CN105277822B - 一种针对gis盆式绝缘子的人工加速老化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对GIS盆式绝缘子的人工加速老化试验方法，所述方法针对GIS盆式绝缘子故障频发的状况，结合盆式绝缘子工作环境中可能遇到的老化因素，在试验室条件下对环氧树脂材料设计合理的人工加速老化试验；在此基础上，分析试验数据，找出能够反映老化程度的特征量，绘制环氧树脂材料绝缘老化特征曲线。其中，人工加速老化试验方法设计了符合盆式绝缘子老化环境的试验平台和电极结构，给出了人工加速老化下温度和电压的确定方式，确保了老化试验的等价性，可重复性和可再现性。本发明的试验方法填补了试验室条件下环氧树脂人工加速老化试验方法的空缺，对了解盆式绝缘子老化问题有很大的指导意义。

Description

一种针对GIS盆式绝缘子的人工加速老化试验方法

技术领域

本发明属于固体电介质人工加速老化试验技术领域，特别涉及一种针对GIS盆式绝缘子的人工加速老化试验方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear)简称GIS，由于其具有占地少、可靠性高、无污染、维护方便、使用周期长等与众多传统敞开式电器设备有无可比拟的优势，为国内外电力用户所青睐，成为国内外输配电行业中最有竞争力的尖端设备。盆式绝缘子是GIS的主要组成部件，它有两大功能:一是联系高电位部件与地电位外壳，起着支撑与对地绝缘的作用；二是连接断口间的动触头及静触头相应元件，起着连接与断口绝缘的作用。随着GIS的广泛应用，GIS设备的运行可靠性问题已经引起了国内外的广泛关注，而近年来GIS设备故障事件时有发生。根据运行经验，在所有的GIS故障事例中，盆式绝缘子和隔离开关造成的故障比例最高，其中盆式绝缘子的故障率高达26.6％。

盆式绝缘子的构成材料为环氧树脂。要想弄清盆式绝缘子老化问题，就需要了解环氧树脂材料在GIS环境中的老化机制。环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶的具有三向网状结构的高聚物。目前国内特高压盆式绝缘子浇注所用的主要环氧材料为双酌A型环氧树脂，并配以30％错粉,填料、固化剂等材料。环氧树脂是目前三大通用热固性树脂之一，是热固性塑料中用量最大、应用最广的品种，有着优良的力学性能和电绝缘性能，然而其耐候性和韧性较差，易发生光氧化和热老化。

盆式绝缘子工作在GIS封闭金属外壳中，长期承受高电压，高温环境，其老化主要是电老化和热老化。

电老化主要是由于电场作用产生绝缘老化现象。盆式绝缘子在工作过程中，由于表面自由电荷或金属颗粒的聚集，以及本身可能存在的内部气泡缺陷，会在交流电压场强下形成局部电场过强，产生局部放电，长期局部放电的累积效应造成绝缘子绝缘性能的老化。

固体电介质的性能在长期受热的情况下逐渐劣化，失去原来的优良性能，称为热老化。GIS盆式绝缘子在装配过程中可能会存在有水分子或氧混入的情况，这样会给工作中的盆式绝缘子提供一个湿热或热氧的环境，环氧树脂会在这种环境中发生不可逆转的老化反应。湿热环境对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变。在吸湿过程中，材料的内部会产生溶胀应力，而温度变化将产生热应力，这两种内应力的反复作用并达到一定程度时就会引起应力开裂，甚至形成龟裂纹，而含损伤复合材料层压板在长期湿热环境下将最终形成宏观裂纹。如果在高温环境中有氧存在，环氧树脂会发生热氧化反应。热氧环境下的老化主要是因为热对氧进入材料内部有促进作用，氧的进入可以使材料的老化在热老化更低的温度下开始。因为聚合物中存在较多的-PH键，氧的进入使材料发生氧化反应，产生过氧化氢。过氧化氢在热能作用下可以加速分解产生更多的自由基，从而引发一系列化学反应，而过氧化氢在这些反应中又起到催化作用。

