CN113624803A - 振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置及方法，装置包括一个测定池，在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器，在测定池顶部之上通过支架设置有激光位移传感器，测定池中在激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的聚焦线两侧相对设置有一对电极板，两个电极板分别设置有连接臂，两个连接臂分别从测定池两侧侧壁伸出连接试验电压，其中，一个连接臂当中设置有微分头，微分头用于调节两个电极板之间的距离用以改变两个电极板之间在施加电压时的电场强度，所述激光位移传感器的输出连接信号处理器，一个色谱仪通过获取测定池中的样品油与测定池连接，一个信号发生器的输出通过可调节功率放大器连接超声换能器。

Description

振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置及方法

技术领域

本发明电气设备液体绝缘材料技术领域，具体涉及一种振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置及方法。

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。需要实时监测其的绝缘状态，而溶解气体分析(DGA)为常见的监测分析手段，它根据油纸中不同故障对应的产气特征不同，而确定出发生故障的类型，目前已获得故障类型与特征气体对应关系的主要为各类过热故障和放电故障。但目前电力系统中常常出现检测到放电故障对应的特征气体(如乙炔)升高，现场并未监测到放电信号，会误导分析结果。因此油纸绝缘系统中必然存在某类故障类型或者说某种异常工况导致产生与放电故障相似的特征气体，进而诱导现场油色谱的分析结果，造成误判，带来不必要的经济和人力物力方面的浪费。

已有研究证明变压器油中存在高频振动会导致空化气泡的产生，空化气泡在破裂时产生的局部高温高压效应导致油的分解产生各类特征气体。而实际变压器油中同时会存在电场与振动的作用，而电场的存在会影响到空化效应的强弱。因此，电场与振动共同作用时产生的特征气体情况会更加复杂，因此有必要研究电场与振动共同对油中特征气体的影响规律，从而找出电场与振动下特征气体含量变化的模式，从而更好的指导油色谱分析的实践。但目前国内外尚未开展该方面的研究，因此如何研究电场与振动共同作用对油中特征气体的影响规律，来更好的指导油色谱分析的实践，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置及方法，解决油中特征气体变化与振动和电场的对应关系问题，可以获得振动引起的压力变化幅值与电场下的特征气体变化规律；所获得的研究结果，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置，其中，所述装置包括一个测定池，测定池用于研究时放入变压器样品油，在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器，在测定池顶部之上通过支架设置有激光位移传感器，激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的震动输出，测定池中在激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的聚焦线两侧相对设置有一对电极板，相对设置的两个电极板分别设置有连接臂，两个连接臂分别从测定池两侧侧壁伸出连接试验电压，其中，一个连接臂当中设置有微分头，微分头用于调节两个电极板之间的距离用以改变两个电极板之间在施加电压时的电场强度，所述激光位移传感器的输出连接信号处理器，一个色谱仪通过获取测定池中的样品油与测定池连接，一个信号发生器的输出通过可调节功率放大器连接超声换能器。

方案进一步是：所述压电陶瓷换能器的谐振频率为25.6kHz，功率放大器的调节范围为0～20W。

方案进一步是：所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体。

方案进一步是：所述激光位移传感器的参数选择如下：激光波长为632.8nm，频率范围为DC～3MHz，位移分辨率为15pm。

方案进一步是：所述色谱仪通过与测定池的进出管道连接在线获取测定池中的样品油。

一种研究振动与电场作用对油中特征气体影响的方法，是基于上述研究装置的研究振动与电场作用对油中特征气体影响的方法，其中，所述方法包括如下步骤：。

步骤1：确定一个输入试验电压，是在两个电极板之间调至最大电场不击穿样品油的试验电压，在测定池为空池以及不施加试验电压的条件下，以固定的压电陶瓷换能器谐振频率从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，并通过激光位移传感器获取位移变化幅度值，建立功率放大器的输出功率与电陶瓷换能器输出位移变化幅度的关系表格；

步骤2：将变压器样品油放入测定池，根据关系表格从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度值，并由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值，色谱仪同步逐级监测样品油中气体含量变化的特征气体；

