CN105425119B - 一种可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统 - Google Patents

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Abstract

一种可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统，包括由容器壁和玻璃底座构成的实验器皿；其内填充二甲基硅油；环形玻璃管呈螺旋形环绕在实验器皿的内侧；环形玻璃管通过热循环管与高温加热源连接，高温加热源内填充硅油；试样置于实验器皿底部，高压引线一端连接试样正极，另一端连接高压电源；低压引线一端连接试样负极，另一端连接外部地线；本发明系统能够在外加交、直流电压下对固体绝缘试样进行树枝化试验，并实现对电树枝引发及生长特性的显微观察；能够实现对试样同时施加电压应力和高温热应力，避免加温系统对树枝化试验及测量的干扰；系统采用封闭式循环，热量损失小，热能利用效率高，操作简单，运行可靠，无噪声，使用寿命长。

Description

一种可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统
技术领域
本发明涉及一种可高效控温的高温树枝化试验系统，特别是在外加交、直流电压下对固体绝缘材料进行高温下树枝化试验的试验系统。
背景技术
绝缘材料的老化，是指材料在储存或使用过程中，在热、电、机械力、光、氧、潮气、化学药品、高能辐射线以及微生物等因素的长时间作用下，其性能发生不可逆变化的现象。引起绝缘材料老化的因素主要有以下几类：电应力、热应力、机械应力和环境应力等。
电老化是高压绝缘材料所特有的老化形式，它是高电压或高场强长期作用所引起的材料性能劣化；热老化是绝缘材料在长时间高温作用下，由于过热或者氧化等引起其性能发生变化，通常导致其物理特性(断裂伸长率、抗张强度、断裂能等)和电气特性(介损、击穿电压及起树电压等)降低。电、热联合作用下的绝缘材料老化并不是热老化和电老化的简单代数叠加，而是两个因子相互影响共同作用的结果。
近年来，由于所具有的结构紧凑、安装方便、易于维护、环境友好等优点，固体绝缘电力设备在交、直流输、配电网络中获得了广泛应用，在许多场合取代了油纸及气体绝缘结构。研究发现，对高压/超高压固体绝缘，电树枝化是导致绝缘失效的主要原因。针对固体绝缘材料在交流电压下电树枝特性的研究开展较广，主要涉及电压幅值、升压速率、频率、残余机械应力等对电树枝引发概率、生长速度、结构形态等的影响，各种电树枝通道的痕量分析，以及电树枝劣化状态与局部放电量的对应关系等。直流电压下固体绝缘的老化特性与交流下显著不同。直流电树枝引发困难，生长速度慢，实时观测难以实现，这可能是导致该领域研究报道不多的原因。但近年来，对固体绝缘材料，如低密度聚乙烯(LDPE)、交联聚乙烯(XLPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅橡胶(SR)等中直流电树枝的研究内容也开始见诸报导，包括直流树、直流接地树、直流电压极性反转树、直流叠加冲击树以及直流预压冲击树等。
以上的固体绝缘树枝化试验都是在室温下进行的，通过测试材料在外加电压下的电树枝引发及生长特性对其耐受电压老化的能力进行评估。但是，几乎所有的高压绝缘在设备运行时都要同时耐受高温的作用，例如，XLPE电缆的长期运行允许温度为90℃，短路允许温度为250℃，远高于一般试验中采用的室温条件，而高温对固体绝缘的使用寿命具有决定性影响：当XLPE电缆的实际工作温度高于长期允许最高工作温度8℃，其寿命就将会减半。现有研究发现，电树枝耐受特性、尤其是引发特性对高压固体绝缘电老化性能具有决定性作用，而温度对电树枝引发电压影响较大。因此，从反映电力设备实际运行条件的角度来看，研究高温条件下固体绝缘的树枝化特性对于绝缘结构设计、运行可靠性评估等都具有非常重要的实际工程意义。
在研究高温条件下固体绝缘中电树枝引发和生长特性的试验中，温度控制的效果直接影响试验结果的准确性和可靠性，一套精确高效、操作简便的控温系统对于进行高温下固体绝缘的树枝化试验而言是必不可少的。
