CN101243615A - 用于评价绝缘体中的扩散和泄漏电流的测试方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种方法，其用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性。该方法包括步骤：提供试样，以预定的时间间隔测试试样以确定含水量值和泄漏电流值。该方法还包括步骤：从含水量值和泄漏电流值确定水分－泄漏电流因子，并使用该水分－泄漏电流因子确定试样的电绝缘特性。

Description

用于评价绝缘体中的扩散和泄漏电流的测试方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年8月15日提交的临时申请案No.60/708,133的利益。

技术领域

本发明一般涉及用于在复合材料中水分吸收和泄漏电流的测试方法。更加具体地，本发明公开了一种测试方法，其用于根据在潮湿环境下的短期暴露来预测GRP复合材料的长期电绝缘特性。

发明背景

玻璃增强的聚合物(GRP)复合材料广泛地用于电绝缘体。当GRP复合材料放置在潮湿环境中时会在较长的时间中逐渐地吸收水分。导致的泄漏电流可能显著地削弱作为电绝缘体的材料的性能。特别地，之前还没有切实可行的方法来预测GRP复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性。

过去，申请人按照ANSI标准C2 9.11第7.4.2部分利用受控的水分扩散实验和电介质性能实验的组合进行了高电压扩散实验，以评价各种玻璃增强的聚合物复合材料对水分的响应，以及其对泄漏电流的影响。例如，在实心复合棒料上进行测试，即通过将其浸没在沸水和0.1％的NaCl溶液中100小时，然后测量泄漏电流。尽管在各种具有不同表面条件的单向GRP复合材料中获得了与吸收水分和泄漏电流之间的关系有关的非常有用的信息，但是还没有在复合材料中产生的质量增益和泄漏电流之间发现相关性。此外，没有尝试使水分吸收的速度和泄漏电流增加的速度相关。

在ASTM D5229/D5229M-92的另一个标准中，可以使用平板测量材料的水分吸收。然后将不同材料的结果与费克单相模型或非费克双相或多相模型相比较。此外，Carter和Kibler提出了反常扩散的模型，其能够用于处理非费克扩散(H.G.Carter和G.Kibler，“用于合成树脂中的反常扩散的Langmuir模型”，复合材料杂志，第12卷，118-131页，1978)。

与该领域的现有技术相反，本发明示出了含水量和泄漏电流的变化之间的线性关系。此外，在本发明中使用的薄壁试样的几何形状允许不同种类的电介质在较短的时间内吸收较大的水分浓度。该方法允许测量与不同种类的电介质所吸收的不同量的含水量相对应的泄漏电流。该方法还可以用于根据基于Carter和Kibler模型的双相扩散来预测在不同种类的电介质吸湿中的最大含水量和最大泄漏电流。

发明内容

本发明提供了一种方法，其用于根据在潮湿环境下的短期暴露后的测试来预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性。特别地，本发明使用各种模型如费克和非费克扩散模型，以在短期暴露之后从测量到的泄漏电流外推出长期电绝缘特性。

考虑到下面详细的描述和附图，将更容易理解本发明的这些和其它优点、特征以及目的。

本发明的这些和其它目的可在下面公开的优选实施例中实现，其中提供了一种方法，该方法用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性。该方法包括步骤：提供试样；以预定的时间间隔测试试样以确定含水量值和泄漏电流值；从含水量值和泄漏电流值确定水分-泄漏电流因子，以及使用该水分-泄漏电流因子确定试样的电绝缘特性。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括确定试样的水分吸收特性的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括使用反常扩散模型预测最大含水量、最大泄漏电流以及达到饱和的时间的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，从泄漏电流值的变化相对含水量值的曲线来确定水分-泄漏电流因子。

