非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置及方法
【專利摘要】非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置及方法，屬于高電壓技術(shù)與流體力學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域，本發(fā)明為解決目前的技術(shù)未能實現(xiàn)不同種類非均勻電場下液體的擊穿特性研究難題。本發(fā)明包括反應(yīng)容器、液體電介質(zhì)、針式高壓電極、接地電極、光纖、高壓直流電源、光電倍增管、示波器和控制器；所述方法為：開啟針式高壓電極向接地電極放電，形成非均勻電場；在放電過程中產(chǎn)生的光由光纖接收，并在示波器上顯示；控制器將接收的電信號進行處理，建立液體電介質(zhì)放電物理模型，采用有限元方法對流體動力學(xué)模型進行數(shù)值求解，對正離子、負離子和電子的連續(xù)性方程進行相應(yīng)的賦值計算；從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液體電介質(zhì)放電過程中的變化規(guī)律。
【專利說明】非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種耐電強度測試技術(shù)，屬于高電壓技術(shù)與流體力學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力系統(tǒng)電壓的提高，急需開發(fā)新型電介質(zhì)滿足電力設(shè)備絕緣的需求。目前 電力電容器、變壓器等電力設(shè)備中大多仍采用液體電介質(zhì)來增強絕緣系統(tǒng)的電氣強度，因 此，合理運用液體電介質(zhì)，提高電氣設(shè)備使用壽命，減少或消除由于絕緣介質(zhì)擊穿導(dǎo)致的電 氣設(shè)備故障，才能確保發(fā)電、輸電及用電安全可靠。因此，對液體電介質(zhì)放電現(xiàn)象的深入探 索，不但可以為電力設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持和理論依據(jù)，而且也可以拓展液體電介質(zhì) 應(yīng)用的新領(lǐng)域。
[0003] 關(guān)于液體電介質(zhì)擊穿的機理，許多學(xué)者進行了大量的研究工作，但由于問題的復(fù) 雜性，到目前為止，液體電介質(zhì)的擊穿理論還很不完善。由于液體電介質(zhì)放電與其含氣、含 雜質(zhì)情況密切相關(guān)，在液體凈化技術(shù)不夠高的條件下，液體凈化程度沒有嚴(yán)格的指標(biāo)規(guī)定， 因此不少研究得到的實驗結(jié)果差異很大，無法進行分析比較。近年來，隨著液體凈化技術(shù)不 斷的提高，得到一些合乎規(guī)律的實驗結(jié)果，從而建立了一些比較粗糙的液體電介質(zhì)擊穿理 論觀點：電擊穿理論、氣泡擊穿理論以及雜質(zhì)小橋理論。
[0004] 電擊穿理論是把氣體碰撞電離擊穿機理擴展用于液體，并進一步把碰撞電離與液 體分子振動聯(lián)系起來；氣泡擊穿理論是基于液體電介質(zhì)擊穿往往與液體含氣或從液體中產(chǎn) 生氣體密切相關(guān)提出來的；而雜質(zhì)小橋理論主要是針對液體電介質(zhì)中因為受潮而含有水分 或其他紙、布脫落的纖維等固體雜質(zhì)對液體擊穿的影響提出來的。這些理論雖然在一定程 度上能定性的解釋液體電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象，但都具有局限性。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，國內(nèi)外學(xué) 者對液體電介質(zhì)的擊穿過程研究已經(jīng)取得了很多成果。