陈向荣博士曾经进行过相关研究，并且在所发表的文章《高温下交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝测试系统设计》中，介绍了所采用的高温加热循环系统。但我们的研究发现，该系统还存在一些不足之处：1)实验器皿包括外环和内环，硅橡胶管道敷设于内、外环之间，这样的结构使得需加热的硅油体量较大，加热时间长，且器皿制作麻烦，浪费材料，空间利用率低；2)内环由聚四氟乙烯材料制成，导热性差，阻碍了热量的有效传递，加热过程中热量损失较多，不易使内环中硅油的温度达到试验要求；3)该系统使用的是高粘度(500cps-1000cps)硅油，流动性差，循环过程中热量传递慢，需要较长时间才能达到试验温度，尤其在高温下加热困难；4)高温加热源内的温度与实验器皿内的温度差异大，致使该试验系统可提供的试验温度范围窄。
为了能够实现试验系统的快速升温以及温度的精确稳定，需要建立更加高效准确、操作简单的高温树枝化试验系统。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统，该试验系统具有能够快速升温、精确控温、易于操作的特点，在满足交、直流电压下进行固体绝缘试样树枝化试验的试样固定、施加电压、树枝观察等要求的同时，还能够提供满足要求的高温试验温度条件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统，包括实验器皿，所述实验器皿由容器壁1和玻璃底座2构成，环形玻璃管3环绕在实验器皿的内侧，环形玻璃管3内填充有硅油6，试样置于实验器皿底部，温度计7置于实验器皿中实时测温；环形玻璃管3通过热循环管5与高温加热源4连接，高温加热源4内部填充硅油6，硅油6由高温加热源4的出口经热循环管5流进环形玻璃管3的入口，经过环流，再从环形玻璃管3的出口经热循环管5流进高温加热源4的入口，由此构成封闭式高温油浴循环加热系统；高压引线8从位于环形玻璃管3上方的容器一侧壁面透孔穿出，高压引线8位于实验器皿内的一端连接试样正极，位于实验器皿外的一端连接高压电源；低压引线9从位于环形玻璃管3上方的容器另一侧壁面透孔穿出，低压引线9位于实验器皿内的一端连接试样负极，位于实验器皿外的一端连接外部地线。
所述容器壁1由聚四氟乙烯制成，机械加工方便，保温性能良好，能够尽量减少实验器皿的热量散失。
所述玻璃底座2采用加厚钢化玻璃，既能够保证容器的坚固性，还能够使得透射光源产生的光线从容器底部透过并照亮试样区域，满足对试样内电树枝的观测及拍照需求。
所述实验器皿和高温加热源4内填充的硅油6均采用粘度为100cps的二甲基硅油，其具有卓越的耐热性及电绝缘性，既作为加热介质，为试样提供高温试验环境，又作为绝缘介质，能够防止试样发生外部放电和沿面闪络，且比热容小，热对流容易，保证油浴升温快，温度分布均匀。
所述环形玻璃管3采用耐高温玻璃管，环形玻璃管3呈螺旋型环绕在实验器皿的内侧，其尺寸及环绕圈数需根据实验器皿的直径和高度来确定，进出口均高于容器壁1，并呈“L”形向外弯折，需按要求定制；该结构可增大硅油的受热面积，具有升温快、发热均匀、热效率高、加热装置体积小等优点，能在高温条件下连续使用，并给试样留下足够的实验空间。
所述热循环管5采用耐高温硅胶软管，耐高温硅胶软管有极好的耐高温性能，保证了油浴加热系统的加热性能和传热效果，有利于稳定、低耗的完成流体传热过程，同时其结构柔软，方便实验平台的移动。
所述封闭式高温油浴循环加热系统的高温加热源4设定温度与实验器皿内实验温度的温差小，系统控温范围为室温至200℃，温度波动范围为±1℃；能够实现对试样同时施加电压应力和高温热应力，封闭式高温油浴循环加热系统不会对试样在高压下试验及电树枝特性观察及记录造成不便或干扰。
作为本发明的优选实施例，所述高温加热源4选用无锡沃信GX系列高温循环器。高温循环器的进出口通过热循环管5后，与环形玻璃管3的进出口对应连接，连接处用扎带固定。
本发明可高效控温的高温树枝化试验系统至少具有以下优点：
