利用高速攝像機NEO25捕捉絕緣油中的微秒級放電瞬態過程

絕緣硅油中微秒級瞬態放電過程（使用超高速攝像機以430,000 fps的高幀率進行捕捉）。

1 研究背景

油浸式電力設備如變壓器、互感器等廣泛應用于電網輸變電系統，其絕緣可靠性直接關系到現代電網的安全穩定運行。絕緣失效，多數與局部放電引發的油質劣化相關，放電過程中產生的瞬時高溫、氣泡與沖擊波會加速油品裂解與絕緣材料老化，進而引發安全事故。

傳統電、聲、光檢測方法及普通高速攝像機無法捕捉放電通道微秒量級的演化過程，某重點實驗室，引入中科君達視界的超高速攝影技術，以430,000 fps時間分辨率，實現對硅油放電過程中的電流柱生成、氣泡演化、沖擊波、油液擾動等瞬態現象精細、定量化觀測。

2 實驗簡介

實驗對象為硅油中的電極，間隙為2 mm，實驗設備為中科君達視界研發的千眼狼高靈敏度高速攝像機NEO 25，可見光峰值QE 85%，ROI裁剪后幀率可達430,000 fps，觸發采用智能圖像觸發模式，爆炸擊穿時刻為零時刻，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NEO 25對2116 μs的圖像序列進行階段性解析，依據高速成像可觀察的光學特征，可劃分為四個階段：

I.放電起始與流注通道形成（0~50 μs）

電壓施加后，陰極附近局部電場強度超過硅油擊穿閾值，發生爆炸性擊穿，熱輻射和等離子體向周圍迅速擴散，在電極間生成近圓形高亮光斑（圖1），隨后爆炸產生的極高壓力沿電場線方向迅速泄壓，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時刻

圖2 t=48 μs

II. 放電通道膨脹（50~300μs）

通道電離爆炸后產生的高溫將硅油裂解為H2,CH4等氣體，氣體內部高壓驅動氣泡/通道的邊界向外膨脹（圖3），推動油液外移，空腔通道直徑持續上升，約300 μs達到峰值直徑約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）

通道達到最大直徑后，內部氣體被冷卻導致內部壓力迅速下降，低于外側油液靜壓，驅動通道在油液的慣性作用下開始收縮（圖5）。收縮過程中通道內部氣體密度和溫度迅速升高，引發通道內的二次擊穿，表現為光強在562 μs再次達到峰值（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、通道內部歷經600 μs的熱累積，引發多個氣泡產生（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，氣泡發生非球性膨脹，形變后的氣泡受高壓與剪切流影響，氣泡發生破裂或崩塌，破裂瞬間釋放高壓氣體，形成沖擊波，傳遞能量給油液，驅動油液發生湍流，進而導致油液密度核溫度梯度變化，引起局部折射率變化，表現為高速攝像機采集圖像中的油液界面出現可辨識的折射紋結構移動（圖8）。

圖7 t=762 μs

圖8 t=1220 μs

V. 放電衰減與油液恢復（1600~2116μs）

1600 μs以后，氣泡熱力學過程趨于結束，溫度下降致使氣泡進入溶解與擴散階段(圖9)，電離通道內的等離子體電子密度下降，失去維持電流能力，發光消失，通道逐漸熄滅，表明放電事件結束（圖10）。

圖9 t=1716 μs

圖10 t=2116 μs

4 實驗結論

I. 本次絕緣油放電實驗，利用中科君達視界研發的千眼狼高速攝像機NEO 25，以430,000 fps采集幀率，可實現對絕緣硅油中完整放電瞬態過程的可視化解析。

II. 高速攝像機NEO 25捕捉的完整的序列圖像所揭示的氣泡膨脹、破裂、沖擊波過程是導致絕緣油劣化的關鍵物理環節。

III.實驗為油浸式電力設備的絕緣狀態監測和故障診斷提供科學依據，可用于指導改進絕緣油性質和絕緣設備設計。