CN106501277A - 同步加压温度可控的交直流电树枝显微观测系统和方法 - Google Patents

同步加压温度可控的交直流电树枝显微观测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步加压温度可控的交直流电树枝显微观测系统和方法，观测系统包括敞口玻璃容器、xy位移平台、测温变温一体化系统、支撑底座、试样电极和导电铜片，敞口玻璃容器放置于xy位移平台的上部，其内部填充有硅油；测温变温一体化系统用于实时测量硅油的温度,通过电源引线将温度数据传至温控仪。观测方法包括制备试样、调节设备、安装试样、调节镜头和接地检查步骤。本发明既能够对试样针电极所处的实验环境进行实时测温并根据实验要求精准变温，又可以通过玻璃容器侧面从容器前部对试样电极进行直流加压连续观察和拍照记录，避免电泳现象对俯视观测带来的影响。

Description

同步加压温度可控的交直流电树枝显微观测系统和方法
技术领域
本发明涉及一种交直流电树枝显微观测系统和方法，尤其是一种同步加压温度可控的交直流电树枝显微观测系统和方法，属于发电技术领域。
背景技术
随着中国经济的高速发展，城镇现代化趋势已越来越明显。作为城市输配电网络中的重要电力设备之一，电力电缆的需求也越来越大，尤其是110KV及以上的高电压等级电缆已扮演着不可替代的角色。相比较而言，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆因其优越的电气性能和机械性能，目前在电压等级10～220kV的电网中被广泛使用。
然而，由于绝缘材料内部或外部不可避免地存在缺陷，这些缺陷在局部高场作用下，材料内部会出现树枝状的放电通道，引发的电树枝伴随局部放电作用快速生长，最终将导致绝缘材料的提前失效。电热联合作用对绝缘材料老化存在协同效应，而不是两种影响因子的简单代数叠加。
研究发现，长期工作在高场强下的高压电缆，半导电层中存在突起和绝缘层中有杂质，在高电场作用下就容易产生电树枝，电树枝不断发展，最终导致绝缘失效。同时，交流实验条件下易于对试样针电极进行实时观测，并连续记录实验现象，而直流加压时，因电泳现象显著，硅油分子会不断向容器内壁碰撞，最终导致硅油波动剧烈，液面无规则摇晃明显。传统的观测装置镜头均以俯视角度与器皿底部透射光源配合进行拍摄，即使将显微观测镜头深入硅油底部进行观察，硅油的电泳现象依然会对观测效果产生较大影响。为了能够对固体绝缘材料电树枝实验进行直流连续观测并获得明显的实验现象，需要设计出新的实验观测装置。
高压电力电缆长期工作在高负荷下，随着时间的增加温度会不断累积，温度越高，其对绝缘材料内部电树枝引发生长以及材料本身老化性能的影响会越发显著。本实验为了探究绝缘材料在外加高压且高温条件对其电树枝引发生长特性，势必要对针电极试样所处的环境温度进行实时测量和精密调节。
传统意义上的电树枝引发观察装置测温变温环节分离，不能做到实时变温，测量结果可靠性不高，测量手段复杂。因此，设计出精确高效且测量手段简单可行的电树枝实时变温测量系统势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同步加压温度可控的交直流电树枝显微观测系统和方法,在温度变化的情况下可对多个针电极同步加压进行直流连续观测。
本发明采用下述技术方案：
技术方案一：
一种多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，包括敞口玻璃容器、xy位移平台、测温变温一体化系统、支撑底座、试样电极和导电铜片，所述敞口玻璃容器放置于xy位移平台的上部，其内部填充有硅油；测温变温一体化系统包括放置于所述敞口玻璃容器内部的温度检测器和温控仪，温度检测器用于实时测量硅油的温度,通过电源引线将温度数据传至温控仪；支撑底座放置于敞口玻璃容器的底部，用于固定放置电树枝试样；试样电极插入试样内部，其尾部经高压引线与外部的高压电源连接；试样底端与导电铜片紧密接触，导电铜片一端经地线接地。
所述测温变温一体化系统的温度检测器为变温平板，所述变温平板置于支撑底座和敞口玻璃容器的底部之间，内置精密温度传感器。
所述试样针电极由一根以上试样针电极组成，其尾部由导电细铜丝连接起来，再经高压引线与外部的高压电源连接。
所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，还包括将电树枝试样固定在支撑底座上面的塑料夹子。
所述敞口玻璃容器的材质为高透石英材质。
所述硅油采用粘度为100cps的二甲基硅油。
所述xy位移平台一侧设有千分尺粗旋旋钮和细旋旋钮，用于控制xy位移平台一维方向移动距离。
