CN115877147A - 一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置，包括模拟油道循环系统、光学测试系统、局部放电检测系统；所述模拟油道循环系统用于对实际运行的变压器中存在的悬移微粒缺陷进行模拟；所述光学测试系统用于检测放电路径变化情况、击穿过程中不同时期发光成像情况；所述局部放电检测系统用于采用脉冲电流法对模拟试验的局部放电特征信息进行采集，并根据所述局部放电特征信息判别局部放电是否产生，以及确定局部放电的严重程度以及局部放电量。通过本发明，能够实现电力设备绝缘油中金属杂质及微气泡局部放电特性的模拟试验。

Description

一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置

技术领域

本发明涉及局部放电模拟试验技术领域，尤其涉及一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置。

背景技术

随着电力系统的发展和电压等级的提高，对整个电力系统运行安全性和可靠性提出了更高的要求。大量停电事故研究表明，电网故障主要是由输变电设备引起的。电力设备一旦发生故障，极大可能导致电力中断，影响国民日常工作和生活，严重时可能引起连锁故障导致整个电网系统瘫痪，造成巨大的经济损失，甚至危害公共安全，带来恶劣的社会影响。电力变压器是电力系统中必不可少的电气设备之一，电力变压器的健康水平和运行可靠性与电力系统的安全稳定运行息息相关。电力变压器运行的可靠性很大程度上取决于其绝缘的可靠性，据统计，变压器的绝缘损坏事故约占总事故的70％～80％，局部放电是导致变压器内绝缘性能降低的重要因素之一，大量的统计数据表明，可将变压器局部放电归纳为以下几种类型：绕组中部油-隔板绝缘中的油隙放电；绕组端部的油隙放电；接触绝缘导线和电工纸(引线绝缘、搭接绝缘)的油隙放电；引线、搭接线等油纸绝缘中的放电；线圈间(纵绝缘)的油隙放电；匝间绝缘发生局部击穿；电工纸发生沿面滑闪放电；油中杂质微粒放电等放电类型。电力变压器内部长期的局部放电会导致绝缘劣化，严重威胁电力变压器的安全运行，导致运行中出现故障，从而影响整个电力系统的稳定运行。

针对变压器内部实际存在的各种缺陷，现有的各种研究设计了相对应的各种放电模型来模拟真实变压器内部存在的缺陷，绝缘油中金属杂质及微气泡引起的局部放电也是变压器内部存在的一种典型缺陷。变压器油在变压器内起到冷却、灭弧与绝缘作用，其质量的好坏直接关系到变压器的安全运行，变压器油中如果存在杂质微粒(金属杂质及微气泡)会导致其绝缘性能大大降低。电力变压器在制造、生产、维修、运行等过程中都会不可避免的引入金属杂质及气体。当变压器油中含有气泡时，在变压器绝缘的单元体积内，电场分布与绝缘介质的介电常数成反比，而气泡的介电常数小于油介电常数的1/2，所以气泡中的电场强度比油中的要高两倍以上，而气泡的耐电强度比油纸绝缘要低很多，从而使气泡特别容易产生局部放电。金属杂质受电场力的作用向高场强区运动的过程中可以传导及感应一定量的电荷。此时微粒表面的场强将大于外施场强，发生局部微放电，当微粒表面的电场强度超过油的击穿场强时将导致变压器油发生放电击穿。即便在微粒表面场强不大时，微粒在电场力的作用下，可向与其所携带电荷极性相反方向的电极运动，当靠近电极时，微粒与电极之间的电场强度大大增加，引起局部放电。通过对绝缘油中金属杂质及微气泡局部放电特性进行模拟实验，研究悬移微粒产生的局部放电特性及影响因素，可以及时有效地发现变压器内部绝缘的固有缺陷和因长期运行老化导致的局部隐患，判断绝缘劣化的程度，避免发生突发性绝缘故障，对电力变压器的安全可靠运行具有十分重要的意义。

目前，对于绝缘油中金属杂质和微气泡引起的局部放电的模拟试验装置为在两个电极间放置金属微粒或根据气泡尺寸调整电极间隙进行模拟，然而，在实际运行中，金属杂质及微气泡是悬浮移动的，并且缺少在金属杂质以及微气泡的条件下对局部放电的动态变化特性的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置，以实现电力设备绝缘油中金属杂质及微气泡局部放电特性的模拟试验。

