CN113324913A - 基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置及方法，测定装置中，平行板设在变压器油中以产生空化泡，平行板中的一个固定连接设在样品池外的微分头以调节平行板之间的狭缝间距，另一个连接设在样品池外的激振器，功率放大器放大正弦信号且发送到激振器，激振器对连接的平行板施加频率与加速度可调的振动，平行板在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，中心光电探测阵列检测通过空化气泡的光散射的光强分布，信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

Description

基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置及方法

技术领域

本发明属于变压器油参数检测技术领域，特别是一种基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置及方法。

背景技术

油浸式电力变压器是电力系统中的核心设备，其可靠运行对电力系统的安全稳定至关重要。而油纸绝缘因其良好的绝缘性能，被广泛运用于变压器的绝缘结构，但当油纸绝缘系统内出现气泡时，其绝缘性能会受到严重影响，轻微的则会导致局部放电，严重的则会会导致油纸间隙的击穿进而引起变压器的爆炸。因此有必要掌握油纸绝缘系统中气泡的产生条件，进而对变压器的运行状态进行评估，保证其安全可靠运行。

实际的油纸绝缘系统中会产生两类气泡，一类是由于温度升高而导致纸中水分蒸发进而形成热致气泡，这一类气泡的产生条件为起始温度，现已有许多研究获得了不同条件下的起始温度；而另一类为振动导致油中压力发生周期性变化，当局部压力低于相应条件下的阈值时，会形成空化气泡，该阈值与油纸绝缘的状态密切相关，称为空化阈值。但目前尚未有方法能够获得不同状态下变压器油的空化阈值，因此如何测定不同运行状态下变压器油的空化阈值，来指导变压器的状态的评估，成为目前亟待解决的问题。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置及方法。解决了油纸绝缘系统中空化气泡产生条件的确定问题。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置包括，

样品池，其容纳变压器油，所述样品池的侧壁由透光材料制成；

平行板，其设在所述变压器油中以产生空化泡，所述平行板中的一个固定连接设在样品池外的微分头以调节平行板之间的狭缝间距，另一个连接设在样品池外的激振器，

信号发生器，其生成预定频率的正弦信号，

功率放大器，其一端连接所述信号发生器，另一端连接所述激振器，所述功率放大器放大所述正弦信号且发送到所述激振器，激振器对连接的平行板施加频率与加速度可调的振动，所述平行板在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，

加速度传感器，其设在所述平行板与所述激振器之间以测量所述振动的频率与加速度信息，

激光源，其朝向所述样品池以提供用于光散射的光源，

中心光电探测阵列，其设在所述样品池远离所述激光源的一侧且与所述光源保持同心，中心光电探测阵列检测通过空化气泡的所述光散射的光强分布，

信号处理系统，其连接所述中心光电探测阵列和加速度传感器以接收所述光强分布以及振动的频率与加速度信息，信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，所述交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，激光准直系统设在所述激光源和样品池之间，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光源的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，所述激光源波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW，激光准直系统，激振器最大振动位移为20mm，频率范围在15Hz-6kHz，最大出力为500N。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，所述样品池为长方体样品池，尺寸依次为长220mm，宽220mm，高300mm，所述样品池采用石英玻璃材质制成。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，所述平行板的长度为50mm，间隙的距离为50μm。

所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置中，所述中心光电探测阵列包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

根据所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置的检测方法包括以下步骤，

信号发生器生成预定频率的正弦信号，所述功率放大器放大所述正弦信号且发送到所述激振器，激振器对连接的平行板施加频率与加速度可调的振动，所述平行板在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，

光源发射的入射光照射所述变压器油形成光散射，中心光电探测阵列检测所述光散射的光强分布，加速度传感器测量所述振动的频率与加速度信息，

信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，所述交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

所述的检测方法中，当中心探测阵列接收到的光强信号发生明显的变化时，停止升高激振器的输出功率，记录此时测得的加速度传感器的频率与加速度信息；

通过频率与加速度信息计算获得此时的位移，

式中，x为位移，a为加速度，f为频率；

获得位移后，平板间的压力变化的最大幅值可由下式计算获得：

式中，P为最大压力变化幅值，η为变压器油的懂动力黏度，y为平板的长度，1为间隙的距离，最大压力变化幅值为变压器油的空化阈值。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

现有技术尚未有成熟的测定变压器油空化阈值的方法，本发明可以测定不同状态下变压器油的空化阈值。该方法所获得的变压器油的阈值信息将有助于判定变压器油纸绝缘中是否会有空化气泡的产生，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是一种基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置的结构示意图；图中，1信号发生器，2功率放大器，3激振器，4加速度传感器，5平行板，6微分头，7激光源，8样品池，9中心光电探测阵列，10信号处理系统。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置包括，

