非均匀场下液体电介质耐电强度的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种耐电强度测试技术，属于高电压技术与流体力学交叉学科领域。

背景技术

随着电力系统电压的提高，急需开发新型电介质满足电力设备绝缘的需求。目前电力 电容器、变压器等电力设备中大多仍采用液体电介质来增强绝缘系统的电气强度，因此， 合理运用液体电介质，提高电气设备使用寿命，减少或消除由于绝缘介质击穿导致的电气 设备故障，才能确保发电、输电及用电安全可靠。因此，对液体电介质放电现象的深入探 索，不但可以为电力设备结构设计提供技术支持和理论依据，而且也可以拓展液体电介质 应用的新领域。

关于液体电介质击穿的机理，许多学者进行了大量的研究工作，但由于问题的复杂性， 到目前为止，液体电介质的击穿理论还很不完善。由于液体电介质放电与其含气、含杂质 情况密切相关，在液体净化技术不够高的条件下，液体净化程度没有严格的指标规定，因 此不少研究得到的实验结果差异很大，无法进行分析比较。近年来，随着液体净化技术不 断的提高，得到一些合乎规律的实验结果，从而建立了一些比较粗糙的液体电介质击穿理 论观点：电击穿理论、气泡击穿理论以及杂质小桥理论。

电击穿理论是把气体碰撞电离击穿机理扩展用于液体，并进一步把碰撞电离与液体分 子振动联系起来；气泡击穿理论是基于液体电介质击穿往往与液体含气或从液体中产生气 体密切相关提出来的；而杂质小桥理论主要是针对液体电介质中因为受潮而含有水分或其 他纸、布脱落的纤维等固体杂质对液体击穿的影响提出来的。这些理论虽然在一定程度上 能定性的解释液体电介质击穿现象，但都具有局限性。随着科学技术的进步，国内外学者 对液体电介质的击穿过程研究已经取得了很多成果。

中国科学院电气工程研究所研究了脉冲电压下液体和固体绝缘材料的击穿特性，通过 蓖麻油、变压器油、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜的击穿实验的波形处理和分析，说明了击穿 电压与脉冲陡度、脉冲宽度和作用时间的相互关系，给出了一些具体的绝缘材料击穿值。 美国克拉克大学研究所从电压极性的角度，研究在300ns/3ms脉冲电压条件下对烷烃进行 击穿特性研究，实验结果表明，一般的正流注以超声速呈树枝状增长，负流注以亚声速呈 刷状传播。正流注也能够以亚声速呈刷状传播，电压由低变到高，更容易发生超声波击穿。 当间隙较大时，流注速度也会从亚声波转化为超声波，但绝对不会反向转化。Beroual和 Zahn Markus都发现电压极性对流注的传播有明显的影响，正流注和负流注有着不同的传 播速度和发展阶段，受液体电介质种类、外加电压幅值U、针电极曲率、周期、液体有无 添加物等的影响，且在不同的阶段占据着不同的发展时间比例。Chadband利用变压器油 和两种硅油，在2-3mm针-板电极间隙、几百纳秒脉冲电压作用的条件下发现，正流注速 度随间隙距离d的减小或外加电压U的升高而增大。

目前，还未发现具有系统性地实现不同种类非均匀电场液体的击穿特性研究的实验装 置，实现其放电过程的光电信息采集、分析、处理以及放电通道演化微观可视性。

发明内容

本发明目的是为了解决目前的技术未能实现不同种类非均匀电场下液体的击穿特性 研究难题，提供了一种具有系统性地实现不同种类非均匀电场下液体击穿特性研究的实验 装置，实现其放电过程的光电信息采集、分析、处理以及放电通道演化微观可视性技术。

本发明所述非均匀场下液体电介质耐电强度的测试装置，它包括反应容器，所述反应 容器内部充满液体电介质，反应容器内部相对设置有针式高压电极和接地电极，光纤的光 输入端设置在针式高压电极的放电端和接地电极的电弧接收端的间隙处，光纤的光输出端 连接光电倍增管的光信号输入端，光电倍增管的电信号输出端与示波器的显示信号输入端 相连；光电倍增管的电信号输出端还与控制器的数据信号输入端相连；高压直流电源的一 端连接针式高压电极高压供电端子；高压直流电源的另一端接地；接地电极接地。

所述非均匀场下液体电介质耐电强度的测试装置的方法包括以下步骤：

步骤一、开启高压直流电源，针式高压电极向接地电极放电，形成非均匀电场；

步骤二、在放电过程中产生的光由光纤接收，并由光电倍增管将该光信号转换成电信 号，并在示波器上显示；

步骤三、控制器将接收的电信号进行处理，建立液体电介质放电物理模型，采用有限 元方法对流体动力学模型进行数值求解，利用液体电介质的固有参数，对正离子、负离子 和电子的连续性方程进行相应的赋值计算；

步骤四、针对步骤三放电物理模型，从微观层面表述空间电荷以及电场强度在液体电 介质放电过程中的变化规律。

本发明的优点：本发明提供了一种非均匀场下液体电介质耐电强度实验装置，排除外 界噪声、变压器油纯净度等对放电研究过程的干扰问题；本发明提供了一种非均匀场下液 体电介质耐电强度研究方法，提出液体电介质场致电离，结合流体中微观粒子在场致电离 机理下的运动规律，说明液体电介质在非均匀场下粒子运动对耐电强度的影响。