根据本发明的另一个优选实施例，泄漏电流值和含水量值之间存在线性关系。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括使试样经受可扩散材料的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括使试样经受高电压的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，该电压斜线上升到最大电压，该最大电压介于每毫米试样长度大约5伏和每毫米试样长度大约500伏之间。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性的方法，包括步骤：提供形式为中空型芯圆筒的复合材料；使圆筒经受可扩散材料；以及以预定的时间间隔测量圆筒的含水量。该方法还包括步骤：使圆筒经受高电压，并以预定的时间间隔测量圆筒中的泄漏电流；从含水量和泄漏电流确定水分-泄漏电流因子；使该水分-泄漏电流因子与标准化数据相关，从而确定试样的电绝缘特性。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括将圆筒放置在环境室中并使圆筒保持在恒定温度和恒定湿度的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括称量圆筒的重量来确定含水量的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括在使圆筒经受可扩散材料之前测量圆筒的初始质量的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括在使圆筒经受可扩散流体之前测量圆筒的初始泄漏电流的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，可扩散流体选自由水、液态金属、液体溶液和水蒸气构成的组。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性的方法，包括步骤：提供形式为中空型芯圆筒的复合材料；记录圆筒的初始质量；记录圆筒的初始泄漏电流；以及将圆筒放置在环境室中。该方法还包括步骤：使圆筒经受可扩散流体；以预定的时间间隔从环境室取出圆筒，并记录圆筒的质量和泄漏电流；从圆筒的质量确定圆筒的含水量；从含水量和泄漏电流确定水分-泄漏电流因子；以及使用水分-泄漏电流因子确定试样的电绝缘特性。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括将圆筒放置在高电压室中并使圆筒经受高电压的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括使圆筒经受高电压的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，温度保持在大约50摄氏度，湿度保持在大约80％的相对湿度。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括使用方程式I_L(AC)(t)＝F_M-LC·M(t)使水分吸收速度和泄漏电流的增加速度相关联的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，圆筒的长度为大约0.1毫米至大约50毫米。

根据本发明的另一个优选实施例，圆筒的外径为大约2毫米至大约100毫米。

根据本发明的另一个优选实施例，圆筒的内径为大约1毫米至大约99毫米。

根据本发明的另一个优选实施例，圆筒的长度为大约30毫米，外径为大约15.9毫米。

根据本发明的另一个优选实施例，圆筒的壁厚选自由1毫米、2毫米和4毫米构成的组。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括将圆筒放置在两个电极之间的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，还包括使圆筒经受高电压的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，电极是铜。

附图说明

结合附图将更容易理解本发明，其中：

图1是用于测量泄漏电流的高电压测试装置的视图。

图2是示出了用于泄漏电流测试的典型电压相对时间的曲线图。

图3是示出了对于壁厚为1mm的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯和ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂的中空型芯圆筒来说，水分吸收相对时间平方根(实际的和预计的)的实例的曲线图。

图4a和4b是示出了对于壁厚为2mm的在图4a中的ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂以及在图4b中ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯的中空型芯圆筒来说，泄漏电流和水分吸收相对时间平方根(实际的和预计的)的实例的曲线图。

图5a和5b是示出了对于厚度为1mm的图5a中的ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂试样和图5b中的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样来说，AC泄漏电流的变化相对含水量的曲线图。

图6a和6b是示出了对于厚度为2mm的图6a中的ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂试样和图6b中的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样来说，AC泄漏电流的变化现对含水量的曲线图。

图7a和7b是示出了对于厚度为4mm的图7a中的ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂试样和图7b中的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样来说，AC泄漏电流的变化相对含水量的曲线图。

图8a和8b是示出了对于来自ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂和ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样中的图8a的所有数据点和图8b的所有非零数据点，利用线性趋势拟合以线性(图8a)和半对数(图8b)比例绘制的AC泄漏电流的变化相对含水量的曲线图。

具体实施方式

本发明涉及利用受控的扩散和电介质性能实验的组合的高电压扩散实验，以评价电介质材料对流体(液体或水蒸气)的扩散的响应和其对泄漏电流的影响。利用本发明，例如可以使以不同聚合物和玻璃纤维为基础的高电压复合绝缘体中水分吸收的速度和泄漏电流增加的速度相关。扩散具有费克或非费克模型的特征。然而，本发明可以用于多种其它应用。

水分扩散分析。假定大多数单向复合材料的水分扩散过程实际上是费克型的。这表示水分扩散到材料中遵循费克第二定律，其同样也是控制导热性的定律。费克第二定律为：

$\frac{\∂c}{\∂t}=D_x\frac{{\∂}^{2}c}{{\∂x}^2}---\left(1\right)$

其中c是水分浓度，t是时间，x是通过试样横向的距离，D_x是横向的扩散系数。利用合适的边界条件，任意时刻(M)的含水量、试样的最大含水量(M_MAX)、其厚度以及扩散常数(D_x)之间的关系可以给出为：

