CN103823166B

CN103823166B - 一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN103823166B
Application number: CN201410071386.5A
Authority: CN
Inventors: 鲁海亮; 廖帆; 廖一帆; 张福增; 袁小清; 蓝磊; 文豹; 文习山
Original assignee: Wuhan University WHU; Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: Wuhan University WHU; Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103823166A

Abstract

本发明涉及一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置及测试方法，包括一个玻璃柜、设置在玻璃柜内用于放置被测试品的平台组件、一个高压系统和一个低压系统；所述玻璃柜内充有绝缘油；玻璃柜由绝缘支柱支撑在地面；高压系统的一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；低压系统一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；通过测试波形、频率以及温度对电树枝化的影响，建立对绝缘疲劳状态进行评估的指标模型；建立描述绝缘疲劳寿命曲线的模型；以及建立疲劳寿命曲线和运行试验数据对绝缘状态进行寿命评估的模型。本发明能够对绝缘老化发展过程进行准确描述和预测，进而对绝缘状态准确判定，能够提高电气设备状态维修工作效率、减少成本。

Description

一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳测试装置及测试方法，尤其是涉及一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置及测试方法。

背景技术

电气设备的绝缘状况对电力系统的稳定运行极其重要，传统的电气设备绝缘定期试验方式（预防性试验）因试验电压低、需要停电进行等原因，无法满足现代电力系统的需求。对电气设备的绝缘状态进行在线诊断是绝缘技术发展的必然趋势，也是实现电力设备状态维修的基础。

电气设备的绝缘材料包括气体绝缘、液体绝缘和固体绝缘（油纸绝缘是液体和固体的结合）。固体绝缘在实际运行中，不仅承受着电压作用，而且往往承受着机械力作用。随着运行条件和环境的变化，固体绝缘的工作状态在不停地发生改变，其绝缘性能的老化是电场、力、温度、湿度等多种因素综合作用的结果。一般而言，固体绝缘的老化过程是非常漫长的，在全过程中，工作条件和环境参数又在不断变化，这造成了固体绝缘老化的长期性和复杂性特征。长期以来，针对绝缘诊断问题，国内外学者进行了广泛研究，取得了一些成果，但绝缘老化发展过程的准确描述和预测以及绝缘状态的准确判定依然是状态维修工作中的瓶颈。

在固体绝缘老化诊断研究方面，有多个研究侧重面和研究方法，如李彦雄等研究了不同添加剂对交联聚乙烯中水树枝的抑制效果，发现材料屈服应力对水树枝老化特性影响显著；郑柏林等研究发现二次施压会对XLPE电缆中电树枝的二次引发和生长产生较大影响，是加速电缆老化和击穿的主要因素。廖瑞金等设计了交联聚乙烯电缆样品和相应的试验电极装置，搭建了基于实际XLPE电缆的电树枝化试验平台进行试验，通过统计分析研究发现最大放电量相位分布和平均放电量相位分布的3阶矩随着电树枝的生长发展而减小，可作为诊断电树枝生长发展阶段的参考量，并与杨丽君、李剑等采用多种方法对油纸绝缘老化特性进行了深入研究。许中荣和唐炬等对环氧树脂绝缘中微气泡缺陷，采用电子显微切片结果构建微气泡模型，分析微气泡局放特征，利用Weibull分布统计分析，得到了微气泡缺陷下的寿命预测曲线。雷清泉等从热激电流和热释光角度对聚乙烯样品老化特性进行了分析研究，并对聚合物老化前后的电导电流特性进行了测量分析。李剑等研究了电晕老化过程中产生的空间电荷对油纸绝缘的影响，获得了老化前后空间电荷特征及变化。丁立健、屠幼萍等研制了对有机绝缘材料进行电晕老化测试的装置和系统，并与李成榕等提出了基于热刺激电流的合成绝缘子老化诊断方法，采用热刺激电流测试的方式对电晕电压、老化时间及相对湿度在硅橡胶电晕老化试验中所起的作用进行了研究。屠幼萍等又在热刺激电流方法的基础上加入了憎水性测试和Fourier变换红外光谱(FTIR)分析方法对复合绝缘子老化诊断进行了研究。李建英、李盛涛等对压敏陶瓷冲击老化性能进行了研究。周远翔等对聚乙烯和硅橡胶电老化过程中温度、氧气浓度、频率等因素的影响进行了试验研究。吴广宁等对电机绝缘材料、储能电容器以及电缆绝缘老化采用多种方法进行了研究，并提出了一些寿命评估模型。

