CN109239539A - 一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置与实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置，包括试验罐体、外部高压源、温度控制系统和应力测量系统。通过搭建局部放电测量平台，将温度控制系统和应力测量系统与之结合，得到温度场、电场、应力场的综合试验平台。同时本发明还公开了一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的实验方法，通过调节外施电压幅值、温度以及施加应力的大小，系统地研究环氧绝缘材料在电场、温度场及应力场单独或耦合作用下的局部放电特性。本发明能够独立地调节电压、改变温度和应力等试验条件，具有可靠性高，功能全面，操作简单，便于推广等优点。
Description
技术领域
本发明属于气体绝缘封闭组合电器(GIS)绝缘缺陷防护领域，具体涉及一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置与实验方法。
背景技术
气体绝缘封闭组合电器(GIS)，也称SF6封闭组合电器，内部充有一定压力的SF6气体或其它混合气体作为绝缘介质，其母线绝缘子广泛采用环氧绝缘材料。研究表明，环氧绝缘材料在电场、温度场、力场等物理场耦合作用下，会出现老化现象。这种老化现象将导致环氧绝缘材料各项性能的下降，甚至影响其使用寿命。
GIS中绝缘子不仅要承受电场的作用、母线的发热造成的热场的作用，另外，母线重量对绝缘子的压力以及装配过程造成的不均匀受力也是不可忽略的因素。
现有运行经验和试验研究表明，闪络是造成绝缘失败的主要因素，局部放电是造成闪络的主要诱因，而温度场、电场、应力场都会影响环氧绝缘材料的性能进而对局部放电特性造成影响。目前的研究主要针对温度或者应力等单一因素下环氧绝缘材料的劣化特性，对于多场耦合下的局部放电特性鲜有研究。根据前文分析可知，GIS中环氧绝缘材料不可避免地受到温度场、电场和应力场的作用，因此提出一种研究温度场、电场及应力场作用下环氧绝缘材料在气体氛围中的局部放电特性的试验方法和装置是十分有必要的。
发明内容
鉴于多场耦合条件下对环氧绝缘材料进行局部放电特性研究的必要性，本发明提出了一种研究环氧绝缘材料在温度场、电场及应力场单独或耦合作用下的气体氛围中的局部放电特性的装置和试验方法。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置，所述装置包括试验罐体、外部高压源、温度控制系统和应力测量系统。所述试验罐体包括罐体本体、罐体上盖和罐体下盖，所述罐体本体内设置有第一加热装置和第二加热装置，所述第一加热装置下端固定有高压电极，所述第二加热装置的上端固定有地电极，所述第一加热装置设置于罐体上盖内部，所述第二加热装置设置于第一加热装置的正相对位置。所述高压电极和地电极之间用于固定夹持环氧绝缘材料；所述外部高压源通过辅助电路与试验罐体相连接，用于将电压施加于所述环氧绝缘材料以获得其放电特性。所述温度控制系统与所述第一加热装置和第二加热装置相连接。所述温度控制系统用于设定温度大小，以产生不同的温度场，能够在不同的温度场下对所述高压电极和地电极进行恒温加热。所述应力测量系统通过缓冲弹簧与所述第二加热装置相连接。所述应力测量系统用于设定应力大小，对所述环氧绝缘材料施加不同的应力场，以及用于测量所述环氧绝缘材料所承受的应力值。
本发明还提出了一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的实验方法，根据实验需求，调节外部高压源，将电压施加于所述环氧绝缘材料以获得其放电特性。和/或，根据实验需求，调节温度控制系统设定温度，调节应力测量系统设定应力大小，分别产生不同的温度场和应力场，同时通过外部高压源施加电压进行试验。得到环氧绝缘材料在电场、温度场及应力场单独或耦合作用下的局部放电特性。
本发明采用如上技术方案所带来的有益效果是：本发明装置通过对环氧绝缘材料施加不同的温度，或是对两电极施加不同的温度差，以及通过应力测量系统测量环氧绝缘材料承受的应力值，通过调节外部高压源改变施加电压的幅值，方便的研究了环氧绝缘材料在单独或者多场耦合下的局部放电特性，具有可靠性高，功能全面，操作简单，便于推广等优点。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的研究环氧绝缘材料局部放电特性装置的试验电路结构图；
图中，1外部高压源，2电压、电流信号测量设备，3限流电阻，4试验罐体，5测量电阻，6局部放电采集设备；
图2是本发明一个实施例提供的试验罐体与温度控制系统、应力测量系统的结构图；