为实现上述目的，本发明的实施例提出一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置，包括模拟油道循环系统、光学测试系统、局部放电检测系统；

所述模拟油道循环系统，用于对实际运行的变压器中存在的悬移微粒缺陷进行模拟；

所述光学测试系统，用于检测放电路径变化情况、击穿过程中不同时期发光成像情况；

所述局部放电检测系统，用于采用脉冲电流法对模拟试验的局部放电特征信息进行采集，并根据所述局部放电特征信息判别局部放电是否产生，以及确定局部放电的严重程度以及局部放电量。

优选地，所述模拟油道循环系统包括油道，所述油道为长方形的石英玻璃管道；

所述油道中充满流动的变压器油，在所述油道左端内部装有微气泡发生器，所述油道两端装有法兰接头并与油道外循环管道通过不锈钢钢管连接；所述外循环管道处设置所述加热片和制冷片以实时控制变压器油的温度，并设置所述油泵以控制变压器油的流速；

所述油道上方中央开口作为装配电极口，加装密封顶盖，在所述密封顶盖中心开设有螺孔，所述螺孔内旋接有高压电极，所述高压电极上部伸出密封顶盖与交流高压电源连接，所述高压电极下部伸入所述油道内，所述高压电极正下端设低压电极，所述低压电极固定在所述油道上。

优选地，所述高压电极与所述低压电极为针针电极、针板电极、球球电极中的一种。

优选地，所述光学测试系统包括ICCD相机、示波器、直流高压电源、压电测微头位移控制器、二维压电位移平台、光学显微镜、纳秒方波发生器、函数信号发生器、计算机、电压衰减测量探头、电流测量线圈；

所述直流高压电源和所述纳秒方波发生器连接组成纳秒脉冲电压源；所述纳秒方波发生器的输出连接所述高压电极，所述高压电极与所述二维压电位移平台连接；所述压电测微头位移控制器与所述二维压电位移平台连接，对所述二维压电位移平台进行驱动，实现电极间隙高精度调节；所述光学显微镜正对所述高压电极、所述低压电极之间的间隙，所述光学显微镜上连接所述高速ICCD相机，所述高速ICCD相机连接至所述计算机实现图像数据的采集和记录；所述纳秒方波发生器和所述高速ICCD相机分别与所述函数信号发生器连接，所述示波器通过所述电压衰减测量探头连接到所述高压电极，另一路连接到所述电流测量线圈；所述电流测量线圈套在所述低压电极的接地端。

优选地，所述局部放电检测系统包括交流电压源、试验变压器、保护电阻、耦合电容、检测阻抗、脉冲局放仪；

所述交流电压源通过调压器与所述试验变压器连接，用于产生高压交流电；所述试验变压器与所述保护电阻连接，用于在试品被击穿时起到限流作用，所述耦合电容、检测阻抗连接后与分别与所述模拟油道循环系统的所述高压电极、所述低压电极连接，所述脉冲局放仪通过脉冲电流传感器接收局部放电激发的脉冲信号，实现对试验过程的局部放电信号保存与分析。

实施本发明的实施例具有如下有益效果：

本发明的实施例从小尺度对油中微气泡及金属杂质的局部放电特性进行模拟实验，实现不同油流速、温度情况下、微气泡及金属杂质在不同的电极间隙距离下的多种放电形式的测试，并对局部放电动态变化特性进行观测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。

图1为本发明实施例中模拟油道循环系统结构图。

图2为本发明实施例中光学测试系统结构图。

图3为本发明实施例中局部放电测试系统结构图。

图中标记：1-高压电极，2-低压电极，3-温度传感器，4-油道，5-微粒筛网，6-法兰接头，7-不锈钢钢管(空气)，8-不锈钢钢管(油)，9-油泵，10-加热片，11-制冷片，12-模拟油道循环系统，13-ICCD相机，14-示波器，15-直流高压电源，16-压电测微头位移控制器，17-二维压电位移平台，18-光学显微镜，19-纳秒方波发生器，20-函数信号发生器，21-计算机，22-电压衰减测量探头，23-电流测量线圈，24-交流电压源，25-试验变压器，26-保护电阻，27-耦合电容，28-检测阻抗，29-脉冲局放仪。