步骤3：当特征气体出现时，接入电场输入电压，调节微分头改变压电陶瓷换能器作用范围内的电场强度，研究电场强度、压力变化幅值、作用时间三个因素对油中特征气体的影响规律；

步骤4：用大卫三角形从所获得的特征气体数据获得压力变化幅值与电场作用下对应的特征气体变化规律。

方案进一步是：所述由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值：是将位移变化幅度值带入CFD分析中获得的样品油的压力变化幅值。

方案进一步是：所述CFD分析是建立以测定池固定壁面为边界条件的压电陶瓷换能器振动模型，在模型中根据压电陶瓷球面聚焦式振动，在每一级振动周期内将位移变化幅度值形成振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图，从分布云图中提取得到压力变化幅值，根据不同的位移变化幅度值得到不同的压力变化幅值，进而形成位移变化幅度值与压力变化幅值的关系。

方案进一步是：所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体，所述电极板直径为40mm，两个电极板间距调节范围为1～4mm，电场取值范围为0～20kV/mm，所述功率放大器的调节范围为0～20W，所述从低至高逐级调节功率放大器的输出功率：以0.5W阶梯递增功率放大器的输出功率。

方案进一步是：所述特征气体的含气量为2.1％，电场强度为2KV/mm，振动时间为3小时，振动功率分别为2W、4W，6W、8W、10W、12W，对应的位移变化幅度值分别为0.048μm、0.097μm、0.151μm、0.205μm、0.247μm、0.298μm，对应的压力变化幅值分别为24668Pa、50159Pa、77156Pa、101356Pa、125659Pa、151365Pa，将压力变化幅值数值带入大卫三角形获得空化阈值的压力变化幅值是101356Pa。

本发明的有益效果是：开创性的结合数值计算与实验分析，可以揭示振动与电场共同作用下油中特征气体的变化规律，通过研究振动与电场作用下的油中特征气体研究方法，可以获得振动引起的压力变化幅值与电场下的特征气体变化规律。所获得的研究结果，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明CFD分析模型图；

图3为本发明压电陶瓷球面的聚焦式振动流场压力分布云图；

图4为本发明压电陶瓷球面的聚焦式振动物理模型；

图5为本发明压电陶瓷球面半径振动参数示意图；

图6为大卫三角示意图；

图7是一个带入参数实例的大卫三角示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“连接”、“置于”应做广义理解，例如“连接”可以是导线连接，也可以是机械连接；“置于”可以是固定连接放置，也可以是一体成形放置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

一种振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置，如图1所示，所述装置包括一个测定池1，测定池用于研究时放入变压器样品油，测定池用于测定时放入变压器样品油，为了尽可能的减少测定用油量，所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体。在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器2，本实施例使用的是谐振频率为25.6kHz的压电陶瓷换能器；一个信号发生器3的输出通过可调节功率放大器4连接压电陶瓷换能器2，功率放大器的调节范围为0～20W。在测定池1顶部之上通过支架设置有激光位移传感器5，激光位移传感器5聚焦压电陶瓷换能器2的震动输出，测定池中在激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的聚焦线6两侧相对设置有一对电极板7，相对设置的两个电极板分别设置有连接臂8，两个连接臂分别从测定池两侧侧壁伸出连接试验电压9，其中，一个连接臂当中设置有微分头10，微分头10设置在试验电压接地侧一端的连接臂当中，微分头用于调节两个电极板之间的距离用以改变两个电极板之间在施加电压时的电场强度，所述激光位移传感器5的输出连接信号处理器11，信号处理器5对获得的激光位移传感器信号进行CFD分析获得的压力幅值，一个色谱仪12通过获取测定池中的样品油与测定池连接，获取测定池中的样品油可以是在每一次测量时通过实验仪器从样品油中抽取，也可以是色谱仪通过与测定池的进出管道连接在线获取测定池中的样品油。

