CN108827174A - 一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置及监测方法，属于电气设备技术领域。解决了现有装置无法在线监测绝缘材料在电机械击穿过程中发生的微小形变及温度变化的问题。技术要点：其主要装置有滑块、荧光屏、ccd相机、计算机、氦‑氖气体激光发射器、红外测温成像仪、高压电极：调整氦‑氖气体激光发射器位置，使其发出的激光束照射到试样中心并反射到荧光屏上，调整红外测温成像仪位置使其对准试样中心，接通高压电源后将ccd相机拍摄的荧光屏上激光束图样及红外测温成像仪测得图样上传到计算机上，通过拍摄的激光束图样形状变化反映试样在此过程中的微小机械形变。本发明用于聚合物绝缘材料电机械击穿理论参数监测。

Description

一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘材料电机械形变监测装置及监测方法，具体涉及一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置及监测方法，属于电气设备技术领域。

背景技术

电力电缆是电力系统的重要组成部分，聚乙烯作为合成树脂中产量最大的品种，也成为了高压直流输电电缆的主要绝缘材料。深入研究聚乙烯材料的击穿场强，对提高电缆绝缘的击穿强度，延长电缆使用寿命，降低电缆的制造成本具有明显的经济效益和实用价值。

根据热塑性高分子材料(如聚乙烯)击穿场强的实验，我们发现聚乙烯击穿场强随着温度的升高而表现出下降趋势，很多研究人员提出了解释这种现象的击穿机理，主要为热击穿和电-机械击穿。其中热击穿是由于介质内热的不稳定过程所造成的。通过介质的电流使介质加热，而介质的电导是随着温度升高而增大的，电导的增大又使介质中发热更加严重。一旦由于散热条件不利或者环境温度升高，使介质中发热大于散热，介质中的电流就由于加热作用而不稳定地上升，直至丧失绝缘性能，介质材料即遭到热破坏。

热塑性高分子材料(如聚乙烯)在高温下(玻璃化温度以上)存在着电-机械击穿过程，高温下电强度的迅速下降与其弹性模量的迅速下降有大致对应的规律，同时电机械变形将进一步导致局部电场，当电压作用于介质上时，正、负电极间的静电吸引力就表现为对电极间介质材料的挤压力。如果介质弹性模量很大，挤压力的作用不会导致明显的变形，目前的试验装置中难以实现对试样厚度变化的准确监测。

为了深入研究聚乙烯薄膜在击穿过程中的变化，需要对高电压作用下聚乙烯薄膜试样的温度及微小的电机械形变情况进行监测。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明为了解决在电机械击穿研究过程中出现的无法准确测量由电应力作用而导致聚合物薄膜试样发生微小弹性形变及温度变化，无法深入研究电机械击穿机理的问题，进而提供了一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置及监测方法。

方案一：本发明提供了一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，包括滑轨、滑块、支架、荧光屏、聚乙烯薄膜试样、ccd相机、计算机、底座、激光专用万向支架、激光发射器、扩束镜、红外测温成像仪、高压电极和绝缘垫板；

所述底座上左右对称设置有支架，支架的上部安装有滑轨，滑轨上滑动安装有三个滑块，由左至右依次分别定义为第一滑块、第二滑块和第三滑块；所述激光发射器通过激光专用万向支架固定在第一滑块上，激光发射器发射端设置有扩束镜；所述红外测温成像仪安装于第二滑块的底面上，所述荧光屏安装于第一滑块的底面上；

所述底座上还设置有绝缘垫板和ccd相机，所述ccd相机设置于荧光屏的正下方，所述绝缘垫板上放置高压电极，所述聚乙烯薄膜试样表面镀有金蒸发层，聚乙烯薄膜试样置于高压电极上，所述红外测温成像仪和ccd相机与计算机相连，红外测温成像仪位于聚乙烯薄膜试样的正上方，高压电极通过高压线与高压电源连接，聚乙烯薄膜试样通过接地线接地。

