基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置及其制备、使用方法

本发明属于工程电介质与电气工程，涉及一种基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置及其制备、使用方法。

背景技术：

1、在油浸式电力变压器中，当变压器油流经绝缘纸板表面时，会产生油流带电现象。这种现象会导致变压器绝缘结构内部产生电场畸变和局部放电，从而损坏设备绝缘。因此，掌握变压器中的油流带电规律具有重要的意义。

2、目前，油流带电现象主要通过实验模拟的方法进行研究。现有油流带电实验系统装置主要包括静电特性分析试验装置、油流起电模拟实验装置。上述实验系统体积较大、实验回路系统较为复杂，包含不同功能的储液罐。另外，油流带电现象主要由绝缘油流过绝缘纸表面并与其发生相互作用而引起。因此，油流带电实验需重点关注的是绝缘纸表面状况、表面附近的绝缘油流动特性，及其与油流起电特性之间的相互关系。现有实验方法的油样体积较大，存在体积效应对表面效应的影响，从而干扰油流带电特性的实验结果。而在微流体状态下，流体的各种表面效应主导着流体性质，可更为突出反映绝缘油-绝缘纸的相互作用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置及其制备、使用方法，基于微流控技术与3d打印技术，通过在微流控芯片上设计绝缘油缓冲池、放电池、带微电极与绝缘纸表面结构的油流带电池、测量池，制作出用于研究油流带电现象的油纸绝缘微流控片上实验室装置，并结合外接管路、液体泵、流量计、加热台、热电偶温度计，用于开展油纸绝缘油流带电的显微实验研究，具有绝缘油-纸的流-固互作表达性强、微尺度可视、油样消耗少、油样制备简便、实验温压及流速条件易于控制的显著优点。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于油流带电研究的油纸绝缘微流控片上实验室装置，包括由上导电玻璃、下导电玻璃以及位于上导电玻璃和下导电玻璃之间的试验流道层组成的微流控芯片，且上导电玻璃和下导电玻璃的导电面均为靠近试验流道层一侧的表面；

4、所述试验流道层包括第一流体出/入口、油流带电池、测量池、缓冲池、第二流体出/入口、放电池以及热电偶温度探头接口，且所述放电池、油流带电池、测量池以及缓冲池通过中间油道依次连接，且放电池与缓冲池之间不直接连通；

5、所述第一流体出/入口分别布置在油流带电池的两端，所述第二流体出/入口分别位于所述放电池远离油流带电池的一端和所述缓冲池远离测量池的一端，所述热电偶温度探头接口连通中间油道，且所述油流带电池的两侧壁面均为绝缘纸多孔结构层以模拟绝缘纸；

6、所述上导电玻璃和下导电玻璃中的导电面上均仅具有与试验流道层中的放电池、油流带电池和测量池相对应的导电膜，以所述上导电玻璃和下导电玻璃中的导电面上形成分别与所述放电池、油流带电池以及测量池相对应的第三ito电极对、第一ito电极对和第二ito电极对，并在所述上导电玻璃上设有与所述第一流体出/入口、第二流体出/入口和热电偶温度探头接口相对应的通孔。

7、进一步地，所述上导电玻璃和下导电玻璃均为ito导电玻璃。

8、进一步地，所述热电偶温度探头接口布置所述放电池与油流带电池之间。

9、另一方面，本发明还提供一种基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置的制备方法，该制备方法用于制备所述的基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置，具体包括以下步骤：

10、步骤1.采用微焦点x-ct对绝缘纸进行扫描，根据x-ct的最高分辨率确定扫描样品的尺寸，扫描得到绝缘纸微孔隙结构的一系列断层扫描图；

11、步骤2.采用avizo软件基于绝缘纸孔隙的断层扫描图，进行纸页微孔隙结构的三维重构以得到三维结构体；

12、步骤3.在步骤2所得到的三维结构体中，提取出其中的中间核心部分、且未有明显变形的三维区域结构；

13、步骤4.采用3d打印技术打印试验流道层，并使用步骤3中提取的三维区域结构用作打印试验流道层中的绝缘纸多孔结构层，进而在试验流道层中复现绝缘纸的结构特征；

14、步骤5.采用激光光刻技术分别在上导电玻璃和下导电玻璃的导电面上刻蚀去掉多余的导电膜，仅留下与所述试验流道层中的放电池、油流带电池以及测量池相对应的导电膜，并在所述上导电玻璃上开设与所述第一流体出/入口、第二流体出/入口以及热电偶温度探头接口相对应的通孔；