[0005] 中國科學(xué)院電氣工程研究所研究了脈沖電壓下液體和固體絕緣材料的擊穿特性， 通過蓖麻油、變壓器油、聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜的擊穿實驗的波形處理和分析，說明了擊 穿電壓與脈沖陡度、脈沖寬度和作用時間的相互關(guān)系，給出了一些具體的絕緣材料擊穿值。 美國克拉克大學(xué)研究所從電壓極性的角度，研究在300ns/3ms脈沖電壓條件下對烷烴進行 擊穿特性研究，實驗結(jié)果表明，一般的正流注以超聲速呈樹枝狀增長，負流注以亞聲速呈刷 狀傳播。正流注也能夠以亞聲速呈刷狀傳播，電壓由低變到高，更容易發(fā)生超聲波擊穿。當(dāng) 間隙較大時，流注速度也會從亞聲波轉(zhuǎn)化為超聲波，但絕對不會反向轉(zhuǎn)化。Beroual和Zahn Markus都發(fā)現(xiàn)電壓極性對流注的傳播有明顯的影響，正流注和負流注有著不同的傳播速度 和發(fā)展階段，受液體電介質(zhì)種類、外加電壓幅值U、針電極曲率、周期、液體有無添加物等的 影響，且在不同的階段占據(jù)著不同的發(fā)展時間比例。Chadband利用變壓器油和兩種硅油，在 2-3mm針-板電極間隙、幾百納秒脈沖電壓作用的條件下發(fā)現(xiàn)，正流注速度隨間隙距離d的 減小或外加電壓U的升高而增大。
[0006] 目前，還未發(fā)現(xiàn)具有系統(tǒng)性地實現(xiàn)不同種類非均勻電場液體的擊穿特性研究的實 驗裝置，實現(xiàn)其放電過程的光電信息采集、分析、處理以及放電通道演化微觀可視性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的是為了解決目前的技術(shù)未能實現(xiàn)不同種類非均勻電場下液體的擊穿 特性研究難題，提供了一種具有系統(tǒng)性地實現(xiàn)不同種類非均勻電場下液體擊穿特性研究 的實驗裝置，實現(xiàn)其放電過程的光電信息采集、分析、處理以及放電通道演化微觀可視性技 術(shù)。
[0008] 本發(fā)明所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置，它包括反應(yīng)容器，所述 反應(yīng)容器內(nèi)部充滿液體電介質(zhì)，反應(yīng)容器內(nèi)部相對設(shè)置有針式高壓電極和接地電極，光纖 的光輸入端設(shè)置在針式高壓電極的放電端和接地電極的電弧接收端的間隙處，光纖的光輸 出端連接光電倍增管的光信號輸入端，光電倍增管的電信號輸出端與示波器的顯示信號輸 入端相連；光電倍增管的電信號輸出端還與控制器的數(shù)據(jù)信號輸入端相連；高壓直流電源 的一端連接針式高壓電極高壓供電端子；高壓直流電源的另一端接地；接地電極接地。
[0009] 所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置的方法包括以下步驟：
[0010] 步驟一、開啟高壓直流電源，針式高壓電極向接地電極放電，形成非均勻電場；
[0011] 步驟二、在放電過程中產(chǎn)生的光由光纖接收，并由光電倍增管將該光信號轉(zhuǎn)換成 電信號，并在不波器上顯不；
[0012] 步驟三、控制器將接收的電信號進行處理，建立液體電介質(zhì)放電物理模型，采用有 限元方法對流體動力學(xué)模型進行數(shù)值求解，利用液體電介質(zhì)的固有參數(shù)，對正離子、負離子 和電子的連續(xù)性方程進行相應(yīng)的賦值計算；
[0013] 步驟四、針對步驟三放電物理模型，從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液 體電介質(zhì)放電過程中的變化規(guī)律。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明提供了一種非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度實驗裝置，排 除外界噪聲、變壓器油純凈度等對放電研究過程的干擾問題；本發(fā)明提供了一種非均勻場 下液體電介質(zhì)耐電強度研究方法，提出液體電介質(zhì)場致電離，結(jié)合流體中微觀粒子在場致 電離機理下的運動規(guī)律，說明液體電介質(zhì)在非均勻場下粒子運動對耐電強度的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是場致電離機理示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試方法流程圖。

【具體實施方式】
[0018]

