CN101915880B - 直流绝缘子离子迁移测试综合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流绝缘子离子迁移测试综合系统，包括高压直流电源产生单元、试验控制台、可调恒温箱、现场数据采集传输处理单元，其特征在于：所述高压直流电源产生单元与可调恒温箱单元内的试品相连，高压直流电源产生单元同时与现场数据采集传输处理单元、试验控制台相连。本发明的直流绝缘子离子迁移测试综合系统及其测试方法简洁耐用，稳定性好，可靠性高，控制精确无误动，数据采集屏蔽性好分散性低，测量精确，数据处理采用中值平均算法，数据可靠。

Description

直流绝缘子离子迁移测试综合系统

技术领域

本发明涉及一种绝缘子离子迁移测试系统，尤其是涉及直流绝缘子的离子迁移测试系统，电气元件自动检测技术领域。

背景技术

直流输电线路需要大量的绝缘子，绝缘子的使用寿命和质量问题是关系到系统可靠运行的重要问题。直流电压与交流电压不同，直流电压下，绝缘材料内电场方向是固定不变，因而材料内的Na⁺，K⁺等离子会向阴极侧移动(离子迁移)，引起材料变化，导致机电性能劣化。另一种可能出现的是热破坏现象，这与绝缘体内流过的直流电流及其热效有关。所以直流绝缘子所选用的材料配方、生产工艺、设计、质量保证体系等各个环节都很重要。任何一个环节出问题都会降低绝缘子的使用寿命和质量，所以只有预期50年期间在参考大气条件和施加电压下，通过绝缘子的全部电荷量和通过热破坏试验，来验证直流绝缘子的使用寿命和确定直流绝缘子质量。

根据IEC 61235：1995标准和国家标准GT/T 19443-2004规定，±500kV以上直流输电用悬式绝缘子出厂前必须进行离子迁移老化试验和热电破坏试验。在绝缘子中流过根据体电阻-温度关系计算出来的相应于连续运行50年的电荷量而不损坏。离子迁移老化试验条件：绝缘子试验电压为+65kV-+75kV，温度为90℃-120℃，热电破坏试验条件：绝缘子承受1正极性直流电压和温度80℃。目前还没有对直流绝缘子自动完成离子迁移老化试验和热电破坏试验的设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可自动完成直流绝缘子离子迁移、体积电阻测量和热电破坏试验的测试系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种直流绝缘子离子迁移测试综合系统，包括高压直流电源产生单元、试验控制台、可调恒温箱、现场数据采集传输处理单元，其特征在于：所述高压直流电源产生单元与可调恒温箱单元内的试品相连，高压直流电源产生单元同时与现场数据采集传输处理单元相连，所述试验控制台与高压直流电源产生单元相连。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：还包括设置于可调恒温箱外的箱外试品架底座。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：所述高压直流电源产生单元包括依次相连的调压器TC、变压器T、高压整流硅堆G、高压电压值测量电阻R、电阻分压器D、小电阻R2，电容C一端连接于高压整流硅堆与电阻R之间，另一端接于变压器T的输出侧一端并接地，从高压电压值测量电阻R与电阻分压器D之间引出高电压线路至试品，小电阻R2两端关联接有氖管和尖端气隙。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：所述可调恒温箱外侧设有操作键盘和温度显示液晶屏幕，恒温箱CPU单元留有与上位机通讯接口。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：所述可调恒温箱内部共有多个温度传感器分布在箱体内，同时可调恒温箱内部设有多个加热器，在恒温箱的正面，有观察窗口，能够有效的观测到箱内情况。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：在所述可调恒温箱内部设置有试品架，所述试品架设置于小车上，试品架共分4层，每层7组，采用双面挂接试品，支柱绝缘子设置于试品架的内部上方。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：现场数据采集传输处理单元包括高压电压值测量电阻R、数据传输电缆线、数据采集系统(下位单片机)、数据处理控制系统(上位PC机软件系统)、数据显示打印系统(PC机显示器和打印机)，数据处理控制系统电源稳压系统(稳压器和UPS)。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：所述数据采集系统包括单片机，从小电阻R2与电阻分压器D之间引出电流采样值经数据传输线至单片机，单片机与升降压继电器相连，升降压继电器分别与操作控制台、变压器输入侧相连。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：所述电流采样值经数据依次经过52路电子开关、测量档位转换系统、阻抗变换、1∶1隔离放大器、12位串行A/D转换进入单片机，所述单片机包括以下功能模块：