本系统选用的粘度为100cps的二甲基硅油具有卓越的耐热性及电绝缘性，既作为加热介质，为试样提供高温试验环境，又作为绝缘介质，可以防止试样发生外部放电和沿面闪络，且比热容小，热对流容易，保证油浴升温快，温度分布均匀；实验器皿采用聚四氟乙烯材料，因为聚四氟乙烯机械加工方便，保温性能良好，能够尽量减少实验器皿的热量散失；实验器皿底部采用加厚钢化玻璃，既可以保证容器的坚固性，还可使得透射光源产生的光线从容器底部透过并照亮试样区域，满足对试样内电树枝的观测及拍照需求；在实验器皿内环绕耐高温玻璃管，可增大硅油的受热面积，具有升温快、发热均匀、热效率高、加热装置体积小等优点，能在高温条件下连续使用，并给试样留下足够的实验空间；耐高温硅胶软管有极好的耐高温性能，保证了油浴加热系统的加热性能和传热效果，有利于稳定、低耗的完成流体传热过程，同时其结构柔软，方便实验平台的移动；作为优选实施例的无锡沃信GX系列高温循环器的最高温度可达300℃，升温迅速，温度稳定，控温精度达±0.2℃，LED双窗口分别数显温度测量值及温度设定值，触摸按键操作方便。此外，高温循环器还可选配冷水循环装置，通入自来水实现体系内部快速降温，适合于高温下放热反应的温度控制；也可根据试验需求改变实验器皿内填充的液体。
本发明中可高效控温的高温树枝化试验系统在各优选实施例的配合下，能够实现快速升温，高温加热源设定温度与实验器皿内实验温度的温差小，系统控温范围为室温至200℃，温度波动范围为±1℃；能够在外加交、直流电压下对固体绝缘试样进行树枝化试验，并实现对电树枝引发及生长特性的显微观察；能够实现对试样同时施加电压应力和高温热应力，避免加温系统对树枝化试验及测量的干扰；系统采用封闭式循环，热量损失小，热能利用效率高，操作简单，运行可靠，无噪声，使用寿命长。
附图说明
图1为可高效控温的高温树枝化试验系统的结构组件示意图。
图2为环形玻璃管的结构示意图。
图3为研究不同温度下固体绝缘中电树枝引发及生长特性的试验系统结构示意图。
图4为90℃、11kV交流电压下XLPE绝缘中引发的电树枝放大照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的内容作进一步详细说明。
如图1所示，本发明可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统，采用了由聚四氟乙烯容器壁1和加厚的钢化玻璃底座2构成的实验器皿，环形玻璃管3环绕在实验器皿的内侧，其进出口通过热循环管5与高温加热源4的进出口相连，高温加热源4和环形玻璃管3内均填充有硅油6，构成封闭式循环，温度计7置于实验器皿中实时测温。高温加热源4通过热循环管5与实验器皿内的环形玻璃管3相连并为实验器皿内提供热源；高压引线8从位于环形玻璃管3上方的容器左侧壁面透孔穿出，其位于实验器皿内的一端连接试样正极，位于实验器皿外的一端连接高压电源；低压引线9从位于环形玻璃管3上方的容器右侧壁面透孔穿出，其位于实验器皿内的一端连接试样负极，位于实验器皿外的一端连接外部地线。环形玻璃管3选用耐高温玻璃管，热循环管5选用耐高温硅胶软管，硅油6选用粘度为100cps的二甲基硅油，高温加热源4优选无锡沃信GX系列高温循环器。
该可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统能够实现快速升温，高温加热源设定温度与实验器皿内实验温度的温差小，系统控温范围为室温至200℃，温度波动范围为±1℃；能够在外加交、直流电压下对固体绝缘试样进行树枝化试验，并实现对电树枝引发及生长特性的显微观察；能够实现对试样同时施加电压应力和高温热应力，避免加温系统对树枝化试验及测量的干扰；系统采用封闭式循环，热量损失小，热能利用效率高，操作简单，运行可靠，无噪声，使用寿命长。
参考表1所示，在设备及线路连接完成后，设定高温加热源的温度，然后测量实验器皿内的实际温度，得到如表1所示的高温加热源设定温度与实验器皿内实验温度的对应关系表，可见，高温加热源设定温度与实验器皿内实验温度的温差小，系统升温快，在实验温度50℃时，高温加热源设定温度为60℃，升温只需15分钟；随着实验温度的升高，热量损失增加，温度差异增大，升温时间增长。
表1
高温加热源设定温度(℃) 实验器皿内实验温度(℃) 升温时间(min)
260 200 60
150 110 40
115 90 30
85 70 20
60 50 15
如图2所示，环形玻璃管3为呈螺旋型环绕的耐高温玻璃管，环形玻璃管3环绕在实验器皿的内侧，其尺寸及环绕圈数需根据实验器皿的直径和高度来确定，进出口均高于容器壁，并呈“L”形向外弯折。在实验器皿内环绕耐高温玻璃管，可增大硅油的受热面积，具有升温快、发热均匀、热效率高、加热装置体积小等优点，可在高温条件下连续使用，并给试样留下足够的实验空间。
