利用高速摄像机NEO25捕捉绝缘油中的微秒级放电瞬态过程

绝缘硅油中微秒级瞬态放电过程（使用超高速摄像机以430,000 fps的高帧率进行捕捉）。

1 研究背景

油浸式电力设备如变压器、互感器等广泛应用于电网输变电系统，其绝缘可靠性直接关系到现代电网的安全稳定运行。绝缘失效，多数与局部放电引发的油质劣化相关，放电过程中产生的瞬时高温、气泡与冲击波会加速油品裂解与绝缘材料老化，进而引发安全事故。

传统电、声、光检测方法及普通高速摄像机无法捕捉放电通道微秒量级的演化过程，某重点实验室，引入中科君达视界的超高速摄影技术，以430,000 fps时间分辨率，实现对硅油放电过程中的电流柱生成、气泡演化、冲击波、油液扰动等瞬态现象精细、定量化观测。

2 实验简介

实验对象为硅油中的电极，间隙为2 mm，实验设备为中科君达视界研发的千眼狼高灵敏度高速摄像机NEO 25，可见光峰值QE 85%，ROI裁剪后帧率可达430,000 fps，触发采用智能图像触发模式，爆炸击穿时刻为零时刻，共记录约2.1 ms原始序列图像。

3 可视化解析

利用千眼狼超高速摄像机NEO 25对2116 μs的图像序列进行阶段性解析，依据高速成像可观察的光学特征，可划分为四个阶段：

I.放电起始与流注通道形成（0~50 μs）

电压施加后，阴极附近局部电场强度超过硅油击穿阈值，发生爆炸性击穿，热辐射和等离子体向周围迅速扩散，在电极间生成近圆形高亮光斑（图1），随后爆炸产生的极高压力沿电场线方向迅速泄压，将高温等离子体拉升成直径约0.36 mm的等离子体通道（图2）。

图1 t=0时刻

图2 t=48 μs

II. 放电通道膨胀（50~300μs）

通道电离爆炸后产生的高温将硅油裂解为H2,CH4等气体，气体内部高压驱动气泡/通道的边界向外膨胀（图3），推动油液外移，空腔通道直径持续上升，约300 μs达到峰值直径约1.2 mm（图4）。

图3 t=100 μs

图4 t=300 μs

III. 放电通道收缩与二次击穿（300~600μs）

通道达到最大直径后，内部气体被冷却导致内部压力迅速下降，低于外侧油液静压，驱动通道在油液的惯性作用下开始收缩（图5）。收缩过程中通道内部气体密度和温度迅速升高，引发通道内的二次击穿，表现为光强在562 μs再次达到峰值（图6）。

图5 t=430 μs

图6 t=562 μs

IV.气泡生成、破裂与冲击波（600~1600μs）

电极附近、通道内部历经600 μs的热累积，引发多个气泡产生（图7），受相邻气泡间压力波干扰及油液中局部压力梯度影响，气泡发生非球性膨胀，形变后的气泡受高压与剪切流影响，气泡发生破裂或崩塌，破裂瞬间释放高压气体，形成冲击波，传递能量给油液，驱动油液发生湍流，进而导致油液密度核温度梯度变化，引起局部折射率变化，表现为高速摄像机采集图像中的油液界面出现可辨识的折射纹结构移动（图8）。

图7 t=762 μs

图8 t=1220 μs

V. 放电衰减与油液恢复（1600~2116μs）

1600 μs以后，气泡热力学过程趋于结束，温度下降致使气泡进入溶解与扩散阶段(图9)，电离通道内的等离子体电子密度下降，失去维持电流能力，发光消失，通道逐渐熄灭，表明放电事件结束（图10）。

图9 t=1716 μs

图10 t=2116 μs

4 实验结论

I. 本次绝缘油放电实验，利用中科君达视界研发的千眼狼高速摄像机NEO 25，以430,000 fps采集帧率，可实现对绝缘硅油中完整放电瞬态过程的可视化解析。

II. 高速摄像机NEO 25捕捉的完整的序列图像所揭示的气泡膨胀、破裂、冲击波过程是导致绝缘油劣化的关键物理环节。

III.实验为油浸式电力设备的绝缘状态监测和故障诊断提供科学依据，可用于指导改进绝缘油性质和绝缘设备设计。