絕緣硅油中微秒級(jí)瞬態(tài)放電過(guò)程（使用超高速攝像機(jī)以430,000 fps的高幀率進(jìn)行捕捉）。

1 研究背景

油浸式電力設(shè)備如變壓器、互感器等廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)輸變電系統(tǒng)，其絕緣可靠性直接關(guān)系到現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。絕緣失效，多數(shù)與局部放電引發(fā)的油質(zhì)劣化相關(guān)，放電過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、氣泡與沖擊波會(huì)加速油品裂解與絕緣材料老化，進(jìn)而引發(fā)安全事故。

傳統(tǒng)電、聲、光檢測(cè)方法及普通高速攝像機(jī)無(wú)法捕捉放電通道微秒量級(jí)的演化過(guò)程，某重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，引入中科君達(dá)視界的超高速攝影技術(shù)，以430,000 fps時(shí)間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅油放電過(guò)程中的電流柱生成、氣泡演化、沖擊波、油液擾動(dòng)等瞬態(tài)現(xiàn)象精細(xì)、定量化觀測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為硅油中的電極，間隙為2 mm，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為中科君達(dá)視界研發(fā)的千眼狼高靈敏度高速攝像機(jī)NEO 25，可見光峰值QE 85%，ROI裁剪后幀率可達(dá)430,000 fps，觸發(fā)采用智能圖像觸發(fā)模式，爆炸擊穿時(shí)刻為零時(shí)刻，共記錄約2.1 ms原始序列圖像。

3 可視化解析

利用千眼狼超高速攝像機(jī)NEO 25對(duì)2116 μs的圖像序列進(jìn)行階段性解析，依據(jù)高速成像可觀察的光學(xué)特征，可劃分為四個(gè)階段：

I.放電起始與流注通道形成（0~50 μs）

電壓施加后，陰極附近局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)硅油擊穿閾值，發(fā)生爆炸性擊穿，熱輻射和等離子體向周圍迅速擴(kuò)散，在電極間生成近圓形高亮光斑（圖1），隨后爆炸產(chǎn)生的極高壓力沿電場(chǎng)線方向迅速泄壓，將高溫等離子體拉升成直徑約0.36 mm的等離子體通道（圖2）。

圖1 t=0時(shí)刻

圖2 t=48 μs

II. 放電通道膨脹（50~300μs）

通道電離爆炸后產(chǎn)生的高溫將硅油裂解為H2,CH4等氣體，氣體內(nèi)部高壓驅(qū)動(dòng)氣泡/通道的邊界向外膨脹（圖3），推動(dòng)油液外移，空腔通道直徑持續(xù)上升，約300 μs達(dá)到峰值直徑約1.2 mm（圖4）。

圖3 t=100 μs

圖4 t=300 μs

III. 放電通道收縮與二次擊穿（300~600μs）

通道達(dá)到最大直徑后，內(nèi)部氣體被冷卻導(dǎo)致內(nèi)部壓力迅速下降，低于外側(cè)油液靜壓，驅(qū)動(dòng)通道在油液的慣性作用下開始收縮（圖5）。收縮過(guò)程中通道內(nèi)部氣體密度和溫度迅速升高，引發(fā)通道內(nèi)的二次擊穿，表現(xiàn)為光強(qiáng)在562 μs再次達(dá)到峰值（圖6）。

圖5 t=430 μs

圖6 t=562 μs

IV.氣泡生成、破裂與沖擊波（600~1600μs）

電極附近、通道內(nèi)部歷經(jīng)600 μs的熱累積，引發(fā)多個(gè)氣泡產(chǎn)生（圖7），受相鄰氣泡間壓力波干擾及油液中局部壓力梯度影響，氣泡發(fā)生非球性膨脹，形變后的氣泡受高壓與剪切流影響，氣泡發(fā)生破裂或崩塌，破裂瞬間釋放高壓氣體，形成沖擊波，傳遞能量給油液，驅(qū)動(dòng)油液發(fā)生湍流，進(jìn)而導(dǎo)致油液密度核溫度梯度變化，引起局部折射率變化，表現(xiàn)為高速攝像機(jī)采集圖像中的油液界面出現(xiàn)可辨識(shí)的折射紋結(jié)構(gòu)移動(dòng)（圖8）。

圖7 t=762 μs

圖8 t=1220 μs

V. 放電衰減與油液恢復(fù)（1600~2116μs）

1600 μs以后，氣泡熱力學(xué)過(guò)程趨于結(jié)束，溫度下降致使氣泡進(jìn)入溶解與擴(kuò)散階段(圖9)，電離通道內(nèi)的等離子體電子密度下降，失去維持電流能力，發(fā)光消失，通道逐漸熄滅，表明放電事件結(jié)束（圖10）。

圖9 t=1716 μs

圖10 t=2116 μs

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

I. 本次絕緣油放電實(shí)驗(yàn)，利用中科君達(dá)視界研發(fā)的千眼狼高速攝像機(jī)NEO 25，以430,000 fps采集幀率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣硅油中完整放電瞬態(tài)過(guò)程的可視化解析。

II. 高速攝像機(jī)NEO 25捕捉的完整的序列圖像所揭示的氣泡膨脹、破裂、沖擊波過(guò)程是導(dǎo)致絕緣油劣化的關(guān)鍵物理環(huán)節(jié)。

III.實(shí)驗(yàn)為油浸式電力設(shè)備的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供科學(xué)依據(jù)，可用于指導(dǎo)改進(jìn)絕緣油性質(zhì)和絕緣設(shè)備設(shè)計(jì)。