通过上述研究装置结构以及选择的指标参数可以实现振动与电场作用对油中特征气体影响的研究。

因此，在调节输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度的同时，在两个电极板施加电压，提供均匀电场；用微分头调节电极间距调节两个电极板之间的电场；其中的单点激光位移传感器测量不同换能器不同功率下的振动位移；油色谱分析测定油样中特征气体含量的变化；换能器位移与油中压力转换的CFD分析通过仿真模拟的方式获得换能器不同位移下油中压力的变化幅值，最终使用上述数据可以实现振动与电场作用对油中特征气体影响的研究。

研究的方法包括如下步骤：。

步骤1：确定一个输入试验电压，是在两个电极板之间调至最大电场不击穿样品油的试验电压，在测定池为空池以及不施加试验电压的条件下，以固定的压电陶瓷换能器谐振频率从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，并通过激光位移传感器获取位移变化幅度值，建立功率放大器的输出功率与电陶瓷换能器输出位移变化幅度的关系表格；

步骤2：将变压器样品油放入测定池，根据关系表格从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度值，并由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值，色谱仪同步逐级监测样品油中气体含量变化的特征气体；

步骤3：当特征气体出现时，接入电场输入电压，调节微分头改变压电陶瓷换能器作用范围内的电场强度，研究电场强度、压力变化幅值、作用时间三个因素对油中特征气体的影响规律；

步骤4：用大卫三角形从所获得的特征气体数据获得压力变化幅值与电场作用下对应的特征气体变化规律。

其中：所述由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值：是将位移变化幅度值带入CFD分析中获得样品油的压力变化幅值。

其中：所述从低至高逐级调节功率放大器的输出功率是在一个时间段内以0.5瓦功率输出的增量调节增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度；在所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体的条件下所述时间段是10分钟；其中的两个电极板间距调节范围为1～4mm，电场取值范围为0～20kV/mm，所述功率放大器的调节范围为0～20W。

所述CFD分析如图2所示，是建立以BC、CD、DE、FG、GH、HA测定池固定壁面为边界条件的压电陶瓷换能器振动模型，其中：AB为压力进口边界，EF为振动边界，在模型中根据压电陶瓷球面EF为振动边界的聚焦式振动，在模型中根据压电陶瓷球面聚焦式振动，在每一级振动周期内将位移变化幅度值形成如图3所示的振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图，从分布云图中提取得到压力变化幅值，根据不同的位移变化幅度值得到不同的压力变化幅值，进而形成位移变化幅度值与压力变化幅值的关系。

周期性的振动会导致油中的压力发生周期性的变化，仿真结果发现在一个振动周期内整个流场的压力均随之发生变化，图3是在振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图。可以发现，压力从振动面的中心位置处向四周散发，靠近振动面最中心位置处的压力变化最为明显，该区域为空化最先发展的区域，于是在流场中放置压力探针，捕捉最大与最小压力的空间和时间点，得到压力变化幅值。图3显示的是为气体含量增加变化时振动面EF中心处的位移为0.2μm条件下流场压力变化云图，提取得到的最大压力变化幅值为101275Pa。关于如何从振动位移μm得到压力Pa：该计算属于单相流固耦合计算，即液体中固体的位置的变化会导致液体中流场的变化，描述流场的变量主要有流速、压力、雷诺数等，即只需要在fluent中设置好边界条件，经过计算就可获得压力等参数。

其中对于云图的形成可以通过如下分析获得：球面聚焦式振动是超声换能器压电陶瓷表面振动的真实情况，通过模拟这种振动方式能够得到和真实情况接近的物理模型。如图4所示，三条弧形中间一条实线为振动面初始位置，它是一个有焦点的球面，聚焦点是由两条向上相交的虚线所标示。振动面的四周是固定不动的。在此种振动形式中，向前和向后振动，振动面都是球面，只是焦点的位置以及焦距发生了变化。如图5所示，R0是初始平衡位置的球面半径，该参数由换能器的制作工艺决定，其球心位于坐标原点。R1是振动至最上方时的球面半径，其球心在原点上方某处(0,-l1)；R2是振动至最下方时的球面半径，其球心在原点下方某处(0,l2)，现在就二维截面说明。