所述试样针电极采用硫化插针方法制得。
所述变温平板为硅橡胶变温平板。
技术方案二：
一种应用技术方案一所属观测系统的观测方法，包括以下具体步骤：
步骤1：制备试样：根据实验试样要求，需将交联聚乙烯绝缘材料制备成透薄长方体形状，作为观察固体绝缘材料电树枝引发生长的试样；
步骤2：调节设备：将敞口玻璃容器安放在位移平台的水平面中部，并在其底部铺好硅橡胶的变温平板；在变温平板中部放置试样支撑底座；调节千分尺粗旋旋钮和细旋旋钮将xy位移平台的水平面移动至试样支撑底座正中间位置；沿敞口玻璃容器内壁倾倒适量的硅油，保证硅油上表面将试样针电极的尾端以及高压引线与试样针电极接触部分完全浸没；
步骤3：安装试样：实验人员带好一次性橡胶手套，用浓度高于75％的医用酒精和擦镜布对试样表面前后进行擦拭，确保其表面无指纹印记；擦拭完毕，双手将试样垂直放入敞口玻璃容器内部，将试样9固定在支撑底座上，仪器两端竖直插入两个塑料夹子，将试样两端通过夹子稳定固好；将导电铜片通过地线有效接地，将要观察的试样针电极的尾部与高压引线进行有效电气连接；
步骤4：调节镜头：根据试样针电极具体位置，调整高倍显微观测仪镜头和透射光源的高度，保证三者中心在一条水平线上。通过专用数据连接线将显微镜放大器与计算机相连，计算机装有视频观测系统软件，用以对实验现象进行拍摄保存；
步骤5：接地检查：仔细检查所有电气元件接地是否有效，可靠接地后即可进行实验。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明既能够对XLPE固体绝缘材料针电极试样所处的实验环境进行实时测温并根据实验要求精准变温，进而研究高温条件对XLPE电树枝引发生长的影响，又可以通过玻璃容器侧面从容器前部15对试样电极进行直流加压连续观察和拍照记录，避免电泳现象对俯视观测带来的影响。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是应用实施例1的观测系统结构示意图；
图3是实施例1的试样针电极结构示意图；
图4是实施例2的观测结果；
其中：1-敞口玻璃容器1、2-xy位移平台、3-硅油、4-硅橡胶变温平板、5-电源引线、6-外部温控仪、7-试样支撑底座、8-塑料夹子、9-试样、10-试样针电极、11-导电细铜丝、12-高压引线、13-导电铜片、14-地线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：包括敞口玻璃容器1、xy位移平台2、测温变温一体化系统、支撑底座7、试样电极和导电铜片13，所述敞口玻璃容器1放置于xy位移平台2的上部，其内部填充有硅油3；测温变温一体化系统包括放置于所述敞口玻璃容器1内部的温度检测器和温控仪6，温度检测器用于实时测量硅油3的温度,通过电源引线5将温度数据传至温控仪6；支撑底座7放置于敞口玻璃容器1的底部，用于固定放置电树枝试样9；试样针电极插入试样9内部，其尾部经高压引线12与外部的高压电源连接；试样9底端与导电铜片13紧密接触，导电铜片13一端经地线14接地。
所述测温变温一体化系统的温度检测器为变温平板4，所述变温平板4置于支撑底座7和敞口玻璃容器1的底部之间，内置精密温度传感器。
所述试样针电极由一根以上试样针电极10组成，其尾部由导电细铜丝11连接起来，再经高压引线12与外部的高压电源连接。
所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统还包括将电树枝试样9固定在支撑底座7上面的塑料夹子8。
所述敞口玻璃容器1的材质为高透石英材质。
所述硅油3采用粘度为100cps的二甲基硅油。
所述xy位移平台2一侧设有千分尺粗旋旋钮和细旋旋钮，用于控制xy位移平台2一维方向移动距离。
所述试样针电极10采用硫化插针方法制得。
所述变温平板4为硅橡胶变温平板。
本实施例中，所述敞口容器1由高透光率石英玻璃片构成，其透光率可达95％以上，充分满足透射光源直接对试样针电极10照射的光线穿透容器后壁16、前壁15进入显微观测仪镜头的清晰度要求，在放大倍率一致情况下，此高透石英材质可以更好反应针电极电树枝引发生长的路径规律；同时，因系统需要满足一定的高温条件，本实验采用的石英玻璃材质具有极低的热膨胀系数，很好的耐高温特性，以及优良的电绝缘特性，充分满足本实验的各个要求。
所述xy位移平台2一维方向移动距离由千分尺粗旋和细旋旋钮控制，可精准带动上部实验仪器进行一维移动，进而完成多根针电极电树枝引发生长的连续观测拍照，目前对多根针电极依次观测的方法一般需要实验人员直接接触试样进行移动，效率较低且移动距离很不精准。通过采用粗细旋钮对距离进行精密调节，实验过程简单高效。同时，因不需要直接接触试样，可大大减小对容器内硅油的二次污染，保证显微镜镜头拍摄的清晰度。
