CN102435925B

CN102435925B - 测定应力条件下材料电气强度的装置及测试方法

Info

Publication number: CN102435925B
Application number: CN 201110370825
Authority: CN
Inventors: 于涛; 刘钧; 肖加余; 邢素丽; 邬志华; 谭艳; 田芳; 罗赞才
Original assignee: Guangyuan Sci & Tech Zhuzhou Electric Locomotive LLC; National University of Defense Technology
Current assignee: Guangyuan Sci & Tech Zhuzhou Electric Locomotive LLC; National University of Defense Technology
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: CN102435925A

Abstract

本发明公开了一种测定应力条件下材料电气强度的装置及测试方法，该装置包括用于封装测试试样的绝缘油桶、测试电极、电气强度测试装置和应力发生系统，测试电极安装于测试试样两侧并通过电极引线与所述电气强度测试装置相连，应力发生系统包括一用于装夹测试试样的夹持装置。本发明的测试方法包括以下步骤：先将试样封装于绝缘油桶中，并安装测试电极；然后使试样装夹于应力发生系统上并连接电气强度测试装置，再注满绝缘油；启动应力发生系统提供一载荷；再启动电气强度测试装置，随着输出电压的上升记录测试试样在被击穿时的电压值，得到试样的电气强度。本发明的测试装置结构简单、组装操作方便，测试方法简便，测试成本均较低，测试结果准确。

Description

测定应力条件下材料电气强度的装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种电气强度的测试装置及测试方法，尤其涉及一种应力条件下的电气强度的测试装置及测试方法。

背景技术

由于绝缘技术的要求，绝缘材料不仅要作为功能材料使用，需要具有优异的绝缘性能，而且还要作为结构材料使用，需要承载一定的外部载荷。例如：高压电塔上使用的绝缘子，不仅要起到高压绝缘的作用，同时还需要承载高压电缆的重力及其弧垂产生的拉应力；高速列车绝缘车顶盖，不仅要起到绝缘耐压的作用，还需要承载由于列车高速运行中空气动力学产生的负压，以及列车会车或进入隧道时产生的气体冲击作用。已有研究表明，应力会对材料绝缘性能产生影响，但是应力对绝缘材料电气强度的研究还鲜有报道。

另外，当绝缘构件发生电击穿后，会在电击穿处产生裂纹和孔洞，这种缺陷会引起应力集中，导致绝缘材料的承载能力急剧下降。而作为构件使用的绝缘材料，往往需要承载较大的外部载荷，当电击穿裂纹和孔洞形成之后，由于应力集中的影响，裂纹会迅速不断地扩展，甚至最终导致构件的断裂，从而产生严重绝缘事故。

因此，研究电击穿前及电击穿后应力对材料电气绝缘强度的影响规律，对绝缘构件的制备和使用具有极其重要的指导意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、组装操作方便、制造和测试成本均较低的测定应力条件下材料电气强度的装置，还相应提供一种利用该装置测试应力条件下材料电气强度的方法和测试电击穿后材料承载能力的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种测定应力条件下材料电气强度的装置，所述装置包括用于封装测试试样的绝缘油桶、测试电极、电气强度测试装置和应力发生系统，所述测试电极安装于测试试样两侧并通过电极引线与所述电气强度测试装置相连，所述应力发生系统包括一用于装夹测试试样的夹持装置。

上述的测定应力条件下材料电气强度的装置中，优选的，所述绝缘油桶上端开口，下端采用柔性绝缘材料包覆（当作压缩测试时，将下端的柔性绝缘材料替换成刚性绝缘材料即可）。

上述的测定应力条件下材料电气强度的装置中，所述绝缘油桶的高度优选等于或大于所述测试试样的标距长度L₀（尤其是指在拉伸测试时，压缩测试时无限制），所述绝缘油桶的内径优选取值大于15cm，以保证绝缘油桶内部有足够的空间。