目前国内外所有文献中，尚未见到模拟GIS盆式绝缘子工作环境的人工加速老化试验相关研究，环氧树脂材料的老化问题没有形成可供工程实际参考的规律和结论。

发明内容

基于此，本发明公开了一种针对GIS盆式绝缘子的人工加速老化方法，所述方法包括以下步骤：

S100、预处理试验样品与试验电极；

S200、将试验样品分为两组，并安装试验电极，然后放入多因子老化试验室中，并检查试验样品的电极布置和连接；

S300、对试验样品施加恒定的电压；

S400、将人工加速老化试验平台加热至设定温度；

S500、每隔一段老化时间从两组试验样品中各取出一个试验样品，采取相同的编号，进行绝缘电阻率测量；

S600、如果相同编号的两个试验样品所测绝缘电阻率分别为A和B，计算两个试验样品的绝缘电阻率的均值如果则认为试验数据不典型，重新投入两个新的试验样品做补充试验；如果则记录所测得的绝缘电阻率，并绘制绝缘老化特征曲线。

本发明提出的一种基于GIS盆式绝缘子人工加速老化试验方法设计了符合盆式绝缘子老化环境的试验平台和电极结构，给出了人工加速老化下温度和电压的确定方式，确保了老化试验的等价性，可重复性和可再现性。通过对绝缘材料的老化因素温度及表面电场强度的适当提高，实现了人工加速老化的目的，对不同老化时间后的样品进行电气测量，得到了可以表征老化程度的绝缘老化特征曲线。本发明的试验方法填补了环氧树脂人工加速老化试验方法的空缺，对了解盆式绝缘子老化问题有很大的指导意义。

附图说明

图1为本发明的老化试验样品与电极结构示意图；

图2为本发明的由Arrhenius方程确定的热老化寿命和温度的关系曲线图；

图3为本发明的老化试验中电极电压值确定流程图；

图4为本发明的老化试验操作流程图；

图5为本发明的环氧树脂绝缘老化特征曲线图；

图中1—环氧树脂板，2、3—电极，4—老化特征曲线上包络线，5—绝缘特征曲线下包络线，6—绝缘特征平均值曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行详细的说明。

在一个实施例中，本发明公开了一种针对GIS盆式绝缘子的人工加速老化方法，所述方法包括以下步骤：

S100、预处理试验样品与试验电极；

S200、将试验样品分为两组，并安装试验电极，然后放入多因子老化试验室中，并检查试验样品的电极布置和连接；

S300、对试验样品施加恒定的电压；

S400、将人工加速老化试验平台加热至设定温度；

S500、每隔一段老化时间从两组试验样品中各取出一个试验样品，采取相同的编号，进行绝缘电阻率测量；

S600、如果相同编号的两个试验样品所测绝缘电阻率分别为A和B，计算两个试验样品的绝缘电阻率的均值如果则认为试验数据不典型，重新投入两个新的试验样品做补充试验；如果则记录所测得的绝缘电阻率，并绘制绝缘老化特征曲线。

本实施例所述的方法，是针对盆式绝缘子运行中存在的电老化和热老化过程，利用多因子试验室创造高温和高电压的环境，搭建的电热综合因素的人工加速老化试验平台。在本实施中，绝缘电阻率用绝缘电阻测试仪测量，介质损耗因数用介损测试仪测量。

本实施例设计了符合盆式绝缘子老化环境的试验平台和电极结构，给出了人工加速老化下温度和电压的确定方式，确保了老化试验的等价性，可重复性和可再现性。通过对绝缘材料的老化因素温度及表面电场强度的适当提高，实现了人工加速老化的目的，对不同老化时间后的样品进行电气测量，得到了可以表征老化程度的绝缘老化特征曲线。本发明的试验方法填补了试验室条件下环氧树脂人工加速老化试验方法的空缺，对了解盆式绝缘子老化问题有很大的指导意义。

在本实施例中，检查电极布置目的是：保证各样品电极间的距离,保证电极与环氧树脂板紧紧接触(即无缝隙接触，有缝隙之后会导致电极间空气放电，放电不会沿着样品表面)；检查连接的目的是：保证样品的高压端和低压端的安全距离，避免高低压端裸铜线短路。

本实施例中所述的老化时间保持在3000h以上，所述步骤S500中相隔的老化时间t可取500h，1000h，1500h，2000h或者3000h。

在一个实施例中，所述步骤S100具体包括，将试验样品与试验电极使用酒精进行清洗后，放入温度为30～40摄氏度的烘箱中烘2～3小时，然后在室温下放置24小时以上。

优选的，所述步骤S100具体包括，将试验样品与试验电极使用酒精进行清洗后，放入温度为34摄氏度的烘箱中烘2.5小时，然后在室温下放置28小时。

在一个实施例中，所述步骤S100中的试验样品采用环氧树脂板；试验电极采用铜棒电极。

在本实施例中，试验样品采用和盆式绝缘子材料属性相同类型的环氧树脂板，保证用于试验的多个样品各性能参数一致，且环氧树脂板的物理性能、化学性能及表面光洁程度与盆式绝缘子趋于一致。试验电极采用两根紧贴于环氧树脂板表面的铜棒电极。