【具體實施方式】一：下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述非均勻場 下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置，它包括反應(yīng)容器1，所述反應(yīng)容器1內(nèi)部充滿液體電介 質(zhì)2,反應(yīng)容器1內(nèi)部相對設(shè)置有針式高壓電極3和接地電極4,光纖5的光輸入端設(shè)置在 針式高壓電極3的放電端和接地電極4的電弧接收端的間隙處，光纖5的光輸出端連接光 電倍增管7的光信號輸入端，光電倍增管7的電信號輸出端與示波器8的顯示信號輸入端 相連；光電倍增管7的電信號輸出端還與控制器9的數(shù)據(jù)信號輸入端相連；高壓直流電源6 的一端連接針式高壓電極3高壓供電端子；高壓直流電源6的另一端接地；接地電極4接 地。
[0019] 反應(yīng)容器1采用絕緣、密閉且隔音的箱體。防止白噪聲對放電過程的干擾。
[0020] 充滿液體電介質(zhì)2選取GB2536-90變壓器油。變壓器油為透明，無懸浮和機械雜 質(zhì)，排除如氣泡和雜質(zhì)產(chǎn)生的局部放電對變壓器油放電過程的影響。
[0021] 針式高壓電極3和接地電極4均為金屬材料，且電極表面粗糙度保持在V9的程 度。
[0022] 根據(jù)場致電離機理在變壓器油放電過程中產(chǎn)生的空間電荷，利用所述的空間電 荷，結(jié)合流體動力學(xué)模型，研究在非均勻場下液體電介質(zhì)的耐電強度。場致電離是一種直接 的電離機理，即在液體電介質(zhì)某處區(qū)域電場強度達到IX 108V/m及以上時，處于此區(qū)域的 液體分子內(nèi)部處于低能級電子受電場激勵獲得能量，向高能級躍遷，成為自由遷移的電子， 在生成自由電子的同時，原本顯電中性的液體分子因失去電子而成為正離子。參見圖2所 示，為場致電離機理示意圖。通常在低電場條件下，液體分子中的電子在各自能級上圍繞原 子核做圓周運動；當(dāng)液體介質(zhì)中某處處于極端電場下，電場強度達到I X 108V/m及以上時， 處于該區(qū)域的液體分子內(nèi)部低能級電子將受到電場激勵，所獲得的能量足以使其向高能級 躍遷，電子掙脫原子核的束縛，成為自由電子。在生成自由電子的同時，原本顯電中性的液 體分子因失去電子而成為正離子。由于電子遷移率遠高于離子遷移率，因此當(dāng)電子迅速向 正極遷移時，在原位置便留下了新生成的正離子。
[0023] 所述空間電荷包括，正離子、負離子以及電子。
[0024] 利用針-球電極在放電過程中產(chǎn)生的光現(xiàn)象，通過光纖5及光電倍增管7將光信 號轉(zhuǎn)換成電信號，在示波器8顯示出電壓變化規(guī)律。結(jié)合流體中微觀粒子在場致電離機理 下的運動規(guī)律，在控制器9中分析出在非均勻場下粒子運動對液體電介質(zhì)耐電強度的影 響。

【具體實施方式】 [0025] 二：下面結(jié)合圖3說明本實施方式，根據(jù)實施方式一所述非均勻場 下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置的方法，該方法包括以下步驟：
[0026] 步驟一、開啟高壓直流電源6,針式高壓電極3向接地電極4放電，形成非均勻電 場；
[0027] 步驟二、在放電過程中產(chǎn)生的光由光纖5接收，并由光電倍增管7將該光信號轉(zhuǎn)換 成電信號，并在示波器8上顯示；
[0028] 步驟三、控制器9將接收的電信號進行處理，建立液體電介質(zhì)2放電物理模型，采 用有限元方法對流體動力學(xué)模型進行數(shù)值求解，利用液體電介質(zhì)2的固有參數(shù)，對正離子、 負離子和電子的連續(xù)性方程進行相應(yīng)的賦值計算；
[0029] 步驟四、針對步驟三放電物理模型，從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液 體電介質(zhì)2放電過程中的變化規(guī)律。
[0030] 步驟三中的流體動力學(xué)模型包括空間電荷與電場的耦合泊松方程、正離子、負離 子和電子的連續(xù)性方程。
[0031] 空間電荷與電場的稱合泊松方程為Vjk) = /?, e表不液體電介質(zhì)的介電常 數(shù)，P表示空間中某點處空間電荷電量之和；所述正離子、負離子和電子的連續(xù)性方程為 1 + 二X ,其中P i表示流體中第i種粒子的電量密度y i表示第i種粒子 的遷移率，左表示空間電場強度矢量，Si表示第i種粒子的產(chǎn)生項，Qi表示第i種粒子的消 失項。