国外发表的文献在固体绝缘老化诊断方面的研究状况与国内相似，这些研究的对象主要集中在固体绝缘材料的水树枝、电树枝、tanδ、局部放电特征上，衡量绝缘状态也是通过对这些对象的分析进行的。ChmuraL.A.等研究了热老化进程对油浸绝缘耐压特性的影响，SihvoV.等对高压电机主绝缘老化进程中产出气体的影响进行了测量分析研究，西安交通大学张冠军课题组对油浸纸绝缘老化过程中空间电荷的特性进行了研究，也有文献介绍了在武高所进行的地埋电缆水树枝生长特性研究成果。LahoudN.等通过加速老化试验的方法对低压电机绝缘老化进程进行了研究，并基于试验研究结果提出了寿命评估模型。华北电力大学李卫国课题组对处于77K温度环境中应力作用下的纸绝缘和绝何物绝缘材料老化特性进行了试验研究。

在绝缘老化的模型及评价方法方面，有基于传统统计分析的方法、也有基于专家系统和遗传算法、模糊数学等新兴理论的方法。在研究尺度上，主要是对宏观尺度参数的研究，也有少量研究进入了微观层面，比如杨丽君的研究涉及到了对油纸绝缘的纤维素分子模拟；许中荣的研究涉及到了微米级气泡中电场计算，朱孟兆在油纸绝缘热老化研究中采用了分子动力学模拟方法。这些研究多是针对绝缘老化发展过程中参数变化的现象进行的，少有提出明确的老化发展模型，对老化过程缺少明确的分段。

机械绝缘的疲劳研究目前已经比较成熟，首先对疲劳的起始和发展过程有较为明确统一的描述，并且发展出了多种疲劳寿命预测方法，如应力寿命法，应变寿命法。在研究尺度上，既有对结构的宏观研究，也有对材料进行微观的机理研究。在疲劳模型建立方面，有基于仿生学建立的模型，也有通过对实验结果进行回归分析得到的模型。

在绝缘老化评估研究方面，近年在国内外出现了将机械疲劳与电气绝缘老化相结合的研究，如ZuoqianWang等对交联聚乙烯电缆试品水树枝老化进程中应力的作用进行了试验研究，试验结果表明：不足以对绝缘性能产生即时破坏的机械应力可以引起绝缘的“疲劳”损伤，并提出“疲劳”可能作为长期运行的地埋电缆中水树枝发展的一种解释方法。此外，还有一些将机械性能与绝缘性能结合的研究，如Bittner-RohrhoferK.等对热核反应堆绝缘系统机械性能进行了研究，KimMyungHyun等对天然气管道绝缘壁的机械疲劳问题进行了研究，LiYu-qiong对不同材料在疲劳失效过程中的电气绝缘性能进行了测试研究。在上述研究中，少有采用疲劳视角对绝缘老化过程进行描述的研究（仅LiYu-qiong研究中有相关描述）；在对绝缘状态评估的参数中，主要是电气参数，少有机械性能参量。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能够对绝缘老化发展过程进行准确描述和预测，进而对绝缘状态准确判定，能够提高电气设备状态维修工作效率、减少成本的一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置及测试方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置，其特征在于，包括一个玻璃柜、设置在玻璃柜内用于放置被测试品的平台组件、一个高压系统和一个低压系统；所述玻璃柜内充有绝缘油；玻璃柜由绝缘支柱支撑在地面；高压系统的一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；低压系统一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；

所述平台组件包括一个平台以及正负电极，被测试品放置在正负电极之间；

所述高压系统包括：

高压系统包括高压部分和绝缘部分；所述高压部分包括试验变压器与其引线；所述绝缘部分包括套管和设置在玻璃柜内的绝缘油；试验变压器的引线穿过套管进入到玻璃柜内并与平台组件连接；套管的部分设置在玻璃柜内；

所述低压系统包括：

依次串联的220V工频电源、温控开关和加热器；所述加热器设置在玻璃柜内。

在上述的一种固体绝缘劣化进程的疲劳描测试装置，所述的高压系统中，试验变压器包括依次串联的可调电压源和10kΩ保护电阻；以及并联在可调电压源和保护电阻两端的1000pF耦合电容；平台组件的正负极接到耦合电容两端，并且耦合电容的一端接地，接地端还串联有传感器、放大滤波器和数字示波器。

一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试方法，其特征在于，通过测试波形、频率以及温度对电树枝化的影响，得到建立如下模型：

模型一，固体绝缘疲劳状态衡量模型：在进行试验的时候，通过改变电压大小控制电磁场大小，此即为电参数；探究非电气参数的影响即是通过改变温度；通过由传感器、放大滤波器和数字示波器组成的数据采集系统，分析泄漏电流参数，即可判断绝缘试品的绝缘状态；通过电气参数与非电气参数的耦合，即综合两类参数对绝缘的影响进行分析，从而对绝缘疲劳状态进行评估；其中电气参数影响为波形、频率对电树枝化的影响测试，非电气参数为温度对电树枝化的影响测试；