电子开关的选择模块：用于对52路电子开关的控制，经由编码器给各个开关编地址，从而通过地址控制电子开关的动作；

测量档位的自动切换：根据现场来的信号的大小，自动控制调整测量绝缘子电阻的大小，进而进行测量档位的选择以使测量电阻恰好与测量信号相配；

现场信号的锁存预处理与存储模块；

与上位机的通讯模块。

前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)测量体积电阻；

2)计算温度系数A；

R_θ1/R_θ2＝e^(A/273+θ1)/e^(A/273+θ2)

A1(f(90℃、120℃))

A2(f(120℃、150℃))

A＝(A1+A2)/2；

(其中R_θ1、R_θ2、-分别为θ1、θ2温度下的体积电阻(Ω)；A1、A2-温度系数；θ1、θ2-温度为90℃、120℃或120℃、150℃)

3)计算预期电荷Q₅₀

+65℃

Q₅₀＝V∑t(θ)/R(θ)

-15℃

V-对绝缘子元件施加电压(kV)；

t(θ)-试验持续时间(s)；

R(θ)-试验某一温度的体电阻

4)进行试验

a)施加持续一定时间的直流电流和温度的联合负荷，此持续时间应与需要通过的离子总量相适应，试验时将50只绝缘子元件并连接置可调恒温室内，紧靠铁帽附近的绝缘子外表面安装一个保护电极以消除表面泄露电流的影响；

b)施加+65kV≤V_test＜+75kV试验电压；90℃≤T_test≤130℃试验温度，在恒温室达到规定T_test温度并保持2h后，开始施加V_test，温度和电压应维持在+5％内，应每4h测量通过每个绝缘子的电流；

c)热破坏试验：产品10只，烘箱温度80℃，钢脚施加的电压，SFL≤300kN时施加+110kV直流电压；SFL≥300kN时施加+125kV直流电压，相对误差+5％；预热时间：最少预热8h；施加电压：在80℃在施加电压8h；等待期时间：去掉试验电压并切断烘箱电源，保留30min；

击穿检验：在等待期时间后，应对绝缘子施加规定的试验电压并保持1min，检验其是否击穿。

前述的测试方法，其特征在于：在所述步骤1)中，电阻测量应在10只绝缘子上进行，分别在90℃、120℃、150℃(允许±2℃偏差)的温度下测量相应的绝缘子体积电阻R₉₀、R₁₂₀、R₁₅₀，在铁帽达到规定温度值至少2h后进行，施加电压至少15min后测量。

本发明的直流绝缘子离子迁移测试综合系统及其测试方法简洁耐用，稳定性好，可靠性高，控制精确无误动，数据采集屏蔽性好分散性低，测量精确，数据处理采用中值平均算法，数据可靠。

附图说明

图1为本发明的离子迁移试验原理图；

图2为高压电源产生回路和相关的控制回路总体原理结构图；

图3为高压电源自稳压单片机处理系统图；

图4为可调恒温箱内部前视图；

图5为可调恒温箱外部后视图；

图6为试品架结构图；

图7为试品架各试品现场数据采集线内部走线分布图；

图8为试品架挂钩结构图

图9为高压电压值测量原理

图10为单片机采集系统原理框图；

图11为单片机采集系统档位转换单元；

图12为下位机采集系统程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图2为高压电源产生回路和相关的控制回路总体原理结构图，进线段220V经过0～400V调压器调压，再经过0.4kV/100kV升压试验变压器升压，经过高压硅堆整流，大电容稳压处理，再经过大电阻限流得到所要产生多高压。采用试验控制台直接操作电源的开断，电压的升降，过流保护等，采用单片机进行电源自稳压控制。

