一种脉冲电压下自触发式液体放电时空演化观测系统的制作方法

本发明属于液体绝缘材料放电特性研究技术领域，具体涉及一种脉冲电压下自触发式液体放电时空演化观测系统。

背景技术：

液体电介质由于具有良好的循环流动性和击穿自恢复能力，在电力变压器、互感器、套管等高压电力设备及脉冲变压器、强流脉冲电子束加速器、高能X射线源等脉冲功率装置中均有广泛应用。在电力工业中，液体绝缘介质性能的好坏是保证电力设备能否正常稳定运行的重要条件，一旦液体介质的介电性能被破坏，可能造成电气设备损坏，导致严重的经济损失甚至人员伤亡。对液体电介质的放电特性的研究，是推动高压设备绝缘技术发展的关键问题。

液体放电的产生和发展是一个复杂的物理、化学过程，往往会伴随发光、发热、发声等现象，同时会产生电流脉冲、超高频电磁波、超声波、有机烃气体等产物，因此液体放电存在诸多影响因素，给探究其放电机理增大了难度。目前，相比于液体和固体中的放电机理，液体电介质的放电机理认识水平还远远滞后，尚缺乏合理的放电理论解释实验中的各种复杂现象。因此，对于液体放电特性的研究不但有必要结合电学、光学等多种检测手段，还需进一步改良液体放电检测平台，从多角度对不同时刻液体放电图像进行拍摄，促进液体放电发展机理的深入。同时，对液体放电的研究需要结合工程实际，考虑不同实际因素对液体绝缘性能产生的影响，如液体电介质种类、电场均匀程度等。

目前，国内外学者对液体电介质中放电现象与机理开展了很多研究，主要以电力设备的各种运行环境为背景，集中在直流、工频和雷电冲击等电压激励下的液体放电现象，其中对于液体放电的光学探测大多只能从单一角度获取某固定时刻的液体放电图像，无法准确描述液体放电时放电通道的发展路径。目前，尚无能够从多角度获取液体放电不同时刻的放电图像的研究方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种脉冲电压下自触发式液体放电时空演化观测系统，可从不同角度获取液体中放电随时间发展的图像，为研究液体放电通道发展机理提供实验平台。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种脉冲电压下自触发式液体放电时空演化观测系统，包括液体放电测试装置、光路反射腔、高压脉冲电源、光电倍增管、示波器、纹影仪、光源和多路时序触发信号发生装置；其中，

所述液体放电测试装置包括实验腔体、实验电极和电极调节装置，实验腔体设置四处观测口，分布于腔体顶面、前面以及两个侧面，实验腔体的顶部设置有高压套管、充油口和进/出气口，进/出气口用于对该实验腔体抽真空；实验电极包括设置在实验腔体内的地电极和高压电极，电极调节装置设置在实验腔体内，用于改变地电极位置来调节地电极和高压电极的间距与相对位置；地电极与实验腔体外壳连接，实验腔体内设置有放电电流引出端子，并通过电流传感器与示波器连接，以获取液体放电的电流波形；

光路反射腔设置在实验腔体的顶部，光路反射腔内置光学反射镜，与实验腔体顶面观测镜连接，用于将液体放电产生的垂直方向光路转化为水平方向光路，光路反射腔光路出口通过观测口与光学观测相机连接；

光电倍增管与实验腔体前面观测口连接，获取液体放电纹影图像时，纹影仪和光源与实验腔体侧面两个观测口连接，获取三维放电图像时，两台光学观测相机与实验腔体侧面两个观测口连接；

高压脉冲电源的两端并联有电容分压器，其输出端通过高压套管内置金属连接杆伸入至实验腔体内，并与高压电极连接；且电容分压器接地，分压端子与示波器连接以显示施加电压波形；

多路时序触发信号发生装置用于为高压脉冲电源、光学观测相机、纹影仪、光源、光电倍增管提供多路时序可控触发信号，控制光学观测相机在指定时间进行拍摄，得液体放电通道时空演化发展图像。