附图说明

图1是本发明所述非均匀场下液体电介质耐电强度的测试装置的结构示意图；

图2是场致电离机理示意图；

图3是本发明所述非均匀场下液体电介质耐电强度的测试方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述非均匀场下 液体电介质耐电强度的测试装置，它包括反应容器1，所述反应容器1内部充满液体电介 质2，反应容器1内部相对设置有针式高压电极3和接地电极4，光纤5的光输入端设置 在针式高压电极3的放电端和接地电极4的电弧接收端的间隙处，光纤5的光输出端连接 光电倍增管7的光信号输入端，光电倍增管7的电信号输出端与示波器8的显示信号输入 端相连；光电倍增管7的电信号输出端还与控制器9的数据信号输入端相连；高压直流电 源6的一端连接针式高压电极3高压供电端子；高压直流电源6的另一端接地；接地电极 4接地。

反应容器1采用绝缘、密闭且隔音的箱体。防止白噪声对放电过程的干扰。

充满液体电介质2选取GB2536-90变压器油。变压器油为透明，无悬浮和机械杂质， 排除如气泡和杂质产生的局部放电对变压器油放电过程的影响。

针式高压电极3和接地电极4均为金属材料，且电极表面粗糙度保持在的程度。

根据场致电离机理在变压器油放电过程中产生的空间电荷，利用所述的空间电荷，结 合流体动力学模型，研究在非均匀场下液体电介质的耐电强度。场致电离是一种直接的电 离机理，即在液体电介质某处区域电场强度达到1×108V/m及以上时，处于此区域的液体 分子内部处于低能级电子受电场激励获得能量，向高能级跃迁，成为自由迁移的电子，在 生成自由电子的同时，原本显电中性的液体分子因失去电子而成为正离子。参见图2所示， 为场致电离机理示意图。通常在低电场条件下，液体分子中的电子在各自能级上围绕原子 核做圆周运动；当液体介质中某处处于极端电场下，电场强度达到1×108V/m及以上时， 处于该区域的液体分子内部低能级电子将受到电场激励，所获得的能量足以使其向高能级 跃迁，电子挣脱原子核的束缚，成为自由电子。在生成自由电子的同时，原本显电中性的 液体分子因失去电子而成为正离子。由于电子迁移率远高于离子迁移率，因此当电子迅速 向正极迁移时，在原位置便留下了新生成的正离子。

所述空间电荷包括，正离子、负离子以及电子。

利用针-球电极在放电过程中产生的光现象，通过光纤5及光电倍增管7将光信号转 换成电信号，在示波器8显示出电压变化规律。结合流体中微观粒子在场致电离机理下的 运动规律，在控制器9中分析出在非均匀场下粒子运动对液体电介质耐电强度的影响。

具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，根据实施方式一所述非均匀场下液 体电介质耐电强度的测试装置的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、开启高压直流电源6，针式高压电极3向接地电极4放电，形成非均匀电场；

步骤二、在放电过程中产生的光由光纤5接收，并由光电倍增管7将该光信号转换成 电信号，并在示波器8上显示；

步骤三、控制器9将接收的电信号进行处理，建立液体电介质2放电物理模型，采用 有限元方法对流体动力学模型进行数值求解，利用液体电介质2的固有参数，对正离子、 负离子和电子的连续性方程进行相应的赋值计算；

步骤四、针对步骤三放电物理模型，从微观层面表述空间电荷以及电场强度在液体电 介质2放电过程中的变化规律。

步骤三中的流体动力学模型包括空间电荷与电场的耦合泊松方程、正离子、负离子和 电子的连续性方程。

空间电荷与电场的耦合泊松方程为ε表示液体电介质的介电常数，ρ表 示空间中某点处空间电荷电量之和；所述正离子、负离子和电子的连续性方程为 其中ρ_i表示流体中第i种粒子的电量密度μ_i表示第i种粒子的 迁移率，表示空间电场强度矢量，S_i表示第i种粒子的产生项，Q_i表示第i种粒子的消 失项。

在变压器油中，电子在电场的作用下逆电场方向运动，在电子迁移过程中，会有部分 电子与中性分子附着形成负离子。在迁移过程中，电子、负离子也会分别与正离子发生复 合形成中性分子，则形成流体动力学模型中的粒子消失项；根据液体电介质2中一个电子 在电场作用下向高能级跃迁成为自由电子的概率，则形成流体动力学模型中粒子的产生 项。通过对空间电荷与电场的耦合泊松方程与粒子运动连续性方程 进行合理赋值，利用有限元方法求解得到电场、正离子、负离子 和电子在放电过程中变化规律,从而确定非均匀场下液体电介质的耐电强度。

以上描述的是本发明的基本原理、特征和优点。本发明不受上述实施例的限制，上述 实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明范围的前提下本发明还会 有各种的变化和改进，所作的变化和改进都应视为属于本发明的保护范围。