图3为高压电源自稳压单片机处理系统图，单片机内部处理自动稳压的原理算法也很简洁，由于本系统要求不要长时间偏离电压值，因此我们先测试出控制台内电机每升降压1kV所需要的时间，每30分钟一次将采样值和标定值比对得出电压差值再转换成控制升降压继电器开断时间，就可以不停的进行电压稳恒控制。

可调恒温箱单元：可调恒温箱就是根据试验要求升温降温，在可调恒温箱外侧有专门的操作键盘和温度显示液晶屏幕，基本功能使用手可以操作，同时恒温箱CPU单元留有与上位机通讯接口，可以直接在上位机上实现升降温、温度显示功能。

恒温箱内部共有8个温度传感器16分布在箱体内八个部位，温度传感器将所采集的温度参数中值平均最后显示恒温箱内平均温度，同时还可以分别察看各个部位的温度。

恒温箱内有6个加热器18，调节加热器的开关从而进行温度调节，同时内部有6个风扇17，工作时根据需要开启风扇，以期能够最大限度的将箱内温度采用风流的方式调匀。在恒温箱的正面，有观察窗口11，能够有效的观测到箱内情况。

图5标示从箱外后面观看恒温箱的前侧的视图，简要标示高压套管13、操作键盘和显示屏14、观察窗口11、箱内轻轨12、防撞支架15等方位图。

试品架是用来装载索要试验的绝缘子试片，我们考虑最大负荷，直径400mm的绝缘子来计算，每只自重20kg左右，50只就要1000kg，高压支架26与低压支架21之间隔离支柱绝缘子31有6只，每只10kg左右，再加上试品架本身自重，共有1500kg左右，因此试品架全部采用不锈钢材料制造，保证足够的支撑强度；为了节省空间和占地面积，同时保证各试验绝缘子之间的电气距离，防止相互电磁干扰，架子结构每0.5m为一个单元距离，采用双面挂接试品，共分4层，每层7组，双面共有56个，在高压引线端去掉4个以留有相应空间接高压电源，所以共有52组，实验要求50组，余下两组作备用；高压部分被接地钢架包围，其上下各有3只支柱绝缘子隔离，保证足够的安全范围。

图6简要标示了单侧试品架结构，标志了支柱绝缘子31、悬挂件、小车27的方位，实际情况应该有两侧，另一侧也是同样放置。

图7简要标示了各试品的现场试验数据采集线在试品架内部的走线情况，同时也标示了支柱绝缘子、每个试品数据线252在与试品连接处的屏蔽筒253、小车27和数据线接头251的大概情况。

图8简要标示了试品架放置试品的挂钩处的结构图，同时标示了低压支架21、高压支架26、测试线绝缘筒22、接地夹23、数据电缆线25、钢脚挂钩24、小车27、支柱绝缘子31、绝缘片30、挂钩内置拉力弹簧29、刚帽挂钩28等的简要方位图和结构图，该试品架一共有7组这样结构的挂钩，第一组(靠近高压接线侧)由于要接高压套管，故将中间4个去除，因此一共52个。

箱外试品架底座单元：由于可调恒温箱内部空间有限，箱外试品架底座就是为了装卸试品时的方便，在箱外放置试品架时为其提供一个底座，底座上面的轻轨和恒温箱内部轻轨吻合，二者接口处紧密结合，有利于试品架进出恒温箱。底座实际高度高于恒温箱箱门(恒温箱密封造成)，开箱门前先要把底座拉开，以能够使得箱门打开，然后再对接底座的轻轨和箱内轻轨，装卸完成，试品架进箱后，再拉开底座保证恒温箱能够关上。

现场数据采集传输处理单元：现场数据采集传输处理单元，从试验现场的数据采集到最终结果的显示打印，主要有高压电压值测量电阻、数据传输电缆线、数据采集系统(下位单片机)、数据处理控制系统(上位PC机软件系统)、数据显示打印系统(PC机显示器和打印机)，上位PC机电源稳压系统(稳压器和UPS)及装放上位系统的箱体，以下依次介绍该单元各个部分。