本发明进一步的改进在于，实验腔体的顶部设置有气压计，实验腔体的底部设置有排油口，实验腔体侧面设置有腔体门。

本发明进一步的改进在于，实验电极的结构形式为针-板电极、球-板电极以及板-板电极。

本发明进一步的改进在于，电极调节装置包括滑轨以及设置在滑轨上并能够沿其移动的伸缩杆结构，伸缩杆结构呈L型，地电极设置在该伸缩杆结构，伸缩杆结构在滑轨上移动的距离调节范围为80-150mm，地电极和高压电极的间距通过伸缩杆结构调节，间距调节范围为0-50mm。

本发明进一步的改进在于，进/出气口连接有真空泵，通过真空泵对该实验腔体抽真空。

本发明进一步的改进在于，整个实验腔体的耐受气压不小于5atm。

本发明进一步的改进在于，实验腔体采用不锈钢密闭腔体，腔体内壁刷涂一层环氧树脂，以增加电气绝缘距离。

本发明进一步的改进在于，高压脉冲电源与电容分压器并联后的输出电路上设置有限流电阻。

本发明进一步的改进在于，高压脉冲电源能够输出0～150kV的标准雷电冲击电压。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、实验腔体设置四处观测口分布于腔体顶面、前面及两个侧面，光电倍增管与前侧观测口连接，可获取液体放电光学强度，光路反射腔设置在实验腔体的顶部，与一台光学相机连接，侧面两个观测口分别与另两台光学相机连接，可实现多角度拍摄液体放电图像，得到液体放电通道发展三维图像，侧面两个观测口也可与光源和纹影仪连接，获取液体放电通道的纹影图像，多路时序触发信号发生装置分别为高压脉冲电源、不同角度光学观测相机、纹影仪光源、光电倍增管提供时序触发信号，通过精确控制触发信号先后顺序可实现拍摄液体放电通道随时间演化发展过程，利用本发明进行液体放电三维观测及时空演化过程观测具有较高的研究参考价值。

2、实验腔体设置有腔体门及电极调节装置，可实现自由调节高压与地电极间距，同时电极可设置为针-板电极、球-板电极以及板-板电极三种结构，可研究不同电极间距和电场均匀度条件对液体放电发展的影响。

3、实验腔体顶部设置有进/出气，进/出气口与真空泵连接，可用于对该实验腔体抽真空，可研究不同压力条件对液体放电发展的影响。

附图说明

图1为本发明用于脉冲电压下液体放电多角度时空演变观测的示意图。

图2为本发明用于脉冲电压下液体放电纹影拍摄的示意图。

图3为本发明用于脉冲电压下液体放电多角度时空演变观测的多路触发时序图。

图4为本发明用于脉冲电压下液体放电纹影拍摄的多路触发时序图。

图中：1-实验腔体，2-高压套管，3-气压计，4-充油口，5-进/出气口，6-高压电极，7-光路反射腔，8-地电极，9-滑轨，10-伸缩杆结构，11-腔体顶面，12-腔体前面，13-腔体侧面，14-腔体门，15-多路时序触发信号发生装置，16-高压脉冲电源，17-光学观测相机，18-光电倍增管，19-光学反射镜，20-限流电阻，21-电容分压器，22-排油口，23-示波器，24-电流传感器，25-纹影仪，26-光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1和图2，本发明提供了一种脉冲电压下自触发式液体放电时空演化观测系统，包括液体放电测试装置、多路时序触发信号发生装置15和光路反射腔7。

其中，所述液体放电测试装置包括实验腔体1、高压套管2、实验电极和电极调节装置，实验腔体1上嵌有四块观测镜，分布于腔体顶面11、腔体前面12以及两个腔体侧面13，实验电极由高压电极6和地电极8组成，电极调节装置通过滑轨9及伸缩杆结构10改变地电极位置来调节电极间距与相对位置，整个实验腔体具有良好气密性，可耐受气压不小于5atm，实验腔体设置有腔体门14、充油口4、排油口22、进/出气口5、气压计3，其中进/出气口与真空泵连接。

多路时序触发信号发生装置为高压脉冲电源16、光学观测相机17、纹影仪25及其光源26、光电倍增管18提供多路时序可控触发信号，控制处于不同观测角度的光学探测仪器在指定时间进行拍摄，得到液体放电通道时空演化发展图像，为放电通道图像的三维重构提供实验平台。