$M=M_{\mathrm{MAX}}[1-\exp (-7.3{\left(\frac{D_x\·t}{h^2}\right)}^{0.75})]---\left(2\right)$

其中M_MAX和Dx可以从含水量/重量增益相对时间平方根的曲线图中获得。其可以通过使用下面的方程式来实现：

$D_A=\mathrm{\π}{\left(\frac{h}{{4M}_{\mathrm{MAX}}}\right)}^2\·{\left(\frac{M_2-M_1}{\sqrt{t_2}-\sqrt{t_1}}\right)}^2---\left(3\right)$

假定表观扩散率DA近似等于横向扩散率Dx。在方程式3中，M_MAX是曲线上的平均平衡值。项

等于含水量/重量增益的初始线性部分相对

曲线的斜率。对于与费克扩散数值预测的应用有关的更详细的信息，读者可以参考C.-H Shen和G.S.Springer的“复合材料的水分吸收和描述”(复合材料杂志，第10卷，第2-20页，1976)。利用下式可以确定在任意时刻的百分比含水量的值：

材料在潮湿环境中的性能主要取决于该环境的条件。处于具有恒定湿度但温度变化的环境中的材料具有相同水平的最大水分吸收，但是吸收速度不同。处于较冷环境中的试样比处于较暖环境中的试样需要更长的时间达到平衡。在恒定温度但具有不同湿度值的条件下，水分吸收的速度相同，但是所吸收水分的总量随环境湿度的增大而增大。

不仅环境变化会影响水分吸收曲线，而且比如溶解、微观裂缝、分子键联或结构松弛都会影响水分吸收曲线。这些现象偏离了单相费克扩散，因此不能利用所提供的计算方案精确地进行分析。因此需要多相模型。

反常扩散分析。前一个部分中提出的分析可处理单相扩散，在单相扩散中在平衡后仅存在单相的水分吸收。反常扩散表示导致最后平衡的多个不同相的水分吸收。在该研究中探究的一些复合材料的性能之前就已经发现是反常的(非费克)。这种类型的扩散不能利用上述的单相方法来容易地进行分析。需要一种描述了材料的物理性能的多相扩散模型。

Carter和Kibler提供了一个这样的模型。该模型使用这样的假设，即具有反常(两相)扩散的材料中的水分出现在两个不同但有关的相中。第一个是流动相中的水分子吸收进入具有扩散系数D_Г的材料接着，这些分子以概率Г结合成树脂分子结构，并以概率B变成非结合的。利用这些假设，Carter和Kibler设计了一种模型，用于分析具有反常扩散特性的材料中的水分吸收。合适的模型近似给出如下：

$M=M_{\mathrm{MAX}}\left(\frac{B}{\mathrm{\Γ}+B}{e}^{-\mathrm{\Γt}}\right[1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\underset{l=1}{\overset{\∞\left(\mathrm{odd}\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e^{-\mathrm{\κ}{l}^{2}t}}{l^2}]+\frac{B}{\mathrm{\Γ}+B}(e^{-\mathrm{Bt}}-e^{-\mathrm{\Γt}})+(1-e^{-\mathrm{Bt}}))---\left(5\right)$

其中：

2Г，2B＜＜κ

以及：

κ＝π²D_Г/(h)²

从方程式(3)中的简单单相扩散假设D_Г的值。假设用来计算D_Г所需的M_MAX值给出了在含水量相对时间平方根的曲线中的初始斜率和第一拐点的最可能拟合，直到第二扩散相。

测试装置。图1示出了在本发明中使用的测试装置的一个实施例。各种电介质材料的中空型芯圆筒11可从实心圆柱体机械加工或者制备成管。然后使测试试样11经受水分或其它可扩散材料(例如水、液态金属、液体溶液或水蒸气)，使得试样11包含不同量的扩散材料。接着，如图1所示，将管状试样11放置在两个电极12和13之间，测量试样11中的泄漏电流。随后，使泄漏电流的变化与所吸收的扩散材料的量相关联。