具体实施方式

本发明的实施例提出一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置，可以用于绝缘油中金属杂质及微气泡局部放电特性的模拟试验，本实施例的装置包括模拟油道循环系统12、光学测试系统、局部放电检测系统；所述模拟油道循环系统12用于对实际运行的变压器中存在的悬移微粒缺陷进行模拟；所述光学测试系统用于检测放电路径变化情况、击穿过程中不同时期发光成像情况；所述局部放电检测系统用于采用脉冲电流法对模拟试验的局部放电特征信息进行采集，并根据所述局部放电特征信息判别局部放电是否产生，以及确定局部放电的严重程度以及局部放电量。

进一步地，参阅图1，所述模拟油道循环系统12包括高压电极1、低压电极2、温度传感器3、油道4、微粒筛网5、法兰接头6、不锈钢钢管(空气)7、不锈钢钢管(油)8、油泵9、加热片10、制冷片11；所述油道4为长方形的石英玻璃管道；所述油道4中充满流动的变压器油，在所述油道4左端内部装有微气泡发生器，所述油道4两端装有法兰接头6并与油道4外循环管道通过不锈钢钢管连接；所述外循环管道处设置所述加热片10和制冷片11进行加热或制冷，以实时控制变压器油的温度，并设置所述油泵9以控制变压器油的流速；所述油道4上方中央开口作为装配电极口，加装密封顶盖，在所述密封顶盖中心开设有螺孔，所述螺孔内旋接有高压电极1，所述高压电极1上部伸出密封顶盖与交流高压电源连接，所述高压电极1下部伸入所述油道4内，所述高压电极1正下端设低压电极2，所述低压电极2固定在所述油道4上。

具体而言，在实际应用中，变压器油并不是静止的，变压器的电压等级越高，内部的结构越复杂，要求的油流速度越大。实际运行的变压器内部绝缘油的流动速度一般低于1m/s，即使采用强迫油循环方式的大型变压器中绝缘油的平均流动速度为0.2m/s，位于绕组线饼之间的油流速也只有0.45-0.6m/s，由于温差作用而运动的变压器油流速度更低。为此本实施例的装置设置油流速度范围在0.01-0.7m/s，利用调速器改变油泵9的电机转速，进而控制油道4中油流速度，同时采用超声波流量计进行流速测量。

为了更加准确的模拟实际变压器油温，本实施例设置了油温调节系统，包括温度传感器3、加热片10、制冷片11，温度传感器3用来测定实验油温，与设定温度进行比较，并通过加热片10和制冷片11调节实验温度。

在变压器制造、装配、运输、罐装过程中混入的金属杂质微粒，直径为毫米级以上微粒可经过滤油机过滤，运行变压器内部存在的金属微粒大多数为微米级，由于其体积小、重量轻，一般悬浮于油道4变压器油中，对变压器绝缘性能影响较大，因此本实施例采用直径150μm Fe颗粒。

与固体杂质微粒相比，微气泡的尺寸在油中难以控制，本发明在油道4中设置了不同尺寸的微粒筛网55，通过外界空气吹入在油中产生一定尺寸的微气泡，并通过流动的变压器油而均匀的分布在油中。实际运行中，绝缘油中气泡的直径一般为0.25-0.5mm，因此，本实施例所选筛网孔径分别为0.5mm、0.45mm、0.4mm、0.35mm、0.3mm、0.25mm、0.2mm、0.15mm。

进一步地，所述高压电极1与所述低压电极2为针针电极、针板电极、球球电极中的一种，电极材料可选用铜、铁、钼、钨中的一种。

进一步地，参阅图2，所述光学测试系统包括ICCD相机13、示波器14、直流高压电源15、压电测微头位移控制器16、二维压电位移平台17、光学显微镜18、纳秒方波发生器19、函数信号发生器20、计算机21、电压衰减测量探头22、电流测量线圈23；