光路反射腔内置光学反射镜19，与腔体顶面观测镜连接，将液体放电产生的垂直方向光路转化为水平方向光路，反射腔光路出口与光学观测相机连接。

进一步地，所述高压套管为环氧树脂浇铸的高压套管，可耐受最高150kV工频电压，320kV雷电冲击电压。

进一步地，所述实验电极可为针-板电极、球-板电极以及板-板电极，实验时可根据需求选取不同电极安装，分别模拟液体中极不均匀电场放电、稍不均匀电场放电和均匀电场放电的情况，电极材质均采用不锈钢，地电极始终采用板电极。

进一步地，所述电极调节装置包括金属滑轨和L形金属伸缩杆，金属滑轨居中固定在腔体底部，滑轨滑块通过螺纹与金属伸缩杆连接，L形金属伸缩杆通过螺纹与金属平板地电极连接，电极间距可通过伸缩杆调节，间距调节范围为0-50mm，移动导轨滑块可带动电极前后移动，距离调节范围为80-150mm。

进一步地，所述实验腔体设置有四面观察窗，分别位于腔体顶面、前面及左、右两个侧面，左、右侧面两观察窗对称平行分布，顶面和前面观察窗水平位置与侧面观察窗相同，观察窗具有高镜面平整度，观察窗设置用于液体放电通道纹影图像拍摄或同时进行光学信号强度检测和放电通道光学图像多角度拍摄。

进一步地，所述多路时序触发信号发生装置提供多路时序可控触发信号，不同路触发信号间隔时间精度为0.1μs，当对液体放电通道多角度时空演化进行拍摄时，具体多路触发脉冲时序参照图3所示，触发装置首先发出开始信号触发高压脉冲源，产生脉冲电压信号，经过时间Δt₁时间后，液体中发生放电，光电倍增管将接受到的放电光信号转化为电信号传给触发装置，触发装置接受到电信号，经过预定时间Δt₂、Δt₃、Δt₄后分别向位于不同角度的光学相机a、光学相机b、光学相机c发出触发信号拍摄放电图像。

进一步地，所述多路时序触发信号发生装置对液体放电通道进行纹影拍摄时，具体多路触发脉冲时序参照图4所示，触发装置首先发出开始信号触发纹影仪光源发出平行光，经过Δt₁时间待光源光强稳定后触发高压脉冲电源，产生脉冲电压信号，经过时间Δt₂时间后，液体中发生放电，光电倍增管将接受到的放电光信号转化为电信号传给触发装置，触发装置接受到电信号，经过预定时间Δt₃向纹影仪发出触发信号拍摄放电通道纹影图像，触发装置接收到光电倍增管电信号后，经过预定时间Δt₄关闭纹影仪光源，完成液体放电通道纹影图像拍摄流程。

进一步地，所述光路反射腔为L形，内部设置一光学反射镜，反射腔一端通过螺纹与腔体顶部观察窗连接，另一端与光学观测相机相连，液体放电后，放电光信号进入反射腔，经过光学反射镜垂直射入光学相机，反射腔内外壁均涂有高吸光率材料以减小外界光源及其余干扰光源对液体放电光学拍摄的影响。

进一步地，所述实验腔体采用不锈钢密闭腔体，腔体内壁刷涂一层环氧树脂，增加放电绝缘距离。

进一步地，所述试验腔体设置一腔体门，腔体注油前可打开腔体门进行电极更换和电极间距调节。

进一步地，所述压力表、充油口、充/排气口位于腔体上部光路反射腔附近，取/排油口位于腔体下部，所有外部连接口处均设置有球阀以保证腔体气密性，腔体中充油过程为首先将真空泵与实验腔体排气口连接，打开排气口球阀，将腔体中空气抽出，使腔体内气压保持在50pa左右，关闭排气口球阀，将腔体出油口和进油口通过橡胶管与盛油容器相连，打开进油口球阀，利用气压差通过进油口向腔体内注入真空干燥的变压器油。

进一步地，所述高压套管与高压脉冲电源连接，高压脉冲电源输出为0～150kV标准雷电冲击电压，高压脉冲电源输出端通过限流电阻20同时与电容分压器21上端连接，电容分压器21下端接地，分压端子与示波器23连接以显示施加电压波形。

进一步地，所述的腔体地电极与腔体金属外壳连接，腔体设置有放电电流引出端子，与电流传感器24及示波器连接获取液体放电的电流波形。

以上的仅为本发明的较佳示例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所做的等效变化，仍属于本发明的保护范围。