例如，在以实心棒料为基础的复合绝缘体的情况下，该实心棒料的直径介于几毫米至100毫米之间，可以在从湿空气变化到液体浸没的潮湿环境中和在温度范围从室温到沸腾温度下进行水分吸收实验。电压范围为大约0至100kv，其等变率(ramp rate)是大约0至15kv/秒。试样11的几何形状的范围可以是：圆筒外径介于大约2毫米和100毫米之间；内径介于大约1毫米和99毫米之间；以及圆筒长度介于大约0和50毫米之间。

如果材料的扩散是费克(单相扩散)的，可以直接测量所吸收材料的最大含量和最大泄漏电流。在双相非费克扩散的情况下，其中完全饱和需要非常长的暴露时间(例如几年)，可以使用基于Carter和Kibler模型的计算方案。这样也就可以根据该计算方案估计最大泄漏电流。

实验研究。例如，下面讨论的实验数据是基于薄壁的空心复合圆筒11，其由经受水分的ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂构成。优选试样11的几何形状是长度“L”为大约30±5毫米，外径“D”为大约15.9±0.1毫米。下面提供的实验数据中圆筒11的壁厚为1、2和4毫米。电极12和13的尺寸以及图1中的间距为：“W1”＝64±0.1毫米，“W2”＝50±0.1毫米，“L2”＝25±0.1毫米，“α”＝60°±1°。所有尺寸都遵循ANSI标准C29-11。

利用该技术，可以在遵循ASTM标准D5229/D5229M-92的受控水分扩散条件下，使水分吸收的速度和中空型芯圆筒11中泄漏电流增加的速度相关，该圆筒由ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂构成。由于ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂复合材料的水分吸收实际上是非费克的，并且不能使用单相模型来精确地描述，因此，可以将反常扩散(双相)模型应用于实验结果。例如，对于不同的试样厚度来说，可以使用基于反常扩散模型的方法来处理绝缘体复合材料中的非费克扩散，该模型在H.G.Carter和G.Kibler的“用于合成树脂中的水分反常扩散的Langmuir模型”(复合材料杂志，第12卷，118-131页，1978)中公开。

使用中空型芯复合圆筒11也可以研究水分对复合材料中测量到的泄漏电流的影响。尽管在实验数据中观察到某些分散，但还是可以注意到，在ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂复合材料中水分的量和AC泄漏电流的电平之间存在线性关系。AC泄漏电流中的变化相对含水量的曲线图中的线性趋势可获得对电绝缘特性的精确预测。因此，使用Carter和Kibler的模型，可以随后预测复合材料最大含水量、最大泄漏电流以及达到饱和的时间。利用下面的方程式，我们可以使预测水分吸收的能力M(t)与泄漏电流中的变化I_L(AC)相关联：

I_L(AC)(t)＝F_M-LC·M(t)    (6)

其中F_M-LC是水分/泄漏电流因子。单相费克和水分反常扩散模型可以用于该关系。更重要的是，可以根据相对短时间的水分数据来预测水分吸收和泄漏电流，即使复合材料中的扩散过程实际上是反常的，且达到完全饱所需较长时间。

在受控的水分和高电压的条件下，中空型芯圆筒测试可能变成标准的筛选测试，用于为绝缘体应用选择合适的玻璃/聚合物复合材料。通过测量水分-泄漏电流因子，可以按照使用中(in-service)条件来对不同绝缘体型芯复合材料在水分中的电响应分级。本发明试图通过将ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂系统与基于嵌入在改性聚酯树脂的ECR(高晶种)-玻璃纤维的另一种系统相比较来对此进行展示。

对于在该工作中进行的电测试，选择两种材料。选择ECR(低晶种)-环氧树脂是由于其对ECR-玻璃纤维提供的应力腐蚀开裂具有良好的抵抗，以及其在存在水分时的可接受行为。当在改性聚酯材料的情况下时，环氧树脂不会过快地吸收水分，但是它倾向于象乙烯基酯和改性聚酯材料那样不会立刻与其环境完全平衡。另一方面，选择ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯是由于其较差的水分吸收特性。关于该材料以前还没有发现反常扩散的迹象。