所述直流高压电源15和所述纳秒方波发生器19连接组成纳秒脉冲电压源；所述纳秒方波发生器19的输出连接所述高压电极1，所述高压电极1与所述二维压电位移平台17连接；所述压电测微头位移控制器16与所述二维压电位移平台17连接，对所述二维压电位移平台17进行驱动，实现电极间隙高精度调节；所述光学显微镜18正对所述高压电极1、所述低压电极2之间的间隙，所述光学显微镜18上连接所述高速ICCD相机13，所述高速ICCD相机13连接至所述计算机21实现图像数据的采集和记录；所述纳秒方波发生器19和所述高速ICCD相机13分别与所述函数信号发生器20连接，所述示波器14通过所述电压衰减测量探头22连接到所述高压电极1，另一路连接到所述电流测量线圈23；所述电流测量线圈23套在所述低压电极2的接地端；

具体而言，所述纳秒脉冲电压源是由HB-Z502-20A型直流高压电源15、纳秒方波发生器19组成，利用所述纳秒脉冲电压源在电极两端施加一个稳定脉宽、幅值可调的高压纳秒脉冲。本实施例的模拟试验采用不同宽度的电极间距从20μm到1mm，因此精确调节电极间隙很有必要。本实施例的模拟试验利用压电陶瓷控制位移台，在高倍率的所述显微镜的协同下实现电极间隙的精确调节，精度可达到10nm；在微放电光学观测过程中，微米尺度的放电通道进入高倍率显微镜进行光学放大，然后进入所述高速ICCD相机13，光子信号转换为电信号后，由所述计算机21实时读取相关数据，实现放电过程的光学成像。

进一步地，参阅图3，所述局部放电检测系统包括交流电压源24、试验变压器25、保护电阻26、耦合电容27、检测阻抗28、脉冲局放仪29；

所述交流电压源24通过调压器与所述试验变压器25连接，用于产生高压交流电；所述试验变压器25与所述保护电阻26连接，用于在试品被击穿时起到限流作用，所述耦合电容27、检测阻抗28连接后与分别与所述模拟油道循环系统12的所述高压电极1、所述低压电极2连接，所述脉冲局放仪29通过脉冲电流传感器接收局部放电激发的脉冲信号，实现对试验过程的局部放电信号保存与分析。

本实施例的模拟试验装置采用微米位移装置实现对电极间隙的高精度调节，使研究范围集中在小尺度下绝缘油中金属杂质及微气泡的局部放电特性，并通过ICCD相机捕捉放电演变过程，实现在金属杂质以及微气泡的条件下对局部放电的动态变化特性的检测。

下面对本实施例的模拟试验装置的操作过程进行以下详细描述：

(1)为了排除在注油时油道4中的空气、微水等杂质，对油道4进行抽真空操作；选用25#变压器油，根据需要模拟的缺陷类型更换电极及筛网；根据测量要求，利用调速器改变油泵9电机的转速，进而控制油道4中油流速度，同时采用超声波流量计进行流速测量，并通过加热片10和制冷片11调节实验温度；

(2)纳秒方波发生器19是帮助开关信号的设备，高压直流源将直流信号输入纳秒方波发生器19，函数信号发生器20的触发信号输入纳秒方波发生器19，当接收到触发信号后，纳秒方波发生器19输出端可输出等同于电源电压幅值、脉宽可调的脉冲信号；

(3)微放电动态发展过程的原位光学检测开始时利用高倍率显微镜接收电极击穿过程中的发光情况，根据电极间隙的大小，分别选取500X或1000X的放大倍数；发光信号经过放大之后馈入ICCD相机13，在ICCD光电传感器上转换为电信号后，经由计算机21实时读取相关数据，实现放电过程的光学成像；

通过多次试验，测量出电学回路、光学回路之间的延迟时间差，再通过调节函数信号发生器20两路输出延迟，当二者相等时，便可以拍摄到初始放电时刻的发光图像；

实验前设置ICCD相机13为单次外部触发模式，根据拍摄需要设置相应的门宽时间和拍摄时延；具体的，当需要拍摄整个放电过程的放电路径时，电学回路的通道延时需设置为一大于电学回路、光学回路之间的延迟时间差的值，加长电学回路的延迟时间以确保光学回路中ICCD相机13在击穿前已开启；为收集到整个击穿过程的光学信号，快门开通时间应远大于击穿发生的总时间；而当拍摄放电过程不同时段的瞬态发光时，需根据拍摄要求将相机快门门宽设置较小值；根据发光强弱设置合适的光强增益倍数；关闭下置光源，将系统放置于“暗室”以防止环境中光源的干扰，调整ICCD相机13内部不同拍摄延时，手动操作函数信号发生器20使其输出触发信号，从而拍摄不同放电时刻的发光图像；