模型二，固体绝缘疲劳损伤机理及发展模型：

通过试验手段，研究电场、应力等因素造成绝缘疲劳损伤起始的条件及阈值，观察疲劳缺陷的状态，在不同电磁场、温度、湿度和应力耦合作用下，观测绝缘疲劳发展过程；比较、量化造成损伤的原因和各种环境因素对疲劳发展过程的影响作用，建立绝缘材料局部缺陷电场计算模型，采用数值计算方法，研究缺陷区域电场特征，评估电场变化对缺陷发展的影响；该数值计算为采用有限元计算ANSYS进行，通过依据试验的情况进行建模、仿真，研究缺陷的微观机理；

模型三，固体绝缘寿命评估诊断模型：

将模型一和模型二结合，建立能反映绝缘材料疲劳发展过程中参数变化的疲劳发展模型，分析各环境参数对疲劳发展进程的影响，通过试验研究和参数测试，基于疲劳发展模型，对绝缘状态进行寿命评估；通过上述试验和仿真计算，获取各参数是如何影响固体绝缘寿命，从而对绝缘状态进行寿命评估。

在上述的一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试方法，所述测试波形、频率以及温度对电树枝化的影响为一下三个测试步骤：

测试步骤一：波形对电树枝化的影响测试步骤：

试品在30℃下，在50Hz、15kV波形上分别叠加-1kV、0kV和1kV直流电压，观察并记录放电数据，在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察电树枝形态，每组重复5-10次；

测试步骤二：频率对电树枝化的影响测试步骤：

试品在30℃下分别以25Hz、50Hz、100Hz、200Hz、300Hz的频率，以1kV/s的升压速度升至15kV后稳定，观察并记录放电数据，在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察电树枝形态，每组重复5-10次；

测试步骤三：温度对电树枝化的影响测试步骤：

绝缘油温度对电树枝化影响试验中，需利用温度控制电路（即图1中接u ₂电路）进行温度调节及恒温控制；试品分别放入0℃、30℃、60℃、90℃、120℃的绝缘油中静置5min，保证材料温度与外部一致后，再进行试验，由于加热时间较短，所以可以认为此时硅橡胶材料还未发生热老化，然后在工频下以1kV/s的升压速度升至15kV后稳定，观察并记录放电数据，在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察，每组重复5-10次。

因此，本发明具有如下优点：能够对绝缘老化发展过程进行准确描述和预测，进而对绝缘状态准确判定，能够提高电气设备状态维修工作效率、减少成本。

附图说明

附图1是本发明的实验平台连接结构示意图。

附图2是本发明的试验电路示意图。

附图3是本发明固体绝缘劣化进程的疲劳测试方法流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

试验平台和电路如图1和图2所示。实验部分包括一个玻璃柜、设置在玻璃柜内用于放置被测试品的平台组件、一个高压系统和一个低压系统；所述玻璃柜内充有绝缘油；玻璃柜由绝缘支柱支撑在地面；高压系统的一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；低压系统一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；

所述高压系统包括：

所述低压系统包括：

依次串联的220V工频电源、温控开关和加热器；所述加热器设置在玻璃柜内；

图1中，整个平台由绝缘支柱支撑玻璃柜，内加绝缘油组成，试样置于绝缘油中，玻璃柜内壁底部以及四周均加保温材料。图2中，电路包括可调电压源、10kΩ保护电阻和1000pF耦合电容组成一个50kV/50kVA的无晕局部放电电源系统。电极结构按照GB/T1408.1-2006中等直径电极制作。传感器为铁氧体罗戈夫斯基线圈(带宽0.05~15MHz)，PD信号经过10~100倍的程控放大和100kHz的高通滤波后，利用LeCroyWavepro7100示波器(带宽1GHz，最高采样率20GS/s)进行观测和采集存储。

图1中提到的“接试验变压器”是图2中的电压源、保护电阻和耦合电容三部分；试品及高低压引线是图2中的两个电极和材料试片。另外，图2中的传感器、放大滤波器和数字示波器组成的数据采集系统应在图1中接地的引线处。

试验中，选用试样为电力系统中广泛使用的固体绝缘材料交联聚乙烯。通过对试品进行加压，使其发生电树枝老化。老化过程中分别改变试验电压u ₁的波形、频率和绝缘油的温度，进行如下试验。

①波形对电树枝化的影响试验

试品A1、B1、C1、D1、E1在30℃下，在50Hz、15kV波形上分别叠加-1kV、0kV和1kV直流电压，观察并记录放电数据。在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察电树枝形态。每组重复7次。

②频率对电树枝化的影响试验

试品A2、B2、C2、D2、E2在30℃下分别以25Hz、50Hz、100Hz、200Hz、300Hz的频率，以1kV/s的升压速度升至15kV后稳定，观察并记录放电数据。在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察电树枝形态。每组重复7次。