中空型芯圆筒11由15.9毫米直径的单向拉挤的不同长度棒料机械加工而成，该棒料可从Glasforms公司获得。接着，将这些棒料切割成30±0.5毫米长的分段，并在中心钻出7.9毫米的导向孔。这样就形成了十八个壁厚为4毫米的中空圆筒。清洁其中的6个并放置在一旁，然后将其它的十二个放置在车床中，将中心钻成期望的直径。在车床上按照两个步骤执行切削。首先切削一侧，贯穿试样的一半，然后切削另一侧以和第一步骤匹配。这是为了使复合材料的开裂最小，特别是在壁厚为1毫米的试样中。这样，就制造出十八个试样(每个材料9个)，其具有1、2和4毫米的壁厚，每种壁厚有三个试样。

机械加工之后，彻底清洁试样11并在60℃下干燥。随后，在干燥后就记录试样11的初始质量和初始泄漏电流。接着，将试样11放置在环境室中，并保持在20℃至100℃的温度和10％至100％的相对湿度。在这种情况下，试样11保持在50℃和80％的相对湿度。使用可读度为0.1毫克的分析天平以递增的时间间隔测量试样11的质量。为了确保试样11不会处于环境室外超过30分钟而影响水分数据，一次称量三个试样。由于要经过大约4个月的时间水分吸收才会很快地减缓，因此在变化的时间间隔称量试样11。在每次称量之后，如在下文中描述的那样对试样11测试其电特性。

在高电压测试期间，复合圆筒11如图1所示地放置在高电压室中的两个铜电极12和13之间。ANSI标准要求电压的等变率为大约1kV/s至12kV/s。该电压可斜线上升到介于每毫米试样长度大约5伏和每毫米试样长度大约500伏之间的最大电压。其单位设定在最大电压等变率和设定成在12kV停止，从而形成如图2所示的初始电压时间曲线。可以使用在5毫安刻度上具有0.1μA分辨率的Protek608数字万用表来记录所有最大的AC泄漏电流值。在测试过程中，干燥标准的试样保持在高电压室内，并在每个测试期的开始和结尾对所述式样测试其AC泄漏电流，从而为我们给出一些对于每个测试期的环境条件的变化的指示。然后从下面提供的数据分析减去在标准试样中显示的这些环境条件的变化。

表1a和1b中示出了对于在壁厚分别为1、2、4毫米的圆筒11中测试的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯和ECR(低晶种)玻璃/环氧树脂的复合材料来说从水分和泄漏电流实验获得的最重要的结果。此外，作为实例，对于一个1毫米厚的ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂试样和一个1毫米厚的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯来说，图3示出了1毫米厚的试样的水分吸收相对时间平方根变化的曲线图。除了实验数据，图3中还示出了根据单相模型和非费克扩散的拟合。在该图中可以看到，基于改性聚酯的试样在大约4天的水分暴露后达到饱和。然而，在基于环氧树脂的系统的情况下，差不多经过3个月的测试也不会达到饱和。在其它的厚度为1毫米、2毫米和4毫米的试样中观察到，两个复合系统的行为非常相似，同时所有环氧基试样稳定地吸收了水分但没有饱和，而所有基于改性聚酯的圆筒在相对短的时间内达到了饱和。

分别地作为实例，图4a和4b示出了对于一个2毫米厚的ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂圆筒和一个2毫米厚的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯来说的泄漏电流相对时间平方根的曲线。这些图中还示出了相应的水分吸收曲线。除了实验水分和泄漏电流数据，图4a和4b中还示出了对于水分和泄漏电流的结果来说的根据费克和反常扩散模型的相应拟合。对于使用厚度为1和4毫米的试样进行测试的两个复合系统，可以观察到非常相似的关系。

对于基于环氧树脂的复合材料，可以从含水量相对时间平方根的曲线的初始部分通过实验方法确定在表1a中列出的水分吸收速度κ_M和扩散系数D_A。然而，利用根据Carter和Kibler的非费克扩散模型的方法可以估计最大含水量、达到饱和的时间以及最大泄漏电流。由于基于改性聚酯的试样达到了饱和，因此可以从水分和高电压实验直接确定最大含水量和最大泄漏电流。此外，可以从含水量随时间平方根的曲线直接确定在表1b中示出的水分吸收速度(κ_M)和扩散系数(D_A)。

下面的表1a示出了对于ECR(低晶种)-玻璃/环氧复合试样来说的水分吸收初始速度(κ_M)和扩散系数(D_A)的值，以及对最大含水量(M_MAX)、水分-泄漏电流因子(F_M-LC)、最大泄漏电流(I_L(AC)-MAX)和达到99％饱和的时间(t_SAT)的预测值。