样品池8，其容纳变压器油，所述样品池8的侧壁由透光材料制成；

平行板5，其设在所述变压器油中以产生空化泡，所述平行板5中的一个固定连接设在样品池8外的微分头6以调节平行板5之间的狭缝间距，另一个连接设在样品池8外的激振器3，

信号发生器1，其生成预定频率的正弦信号，

功率放大器2，其一端连接所述信号发生器1，另一端连接所述激振器3，所述功率放大器2放大所述正弦信号且发送到所述激振器3，激振器3对连接的平行板5施加频率与加速度可调的振动，所述平行板5在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，

加速度传感器4，其设在所述平行板5与所述激振器3之间以测量所述振动的频率与加速度信息，

激光源7，其朝向所述样品池8以提供用于光散射的光源，

中心光电探测阵列9，其设在所述样品池8远离所述激光源7的一侧且与所述光源保持同心，中心光电探测阵列9检测通过空化气泡的所述光散射的光强分布，

信号处理系统10，其连接所述中心光电探测阵列9和加速度传感器4以接收所述光强分布以及振动的频率与加速度信息，信号处理系统10基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，所述交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，激光准直系统设在所述激光源7和样品池8之间，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光源7的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，所述激光源7波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW，激光准直系统，激振器3最大振动位移为20mm，频率范围在15Hz-GkHz，最大出力为500N。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，所述样品池8为长方体样品池8，尺寸依次为长220mm，宽220mm，高300mm，所述样品池8采用石英玻璃材质制成。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，所述平行板5的长度为50mm，间隙的距离为50μm。

所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的优选实施例中，所述中心光电探测阵列9包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5um。

在一个优选案例中，测定装置包括激振器3驱动、激振器3、装有油样的样品池8、产生空化泡的平行板5、微分头6、加速度传感器4、光散射系统；所述激振器3驱动包括信号发生器1和功率放大器2，信号发生器1输出特定频率的正弦信号给功率放大器2，功率放大器2将信号放大从而驱动激振器3输出振动；所述激振器3对平板施加频率与加速度可调的振动信息；所述样品池8装有被测油样；所示平行板5一个通过微分头6固定，另一个连接激振器3，使在狭缝中产生交变压力波，进而产生空化气泡；所述微分头6用来调节狭缝间距；所述加速度触感器用来测量振动的频率与加速度信息；所述光散射系统包括光散射光路与中心光电探测阵列9，一旦光路上有气泡出现，中心光电探测阵列9所接收到的信号会发生明显的变化，改系统用来判定空化气泡的产生与否。

在一个优选实例中，选取激振器31型号为ESD-045WX，其最大振动位移为20mm，频率范围在15Hz～6kHz，最大出力为500N，完全满足测定需求。

在一个优选实例中，为了尽可能的减少测定用油量，所述样品池88为长方体外形，尺寸为长220mm，宽为220mm，高位300mm。

在一个优选实例中，为了使变压器油对入射激光的吸收尽可能小，所示的激光器7选用的波长为632nm，光斑直径为5nm，功率为5W。

在一个优选案例中，为了能够更容易产生空化气泡，选择的平板的长度为50mm，间隙的距离为50μm。

在一个优选案例中，为了能够准确的测定振动的加速度与频率信息，选取的加速度传感器4的型号为LC0109，量程为50g，分辨率为0.0002，频率为0.5～6kHz，满足实验测定要求。

本发明主要依靠激振器3带动平板振动，使在狭窄的缝隙内产生交变的压力波，进而产生空化气泡，利用激光散射系统监测是否有气泡产生，进而获得产生气泡时的振动频率与加速度信息，将该信息代入到相关的公式中计算得到交变压力波的幅值，即获得了对应的空化阈值。

根据所述的基于激振器3的变压器油空化阈值的测定装置的检测方法包括以下步骤，

信号发生器1生成预定频率的正弦信号，所述功率放大器2放大所述正弦信号且发送到所述激振器3，激振器3对连接的平行板5施加频率与加速度可调的振动，所述平行板5在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，

光源发射的入射光照射所述变压器油形成光散射，中心光电探测阵列9检测所述光散射的光强分布，加速度传感器4测量所述振动的频率与加速度信息，

信号处理系统10基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，所述交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