在一个实施例中，所述步骤S200中在试验样品表面两侧分别安装一根试验电极，且两侧的试验电极间的距离能够调整。

在本实施例中，每组试验样品为5个环氧树脂板，每个环氧树脂板上安装两个铜棒电极。电极间距和所加电压根据电场仿真数据和试验所得的击穿场强限定，即电极中间区域场强高于盆式绝缘子正常工作场强的2到3倍以上，并小于试验所得击穿场强。试验电极采用两根紧贴于环氧树脂板表面的铜棒电极，很好地模拟了盆式绝缘子的电老化过程，与盆式绝缘子表面经常聚集电荷而发生局部放电的真实情况契合。

在一个实施例中，所述多因子老化试验室内部结构为：地电位端为环形钢架结构，投入的试验样品呈环形均匀分布，通过半径为2mm的裸铜线连接并悬挂在钢架上，高压端从地面变压器端子输出。

本实施例中的多因子试验室是可以同时实现电压，温度，湿度，紫外线，盐雾等综合条件调节的老化试验室，本发明的试验方法中需要同时控制湿度、温度和电压，控制湿度为GIS内部湿度大小，适当提高温度加速材料热老化，控制电极所加电压使样品电场强度达到加速电老化的要求。

在一个实施例中，所述步骤S300中恒定的电压由以下步骤确定：

S3001、通过有限元仿真软件计算盆式绝缘子工作时表面场强分布，取表面最大场强值，为工作场强值；

S3002、建立试验样品与电极的有限元分析模型，设置不同的电极间距和电压值，计算样品电场强度分布；

S3003、仿真计算当试验样品最大场强值约等于盆式绝缘子工作场强时，电极所加的电压U₀，及当样品最大场强值为盆式绝缘子工作场强2～3倍之间时，电极间所加电压U_t；

S3004、向同一温度设定下的多因子老化试验室分别投入3个试验样品，逐步升压，直至样品表面发生沿面闪络击穿，记下三次击穿电压Ue1，Ue2，Ue3，取平均值Ue＝(Ue1+Ue2+Ue3)/3，即为环氧树脂的击穿电压；.

S3005、恒定的电压Ui取值范围为：Ut≤Ui＜Ue。

在本实施例中，步骤S3001取表面最大场强值得原因是根据固体电介质的老化的陷阱理论来确定的，因为固体电介质老化从最薄弱的地方开始，以此处为中心逐渐扩散，故选用绝缘子的老化以其表面的最大电场强度作为参考。

在一个实施例中，步骤S400中所述的设定温度的取值范围为：GIS内部温度与环氧树脂玻璃化温度之间。

在一个实施例中，所述铜棒电极间的距离为10mm,并且保证所述铜棒电极与环氧树脂板紧紧接触。

本实施例所述的铜棒电极间的距离只是一个示例，根据试验的不同要求，铜棒电极的距离也可为其他数值，不限制为10mm。

在一个实施例中，所述步骤S600中的补充试验投入的两个新的试验样品，采取和之前试验数据不典型的两个样品相同的编号，并记下老化时间，新投入的样品达到和之前试验数据不典型的两个样品相同的老化时间后，进行绝缘电阻率测量，直到所测的绝缘电阻率符合试验要求。

在一个实施例中，本发明提出一种基于GIS盆式绝缘子工作环境的环氧树脂材料人工加速老化方法。针对盆式绝缘子运行中存在的电老化和热老化过程，利用多因子试验室创造高温和高电压的环境，搭建的电热综合因素的人工加速老化试验平台。试验样品采用由和盆式绝缘子材料属性相同类型的环氧树脂板，保证用于试验的多个样品各性能参数一致，且环氧树脂板的物理性能、化学性能及表面光洁程度与盆式绝缘子趋于一致。试验电极采用两根紧贴于环氧树脂板表面的铜棒电极，电极间距和所加电压根据电场仿真数据和试验所得的击穿场强限定，即电极中间区域场强高于盆式绝缘子正常工作场强的2到3倍以上，并小于试验所得击穿场强。