[0032] 在變壓器油中，電子在電場的作用下逆電場方向運動，在電子遷移過程中，會有 部分電子與中性分子附著形成負離子。在遷移過程中，電子、負離子也會分別與正離子發(fā) 生復(fù)合形成中性分子，則形成流體動力學(xué)模型中的粒子消失項；根據(jù)液體電介質(zhì)2中一 個電子在電場作用下向高能級躍遷成為自由電子的概率，則形成流體動力學(xué)模型中粒子 的產(chǎn)生項。通過對空間電荷與電場的耦合泊松方程= p與粒子運動連續(xù)性方程 進行合理賦值，利用有限元方法求解得到電場、正離子、負離子和 CJl ' 7 電子在放電過程中變化規(guī)律，從而確定非均勻場下液體電介質(zhì)的耐電強度。
[0033] 以上描述的是本發(fā)明的基本原理、特征和優(yōu)點。本發(fā)明不受上述實施例的限制，上 述實施例和說明書描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下本發(fā)明還 會有各種的變化和改進，所作的變化和改進都應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置，其特征在于，它包括反應(yīng)容器（1)，所 述反應(yīng)容器（1)內(nèi)部充滿液體電介質(zhì)（2)，反應(yīng)容器（1)內(nèi)部相對設(shè)置有針式高壓電極（3) 和接地電極（4)，光纖（5)的光輸入端設(shè)置在針式高壓電極（3)的放電端和接地電極（4)的 電弧接收端的間隙處，光纖（5)的光輸出端連接光電倍增管（7)的光信號輸入端，光電倍增 管（7)的電信號輸出端與示波器（8)的顯示信號輸入端相連；光電倍增管（7)的電信號輸 出端還與控制器（9)的數(shù)據(jù)信號輸入端相連；高壓直流電源￠)的一端連接針式高壓電極 (3)高壓供電端子；高壓直流電源（6)的另一端接地；接地電極（4)接地。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置，其特征在于，反 應(yīng)容器（1)采用絕緣、密閉且隔音的箱體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置，其特征在于，充 滿液體電介質(zhì)（2)選取GB2536-90變壓器油。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置，其特征在于，針 式高壓電極（3)和接地電極（4)均為金屬材料，且電極表面粗糙度保持在V9的程度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試裝置的方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟： 步驟一、開啟高壓直流電源（6)，針式高壓電極（3)向接地電極（4)放電，形成非均勻電 場； 步驟二、在放電過程中產(chǎn)生的光由光纖（5)接收，并由光電倍增管（7)將該光信號轉(zhuǎn)換 成電信號，并在示波器（8)上顯示； 步驟三、控制器（9)將接收的電信號進行處理，建立液體電介質(zhì)（2)放電物理模型，采 用有限元方法對流體動力學(xué)模型進行數(shù)值求解，利用液體電介質(zhì)（2)的固有參數(shù)，對正離 子、負離子和電子的連續(xù)性方程進行相應(yīng)的賦值計算； 步驟四、針對步驟三放電物理模型，從微觀層面表述空間電荷以及電場強度在液體電 介質(zhì)（2)放電過程中的變化規(guī)律。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試方法，其特征在于，步 驟三中的流體動力學(xué)模型包括空間電荷與電場的耦合泊松方程、正離子、負離子和電子的 連續(xù)性方程。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述非均勻場下液體電介質(zhì)耐電強度的測試方法，其特征在 于，空間電荷與電場的稱合泊松方程為▽_(eZ) = P，e表不液體電介質(zhì)的介電常數(shù)， P表示空間中某點處空間電荷電量之和；所述正離子、負離子和電子的連續(xù)性方程為
其中P i表示流體中第i種粒子的電量密度y i表示第i種粒子 的遷移率，A表示空間電場強度矢量，Si表示第i種粒子的產(chǎn)生項，Qi表示第i種粒子的消 失項。
【文檔編號】G01R31/12GK104360246SQ201410653335
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】鄭殿春, 趙大偉, 陳亭, 楊仁旭 申請人:哈爾濱理工大學(xué)