图中，7罐体上盖，8高压电极，9环氧绝缘材料，10地电极，11第二加热装置，12缓冲弹簧，13石英玻璃观察窗，14应力传感器，15罐体下盖，16外接拉杆，17油道和连接管，18温度控制系统，19应力测量系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示，本发明提供的一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置，包括试验罐体4、外部高压源1、温度控制系统18和应力测量系统19；试验罐体4包括罐体本体、罐体上盖7和罐体下盖15，罐体本体内设置有第一加热装置和第二加热装置，第一加热装置下端固定有高压电极8，第二加热装置11的上端固定有地电极10，第一加热装置设置于罐体上盖7内部，第二加热装置11设置于第一加热装置的正相对位置；高压电极8和地电极10之间用于固定夹持环氧绝缘材料9。
外部高压源1通过辅助电路与试验罐体4相连接，用于将电压施加于环氧绝缘材料以获得其放电特性。辅助电路包括限流电阻3和测量电阻5，限流电阻3用于限制闪络电流，防止闪络对外部高压源或设备造成损坏，测量电阻5用于辅助进行环氧绝缘材料放电量的校准。
温度控制系统18用于设定温度大小，以产生不同的温度场，能够在不同的温度场下对高压电极8和地电极10进行恒温加热。温度控制系统18主要包括恒温循环油浴锅、油道和连接管，恒温循环油浴锅内置有油泵，油泵通过油道和连接管分别与所述第一加热装置和第二加热装置相连接。试验时根据需要设定加热温度，通过内置油泵进行循环加热，从而将高压电极和地电极加热到设定温度，在两电极之间产生热作用。
温度控制系统18通过恒温循环油浴锅配以高效率油道实现了对高压电极8和地电极10的温度控制。具体实施方法，可根据试验需要设定所需的加热温度，通过内置循环泵将恒温油注入与第一加热装置和第二加热装置相连接的滑道，完成热交换，从而使得高压电极和地电极的的温度保持在恒定值。此温度控制系统18可分别对高压电极和地电极设定不同的温度，实现两电极之间的温度差，更好地模拟实际GIS中的运行工况。
应力测量系统19用于设定应力大小，对环氧绝缘材料施加不同的应力场，以及用于测量环氧绝缘材料所承受的应力值。应力测量系统19通过缓冲弹簧12与第二加热装置11相连接。应力测量系统19主要包括应力传感器14、数显仪以及与应力传感器相连接的外接拉杆16，应力传感器14与缓冲弹簧12相连接。设计与应力传感器相连接的外接拉杆16，可使其高效地与其他部分相连接，完成应力的测量。
在一个优选实施例中，研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置还包括电压、电流信号测量设备2和局部放电采集设备6。电压、电流信号测量设备2与外部高压源并联连接，用于测量外部高压源输出的电压、电流。局部放电采集设备6设置于试验罐体的外部，用于采集环氧绝缘材料的放电信号。
在一个优选实施例中，为使环氧绝缘材料较为均匀地受力，本装置还对电极结构进行了优化设计，使得环氧绝缘材料较为均匀地受力，并采取屏蔽措施，使高压电极和地电极既能够实现应力的施加，又对可能产生的局部放电干扰信号进行屏蔽。
本实施例中，高压电极8和地电极10均采用半球结构，且在其球面顶端中间部位设置有一凹槽，凹槽用于固定夹持环氧绝缘材料。
在一个优选实施例中，为了方便观察罐体内部情况，在罐体本体的侧面设置一石英玻璃观察窗。
实施例2
本发明提供的一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的实验方法，所述方法如下：
根据实验需求，调节外部高压源，将电压施加于所述环氧绝缘材料以获得其放电特性；和/或，
根据实验需求，调节温度控制系统设定温度，调节应力测量系统设定应力大小，分别产生不同的温度场和应力场，同时通过外部高压源施加电压进行试验；得到环氧绝缘材料在电场、温度场及应力场单独或耦合作用下的局部放电特性。
在一个优选实施例中，本发明所述方法具体包括如下步骤：
S1.不施加应力，保持温度为室温，调节外部高压源逐步升高电压，直至环氧绝缘材料出现稳定的局部放电信号，得到局部放电起始电压，继续升高电压，直至闪络，得到闪络电压；同时将局部放电起始电压到闪络电压之间的电压值划分为若干电压等级；
S2.根据环氧绝缘材料的拉伸强度和受力面积计算环氧绝缘材料断裂时的最大应力值，在零值到最大应力值范围内，将试验中环氧绝缘材料的受力划分为若干应力等级；同时，根据环氧绝缘材料最大承受温度将试验中环氧绝缘材料的温度分为若干温度等级；
S3.固定高压电极和地电极之间的距离不变，保持温度为室温，根据划分的应力等级、以及根据试验需求确定应力取值，不断变化施加所述应力值，同时调节外部高压源，分别将不同电压等级的电压值施加于所述环氧绝缘材料，得到环氧绝缘材料在不同应力场和不同电场作用下的局部放电信号；