作为对上述各装置的进一步改进，所述应力发生系统包括应力控制装置和与应力控制装置连接的应力施加装置；所述绝缘油桶设置在应力施加装置的内腔中；所述夹持装置设于所述绝缘油桶中；所述夹持装置包括上夹具和下夹具，上夹具连接到应力施加装置的顶部，下夹具透过所述绝缘油桶底部的开口连接到所述应力施加装置的底部。

上述的测定应力条件下材料电气强度的装置中，所述测试电极优选通过一绝缘夹具安装于测试试样两侧，该绝缘夹具不仅可以保证两测试电极的对称性，还可以使测试电极有效固定在测试点处不轻易发生移动。所述测试电极优选包括球形电极或针-板电极；所述球形电极的直径优选为10mm～20mm。

上述的测定应力条件下材料电气强度的装置中，所述电气强度测试装置优选包括变压器和升压控制显示装置，所述电极引线与所述变压器相连，所述变压器与所述升压控制显示装置相连。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述的装置测试应力条件下材料电气强度的方法，包括以下步骤：

（1）试样安装：将测试试样封装于所述装置的绝缘油桶中，并于该测试试样两侧对称安装测试电极；

（2）系统连接：使所述测试试样装夹于所述应力发生系统上，并通过电极引线将所述测试电极连接于所述电气强度测试装置上，再往所述绝缘油桶中注满绝缘油；

（3）加载：启动应力发生系统，为所述测试试样提供一载荷；

（4）升压：在所述载荷下，启动电气强度测试装置，并设定该电气强度测试装置的升压速率，随着输出电压的不断上升，记录所述测试试样在被击穿时的电压值，据此得到该测试试样在所述载荷下的电气强度。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的装置测试电击穿后材料承载能力的方法，包括以下步骤：

（3）加载：启动应力发生系统，为所述测试试样提供一稳定载荷；

（4）升压：在所述稳定载荷下，启动电气强度测试装置，并设定该电气强度测试装置的升压速率，使输出电压不断升高，直至测试试样在该应力状态下发生电击穿；

（5）测定：若上述被电击穿后的测试试样发生断裂，则此时测试试样上施加的应力值即为电击穿后材料的承载能力；若上述被电击穿后的测试试样未发生断裂，则调整所述应力发生系统提供的载荷大小，并重复前述步骤（1）～（5），直至记录到测试试样被电击穿后发生断裂时的应力值大小。

上述的方法中，所述测试试样优选为绝缘结构材料制作，所述测试试样的厚度优选在1.5mm～4.5mm，测试试样的宽度（或直径）优选在40mm～60mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供了一种应力条件下测试材料电气强度的装置及方法，本发明的方法能够测定拉、压等应力作用下电介质材料的电气强度，尤其适用于绝缘结构材料（如玻璃钢等），通过采用本发明的方法和装置有助于发现应力对材料电气绝缘强度的影响规律，从而指导绝缘构件结构的优化，设计出具有合理应力布局的绝缘构件，减小应力作用对绝缘性能的负面影响，提高绝缘构件的相对电气强度。为探索应力对电介质材料电气强度的影响规律奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例1中测定应力条件下材料电气强度的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2中测试试样的试样形状图（主视）。

图3为本发明实施例2中测试试样的试样形状图（侧视）。

图4为本发明实施例2中的测试试样在拉应力σ>3σ_t/10时的试样断裂处照片。

图5为本发明实施例3中测试试样的试样形状主视图（图中虚线方向表示纤维取向，试样两端上下面为2mm厚的薄铝板）。

图6为本发明实施例3中测试试样的试样形状俯视图。

图7为本发明实施例1中绝缘夹具的结构示意图。

图8为本发明实施例2中的测试试样在拉应力条件下测试电气强度实验所测得的应力-电气强度曲线图。

图9为本发明实施例4中测试试样的试样形状主视图（图中虚线方向表示纤维取向，试样两端上下面为2mm厚的薄铝板）。

图10为本发明实施例4中测试试样的试样形状俯视图。

图例说明

1、绝缘油桶； 2、测试试样； 3、测试电极； 31、电极引线； 32、绝缘夹具； 33、绝缘环氧板； 34、球电极对； 35、绝缘螺栓； 4、电气强度测试装置； 41、变压器； 42、升压控制显示装置； 5、应力发生系统； 51、夹持装置； 511、上夹具； 512、下夹具； 52、应力控制装置；53、应力施加装置。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