高压电压值测量电阻：在本测量系统，我们要测量绝缘子试品的电阻值，由于绝缘子电阻很大，所加的电压也为恒压直流电压，因此采用测量电流的方式进行测量；测出体电流值(加屏蔽消除体表电流)，再测出绝缘子试片所加电压值，便可计算出绝缘子体电阻；要精确测量高压电压值，为了能和测量绝缘子试片体电流配合，采用统一单片机处理系统，因此也选用高欧姆电阻测量法，即直接从高压接一个大电阻，测量其流过的电流。

如图9所示高压电压值测量原理。其中20KΩ电阻、氖管和尖端气隙作保护用，以防高压侵入低压测量回路。750MΩ就是所选的高压大电阻，电阻外面采用密封绝缘筒封包，将其浸入绝缘油之中，同时在接高压的端子处有一个金属屏蔽环以防外界电磁干扰。

数据传输电缆线：所有现场电流数据都经过电缆线传输，高压电压值测量1路，试品有52路统一封装。数据传输电缆线采用RVVP同轴电缆屏蔽线，该产品是市面上较好的数据传输线，内导体采用O.F.C镀锡铜线绞合(TC)，缆芯采用绝缘芯线绞合成缆，绕包聚酯薄膜带(PP带)，二者之间绝缘用PVC，全色谱识别，外层护套是黑色/白色PVC，有较好的屏蔽，信号衰减少，传输效率高。52路绝缘子传输线包扎后外面用蛇皮金属软管包裹，作保护和屏蔽作用，外加1路电压测量线，共53路直接进入采集系统。

数据采集系统：经过数据传输线，现场的数据进入采集系统，采集系统主要以单片机处理为主，采用80C52Micro处理器，绝缘子试品电流数据经过52路电子开关，进入测量档位转换系统，转换成电压信号，再经过1∶1隔离放大器隔离，信号再通过12位串行A/D转换进入单片机系统，单片机负责电子开关的选择、测量档位的自动切换、现场信号的锁存预处理与存储、与上位机的通信等，其原理框图如下图10。

单片机处理系统，对于绝缘子体电流信号的采集，是根据上位机采集指令进行，当上位机有采集指令送下来，下位机即可采集，电源自稳压系统，单片机每30min检测一次高压电压，然后与标定电压比对，适时校正；由于现场来的数据均有可能高压侵入，因此控制电子开关和进入放大器之前均有隔离；单片机对52路电子开关的控制，经由编码器然后给各个开关编地址，从而通过地址控制电子开关的动作，测量档位转换单元，主要是根据现场来的信号的大小，单片机自动控制调整测量电阻的大小，进而进行测量档位的选择以期测量电阻恰好能与测量信号相配，档位选择如下图11：

图11给出了4个不同采样电阻，单片机根据现场传来的数据信号经过判断算法自动调整档位，转换单元后面接A/D转换器，其有效范围是0.2-4.1V，根据A/D转换器的测量范围和转换单元电阻值，可以估算出本套系统所测电阻的范围各档位所测电流计算满量程值如下：

转换单元最大电阻20M，A/D最小可测电压0.2V左右(实际为0.4V，但是相关屏蔽和防干扰做好，测量次数足够大，就可以剔出0.2V是的分散性)则嘴刁电流为0.2V/20M＝10nA，假设此时所加电压为80kV，即可测电阻值为80kV/10nA＝8*10¹²，即8T，同理可算出最小电阻160M；若改变试品上所加电压，还可以扩大所测电阻的范围。

由于绝缘子离子迁移试验不要求很高的采集速率，相关标准规定4小时测量一次，因此本套系统采用单片机进行数据循环采集，即每次通过切换电子开关和相关的测量档位，依次测量52路试品的体电流和高压电流信号，而体电阻的测量，也主要通过上位机的指令进行，所以采集系统完全满足测量和速率要求。