进一步地：所述聚乙烯薄膜试样的厚度在20-200微米。如此设置，20-200微米为聚乙烯材料击穿性能测试中试样的常规厚度，试样选择更方便。

进一步地：所述激光发射器为氦-氖气体激光发射器，扩束镜为氦-氖激光扩束镜。如此设置，可放获得较清晰的激光图像。

进一步地：所述氦-氖气体激光发射器的35mW红光633nm氦氖激光器。如此设置，激光束图样较为清晰。

进一步地：所述氦-氖激光扩束镜的扩大倍率为20倍。照射到试样上的激光点直径可达4厘米。

方案二：本发明提供了一种聚合物绝缘材料电机械形变监测方法，其依托方案一所述一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置实现的，具体为：

步骤一、将聚乙烯薄膜试样的上下面镀上金蒸发层，保证其表面平整光滑；

步骤二、将聚乙烯薄膜试样放置在高压电极上，从聚乙烯薄膜试样上表面引出接地线接地，高压电源通过高压线接到高压电极上；

步骤三、通过第一滑块及激光专用万向支架调整激光发射器，使激光发射到镀有金蒸发层的聚乙烯薄膜试样的中心，调节扩束镜改变激光点大小，并使激光反射到荧光屏上；

步骤四、通过第三滑块适当调整荧光屏的位置，使设置在底座的ccd相机拍摄到的激光束图样位于在图片中央；

步骤四、调整第二滑块使红外测温成像仪对准聚乙烯薄膜试样中心；

步骤五、接通高压电源，对聚乙烯薄膜试样施加电压，将ccd相机拍摄下荧光屏上激光束图样及红外测温成像仪测得数据上传到计算机上。

有益效果：

1)本发明中使用的聚乙烯薄膜试样厚度为微米级，通过照射到到样品金蒸发层表面再反射到荧光屏的激光束图样变化，激光图形扩大但并不经常是离心的(有时是一个方向)，反映高电压试验中试样极其微小的电机械形变，且此机械形变是不均匀的。

2)本发明滑块在滑轨滑动改变红外测温成像仪的位置，可以监测高电场下聚乙烯薄膜试样不同位置的温度变化。

3)本发明为深入研究电机械击穿机理提供监测数据。

附图说明

图1为本发明的聚合物绝缘材料电机械形变监测装置的结构示意图；

图中：

1‐滑轨、2‐滑块、3‐支架、4‐荧光屏、5‐金蒸发层、6‐聚乙烯薄膜试样、7‐ccd相机、8‐计算机、9‐底座、10‐激光专用万向支架、11‐激光发射器、12‐扩束镜、13‐红外测温仪、14‐激光、15‐接地线、16‐高压电极、17‐高压线、18‐绝缘垫板。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如图1所示，本实施例的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，包括滑轨1、滑块2、支架3、荧光屏4、聚乙烯薄膜试样6、ccd相机7、计算机8、底座9、激光专用万向支架10、激光发射器11、扩束镜12、红外测温成像仪13、高压电极16和绝缘垫板18；

所述底座9上左右对称设置有支架3，支架3的上部安装有滑轨1，滑轨1上滑动安装有三个滑块2，由左至右依次分别定义为第一滑块、第二滑块和第三滑块；所述激光发射器11通过激光专用万向支架10固定在第一滑块上，激光发射器11发射端设置有扩束镜12；所述红外测温成像仪13安装于第二滑块的底面上，所述荧光屏4安装于第一滑块的底面上；

所述底座9上还设置有绝缘垫板18和ccd相机7，所述ccd相机7设置于荧光屏4的正下方，所述绝缘垫板18上放置高压电极16，所述聚乙烯薄膜试样6表面镀有金蒸发层5，聚乙烯薄膜试样6置于高压电极16上，所述红外测温成像仪13和ccd相机7与计算机8相连，红外测温成像仪13位于聚乙烯薄膜试样6的正上方，高压电极16通过高压线17与高压电源连接，聚乙烯薄膜试样6通过接地线15接地。

更为具体地：所述聚乙烯薄膜试样6的厚度在20-200微米。

更为具体地：所述激光发射器11为氦-氖气体激光发射器，扩束镜12为氦-氖激光扩束镜。

更为具体地：所述氦-氖气体激光发射器采用REO的35mW红光633nm氦氖激光器。

更为具体地：所述氦-氖激光扩束镜采用三克激光生产的SKL-18X，其扩大倍率为20倍。

更为具体地：所述红外测温成像仪采用德国优利德UTi160A。

实施例2：如图1所示，本实施例的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测方法，其依托实施例1所述一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置实现的，具体为：