壁厚(毫米)	试样#	KM(10-4％重量增益)/(s)	DA(10-7)[mm2/s]*	MMAX(％)**	IL(AC)-MAX(μA)**	FM-LC(μA％)	tSAT(年)**
								1	1	3.20	4.15	0.34	0.71	2.06	1.98
2	3.04	3.75	0.35	0.47	1.35	1.98
							3		2.98	3.60	0.34	0.60	1.74	1.98
2	1	1.84	4.62	0.36	0.50	1.40									3.20
							2	2.06	6.23	0.35	0.82	2.37	3.20
	3	1.88	5.22	0.34	0.62	1.80								3.20
							4	1	1.09	5.94	0.37	0.73	1.98		7.94
2	1.04	5.47	0.37	0.94	2.51	7.94
								3	1.07	5.72	0.37	0.93	2.55	7.94

*对第一扩散相计算D_A值。

**M_MAX、I_L(AC)-MAX和t_SAT的值是基于反常扩散的Carter-Kibler模型的预测值。

下面的表1b示出了对于ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯复合试样来说的水分吸收初始速度(κ_M)和扩散系数(D_A)的值，以及对最大含水量(M_MAX)、水分-泄漏电流因子(F_M-LC)、最大泄漏电流(I_L(AC)-MAX)和达到99％饱和的时间(t_SAT)的预测值。

壁厚(毫米)	试样#	KM(10-4％重量增益)/(s)	DA(10-7)[mm2/s]	MMAX(％)	IL(AC)-MAX(μA)	FM-LC(μA％)	tSAT(天)
								1	1	11.33	69.8	0.189	37.0	195.7	4
2	11.09	66.9	0.192	43.5	226.4	4
							3		12.81	84.7	0.196	46.8	239.0	4
2	1	6.72	93.4	0.197	51.4	261.1									8
							2	7.42	108.1	0.201	24.8	123.4	8
	3	6.93	99.3	0.198	44.5	224.9								8
							4	1	4.53	146.2	0.215	54.4	252.7		16.2
2	4.26	135.8	0.207	45.6	220.2	16.2
								3	4.59	143.0	0.216	62.9	291.3	16.2

从对于每个试样获得的AC泄漏电流的变化相对含水量的曲线可以确定在表1a和1b中列出的水分/泄漏电流因子F_M-LC。对于为每种墙厚和材料单独随机选择的试样示出这些曲线中的一些。图5a和5b中示出了对于厚度为1毫米的ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂和厚度为1毫米的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样的曲线，而图6a和6b分别示出了对于厚度为2毫米的试样的曲线。最后，图7a和b分别示出了对于厚度为4毫米的ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂和厚度为4毫米的ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样的曲线。

通过分析这些曲线可以看到几个重要之处。首先，这些曲线示出了AC泄漏电流的变化和所吸收水分之间的不同线性趋势。第二，较薄的试样11显示出更大的分散，这是因为这些试样11达到平衡较快，因此不能提供测试开始和完全水分饱和之间的足够数据。此外，ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂试样11显示出比ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯材料更大的分散，因为它们的泄漏电流值小得多。

从图5-7中还可以看出，对于非常接近量的总吸收水分(大约0.20％)，ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯试样显示出的泄漏电流变化在50-70μA的范围中，而ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂材料从不超过0.7μA。在ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂和ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯材料之间AC泄漏电流的变化相对含水量的曲线的斜率差异近似为150-200倍。这是为什么对于环氧基和改性聚酯基的试样11来说，在表1a和1 b中列出的水分/泄漏电流因子F_M-LC如此不同的原因。

明显地，两种复合系统对水分和高电压的响应差异很大。图8a和8b中在两种复合系统之间作了最终的比较。在图8a中，示出了每种材料所有数据点的AC泄漏电流的变化相对含水量的曲线。图8b中示出了以半对数比例绘制的相同数据。这两幅图很好地示出了当这两种复合材料暴露在同水平的吸收水分下时的电性能的极端差异。很明显，ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂更加适合于在潮湿环境中的电绝缘应用，而应该避免ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯，特别是在如果环境水分的浓度比实验中存在的大得多时。

在ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯系统中形成的高泄漏电流是由ECR-玻璃纤维中存在的晶种(seed)引起的。与基于E-玻璃或低晶种ECR-玻璃的复合材料相比，该晶种的存在将在基于高晶种的ECR-玻璃纤维中产生更大的泄漏电流，即使被这些复合材料吸收的水分量非常接近。由于ECR-玻璃纤维复合材料因其对脆性断裂的极高抵抗而被认为适合高电压绝缘体应用，因此晶种的存在将显著地降低绝缘体的绝缘特性，从而由于飞弧而导致电气故障。因此，对于水分和泄露电流及其它们针对一些标准数据所确定和比较的水分/泄漏电流因子F_M-LC来筛选所有的新复合材料。考虑到图8a和8b所示的数据，这里所描述的测试方法的显得适合于这个目的。

重要的是，在用于高电压复合绝缘体的所有可能材料上实现实施该系统测试方法的好处。通过实施这些实验，我们可以为高电压的复合绝缘体的制造商和用户提供在不同的环境条件下应当使用什么样材料的高质量指南。然而，还存在聚合树脂与E-玻璃和ECR-玻璃纤维的多种可能组合，这些组合应当被测试以确定这些不同的复合材料在存在水分时在电气上如何表现。

前述的实验研究已经探究了可用于高电压绝缘体应用的一个最佳复合系统(ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂)以及最可能的一个最差复合体系(ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯)。已经发现，在所吸收的水分量和泄漏电流之间存在直接的线性关系。ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂反应非常确定-具有微小增加的低泄漏电流-而ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯是以最不期望的形式反应，其显示出泄漏电流按照所吸收水分而增加很大。然而，最重要的是，由于在所吸收水分和泄漏电流的变化之间的线性关系，我们能够根据我们对复合材料的水分吸收特性的知识精确地预测电绝缘特性。还显示出的是，两种复合材料的水分/泄漏电流因子F_M-LC相差大约150-200倍，从而清楚地指出，与ECR(高晶种)-玻璃/改性聚酯系统相比，ECR(低晶种)-玻璃/环氧树脂系统表现出对泄漏电流的形成的极高抵抗。最重要的是，这里提出的测试方法已经显示出在费克和反常扩散的条件下确定水分和泄漏电流方面极其有用。

本发明例如可以用作一种筛选方法，该方法可指出在一些电介质中与水分吸收相关的潜在问题。可以对不同电介质(例如，聚合物，陶瓷，木材，混凝土，生物材料和其基于多种纤维和基质的复合材料，所述基质例如是玻璃，氮化硅和碳化硅，聚合物，以及木材)的对水分和泄漏电流的几乎同时的抵抗对它们进行分级。特别地，本发明允许不同的绝缘体制造商和用户对经受不同环境条件的不同电气应用选择最佳的绝缘材料(纯净的或复合的)。还可以允许这些材料的制造商和用户监控水分/泄漏电流随时间(时间，损伤，降级等等)响应的变化。目前还不能使用其它可获得的技术成功地用于这些目的。

例如，可以对复合套管测试水分和泄漏电流。这些套管是基于由纤维缠绕成形而不是拉挤成型所获得的多轴玻璃/聚合复合材料，拉挤通常应用于悬置和配电绝缘体的复合棒料的生产过程。该套管直径较大，壁厚较小，复合结构较大。套管的直径可以大到1米，其长度可以为10米，壁厚为几毫米。可以使套管的较短部分经受水分，然后使用本发明测量泄漏电流。必须改变在图1中示出的电极12和13的尺寸、电压电平和等变率以及其它尺寸以容纳大很多的试样11。水分扩散和泄漏电流的计算方案通常仍然保持相同。类似地，可以测试在分配系统中用作支撑结构的木柱在水分存在时对泄漏电流的抵抗。

还应该理解，本发明还可以应用于经受其它相(不同于水分)扩散的电介质材料，这种相扩散可能影响其电特性。例如，人们可以估计液态金属被陶瓷吸收的影响，从而改变其绝缘特性。可以设想多种这样的实例。

Claims (30)