数据处理控制系统：离子迁移测量主要测量试品的体电阻和累加通过的电荷量，通过测量体电流就可以完成主要任务，上位机的数据处理系统主要是对下位机采集来的数据进行处理，本系统下位机单片机每次测量2000个数据，上位机采用中值平均算法取得最优值，然后通过各组所得的电流值计算绝缘子体电阻值，同时计算各试品的累积电荷量。

本发明主要可完成3项试验，体电阻测试、离子迁移测试和热电破坏测试，根据不同测试需求进行相关的试验。

打印系统：在上位机软件数据显示界面上，均有“打印”和“存盘”按钮，进行数据的保存和打印，本系统自带打印机，将所需要的数据打印出来。

上位PC机电源稳压系统：为了保证上位机和下位机采集系统的可靠运行，系统自带了不间断电源UPS和稳压电源，防止测量系统和上位机操作系统由于电源的波动造成不必要的误差，不间断电源为上位机提供稳恒电源，以防掉电等不必要因素影响测量精度，稳压电源为下位机单片机提供电源，由于下位机在隔离前和隔离后是两个不同电源系统，因此采用4个稳压电源，分别提供两套±9V，其中为CPU供电的稳压电压输出电流为3A，其它3个位1A的输出电流。试验目的和原理

离子迁移试验原理：绝缘子在直流线路的运行期间内，某些元件可能会遭受到由于不均匀的电压分布所引起的很高的电压的作用并持续很长时间，还会受到周围空气温度和太阳照射引起的作用。由于绝缘子绝缘介质的电阻-规律会使经绝缘子通过的电流随温度而指数地升高，并且此电流可能会很高并存在很长时间。离子迁移试验就是模拟这种在高电压、高温条件下，检验由于电荷的流动而引起的介质中的离子迁移对绝缘材料劣化的影响。其目的是在试验期间，让绝缘子通过等价于最恶劣的条件下50年寿命的电荷量，检验它们是否损坏。

热破坏试验原理：热破坏通常在直流盘型绝缘子元件上出现，它是在介质温度比周围温度高得多或是当离子电流在介质内的结构上的中断层(如杂质、气隙)上流动时产生的。

伴随有局部发热的温度升高，可以使绝缘体的电导率增大，产生沟槽，并且也使在裂缝区流动的电流增大，如此很大的热应力的发展就促进了介质的局部的裂化，并且随着时间的进展导致介质热击穿。其目的是在试验其间，让绝缘子在恶劣的条件下，考核绝缘子热稳定性，其决定了热击性能。

直流绝缘子离子迁移测试综合系统的测试方法，包括以下步骤：

1.测量体积电阻；电阻测量应在10只绝缘子上进行，分别在90℃、120℃、150℃(允许±2℃偏差)的温度下测量相应的绝缘子体积电阻R₉₀、R₁₂₀、R₁₅₀，在铁帽达到规定温度值至少2h后进行，施加电压至少15min后测量。

2.计算温度系数A；计算温度系数A；

R_θ1/R_θ2＝e^(A/273+θ1)/e^(A/273+θ2)

A1(f(90℃、120℃))

A2(f(120℃、150℃))

A＝(A1+A2)/2

3.计算预期电荷Q₅₀

+65℃

Q₅₀＝V∑t(θ)/R(θ)

-15℃

V-对绝缘子元件施加电压(kV)；

t(θ)-试验持续时间(s)；

R(θ)-试验某一温度的体电阻(Ω)

4.进行试验

a)施加持续一定时间的直流电流和温度的联合负荷，此持续时间应与需要通过的离子总量相适应；

试验时将50只绝缘子元件并连接置可调恒温室内，紧靠铁帽附近的绝缘子外表面安装一个保护电极以消除表面泄露电流的影响；

b)施加+65kV≤V_test＜+75kV试验电压；90℃≤T_test≤130℃试验温度，在恒温室达到规定T_test温度并保持2h后，开始施加V_test，温度和电压应维持在+5％内，应每4h测量通过每个绝缘子的电流；

c)热破坏试验：产品10只，烘箱温度80℃，钢脚施加的电压，SFL≤300kN时施加+110kV直流电压；SFL≥300kN时施加+125kV直流电压，相对误差+5％；预热时间：最少预热8h；施加电压：在80℃在施加电压8h；等待期时间：去掉试验电压并切断烘箱电源，保留30min；