所述的检测方法的优选实施方式中，

当中心探测阵列9接收到的光强信号发生明显的变化时，停止升高激振器3的输出功率，记录此时测得的加速度传感器4的频率与加速度信息；

通过频率与加速度信息计算获得此时的位移，

式中，x为位移，a为加速度，f为频率；

获得位移后，平板间的压力变化的最大幅值可由下式计算获得：

式中，P为最大压力变化幅值，η为变压器油的懂动力黏度，y为平板的长度，1为间隙的距离，最大压力变化幅值为变压器油的空化阈值。

所述的检测方法的优选实施方式中，将待测的变压器油样放入样品池8中，测定好变压器油的状态，连接好激振器3的驱动部分，搭建好光路系统，调节好平板间距并记录间距值；在某一频率下，逐渐升高激振器3的输出功率，观察中心探测阵列9接受到的光强信号是否发生变化；当中心探测阵列9接收到的光强信号发生明显的变化时，停止升高激振器3的输出功率；记录此时测得的加速度传感器4的频率与加速度信息；通过加速度、频率与位移的关系，计算获得此时的位移；获得位移信息后，利用流体力学相关的公式计算获得交变压力最大幅值；计算获得的最大压力变化幅值即为该条件下变压器油的空化阈值；更换油样，重复上述方法即可获得对应油样的空化阈值。

所述的检测方法的优选实施方式中，测定方法步骤如下所示：

1)将待测的变压器油样放入样品池8中，测定好变压器油的状态，连接好激振器3的驱动部分，搭建好光路系统，调节好平板间距并记录间距值；

2)在某一频率下，逐渐升高激振器3的输出功率，观察中心探测阵列9接受到的光强信号是否发生变化；

3)当中心探测阵列9接收到的光强信号发生明显的变化时，停止升高激振器3的输出功率；

4)记录此时测得的加速度传感器4的频率与加速度信息；

5)通过加速度、频率与位移的关系，计算获得此时的位移，如下式所示：

式中，x为位移，a为加速度，f为频率；

6)获得位移信息后，平板间的压力变化的最大幅值可由下式计算获得：

式中，P为最大压力变化幅值，η为变压器油的懂动力黏度，y为平板的长度，1为间隙的距离；

7)由此计算获得的最大压力变化幅值即为该条件下变压器油的空化阈值；

更换油样，重复上述方法即可获得对应油样的空化阈值。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其特征在于，其包括，

样品池，其容纳变压器油，所述样品池的侧壁由透光材料制成；

平行板，其设在所述变压器油中以产生空化泡，所述平行板中的一个固定连接设在样品池外的微分头以调节平行板之间的狭缝间距，另一个连接设在样品池外的激振器，

信号发生器，其生成预定频率的正弦信号，

功率放大器，其一端连接所述信号发生器，另一端连接所述激振器，所述功率放大器放大所述正弦信号且发送到所述激振器，激振器对连接的平行板施加频率与加速度可调的振动，所述平行板在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，

加速度传感器，其设在所述平行板与所述激振器之间以测量所述振动的频率与加速度信息，

激光源，其朝向所述样品池以提供用于光散射的光源，

中心光电探测阵列，其设在所述样品池远离所述激光源的一侧且与所述光源保持同心，中心光电探测阵列检测通过空化气泡的所述光散射的光强分布，

信号处理系统，其连接所述中心光电探测阵列和加速度传感器以接收所述光强分布以及振动的频率与加速度信息，信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，所述交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

2.根据权利要求1所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，优选的，激光准直系统设在所述激光源和样品池之间，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光源的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束。

3.根据权利要求2所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

4.根据权利要求2所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

5.根据权利要求1所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，所述激光源波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW，激光准直系统，激振器最大振动位移为20mm，频率范围在15Hz-6kHz，最大出力为500N。

6.根据权利要求1所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，所述样品池为长方体样品池，尺寸依次为长220mm，宽220mm，高300mm，所述样品池采用石英玻璃材质制成。

7.根据权利要求1所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，所述平行板的长度为50mm，间隙的距离为50μm。

8.根据权利要求1所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置，其中，所述中心光电探测阵列包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于激振器的变压器油空化阈值的测定装置的检测方法，其包括以下步骤，

信号发生器生成预定频率的正弦信号，所述功率放大器放大所述正弦信号且发送到所述激振器，激振器对连接的平行板施加频率与加速度可调的振动，所述平行板在其狭缝中产生交变压力波以生成空化气泡，

光源发射的入射光照射所述变压器油形成光散射，中心光电探测阵列检测所述光散射的光强分布，加速度传感器测量所述振动的频率与加速度信息，

信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成空化气泡，根据空化气泡生成时的振动的频率与加速度信息生成交变压力最大幅值，所述交变压力最大幅值作为变压器油的空化阈值。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其中，

当中心探测阵列接收到的光强信号发生明显的变化时，停止升高激振器的输出功率，记录此时测得的加速度传感器的频率与加速度信息；

通过频率与加速度信息计算获得此时的位移，

式中，x为位移，a为加速度，f为频率；

获得位移后，平板间的压力变化的最大幅值可由下式计算获得：

式中，P为最大压力变化幅值，η为变压器油的懂动力黏度，y为平板的长度，l为间隙的距离，最大压力变化幅值为变压器油的空化阈值。

Images