CN108387789A - 温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法 - Google Patents

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杜伯学
常蕊
朱闻博
姜金鹏
李进
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Abstract

本发明属于电荷测量领域，尤其涉及一种温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，主要步骤包括：1)试样制备；2)表面电荷测量装置准备；3)表面电荷消散过程测量；步骤3)具体为先加热试样；其次将获得的油浸纤维素绝缘纸双层叠放在表面电荷测量装置得针电极正下方；再次，在针电极施加直流电压，3min后切断电压，并在真空环境中静置1h以上；最后，通过滑轨将试样从针电极下方迅速移至表面电位计测量探头正下方，测量得到表面电位衰减曲线，持续5min。本发明为研究纤维素绝缘纸在不同温度下发生沿面放电和击穿提供一种理论基础。

Description

温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法
技术领域
本发明属于电荷测量领域，尤其涉及一种温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法。
背景技术
换流变压器作为交、直流输电系统联接两端换流站和逆变站的核心设备，需要承受直流电压作用。油纸绝缘作为套管部分的主要绝缘材料，其电荷特性既影响材料的介电强度，诱发局部放电通道的形成，是制约电介质材料绝缘介电强度的主要因素，严重造成油纸绝缘的沿面放电，影响变压器的使用寿命。
变压器在运行过程中会产生损耗并释放热能，使得变压器内部环境温度会发生变化，这会影响表面电荷的运动，进而影响油纸绝缘的耐电强度。大量的研究证明，温度对油纸绝缘的电气性能有着重要的影响，温度升高会导致油纸绝缘的热老化加剧，会使得油纸绝缘的耐电性能降低。但是目前环境温度变化影响油纸绝缘的表面电荷运动特性的研究比较少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中环境温度变化影响油纸绝缘的表面电荷运动特性的研究较少的问题，提出一种温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法。本发明通过对不同环境温度下的试样进行表面电荷测量实验，得出温度升高会加速表面电荷的消散速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，包括如下步骤：
1)试样制备：
(1)剪裁：将纤维素绝缘纸裁剪成边长为40mm×40mm的正方形试样，厚度为0.08mm；
(2)烘烤：将纤维素绝缘纸放入烤箱80℃烘烤5小时；
(3)浸泡：取出纤维素绝缘纸后浸泡在装有变压器油的器皿中；
(4)抽真空：将器皿放入真空箱中，真空度50pa；
(5)真空放置：将器皿置于真空箱24-48小时；
2)表面电荷测量装置准备：所采用表面电荷测量实验装置主要由高压充电装置、电位测量装置和加热装置三部分构成；
(1)选取直径1mm、尖端曲率半径约13μm的不锈钢针作为高压充电装置的针电极，针尖距离试样的高度是3mm，位于试样中心的正上方；
(2)将铝箔紧贴在试样背面，作为背电极并接地，背电极紧贴在加热装置上；
(3)高压充电装置通过电晕放电向试样表面注入电荷；
(4)电位测量装置测量精度是±3V，分辨率是3mm，在试验中探头距离试样的高度是3mm；
(5)加热装置在实验中采用的温度分别选取20、40、60和80℃；
(6)试样在充电装置下充电；
3)表面电荷消散过程测量：
(1)加热试样；
(2)将获得的油浸纤维素绝缘纸双层叠放在表面电荷测量装置得针电极正下方；
(3)在针电极施加直流电压，3min后切断电压，并在真空环境中静置1h以上；
(4)通过滑轨将试样从针电极下方迅速移至表面电位计测量探头正下方，测量得到表面电位衰减曲线，持续5min。
所述步骤1)中分步骤(3)浸泡前需要对25#绝缘油进行真空滤油处理，浸泡时纤维素绝缘纸与绝缘油的质量比小于1:20。
所述步骤2)中分步骤(4)电位测量装置所用电位计的型号是Trek347-3hce，其连接的开尔文探头的型号是6000b-5c。
所述步骤2)中分步骤(5)加热装置所用型号是JF-956。
所述步骤2)中分步骤(6)充电装置电压为直流±3.5kV。
根据表面电位衰减曲线(如图2所示)，由公式(1)可以计算得到不同温度下，纤维素绝缘纸材料陷阱能级分布情况，如图4所示：
其中ε0为真空介电常数/F·m-1，ε0＝8.854187817×10-12F·m-1，εr为相对介电常数，Vs为t时刻试样的表面电位/V。从图4中可以看到，随着温度的升高，能检测到的试样中的深、浅陷阱能级逐渐增大，而浅陷阱密度逐渐增大而深陷阱密度逐渐减小。浅陷阱密度的增加和深陷阱密度的减小使得表面电荷更易发生连续的脱陷-入陷过程而发生快速消散，从而减小表面电荷的积聚。
有益效果
(1)本发明采用实验装置提供了一种测量不同温度下纤维素油纸绝缘表面电荷运动行为的方法，这对于研究纤维素绝缘纸在不同温度下发生沿面放电和击穿提供一种理论基础。
(2)由图3可见，表面电位衰减速度随温度的升高而升高，随着消散时间的增加而降低，这为换流变压器运行温度提供一个参考，避免变压器由于内部温升问题发生绝缘故障。
附图说明
图1为不同温度下纤维素绝缘纸表面电荷测量实验装置。
图2为不同温度下纤维素绝缘纸试样表面电荷消散曲线。
图3为不同温度下纤维素绝缘纸试样表面电位衰减速度随时间的变化曲线。
图4为不同温度下纤维素绝缘纸陷阱分布特性曲线。
附图标记：1-高压直流电源，2-变换器，3-限流电阻，4-加热装置，5-绝缘层，6-地电极，7-油纸，8-表面电位计，9-测量探头。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
本发明温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，该方法步骤包括：1)进行纤维素绝缘纸试样的制作流程：首先，实验采用南唐中利有限公司生产的纤维素绝缘纸，厚度为0.08mm，将纤维素绝缘纸剪成40mm×40mm的正方形试样；其次，将试样放入烤箱中80℃环境下烘烤5小时，干燥纤维素绝缘纸；再次，将实验用25#绝缘油进行真空滤油处理，将处理后的绝缘纸以及25#绝缘油绝缘油放置在同一容器内，控制纤维素绝缘纸与绝缘油的质量比小于1:20；然后将其在真空下进行浸油处理，抽真空1小时(温度90℃，真空度50pa)，以减少试样中水分含量，真空放置48h即得到实验所用油浸纤维素绝缘纸试样。
2)表面电荷测量装置准备：本发明技术方案的实验采用的表面电荷测量实验装置如图1所示，主要由高压充电装置、电位测量装置和加热装置三部分构成。选取直径1mm、尖端曲率半径约13μm的不锈钢针作为高压充电装置的针电极，针尖距离试样的高度是3mm，位于试样中心的正上方。将铝箔紧贴在试样背面，作为背电极并接地，背电极紧贴在加热装置上。高压充电装置的作用是通过电晕放电向试样表面注入电荷。电位测量装置所用电位计的型号是Trek347-3hce，其连接的开尔文探头的型号是6000b-5c。它的测量精度是±3V，分辨率是3mm，在试验中探头距离试样的高度是3mm。加热装置所用型号是JF-956，温度范围在实验中选取20、40、60和80℃。实验所用电压为直流±3.5kV。试样在充电装置下充电3分钟后，通过滑轨迅速移动到电位测量装置下，测量试样的表面电位随着时间的衰减过程。
3)取出浸油处理的油浸绝缘纸进行后续测量实验，表面电荷消散过程测量流程：首先，调节加热装置中的温度控制装置，加热试样，待温度达到要求温度时开始试验；其次，将获得的油浸纤维素绝缘纸双层叠放在如图1所示的表面电荷测量装置得针电极正下方，注意要去除两层绝缘纸之间的气泡；再次，在针电极分别施加+3.5kV和-3.5kV直流电压，3min后切断电压，并在真空环境中静置1h以上；最后，通过滑轨将试样从针电极下方迅速移至表面电位计测量探头正下方，测量得到表面电位衰减曲线(如图2所示)，持续5min。可以看出，油浸纤维素绝缘纸试样表面电荷消散速度随温度升高明显加快。