所述敞口玻璃容器内部填充的硅油3采用粘度为100cps的二甲基硅油，既可防止实验高压施加于针电极发生沿面闪络和外部放电，保证系统安全，又可以作为系统加热媒质，使得容器内部上下部分受热更均匀，因其油浴温升快，一定时间内可大大减小系统热量损失，提高实验进行速率。同时，二甲基硅油具有很高的透光性，满足本实验清晰度要求。
所述硅橡胶变温平板4集测温变温功能于一身。平板内部设置有精密温度传感器，可对容器内部硅油温度进行实时测量，同时将温度数据通过电源引线传递到温控仪内部，温控仪可对系统温度进行实时监控，根据实验温度设定要求对系统进行变温或者恒温保持。整个温度调节系统紧密配合，测变温一体化测量系统较传统分离元件温度调节效果更加突出。同时，硅橡胶加热元件采用平板形状，增大与硅油接触面积，测温更准确，升温更均匀，进而大大提高了实验效率。实验操作人员可参照温控仪显示的温度数据，根据实验所需温度进行实时调节，极大提高了实验效率，减小温度带来的实验误差。
所述的针电极10应用新型硫化插针一体化技术，在一片长方体薄片试样上同时插入多根针电极至相同深度，针电极彼此等间距，通过底座xy位移平台的精准移动可在一片试样上依次观察多根针电极电树枝生长情况，避免了频繁换针对实验硅油的二次污染和系统不必要的温度损失。同时，所有针电极近尾端用导电细铜丝依次缠好，彼此导通，目的是在做直流电压电树枝引发时，高压电源只需作用于一根电极，即可完成所有针电极的引发实验，实验效率提高数倍。
实施例2：
一种应用实施例1所述观测系统的观测方法，包括以下具体步骤：
步骤1：制备试样：根据实验试样要求，需将交联聚乙烯绝缘材料制备成透薄长方体形状，作为观察固体绝缘材料电树枝引发生长的试样9；
步骤2：调节设备：将敞口玻璃容器1安放在位移平台2的水平面中部，并在其底部铺好硅橡胶变温平板4；在变温平板中部放置试样支撑底座7；调节千分尺粗旋旋钮和细旋旋钮将xy位移平台2的水平面移动至试样支撑底座7正中间位置；沿敞口玻璃容器1内壁倾倒适量的硅油3，保证硅油3上表面将试样针电极10的尾端以及高压引线12与试样针电极10接触部分完全浸没，目的是防止施加高压时硅油剧烈活动对针电极的影响。同时，对容器内部添加的硅油进行准确测温，并在温控仪上记录此数据。本实验温控仪可调温度上限为120度，根据交联聚乙烯高温运行特性，本实验系统最高设定温度为90度。因变温平板4内部存在精密温度传感器，可对系统温度进行实时检测，并对已达到目标温度的实验系统进行恒温控制；
步骤3：安装试样：实验人员带好一次性橡胶手套，用浓度高于75％的医用酒精和擦镜布对试样9表面前后进行擦拭，确保其表面无指纹印记；擦拭完毕，双手将试样垂直放入敞口玻璃容器1内部，将试样9固定在支撑底座7上，仪器两端竖直插入两个塑料夹子8，将试样9两端固定在敞口玻璃容器1正中部；将导电铜片13通过地线14有效接地，将要观察的试样针电极10的尾部与高压引线12进行有效电气连接；
步骤4：调节镜头：根据试样针电极10具体位置，调整高倍显微观测仪镜头和透射光源的高度，保证三者中心在一条水平线上。通过专用数据连接线将显微镜放大器与计算机相连，计算机装有视频观测系统软件，用以对实验现象进行拍摄保存；需注意，实验不同阶段为了易于实验人员观察和测量，透射光源亮度及显微镜倍率均需做出相应改变，计算机视频观测系统部分参数也需适当更改，确保满足实验结果的清晰度和准确度要求；
步骤5：接地检查：仔细检查所有电气元件接地是否有效，可靠接地后即可进行实验。
本实验系统既可完成对常温不同电压下电树枝引发生长过程的研究，也可在高温条件下对交联聚乙烯试样内部电树枝引发生长规律进行合理分析，特别是应用本系统可完成多试样同步加压条件下直流连续观测拍照取样。本发明还可对聚乙烯、硅橡胶等其他电缆绝缘材料内部电树枝引发生长规律进行深入研究。
利用本发明设计的交直流电树枝显微观测系统可对直流加压电树枝引发生长过程进行连续观测并可对多个电极同时完成引发实验。直流加压情况下，通过显微镜镜头和透射光源对长方体薄试样进行高倍率放大观察，将观察部位集中在针电极尖端区域，观察电树枝生长规律特性，并进行拍照录像，通过视频处理系统对获取的信息进行整理保存。如图4所示为交联聚乙烯试样9电树枝引发生长到一定阶段后进行取样的照片。
如图3所示，试样主体部分为XLPE，长、宽、高需满足一定尺寸，该部分可由平板硫化机制备成型。将制备好的长方体试样水平放入插针模具，模具外端安有推针装置，可将多根银针同时推入试样相同深度，同时保证针尖无气泡。根据实验要求，所有针尖部分插入试样深度需保持一致，针电极彼此等间距排列，同一片试样上一般可插入10根针电极。针电极插入完毕后，将试样取出推针装置，在距针电极尾部5毫米左右用细铜丝将所有电极依次缠绕，确保彼此导通。最后，在试样底部轻轻粘好一层导电铜片，铜片一端延长约5厘米，最终需与地线相连，构成电树枝观测试样负极性部分。此时，实验单片试样制作完成。