一种如图1所示的测定应力条件下材料电气强度的装置，该装置可用于在拉伸条件下测试材料的电气强度，该装置包括用于封装测试试样2的绝缘油桶1、测试电极3、电气强度测试装置4和应力发生系统5，测试电极3安装于测试试样2两侧并通过电极引线31与电气强度测试装置4相连，应力发生系统5包括一用于装夹测试试样2的夹持装置51。

本实施例中，绝缘油桶1上端开口，下端采用柔性绝缘材料包覆，该柔性绝缘材料为不与绝缘油桶1内的绝缘油发生反应的塑料薄膜（注意勿使用易于被油类硫化的橡胶薄膜）。该柔性绝缘材料被裁剪成合适大小，其外缘与绝缘油桶1侧壁底部通过密封材料密封连接，其中央开有小口，并可通过密封材料把待测试试样密封连接于该开口处。绝缘油桶1的侧壁使用刚性绝缘材料制备，其高度与拟进行拉伸实验的测试试样标距长度相同，绝缘油桶1的内径取值应大于15cm，本实施例中绝缘油桶的直径为25cm，以保证绝缘油桶1内部有足够的空间，便于测试试样2、测试电极3等构件的安装和布设。

本实施例中，测试电极3安装于绝缘夹具32上，如图7所示，绝缘夹具32主要由两块平行的绝缘环氧板33组成，两块绝缘环氧板33通过两侧的绝缘螺栓35紧固，绝缘环氧板33之间通过球电极对34夹持住中间的测试试样2。本实施例的绝缘夹具32不仅可以保证两测试电极3的对称性，还可以使测试电极3固定在测试点处不发生移动。本实施例中，绝缘耐压测试采用球形电极，本实施例中球形电极的直径为10mm～20mm，本实施例中采用直径为10mm（10mm～20mm均可）的球电极进行测试。

本实施例中，应力发生系统5主要是由一多传感器电子万能试验机（型号WDW-100，长春试验机厂制造）充当（但并不限于多传感器电子万能试验机，现有其他能提供拉压载荷的装置均可），其包括应力控制装置52和与应力控制装置52连接的应力施加装置53；绝缘油桶1设置在应力施加装置53的内腔中，其中心线与夹持装置51的中心线重合；夹持装置51设于绝缘油桶1中；夹持装置51包括上夹具511和下夹具512，上夹具511连接到应力施加装置53的顶部，下夹具512透过绝缘油桶1底部的开口连接到应力施加装置53的底部。

本实施例中，电气强度测试装置4主要由一HT-50电气强度测试仪充当，其包括变压器41和升压控制显示装置42，电极引线31与变压器41相连，变压器41与升压控制显示装置42相连。

实施例2：

一种用实施例1的装置测试应力条件下材料电气强度的方法，包括以下步骤：

（1）试样安装：制备形状如图2、图3所示的丙烯酸类不饱和聚酯树脂9001浇铸体拉伸测试试样数个（试样尺寸必须既需要满足拉伸或压缩测试的要求，又需要满足绝缘耐压测试的要求，其尺寸为：L=220mm；L₀=90；L₁=100；L₃=140mm；b=40；b₁=60；厚度d为2mm）；将测试试样2封装于上述装置的绝缘油桶1中，并于该测试试样2两侧对称安装测试电极3；绝缘油桶1则装夹在应力发生系统5的夹持装置51上；