Claims (5)

1.温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)试样制备：
(1)剪裁：将纤维素绝缘纸裁剪成边长为40mm×40mm的正方形试样，厚度为0.08mm；
(2)烘烤：将纤维素绝缘纸放入烤箱80℃烘烤5小时；
(3)浸泡：取出纤维素绝缘纸后浸泡在装有变压器油的器皿中；
(4)抽真空：将器皿放入真空箱中，真空度50pa；
(5)真空放置：将器皿置于真空箱24-48小时；
2)表面电荷测量装置准备：所采用表面电荷测量实验装置主要由高压充电装置、电位测量装置和加热装置三部分构成；
(1)选取直径1mm、尖端曲率半径约13μm的不锈钢针作为高压充电装置的针电极，针尖距离试样的高度是3mm，位于试样中心的正上方；
(2)将铝箔紧贴在试样背面，作为背电极并接地，背电极紧贴在加热装置上；
(3)高压充电装置通过电晕放电向试样表面注入电荷；
(4)电位测量装置测量精度是±3V，分辨率是3mm，在试验中探头距离试样的高度是3mm；
(5)加热装置在实验中采用的温度分别选取20、40、60和80℃；
(6)试样在充电装置下充电；
3)表面电荷消散过程测量：
(1)加热试样；
(2)将获得的油浸纤维素绝缘纸双层叠放在表面电荷测量装置得针电极正下方；
(3)在针电极施加直流电压，3min后切断电压，并在真空环境中静置1h以上；
(4)通过滑轨将试样从针电极下方迅速移至表面电位计测量探头正下方，测量得到表面电位衰减曲线，持续5min。
2.根据权利要求1所述的温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，其特征在于，所述步骤1)中分步骤(3)浸泡前需要对25#绝缘油进行真空滤油处理，浸泡时纤维素绝缘纸与绝缘油的质量比小于1:20。
3.根据权利要求1所述的温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，其特征在于，所述步骤2)中分步骤(4)电位测量装置所用电位计的型号是Trek347-3hce，其连接的开尔文探头的型号是6000b-5c。
4.根据权利要求1所述的温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，其特征在于，所述步骤2)中分步骤(5)加热装置所用型号是JF-956。
5.根据权利要求1所述的温度梯度下纤维素绝缘纸的表面电荷测量方法，其特征在于，所述步骤2)中分步骤(6)充电装置电压为直流±3.5kV。
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