下面结合具体操作步骤对本发明作更详细的说明。
如图3所示，利用本发明所设计的试验系统对XLPE电缆绝缘试样进行高温90℃下的加压实验，并利用显微数字摄像系统实时观察记录试样中的电树枝引发及生长特性。在外施电压下，实时显微观察试样中针电极尖端区域，以确定是否有电树枝被引发，观察电树枝形态及生长特性，并进行拍照记录，包括如下步骤：
a.实验器皿由聚四氟乙烯容器壁1和加厚的钢化玻璃底座2构成；先将环形玻璃管3放入实验器皿内，再在实验器皿左右两侧壁上的透孔处放置并固定高压引线8及低压引线9；将高压引线8与外部的高压电源连接，低压引线9与外部地线连接；
b.将试样放置于实验器皿内，试样的正极接高压引线8，试样的负极接低压引线9；
c.向实验器皿内注入硅油6，将试样完全浸在硅油中；
d.通过热循环管5将环形玻璃管3的进出口与高温加热源4的进出口分别相连，并用扎带紧固连接处。向高温加热源4内注入硅油6，硅油6由高温加热源4的出口经热循环管5流进环形玻璃管3的入口，经过环流，再从环形玻璃管3的出口经热循环管5流进高温加热源4的入口，由此构成封闭式循环。在高温加热源4内被加热的硅油6输送到环形玻璃管3内，实现对实验器皿内部的加热，为试样提供所需的高温环境；
e.将装配完成的实验器皿放置在显微镜载物台上，调整显微镜的镜头，对准实验器皿内试样的正上方，打开下光源，对实验器皿位置、光源亮度和显微镜物镜的高度进行微调，直到试样中的针电极尖端清晰出现在显微观察软件系统屏幕的中心位置；
f.按照图3所示完成试验系统的整体安装及线路连接后，设定高温加热源4的温度为115℃，然后用温度计7放置于实验器皿内进行温度测量，当实验器皿内的温度稳定在试验所需的90℃时，开启显微数字摄像系统的实时拍照功能，给试样的高压极上施加设定的11kV交流试验电压，开始进行树枝化引发及生长试验。
图4是温度为90℃、电压为交流11kV时在XLPE绝缘试样中所引发的电树枝放大照片。
以上所述仅为本发明的一种优选实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统，其特征在于：包括实验器皿，所述实验器皿由容器壁(1)和玻璃底座(2)构成，环形玻璃管(3)环绕在实验器皿的内侧，环形玻璃管(3)内填充有硅油(6)，试样置于实验器皿底部，温度计(7)置于实验器皿中实时测温；环形玻璃管(3)通过热循环管(5)与高温加热源(4)连接，高温加热源(4)内部填充硅油(6)，硅油(6)由高温加热源(4)的出口经热循环管(5)流进环形玻璃管(3)的入口，经过环流，再从环形玻璃管(3)的出口经热循环管(5)流进高温加热源(4)的入口，由此构成封闭式高温油浴循环加热系统；高压引线(8)从位于环形玻璃管(3)上方的容器一侧壁面透孔穿出，高压引线(8)位于实验器皿内的一端连接试样正极，位于实验器皿外的一端连接高压电源；低压引线(9)从位于环形玻璃管(3)上方的容器另一侧壁面透孔穿出，低压引线(9)位于实验器皿内的一端连接试样负极，位于实验器皿外的一端连接外部地线；
所述容器壁(1)由聚四氟乙烯制成；
所述玻璃底座(2)采用加厚钢化玻璃，既能够保证容器的坚固性，还能够使得透射光源产生的光线从容器底部透过并照亮试样区域，满足对试样内电树枝的观测及拍照需求；
所述实验器皿和高温加热源(4)内填充的硅油(6)均采用粘度为100cps的二甲基硅油；
所述环形玻璃管(3)采用耐高温玻璃管，环形玻璃管(3)呈螺旋型环绕在实验器皿的内侧，其尺寸及环绕圈数需根据实验器皿的直径和高度来确定，进出口均高于容器壁(1)，并呈“L”形向外弯折；
所述封闭式高温油浴循环加热系统的高温加热源(4)设定温度与实验器皿内实验温度的温差小，系统控温范围为室温至200℃，温度波动范围为±1℃；能够实现对试样同时施加电压应力和高温热应力，封闭式高温油浴循环加热系统不会对试样在高压下试验及电树枝特性观察及记录造成不便或干扰。
2.根据权利要求1所述的可高效控温的固体绝缘树枝化高温试验系统，其特征在于：所述热循环管(5)采用耐高温硅胶软管。
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