多因子试验室是可以同时实现电压，温度，湿度，紫外线，盐雾等综合条件调节的老化试验室，本发明的试验方法中需要同时控制湿度、温度和电压，控制湿度为GIS内部湿度大小，适当提高温度加速材料热老化，控制电极所加电压使样品电场强度达到加速电老化的要求。

试验电极采用两根紧贴于环氧树脂板表面的铜棒电极，很好地模拟了盆式绝缘子的电老化过程，与盆式绝缘子表面经常聚集电荷而发生局部放电的真实情况契合。

试验温度的选取，可在同一电压下，取几组高于GIS环境温度的温度加速热老化，但是要注意不能超过环氧树脂材料本身的玻璃化温度，通过几组数据可由Arrhenius方程推算出工作温度下的热老化寿命。

在同一温度条件下，控制电极间距为定值，在电极上加电压，使加压后样品表面电场强度介于盆式绝缘子工作场强和表面击穿场强之间，试验电压通过仿真和破坏性试验界定。

人工加速老化试验最终可得到环氧树脂材料的绝缘老化特征曲线，需要对经过不同时间老化后的样品进行电气参数测量，找出能代表老化程度的特征量，画出环氧树脂绝缘老化特征曲线。

图1为本发明的老化试验样品与电极结构示意图。试验样品采用由和盆式绝缘子材料属性相同类型的环氧树脂板，样品规格为90mm×50mm×6mm。试验电极采用两根紧贴于环氧树脂板表面的铜棒电极，铜棒直径为2mm，长度取30mm～40mm，两侧电极均可伸缩调整距离。

本发明的试验平台中地电位端为环形钢架结构，投入的试验样品呈环形均匀分布，通过半径2mm的裸铜线连接并悬挂在钢架上。高压端从变压器端子输出，所有样品另一侧电极公用一个高压端，通过导线连接，注意导线之间不得有缠绕。

图2为本发明的由Arrhenius方程确定的热老化寿命和温度的关系曲线图。Arrhenius方程为：

K＝A₀exp(-E/RT) (1)

式中，K为反应速率常数，A₀为前因子，E为反应活化能，R为气体常数，T为热力学温度。为了研究老化寿命与老化温度的关系，可将(1)式转化成

t＝A₀exp(-E_a/RT) (2)

其中t为热老化寿命，E_a为热老化活性能。

将(2)中两边同时取自然对数，可得到预测材料寿命的线性关系动力学模型：

lnt＝lnA₀-E_a/RT (3)

可进一步转化为线性方程

Y＝a+bX (4)

式中，Y＝lnt，a＝lnA₀，b＝-E_a/R，T＝1/(θ+273.15)。θ是以摄氏度表示的温度。

由此，我们可以在3～4个高于GIS内部温度的温度值下做热老化加速试验，得到材料在该温度下的性能衰减至50％的时间(即半衰期)，可以得出老化时间的对数与温度的倒数的线性关系曲线，可确定式(4)中的参数a和b，通过此关系曲线可以得到温度设定为GIS内部工作温度时的环氧树脂材料老化寿命。

图3为本发明的老化试验中电极电压值确定的流程图。

在同一温度条件下，控制电极间距为定值，取几个电压值，使加压后样品表面电场强度介于盆式绝缘子工作场强和表面击穿场强之间，做几组老化加速试验，试验电压的确定步骤如下：

步骤1、通过有限元仿真软件计算盆式绝缘子工作时表面场强分布，取表面最大场强值，为工作场强值。

步骤2、建立试验样品与电极的有限元分析模型，设置不同的电极间距和电压值，计算样品电场强度分布，发现电极的间距比较合适确定为10mm。

步骤3、将电极间距确定为10mm，仿真计算当样品最大场强值约等于盆式绝缘子工作场强时电极所加的电压U₀，及样品最大场强值为盆式绝缘子工作场强2～3倍之间时电极所加电压U_t。

步骤4、将3个试验样品分别投入同一温度设定下的多因子老化试验室，逐步升压，直至样品表面发生沿面闪络击穿，记下三次击穿电压U_e1，U_e2，U_e3，取平均值U_e＝(U_e1+U_e2+U_e3)/3，即为环氧树脂的击穿场强？电压。