三圆相交于M，N两点，根据几何关系不难判断出R2<R0<R1。连接MON三点所形成的的截面扇形的张角为θ，因而根据几何关系即可求出M，N的坐标分别为

和

我们关心M，N两点之间的变化情况，也即

这个闭区间内y的分布情况(即上述的压力变化云图)，需要推导得到这个区间内圆面的振幅，即三个圆两两之间的距离△y₁＝y₀-y₁，△y₂＝y₂-y₀。

三个圆的方程分别为

x²+(y+l₁)²＝R₁ ² (1)

x²+y²＝R₀ ² (2)

x²+(y-l₂)²＝R₂ ² (3)

将M点和N点的坐标分别代入式(1)和(3)中可以求解得其中两圆R1，R2的圆心偏离量l1、l2：

圆R1和R2的纵坐标分别为：

将式(4)和(5)代入上式中，得到圆R1和R2纵坐标的详细表达式分别为：

这样就可以推得三圆之间两两的距离：

其中

实际的超声换能器在工作的时候会有一个标称的谐振频率，同时还会有好几个谐振频率，振动情况比较复杂。本实施例驱动换能器的功放的输出为单一频率的正弦信号，故其振动方式为谐振频率处的简谐振动。因此将球面聚焦式振动面简化为在平衡位置附近处的简谐振动，描述振动面的位置函数可以表示为：

在实际编写振动面的UDF函数中，R1和R2是未知量(因为并不知道振动面的球面半径)，而振动幅度a₀＝△y_1max＝△y_2max(x＝0处)是给定的已知量，因此要通过式(1)和(3)反求得R1和R2的值再代入位置函数(12)。本实施例使用型号为HS-8SH-3825的超声换能器，其平衡位置处的半径为150mm，振动面的直径为58mm，谐振频率为25±0.8kHz。

计算模型的建立与结果分析：振动面的模拟主要由fluent软件和其自带的UDF来实现，根据实验平台结构建立相应的二维仿真模型，其中BC、CD、DE、FG、GH、HA设置为固定壁面边界条件，AB设置为压力进口边界，EF设置为振动边界，其振动方式为球面聚焦式振动，作为压力变化源。由于本仿真过程中振动面的最大位移不超过1μm，对振动面附近的网格进行局部加密，保证数值计算得精度。采用扩散和弹簧光顺两种相结合的动网格设置方式，UDF函数模拟振动面的振动，将一个时间周期分为400个时间步进行仿真。

实施例中：所述特征气体即指由色谱仪分析样品油获得的其中气体，具体包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂。其中的CH₄、C₂H₂、C₂H₄的是进行变压器油故障类型判断的三种烃类气体，其百分比含量形成了如图6所示的大卫三角形，大卫三角形中不同的区域代表的故障类型如下所示：PD-局部放电，D1-低能放电，D2-高能放电，T1-热故障，t<300℃；T2-热故障，300℃<t<700℃；T3-热故障，t>700℃。

三角形中C₂H₂、C₂H₄、CH₄所占比例如下公式：

式中：

X为C₂H₂的含量，μL/L；

Y为C₂H₄的含量，μL/L；

Z为CH₄的含量，μL/L；

图6中的极限区域见表1

表1区域极限

PD	98％CH<sub>4</sub>
					D1	23％C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>	13％C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>
D2	23％C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>	13％C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>	38％C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>	29％C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>
					T1	4％C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>	10％C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>
T2	4％C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>	10C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>	50％C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>
					T3	15％C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>	50％C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>

下面是一个具体的实施例：所述特征气体的含气量为2.1％，电场强度为2KV/mm，振动时间为3小时，振动功率分别为2W、4W，6W、8W、10W、12W，对应的位移变化幅度值分别为0.048μm、0.097μm、0.151μm、0.205μm、0.247μm、0.298μm，对应的压力变化幅值分别为24668Pa、50159Pa、77156Pa、101356Pa、125659Pa、151365Pa，将六个条件下的C2H2、C2H4、CH4数据通过上述的方法代入到大卫三角形中，所得结果如7中标出的圈点所示，从中可以判断出空化阈值的压力变化幅值是101356Pa。