③温度对电树枝化的影响试验

绝缘油温度对电树枝化影响试验中，需利用温度控制电路（即图1中接u ₂电路）进行温度调节及恒温控制。

试品A3、B3、C3、D3、E3分别放入0℃、30℃、60℃、90℃、120℃的绝缘油中静置5min，保证材料温度与外部一致后，再进行试验。由于加热时间较短，所以可以认为此时硅橡胶材料还未发生热老化。然后在工频下以1kV/s的升压速度升至15kV后稳定，观察并记录放电数据。在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察。每组重复7次。

试验目标如下：

①固体绝缘疲劳状态衡量指标

固体绝缘的疲劳损伤起始和发展过程是电场、磁场、温度、湿度、应力等多因素综合作用的结果，其中既包含有物理变化，又包含化学反应；仅用电气性能参数对绝缘进行评估难以反映材料的真实状态和综合性能。为了对材料绝缘性能进行综合有效评估，需要发掘出固体绝缘材料除电气参数以外的，对绝缘性能有影响的参数；研究这些参数对绝缘性能影响的程度；探讨这些非电气参数与电气参数耦合作用于绝缘性能的关系；将非电气参数与电气参数结合，参考材料及结构力学疲劳可靠性评估中的方法，建立对绝缘疲劳状态进行评估的指标。

②固体绝缘疲劳损伤机理及发展过程

通过试验手段，研究电场、应力等因素造成绝缘疲劳损伤起始的条件及阈值，观察疲劳缺陷的状态。在不同电磁场、温度、湿度和应力耦合作用下，观测绝缘疲劳发展过程；比较、量化造成损伤的原因和各种环境因素对疲劳发展过程的影响作用。建立绝缘材料局部缺陷电场计算模型，采用数值计算方法，研究缺陷区域电场特征，评估电场变化对缺陷发展的影响。

③固体绝缘寿命评估诊断方法

将固体绝缘材料疲劳状态量化指标和疲劳发展过程规律的研究结果结合，建立能反映绝缘材料疲劳发展过程中参数变化的疲劳发展模型。分析各环境参数对疲劳发展进程的影响，通过试验研究和参数测试，基于疲劳发展模型，对绝缘状态进行寿命评估。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试方法，其特征在于，基于固体绝缘劣化进程的疲劳测试装置，包括一个玻璃柜、设置在玻璃柜内用于放置被测试品的平台组件、一个高压系统和一个低压系统；所述玻璃柜内充有绝缘油；玻璃柜由绝缘支柱支撑在地面；高压系统的一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；低压系统一部分设置在玻璃柜内，另一部分设置在玻璃柜外；

所述高压系统包括：

所述低压系统包括：

所述的高压系统中，试验变压器包括依次串联的可调电压源和10kΩ保护电阻；以及并联在可调电压源和保护电阻两端的1000pF耦合电容；平台组件的正负极接到耦合电容两端，并且耦合电容的一端接地，接地端还串联有传感器、放大滤波器和数字示波器；

通过测试波形、频率以及温度对电树枝化的影响，得到建立如下模型：

模型二，固体绝缘疲劳损伤机理及发展模型：

通过试验手段，研究电场、应力因素造成绝缘疲劳损伤起始的条件及阈值，观察疲劳缺陷的状态，在不同电磁场、温度、湿度和应力耦合作用下，观测绝缘疲劳发展过程；比较、量化造成损伤的原因和各种环境因素对疲劳发展过程的影响作用，建立绝缘材料局部缺陷电场计算模型，采用数值计算方法，研究缺陷区域电场特征，评估电场变化对缺陷发展的影响；该数值计算为采用有限元计算ANSYS进行，通过依据试验的情况进行建模、仿真，研究缺陷的微观机理；

模型三，固体绝缘寿命评估诊断模型：

2.根据权利要求1所述的一种固体绝缘劣化进程的疲劳测试方法，其特征在于，所述测试波形、频率以及温度对电树枝化的影响为以下三个测试步骤：

测试步骤一：波形对电树枝化的影响测试步骤：

测试步骤二：频率对电树枝化的影响测试步骤：

测试步骤三：温度对电树枝化的影响测试步骤：

绝缘油温度对电树枝化影响试验中，需利用温度控制电路进行温度调节及恒温控制；试品分别放入0℃、30℃、60℃、90℃、120℃的绝缘油中静置5min，保证材料温度与外部一致后，再进行试验，由于加热时间较短，所以可以认为此时硅橡胶材料还未发生热老化，然后在工频下以1kV/s的升压速度升至15kV后稳定，观察并记录放电数据，在放电量达到1500pC左右时停止施压，取出试片在显微镜下观察，每组重复5-10次。