(4)局部放电电学特性的测量以恒定速度缓慢升压，直至出现放电信号，在此电压下维持10分钟，如果仍然有稳定的放电信号出现，将此电压作为局部放电的起始电压，不同实验条件下(不同油流速、温度情况下、气泡及金属杂质含量)测量3次取其平均值；用阶梯升压法进行不同实验条件下的局部放电实验，记录整个放电过程的放电特征参量和放电谱图，每次试验开始前均用校准脉冲发生器对放电量进行标定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种绝缘油局部放电特性模拟试验装置，其特征在于，包括模拟油道循环系统、光学测试系统、局部放电检测系统；

所述模拟油道循环系统，用于对实际运行的变压器中存在的悬移微粒缺陷进行模拟；

所述光学测试系统，用于检测放电路径变化情况、击穿过程中不同时期发光成像情况；

所述局部放电检测系统，用于采用脉冲电流法对模拟试验的局部放电特征信息进行采集，并根据所述局部放电特征信息判别局部放电是否产生，以及确定局部放电的严重程度以及局部放电量。

2.如权利要求1所述的绝缘油局部放电特性模拟试验装置，其特征在于，所述模拟油道循环系统包括油道，所述油道为长方形的石英玻璃管道；

所述油道中充满流动的变压器油，在所述油道左端内部装有微气泡发生器，所述油道两端装有法兰接头并与油道外循环管道通过不锈钢钢管连接；所述外循环管道处设置所述加热片和制冷片以实时控制变压器油的温度，并设置所述油泵以控制变压器油的流速；

所述油道上方中央开口作为装配电极口，加装密封顶盖，在所述密封顶盖中心开设有螺孔，所述螺孔内旋接有高压电极，所述高压电极上部伸出密封顶盖与交流高压电源连接，所述高压电极下部伸入所述油道内，所述高压电极正下端设低压电极，所述低压电极固定在所述油道上。

3.如权利要求2所述的绝缘油局部放电特性模拟试验装置，其特征在于，所述高压电极与所述低压电极为针针电极、针板电极、球球电极中的一种。

4.如权利要求2所述的绝缘油局部放电特性模拟试验装置，其特征在于，所述光学测试系统包括ICCD相机、示波器、直流高压电源、压电测微头位移控制器、二维压电位移平台、光学显微镜、纳秒方波发生器、函数信号发生器、计算机、电压衰减测量探头、电流测量线圈；

所述直流高压电源和所述纳秒方波发生器连接组成纳秒脉冲电压源；所述纳秒方波发生器的输出连接所述高压电极，所述高压电极与所述二维压电位移平台连接；所述压电测微头位移控制器与所述二维压电位移平台连接，对所述二维压电位移平台进行驱动，实现电极间隙高精度调节；所述光学显微镜正对所述高压电极、所述低压电极之间的间隙，所述光学显微镜上连接所述高速ICCD相机，所述高速ICCD相机连接至所述计算机实现图像数据的采集和记录；所述纳秒方波发生器和所述高速ICCD相机分别与所述函数信号发生器连接，所述示波器通过所述电压衰减测量探头连接到所述高压电极，另一路连接到所述电流测量线圈；所述电流测量线圈套在所述低压电极的接地端。

5.如权利要求4所述的绝缘油局部放电特性模拟试验装置，其特征在于，所述局部放电检测系统包括交流电压源、试验变压器、保护电阻、耦合电容、检测阻抗、脉冲局放仪；

所述交流电压源通过调压器与所述试验变压器连接，用于产生高压交流电；所述试验变压器与所述保护电阻连接，用于在试品被击穿时起到限流作用，所述耦合电容、检测阻抗连接后与分别与所述模拟油道循环系统的所述高压电极、所述低压电极连接，所述脉冲局放仪通过脉冲电流传感器接收局部放电激发的脉冲信号，实现对试验过程的局部放电信号保存与分析。

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