（2）系统连接：将测试试样2装夹于夹持装置51上，用密封胶将夹持装置51的下夹具512与绝缘油桶1底部可靠的密封连接起来，夹持装置51的上夹具511连接于上述应力施加装置53的顶部，使测试试样2装夹于应力发生系统5上；与此同时，测试电极3则通过绝缘夹具安装在测试点处，测试电极3通过电极引线31将测试电极3连接于电气强度测试装置4的变压器41的电压输出端上，再往绝缘油桶1中注满变压器油（或其他绝缘油）直至油液面高出测试电极3的5cm～10cm处；

（3）加载：启动应力发生系统5，设定其控制方式为“负荷控制”，为测试试样2提供一稳定的拉力载荷σ_t，确定应力条件，分别选取σ_t/10、2σ_t/10、3σ_t/10、4σ_t/10、5σ_t/10为电气强度测试时测试试样2所受的拉应力大小；

（4）升压：在上述各个不同的稳定载荷下，启动电气强度测试装置4，并设定该电气强度测试装置4的升压速率为200v/s，随着输出电压的不断上升，记录各个测试试样2在被击穿时的电压值，更换测试试样，每个应力点测试5次；测试完一个应力点后，重复上述步骤（1）～（4），重新设定应力发生系统5的拉伸应力参数，测试下一应力点条件下材料的电气强度；据此得到本实施例的测试试样2在不同载荷下的电气强度。

将上述方法测得的测试试样2在不同载荷下的电气强度绘制成应力-电气强度曲线，如图8所示，分析应力对该测试试样电气强度的影响规律，并记录该测试试样电击穿后产生断裂时的应力值，该应力值即反映了9001不饱和聚酯树脂电击穿后的承载能力（9001不饱和聚酯树脂浇铸体应力条件下电击穿后产生断裂，主要是因为在击穿点处产生应力集中所致，参见图4）。通过上述的本实施例可以发现，当拉应力σ＞3σ_t/10时，测试试样电击穿后会产生断裂，故本实施例测试的9001不饱和聚酯树脂电击穿后的承载能力仅为其电击穿前的30%。

实施例3：

（1）试样安装：制备形状如图5、图6所示的单向玻璃纤维增强丙烯酸类不饱和聚酯树脂9001复合材料纵向拉伸测试试样数个（其尺寸如图5、图6所示：L=400mm；L₀=240mm；L₂=280mm；b=40mm；d=3mm）；将测试试样2封装于上述装置的绝缘油桶1中，并于该测试试样2两侧对称安装测试电极3；绝缘油桶1则装夹在应力发生系统5的夹持装置51上；

（2）系统连接：将测试试样2装夹于夹持装置51上，用密封胶将夹持装置51的下夹具512与绝缘油桶1底部可靠的密封连接起来，夹持装置51的上夹具511连接于上述应力施加装置53的顶部，使测试试样2装夹于应力发生系统5上；与此同时，测试电极3则通过绝缘夹具安装在测试点处，测试电极3通过电极引线31将测试电极3连接于电气强度测试装置4的变压器41的电压输出端上，再往绝缘油桶1中注满变压器油直至油液面高出测试电极3的5cm～10cm处；

（3）加载：启动应力发生系统5，设定其控制方式为“负荷控制”，为测试试样2提供一稳定的的拉力及纵向拉伸强度σ_t，并设定负荷目标值并确定应力条件，分别选取σ_t/10、2σ_t/10、3σ_t/10、4σ_t/10、5σ_t/10、6σ_t/10为电气强度测试时测试试样2所受的拉应力大小；