步骤一、将聚乙烯薄膜试样6的上下面镀上金蒸发层5，保证其表面平整光滑；

步骤二、将聚乙烯薄膜试样6放置在高压电极16上，从聚乙烯薄膜试样6上表面引出接地线15接地，高压电源通过高压线17接到高压电极16上；

步骤三、通过第一滑块及激光专用万向支架10调整激光发射器11，使激光14发射到镀有金蒸发层5的聚乙烯薄膜试样6的中心，调节扩束镜12改变激光点大小，并使激光14反射到荧光屏4上；

步骤四、通过第三滑块适当调整荧光屏4的位置，使设置在底座9的ccd相机7拍摄到的激光束图样位于在图片中央；

步骤四、调整第二滑块使红外测温成像仪13对准聚乙烯薄膜试样6中心；

步骤五、接通高压电源，对聚乙烯薄膜试样6施加电压，将ccd相机7拍摄下荧光屏4上激光束图样及红外测温成像仪13测得数据上传到计算机8上。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，其特征在于，包括滑轨(1)、滑块(2)、支架(3)、荧光屏(4)、聚乙烯薄膜试样(6)、ccd相机(7)、计算机(8)、底座(9)、激光专用万向支架(10)、激光发射器(11)、扩束镜(12)、红外测温成像仪(13)、高压电极(16)和绝缘垫板(18)；

所述底座(9)上左右对称设置有支架(3)，支架(3)的上部安装有滑轨(1)，滑轨(1)上滑动安装有三个滑块(2)，由左至右依次分别定义为第一滑块、第二滑块和第三滑块；所述激光发射器(11)通过激光专用万向支架(10)固定在第一滑块上，激光发射器(11)发射端设置有扩束镜(12)；所述红外测温成像仪(13)安装于第二滑块的底面上，所述荧光屏(4)安装于第一滑块的底面上；

所述底座(9)上还设置有绝缘垫板(18)和ccd相机(7)，所述ccd相机(7)设置于荧光屏(4)的正下方，所述绝缘垫板(18)上放置高压电极(16)，所述聚乙烯薄膜试样(6)表面镀有金蒸发层(5)，聚乙烯薄膜试样(6)置于高压电极(16)上，所述红外测温成像仪(13)和ccd相机(7)与计算机(8)相连，红外测温成像仪(13)位于聚乙烯薄膜试样(6)的正上方，高压电极(16)通过高压线(17)与高压电源连接，聚乙烯薄膜试样(6)通过接地线(15)接地。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，其特征在于，所述聚乙烯薄膜试样(6)的厚度在20-200微米。

3.根据权利要求1或2所述的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，其特征在于，所述激光发射器(11)为氦-氖气体激光发射器，扩束镜(12)为氦-氖激光扩束镜。

4.根据权利要求3所述的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，其特征在于，所述氦-氖气体激光发射器的35mW红光633nm氦氖激光器。

5.根据权利要求4所述的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置，其特征在于，所述氦-氖激光扩束镜的扩大倍率为20倍。

6.基于权利要求1-5任一所述的一种聚合物绝缘材料电机械形变监测装置实现的监测方法，其特征在于，具体为：

步骤一、将聚乙烯薄膜试样(6)的上下面镀上金蒸发层(5)，保证其表面平整光滑；

步骤二、将聚乙烯薄膜试样(6)放置在高压电极(16)上，从聚乙烯薄膜试样(6)上表面引出接地线(15)接地，高压电源通过高压线(17)接到高压电极(16)上；

步骤三、通过第一滑块及激光专用万向支架(10)调整激光发射器(11)，使激光(14)发射到镀有金蒸发层(5)的聚乙烯薄膜试样(6)的中心，调节扩束镜(12)改变激光点大小，并使激光(14)反射到荧光屏(4)上；

步骤四、通过第三滑块适当调整荧光屏(4)的位置，使设置在底座(9)的ccd相机(7)拍摄到的激光束图样位于在图片中央；

步骤四、调整第二滑块使红外测温成像仪(13)对准聚乙烯薄膜试样(6)中心；

步骤五、接通高压电源，对聚乙烯薄膜试样(6)施加电压，将ccd相机(7)拍摄下荧光屏(4)上激光束图样及红外测温成像仪(13)测得数据上传到计算机(8)上。