Claims (10)

1.一种多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：包括敞口玻璃容器(1)、xy位移平台(2)、测温变温一体化系统、支撑底座(7)、试样电极和导电铜片(13)，所述敞口玻璃容器(1)放置于xy位移平台(2)的上部，其内部填充有硅油(3)；测温变温一体化系统包括放置于所述敞口玻璃容器(1)内部的温度检测器和温控仪(6)，温度检测器用于实时测量硅油(3)的温度,通过电源引线(5)将温度数据传至温控仪(6)；支撑底座(7)放置于敞口玻璃容器(1)的底部，用于固定放置电树枝试样(9)；试样电极插入试样(9)内部，其尾部经高压引线(12)与外部的高压电源连接；试样(9)底端与导电铜片(13)紧密接触，导电铜片(13)一端经地线(14)接地。
2.根据权利要求1所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：所述测温变温一体化系统的温度检测器为变温平板(4)，所述变温平板(4)置于支撑底座(7)和敞口玻璃容器(1)的底部之间，内置精密温度传感器。
3.根据权利要求1所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：所述试样针电极由一根以上试样针电极(10)组成，其尾部由导电细铜丝(11)连接起来，再经高压引线(12)与外部的高压电源连接。
4.根据权利要求1所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：还包括将电树枝试样(9)固定在支撑底座(7)上面的塑料夹子(8)。
5.根据权利要求1所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：所述敞口玻璃容器(1)的材质为高透石英材质。
6.根据权利要求1所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，
其特征在于：所述硅油(3)采用粘度为100cps的二甲基硅油。
7.根据权利要求1所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：所述xy位移平台(2)一侧设有千分尺粗旋旋钮和细旋旋钮，用于控制xy位移平台(2)一维方向移动距离。
8.根据权利要求3所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：所述试样针电极(10)采用硫化插针方法制得。
9.根据权利要求2所述的多试样同步加压的交直流电树枝显微观测系统，其特征在于：所述变温平板(4)为硅橡胶变温平板。
10.一种应用权利要求2所述观测系统的观测法，包括以下具体步骤：
步骤1：制备试样：根据实验试样要求，需将交联聚乙烯绝缘材料制备成透薄长方体形状，作为观察固体绝缘材料电树枝引发生长的试样(9)；
步骤2：调节设备：将敞口玻璃容器(1)安放在位移平台(2)的水平面中部，并在其底部铺好硅橡胶的变温平板(6)；在变温平板中部放置试样支撑底座(7)；调节千分尺粗旋旋钮和细旋旋钮将xy位移平台(2)的水平面移动至试样支撑底座(7)正中间位置；沿敞口玻璃容器(1)内壁倾倒适量的硅油(3)，保证硅油(3)上表面将试样针电极(10)的尾端以及高压引线(12)与试样针电极(10)接触部分完全浸没；
步骤3：安装试样：实验人员带好一次性橡胶手套，用浓度高于75％的医用酒精和擦镜布对试样(9)表面前后进行擦拭，确保其表面无指纹印记；擦拭完毕，双手将试样垂直放入敞口玻璃容器(1)内部，将试样(9)固定在支撑底座(7)上，仪器两端竖直插入两个塑料夹子(8)，将试样(9)两端固定在敞口玻璃容器(1)正中部；将导电铜片(13)通过地线(14)有效接地，将要观察的试样针电极(10)的尾部与高压引线(12)进行有效电气连接；
步骤4：调节镜头：根据试样针电极(10)具体位置，调整高倍显微观测仪镜头和透射光源的高度，保证三者中心在一条水平线上。通过专用数据连接线将显微镜放大器与计算机相连，计算机装有视频观测系统软件，用以对实验现象进行拍摄保存；
步骤5：接地检查：仔细检查所有电气元件接地是否有效，可靠接地后即可进行实验。
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