击穿检验：在等待期时间后，应对绝缘子施加规定的试验电压并保持1min，检验其是否击穿。

以上两项试验过程中，不允许任一绝缘子击穿或破碎。

试验结果及分析

1)离子迁移试验：

试验温度：110℃

试验电压：+70kV

试品数量：50片

试验结果：具体数据见表1

表1  离子迁移试验结果

2)热破坏试验：

试验温度：80℃

试品数量：10片

试验结果：具体数据见表2

表2  热破坏试验结果

产品型号	试验电压(kV)	耐受电压(kV)	试验结果
				LXZY-160	110	+145	通过
LXZY-210	110	+145	通过
				LXZY-240	110	+146	通过
LXZY-300	125	+152	通过
				LXZY1-300	125	+176	通过
LXZY-420	125	+150	通过
				LXZY1-420	125	+150	通过
LXZY-550	125	+160	通过

Claims (4)

1.一种直流绝缘子离子迁移测试综合系统，包括高压直流电源产生单元、试验控制台、可调恒温箱、现场数据采集传输处理单元，其特征在于：所述高压直流电源产生单元与可调恒温箱单元内的试品相连，高压直流电源产生单元同时与现场数据采集传输处理单元、试验控制台相连，在所述可调恒温箱内部设置有试品架，所述试品架设置于小车上，在试品架包括长方形的低压支架(21)，高压支架(26)设置于低压支架(21)内部，高压支架(26)的上端和下端各通过3只支柱绝缘子(31)与低压支架(21)隔离，高压支架(26)在试品架内每0.5m为一个单元距离，高压支架(26)上双面挂接试品，共分4层，每层7组；在低压支架(21)上设置有测试线绝缘筒(22)，数据电缆线(25)通过测试线绝缘筒(22)引出，测试线绝缘筒(22)位于试品架内侧一端设置有刚帽挂钩(28)，钢脚挂钩(24)通过挂钩内置拉力弹簧(29)安装在高压支架(26)上，所述高压直流电源产生单元包括依次相连的调压器TC、变压器T、高压整流硅堆G、高压电压值测量电阻R、电阻分压器D、小电阻R2，电容C一端连接于高压整流硅堆与电阻R之间，另一端接于变压器T的输出侧一端并接地，从高压电压值测量电阻R与电阻分压器D之间引出高电压线路至试品，小电阻R2两端关联接有氖管和尖端气隙,现场数据采集传输处理单元包括高压电压值测量电阻R、数据传输电缆线、数据采集系统、数据处理控制系统、数据显示打印系统，数据处理控制系统电源稳压系统，

所述数据采集系统包括单片机，从小电阻R2与电阻分压器D之间引出电流采样值经数据传输线至单片机，单片机与升降压继电器相连，升降压继电器分别与操作控制台、变压器输入侧相连，

电流采样值经数据依次经过52路电子开关、测量档位转换系统、阻抗变换、1:1隔离放大器、12位串行A/D转换接入单片机，所述单片机包括以下功能模块：

电子开关的选择模块，：用于对52路电子开关的控制，经由编码器给各个开关编地址，从而通过地址控制电子开关的动作；

测量档位的自动切换：根据现场来的信号的大小，自动控制调整测量绝缘子电阻的大小，进而进行测量档位的选择以使测量电阻恰好与测量信号相配；

现场信号的锁存预处理与存储模块；

与上位机的通讯模块。

2.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于：还包括设置于可调恒温箱外的箱外试品架底座。

3.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于： 所述可调恒温箱外侧设有操作键盘和温度显示液晶屏幕，恒温箱CPU单元留有与上位机通讯接口。

4.根据权利要求1或3所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于： 所述可调恒温箱内部共有多个温度传感器分布在箱体内，同时可调恒温箱内部设有多个加热器，在恒温箱的正面有观察窗口。

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