1.一种用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性的方法，包括步骤：

(a)提供试样；

(b)以预定的时间间隔测试试样以确定含水量值和泄漏电流值；

(c)从含水量值和泄漏电流值确定水分-泄漏电流因子；以及

(d)使用该水分-泄漏电流因子确定试样的电绝缘特性。

2.如权利要求1所述的方法，还包括确定试样的水分吸收特性的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，还包括预测最大含水量、最大泄漏电流以及达到饱和的时间的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其中从泄漏电流值的变化相对含水量值的曲线来确定水分-泄漏电流因子。

5.如权利要求4所述的方法，其中泄漏电流值和含水量值之间存在线性关系。

6.如权利要求1所述的方法，还包括使试样经受可扩散材料的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，还包括使试样经受高电压的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其中该电压斜线上升到最大电压，该最大电压介于每毫米试样长度大约5伏和每毫米试样长度大约500伏之间。

9.一种用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性的方法，包括步骤：

(a)提供形式为中空型芯圆筒的复合材料；

(b)使圆筒经受可扩散材料；

(c)以预定的时间间隔测量圆筒的含水量；

(d)使圆筒经受高电压，并以预定的时间间隔测量圆筒中的泄漏电流；

(e)从含水量和泄漏电流确定水分-泄漏电流因子；以及

(f)使该水分-泄漏电流因子与标准化数据相关，从而确定试样的电绝缘特性。

10.如权利要求9所述的方法，还包括将圆筒放置在环境室中并使圆筒保持在恒定温度和恒定湿度的步骤。

11.如权利要求9所述的方法，还包括称量圆筒的重量来确定含水量的步骤。

12.如权利要求9所述的方法，还包括在使圆筒经受可扩散材料之前测量圆筒的初始质量的步骤。

13.如权利要求9所述的方法，还包括在使圆筒经受扩散流体之前测量圆筒的初始泄漏电流的步骤。

14.如权利要求9所述的方法，还包括使用反常扩散模型来预测最大含水量、最大泄漏电流以及达到饱和的时间。

15.如权利要求9所述的方法，其中从泄漏电流的变化相对含水量曲线来确定水分-泄漏电流因子。

16.如权利要求15所述的方法，其中泄漏电流和含水量之间存在线性关系。

17.如权利要求9所述的方法，其中可扩散流体选自由水、液态金属、液体溶液和水蒸气构成的组。

18.一种用于预测复合材料在潮湿环境中的长期电绝缘特性的方法，包括步骤：

(a)提供形式为中空型芯圆筒的复合材料；

(b)记录圆筒的初始质量；

(c)记录圆筒的初始泄漏电流；

(d)将圆筒放置在环境室中；

(e)使圆筒经受可扩散流体；

(f)以预定的时间间隔从环境室取出圆筒，并记录圆筒的质量和泄漏电流；

(g)从圆筒的质量确定圆筒的含水量；

(h)从含水量和泄漏电流确定水分-泄漏电流因子；以及

(i)使用水分-泄漏电流因子确定试样的电绝缘特性。

19.如权利要求18所述的方法，还包括将圆筒放置在高电压室中并使圆筒经受高电压的步骤。

20.如权利要求18所述的方法，还包括使圆筒经受高电压的步骤。

21.如权利要求18所述的方法，其中环境室使圆筒保持在恒定温度和恒定湿度。

22.如权利要求21所述的方法，其中该温度保持在大约20摄氏度和大约100摄氏度之间，并且该湿度保持在大约10％和大约100％的相对湿度之间。

23.如权利要求18所述的方法，还包括使用方程式I_L(AC)(t)＝F_M-LC·M(t)使水分吸收速度和泄漏电流的增加速度相关的步骤。

24.如权利要求18所述的方法，其中圆筒的长度为大约0.1毫米至大约50毫米。

25.如权利要求18所述的方法，其中圆筒的外径为大约2毫米至大约100毫米。

26.如权利要求18所述的方法，其中圆筒的内径为大约1毫米至大约99毫米。

27.如权利要求18所述的方法，还包括将圆筒放置在两个电极之间的步骤。

28.如权利要求27所述的方法，还包括使圆筒经受高电压的步骤。

29.如权利要求28所述的方法，其中该电压斜线上升到最大电压，该最大电压介于每毫米试样长度大约5伏和每毫米试样长度大约500伏之间。

30.如权利要求27所述的方法，其中电极是铜。

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