由图7可知，随着振动幅度的增加，油中压力变化的幅度增加，油中空化现象从无到有，从起始到逐渐剧烈，在大卫三角形中T1-T2-T3，均落在过热区域。改变油的状态、电场强度、振动强度以获得不同状态下的大卫三角形。

上述装置与方法开创性的结合数值计算与实验分析，揭示了过振动与电场共同作用下油中特征气体的变化规律，通过研究振动与电场作用下的油中特征气体研究方法，可以获得振动引起的压力变化幅值与电场下的特征气体变化规律。所获得的研究结果，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

Claims (10)

1.一种振动与电场作用对油中特征气体影响的研究装置，其特征在于，所述装置包括一个测定池，测定池用于研究时放入变压器样品油，在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器，在测定池顶部之上通过支架设置有激光位移传感器，激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的震动输出，测定池中在激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的聚焦线两侧相对设置有一对电极板，相对设置的两个电极板分别设置有连接臂，两个连接臂分别从测定池两侧侧壁伸出连接试验电压，其中，一个连接臂当中设置有微分头，微分头用于调节两个电极板之间的距离用以改变两个电极板之间在施加电压时的电场强度，所述激光位移传感器的输出连接信号处理器，一个色谱仪通过获取测定池中的样品油与测定池连接，一个信号发生器的输出通过可调节功率放大器连接超声换能器。

2.根据权利要求1所述的研究装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器的谐振频率为25.6kHz，功率放大器的调节范围为0~20W。

3.根据权利要求1所述的研究装置，其特征在于，所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体。

4.根据权利要求1所述的研究装置，其特征在于，所述激光位移传感器的参数选择如下：激光波长为632.8nm，频率范围为DC~3MHz，位移分辨率为15pm。

5.根据权利要求1所述的变压器油空化阈值测定装置，其特征在于，所述色谱仪通过与测定池的进出管道连接在线获取测定池中的样品油。

6.一种研究振动与电场作用对油中特征气体影响的方法，包括权利要求1所述研究装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：确定一个输入试验电压，是在两个电极板之间调至最大电场不击穿样品油的试验电压，在测定池为空池以及不施加试验电压的条件下，以固定的压电陶瓷换能器谐振频率从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，并通过激光位移传感器获取位移变化幅度值，建立功率放大器的输出功率与电陶瓷换能器输出位移变化幅度的关系表格；

步骤2：将变压器样品油放入测定池，根据关系表格从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度值，并由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值，色谱仪同步逐级监测样品油中气体含量变化的特征气体；

步骤3：当特征气体出现时，接入电场输入电压，调节微分头改变压电陶瓷换能器作用范围内的电场强度，研究电场强度、压力变化幅值、作用时间三个因素对油中特征气体的影响规律；

步骤4：用大卫三角形从所获得的特征气体数据获得压力变化幅值与电场作用下对应的特征气体变化规律。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值：是将位移变化幅度值带入CFD分析中获得的样品油的压力变化幅值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述CFD分析是建立以测定池固定壁面为边界条件的压电陶瓷换能器振动模型，在模型中根据压电陶瓷球面聚焦式振动，在每一级振动周期内将位移变化幅度值形成振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图，从分布云图中提取得到压力变化幅值，根据不同的位移变化幅度值得到不同的压力变化幅值，进而形成位移变化幅度值与压力变化幅值的关系。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体，所述电极板直径为40mm，两个电极板间距调节范围为1~4mm，电场取值范围为0~20kV/mm，所述功率放大器的调节范围为0~20W，所述从低至高逐级调节功率放大器的输出功率：以0.5W阶梯递增功率放大器的输出功率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述特征气体的含气量为2.1%，电场强度为2KV/mm，振动时间为3小时，振动功率分别为2W、4W，6W、8W、10W、12W，对应的位移变化幅度值分别为0.048μm、0.097μm、0.151μm、0.205μm、0.247μm、0.298μm，对应的压力变化幅值分别为24668Pa、50159Pa、77156Pa、101356Pa、125659Pa、151365Pa，将压力变化幅值数值带入大卫三角形获得空化阈值的压力变化幅值是101356Pa。

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