表征含杂质颗粒油品的电气性能。
图6为本发明实施例中选用直流电压作用下，球球电极(稍不均匀电场)下绝缘油中颗粒运动行为以及电流特性，试验时间均选用1500s，如图6所示，选用电压等级为3kV，6kV，15kV进行试验，根据电流采集模块采集到的电流做出了图7所示的曲线图，由图7可知，0.009％的杂质浓度下，电压等级越高，所形成的杂质小桥的电流越大。
图8为本发明实施例中选用交流电压作用下，球球电极(稍不均匀电场)下绝缘油中颗粒运动行为以及电流特性，试验选用120min，选用的电压等级为15kV和25kV，图9为试验所得的曲线图，由图可知，交流电压作用下，时间对同电压等级所形成的小桥电流的影响较小，同时电压的等级越高，小桥电流越大。
综上，本发明提供了一种具备温度调节、多类型电压和电场联合作用功能的绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统及测量方法，能实现在交流、直流或交直流复合电压作用下，油中杂质颗粒在均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀电场作用下的运动特性测量，以及绝缘油绝缘性能评估分析。由于超特高压油纸绝缘类设备运行过程中，绝缘油中不可避免地受到杂质颗粒的污染，严重影响到绝缘油的电气性能及设备安全运行，本专利可为掌握超特高压油纸绝缘类设备运行过程中油中杂质颗粒运动行为，以及颗粒积聚行为对绝缘油电气性能的影响提供了技术基础，为保障设备安全可靠运行及设备故障分析提供了技术支撑。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，其特征在于：该系统包含电源模块、电极模块、温控模块、图像采集模块和电流采集模块；
所述电源模块连接至所述电极模块，所述电极模块置于所述温控模块中，所述温控模块用于调节所述电极模块的温度；
所述图像采集模块用于采集测量过程中杂质颗粒的运动图像信息，所述电流采集模块用于测量加压及去压过程中流过所述电极模块的电流。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，其特征在于：所述电源模块包括交流电源模块、直流电源模块和交直流电源模块分别用于提供和调节施加在所述电极模块上的交流、直流和交直流复合电压；
所述交流电源模块包含柱式调压器、变压器、保护电阻和分压器，所述柱式调压器的输入端连接至交流电源，输出端连接至所述变压器的一侧，变压器的另一侧连接至所述保护电阻和分压器，所述分压器的两端作为交流电源模块的输出端；
所述直流电源模块由单个的直流稳压电源串联构成；
所述交直流电源模由交流电源侧和直流电源侧组成，所述交流电源侧包含依次连接的试验变压器Ⅰ、保护电阻Ⅰ、隔直电容，所述试验变压器Ⅰ的一端接地，所述直流电源侧由依次连接的试验变压器Ⅱ、隔离电阻、硅堆组成，所述试验变压器Ⅱ的一端接地，所述硅堆的负极连接至保护电阻Ⅱ的一端，保护电阻Ⅱ的另一端连接至所述隔直电容，所述硅堆的负极与地之间还设置有滤波电容，试品的一端接入所述保护电阻Ⅱ与所述隔直电容之间，试品的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，其特征在于：所述电极模块包含板板电极、球球电极和针板电极，分别用于提供均匀电场，稍不均匀电场和极不均匀电场。
4.根据权利要求1所述的一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，其特征在于：所述图像采集模块为带图像录制功能的显微镜或者高清照相机。
5.根据权利要求2所述的一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，其特征在于：所述电流采集模块分为交流电流采集模块和直流电流采集模块，所述交流电流采集模块由依次连接的计算机、采集卡和电流放大器构成；所述直流电流采集模块由静电计组成。
6.根据权利要求1所述的一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量系统，其特征在于：所述温控模块为控温油浴锅。
7.一种绝缘油中杂质颗粒运动特性测量方法，其特征在于：包含如下步骤：
S1：制备杂质颗粒浓度不同的绝缘油；
S2：确定施加的电压类型以及电场作用形式；
S3：确定绝缘油体系的温度；
S4：连接试验电路，并检查接线；
S5：调整温控模块的温度，使得其中的绝缘油温度满足要求；
S6：启动试验回路对试验电极模块进行加压；
S7：采集绝缘油中杂质颗粒的运动图像以及电流变化情况；
S8：根据所采集到的图像及电流进行试验分析。
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