将上述方法测得的测试试样2在不同载荷下的电气强度绘制成应力-电气强度曲线，分析应力对该测试试样电气强度的影响规律（通过本实施例后发现，当纵向拉应力为6σ_t/10时，测试试样的电气强度下降了22.6%），并记录该测试试样电击穿后产生断裂时的应力值，该应力值即反映了单向玻璃纤维增强9001不饱和聚酯树脂复合材料在纵向拉应力条件下电击穿后的承载能力（应力条件下电击穿后产生断裂，主要是因为在击穿点处产生应力集中所致）。通过上述的本实施例可以发现，当拉应力σ＞5σ_t/10时，测试试样电击穿后会产生断裂，故本实施例测试的单向玻璃纤维增强9001不饱和聚酯树脂复合材料电击穿后的纵向承载能力为其电击穿前的50%。

实施例4：

（1）试样安装：制备形状如图9、图10所示的单向玻璃纤维增强丙烯酸类不饱和聚酯树脂9001复合材料横向拉伸测试试样数个（其尺寸如图9、图10所示：L=400mm；L₀=240mm；L₂=280mm；b=40mm；d=3mm）；将测试试样2封装于上述装置的绝缘油桶1中，并于该测试试样2两侧对称安装测试电极3；绝缘油桶1则装夹在应力发生系统5的夹持装置51上；

将上述方法测得的测试试样2在不同载荷下的电气强度绘制成应力-电气强度曲线，分析应力对该测试试样电气强度的影响规律（通过本实施例后发现，当纵向拉应力为6σ_t/10时，测试试样的电气强度下降了14.6%），并记录该测试试样电击穿后产生断裂时的应力值，该应力值即反映了单向玻璃纤维增强9001不饱和聚酯树脂复合材料在横向拉应力条件下电击穿后的承载能力（应力条件下电击穿后产生断裂，主要是因为在击穿点处产生应力集中所致）。通过上述的本实施例可以发现，当拉应力σ＜6σ_t/10时试样电击穿都不会产生断裂，故本实施例中测试的单向玻璃纤维增强9001不饱和聚酯树脂复合材料电击穿后的横向承载能力超过其电击穿前的60%。

Claims

1.一种测定应力条件下材料电气强度的装置，其特征在于：所述装置包括用于封装测试试样的绝缘油桶、测试电极、电气强度测试装置和应力发生系统，所述测试电极安装于测试试样两侧并通过电极引线与所述电气强度测试装置相连，所述应力发生系统包括一用于装夹测试试样的夹持装置；

所述应力发生系统包括应力控制装置和与应力控制装置连接的应力施加装置；所述绝缘油桶设置在应力施加装置的内腔中；所述夹持装置设于所述绝缘油桶中；所述夹持装置包括上夹具和下夹具，上夹具连接到应力施加装置的顶部，下夹具透过所述绝缘油桶底部的开口连接到所述应力施加装置的底部。

2.根据权利要求1所述的测定应力条件下材料电气强度的装置，其特征在于：所述绝缘油桶上端开口，下端采用柔性绝缘材料包覆。

3.根据权利要求2所述的测定应力条件下材料电气强度的装置，其特征在于：所述绝缘油桶的高度大于所述测试试样的标距长度，所述绝缘油桶的内径取值大于15cm。

4.根据权利要求1或2或3所述的测定应力条件下材料电气强度的装置，其特征在于：所述测试电极通过一绝缘夹具安装于测试试样两侧；绝缘夹具主要由两块平行的绝缘环氧板组成，两块绝缘环氧板通过两侧的绝缘螺栓紧固，绝缘环氧板内侧安装固定有夹持住测试试样的球形电极或针-板电极对；所述球形电极的直径为10mm～20mm。

5.根据权利要求1或2或3所述的测定应力条件下材料电气强度的装置，其特征在于：所述电气强度测试装置包括变压器和升压控制显示装置，所述电极引线与所述变压器相连，所述变压器与所述升压控制显示装置相连。

6.一种用权利要求1所述的装置测试应力条件下材料电气强度的方法，包括以下步骤：

7.一种用权利要求1所述的装置测试电击穿后材料承载能力的方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述测试试样为绝缘结构材料制作，所述测试试样的厚度为1.5mm～4.5mm，测试试样的宽度为40mm～60mm。