15、步骤6.将试验流道层与上导电玻璃和下导电玻璃进行等离子键合以形成微流控芯片，键合后在上导电玻璃和下导电玻璃的导电面上形成分别与所述放电池、油流带电池以及测量池相对应的第三ito电极对、第一ito电极对和第二ito电极对；

16、步骤7.对绝缘纸多孔结构层进行纤维涂层处理；

17、步骤8.将热电偶温度探头前端插入热电偶温度探头接口。

18、进一步地，步骤7中，对绝缘纸多孔结构层进行纤维涂层处理，具体包括以下步骤：

19、1)封闭第二流体出/入口后，通过第一流体出/入口对油流带电池使用1％(v/v)tween-溶液清洗30min，以提高流道壁面的亲水性；

20、2)称取10g微晶纤维素加入到10ml 64％ h2so4(w/w)溶液中，搅拌使纤维素分散均匀，然后再在45℃水浴中搅拌3min后，加入去离子水终止反应，随后通过离心清洗去除残余的硫酸，然后使用透析的方式完全除去硫酸及其他多余的离子，将酸解后的纤维素超声处理1min得到微纤维素悬液，并进一步将其以100mg/l分散于去离子水中，制备成纤维素溶液；

21、3)使用压力泵将纤维素溶液通过第一流体出/入口通入油流带电池，控制压力泵的压力，使纤维素溶液以5μl/min的速度在油流带电池中通流10-30min，使溶液中的纤维充分吸附至绝缘纸多孔结构层的壁面，形成类似于绝缘纸纤维之间的微毛细管环境；

22、4)将经过上述处理后的微流控芯片放入烘箱中烘干。

23、进一步地，在步骤8中，将热电偶温度探头前端插入热电偶温度探头接口后，采用透明密封胶对热电偶温度探头周围的缝隙进行密封。

24、另一方面，本发明还提供一种基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置的使用方法，该使用方法基于所述的用于油流带电研究的油纸绝缘微流控片上实验室装置，具体包括以下步骤：

25、步骤1.将第一流体出/入口封闭，并将第二流体出/入口通过外接管路与液体泵的两端连接，并在外接管路上串接流量计、进样池，在进样池中注入所需研究的不同状态及配比的绝缘油样，然后开启液体泵，并结合流量计控制微流控芯片中的绝缘油流速，并将微流控芯片整体置于加热台上，通过热电偶温度探头接口中的热电偶温度探头检测并控制微流控芯片中的绝缘油温度；

26、步骤2.将第一ito电极对分别与电压源的两极相连接，所述电压源的电压的大小根据油流带电所需的电场条件进行调节；

27、步骤3.将第二ito电极对与皮安表的两个电流测量端进行连接，实时测量油流带电产生的电流数据；

28、步骤4.将第三ito电极对接地，用于泄放油流中的电荷；

29、步骤5.采用激光共聚焦显微镜同步观察油流带电池两侧的绝缘纸结构多孔结构层中的绝缘油流动过程。

30、本发明的有益效果在于：

31、本发明提供的一种基于微流控的油纸绝缘片上实验室装置及其制备、使用方法，基于微流控技术与3d打印技术，通过在微流控芯片上设计绝缘油缓冲池、放电池、带微电极与绝缘纸表面结构的油流带电池、测量池，制作出用于研究油流带电现象的油纸绝缘微流控片上实验室装置，并结合外接管路、液体泵、流量计、加热台、热电偶温度计，用于开展油纸绝缘油流带电的显微实验研究，具有绝缘油-纸的流-固互作表达性强、微尺度可视、油样消耗少、油样制备简便、实验温压及流速条件易于控制的显著优点。

32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。