步骤5、取5组电压，分别为U₁、U₂、U₃、U₄和U₅，使U_t≤U_i＜U_e(i＝1,2,3,4,5)图4为本发明的老化试验操作流程图。试验步骤为：

步骤1、将试验样品与试验电极用酒精洗净，放入温度为30～40摄氏度的烘箱中烘干2小时，然后置于室温下放置24小时。

步骤2、安装试验电极，将两组装好电极的样品(2×5个)放入人工加速老化试验平台。

步骤3、检查确定样品及电极布置无误，电极连接无误。

步骤4、给试验样品加上确定好的恒定电压。

步骤5、给试验箱加温至设定温度。

步骤6、每隔一段老化时间t从两组样品中各取出一个，采用相同的编号，进行绝缘电阻率及介质损耗因数测量。

步骤7、如相同编号的两个样品所测电气参数值差别很大，则试验数据不典型，需重新及时投入两个新样品(进行编号)做补充试验；如所测电气参数值接近，则记录数据，并绘制绝缘老化特征曲线。

图5为本发明的环氧树脂绝缘老化特征曲线图(以绝缘电阻率为例)。通过两组样品得到两组数据，计算平均值。由两组数据中的较大值绘制绝缘特征曲线上包络线，较小值绘制绝缘曲线下包络线，平均值绘制绝缘特征平均值曲线，即可得到一个带状区域的绝缘特征曲线图。

本实施例针对盆式绝缘子封闭、高温和长期承受高电压的特点，利用多因子试验室设计电热综合因素的人工加速老化试验平台，测量多个环氧树脂样品不同老化程度下的特征量，并最终得到与老化影响因素相关的老化特征曲线。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种针对GIS盆式绝缘子的人工加速老化试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S100、预处理试验样品与试验电极；

S200、将试验样品分为两组，并安装试验电极，然后放入多因子老化试验室中，并检查试验样品的电极布置和连接；

S300、对试验样品施加恒定的电压；

S400、将人工加速老化试验平台加热至设定温度；

S500、每隔一段老化时间从两组试验样品中各取出一个试验样品，采取相同的编号，进行绝缘电阻率测量；

S600、如果相同编号的两个试验样品所测绝缘电阻率分别为A和B，计算两个试验样品的绝缘电阻率的均值如果则认为试验数据不典型，重新投入两个新的试验样品做补充试验；如果则记录所测得的绝缘电阻率，并绘制绝缘老化特征曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S100具体包括，将试验样品与试验电极使用酒精进行清洗后，放入温度为30～40摄氏度的烘箱中烘2～3小时，然后在室温下放置24小时以上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S100中的试验样品采用环氧树脂板，试验电极采用铜棒电极。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S200中在试验样品表面两侧分别安装一根试验电极，且两侧的试验电极间的距离能够调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多因子老化试验室内部结构为：地电位端为环形钢架结构，投入的试验样品呈环形均匀分布，通过半径为2mm的裸铜线连接并悬挂在钢架上，高压端从地面变压器端子输出。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S300中恒定的电压由以下步骤确定：

S3001、通过有限元仿真软件计算盆式绝缘子工作时表面场强分布，取表面最大场强值，为工作场强值；

S3002、建立试验样品与电极的有限元分析模型，设置不同的电极间距和电压值，计算试验样品电场强度分布；

S3003、仿真计算当试验样品最大场强值等于盆式绝缘子工作场强时，电极所加的电压U₀，及当试验样品最大场强值为盆式绝缘子工作场强2～3倍之间时，电极间所加电压U_t；

S3004、向同一温度设定下的多因子老化试验室分别投入3个试验样品，逐步升压，直至试验样品表面发生沿面闪络击穿，记下三次击穿电压Ue1，Ue2，Ue3，取平均值Ue＝(Ue1+Ue2+Ue3)/3，即为环氧树脂的击穿电压；

S3005、恒定的电压Ui取值范围为：Ut≤Ui＜Ue。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S400中所述的设定温度的取值范围为：GIS内部温度与环氧树脂玻璃化温度之间。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述铜棒电极间的距离为10mm,并且保证所述铜棒电极与环氧树脂板充分接触。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S600中的补充试验投入的两个新的试验样品，采取和之前试验数据不典型的两个样品相同的编号，并记下老化时间，新投入的样品达到和之前试验数据不典型的两个样品相同的老化时间后，进行绝缘电阻率测量，直到所测的绝缘电阻率符合试验要求。