S4.固定高压电极和地电极之间距离不变，保持环氧绝缘材料所受应力恒为零，根据划分的温度等级、以及根据试验需求确定温度取值，不断变化设定所述温度，得到环氧绝缘材料在不同温度场作用下的局部放电信号；
S5.保持温度为室温，保持环氧绝缘材料所受应力恒为零，根据试验需求，不断变化高压电极和地电极之间的间距，同时调节外部高压源，得到环氧绝缘材料的局部放电信号和闪络电压随两电极间距的变化特性；
S6.根据试验需求，选取不同温度等级和应力等级取值的组合，得到环氧绝缘材料在温度场和应力场耦合作用下的局部放电特性。
在本实施例中，通过辅助电路将外部高压源与试验罐体连接，使得被测试品环氧绝缘材料产生局部放电，并可通过采用脉冲电流法、超高频、超生等检测手段获得局部放电信号，采用高速相机等手段进行图像拍摄，从而获得局部放电信号和图像特征信息。
实验过程中可以方便的调节电压幅值、温度的高低、施加应力的大小，从而模拟不同的运行工况，获得不同条件下的环氧绝缘材料的局部放电特性。同时实验过程中还可以调节高压电极与地电极的间隙距离，不仅能够获得闪络电压随距离的变化趋势，还可以得到由局部放电起始电压到闪络电压下任意电压值下的局部放电特性。本发明方法通过采用控制变量法进行试验，方便对数据进行分析和比对，从而得到温度场和应力场对环氧绝缘材料在气体氛围中的局部放电特性的影响。
在一个优选实施例中，在步骤S1中，对局部放电起始电压和闪络电压的确认实验采用每组均进行多次测量的方法，分别取其平均值作为局部放电起始电压和闪络电压。
在本实施例中，对S1步骤中的局部放电起始电压和闪络电压的确定进行了优化。由于放电的不确定性和随机性，局部放电起始电压和闪络电压具有随机性，因此针对局部放电起始电压和闪络电压可以分别采用多次测量的平均值，例如每组实验进行30次，分别取其平均值作为局部放电起始电压和闪络电压。
进一步需要注意的是，在试验过程中，尤其是闪络电压的确定，由于固体具有累积效应，闪络过程可能会在环氧绝缘材料表面产生闪痕或者在材料内部造成电树枝，因此及时更换试样以保证试验数据的相对准确是十分有必要的。另外，在不同温度和应力下也须及时更换试样，以防止温度和应力场作用的累积效应对试验结果造成的干扰。
综上可见，本发明是根据外施电压下环氧绝缘材料在应力场和温度场的作用下进行局部放电特征的研究的必要性，提供的一种研究单独或多场耦合下环氧绝缘材料局部放电特性的实验方法及装置，可以通过调节外部高压源改变输出电压幅值，通过温度控制系统调节所施温度，通过应力测量系统测定施加应力的数值。本发明具有可靠性高，构思新颖，功能全面，操作简单以及便于推广等优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案所述的精神范围。
Claims (10)
1.一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置，其特征在于，
所述装置包括试验罐体、外部高压源、温度控制系统和应力测量系统；
所述试验罐体包括罐体本体、罐体上盖和罐体下盖，所述罐体本体内设置有第一加热装置和第二加热装置，所述第一加热装置下端固定有高压电极，所述第二加热装置的上端固定有地电极，所述第一加热装置设置于罐体上盖内部，所述第二加热装置设置于第一加热装置的正相对位置；所述高压电极和地电极之间用于固定夹持环氧绝缘材料；
所述外部高压源通过辅助电路与试验罐体相连接，用于将电压施加于所述环氧绝缘材料以获得其放电特性；
所述温度控制系统与所述第一加热装置和第二加热装置相连接；
所述温度控制系统用于设定温度大小，以产生不同的温度场，能够在不同的温度场下对所述高压电极和地电极进行恒温加热；
所述应力测量系统通过缓冲弹簧与所述第二加热装置相连接；
所述应力测量系统用于设定应力大小，对所述环氧绝缘材料施加不同的应力场，以及用于测量所述环氧绝缘材料所承受的应力值。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，优选的，
所述温度控制系统包括恒温循环油浴锅、油道和连接管，所述恒温循环油浴锅内置有油泵，所述油泵通过油道和连接管分别与所述第一加热装置和第二加热装置相连接；试验时根据需要设定加热温度，通过内置油泵进行循环加热，从而将高压电极和地电极加热到设定温度，在两电极之间产生热作用。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述应力测量系统包括应力传感器、数显仪以及与应力传感器相连接的外接拉杆；所述应力传感器与缓冲弹簧相连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述辅助电路包括限流电阻和测量电阻；所述限流电阻用于限制闪络电流，防止闪络对外部高压源或设备造成损坏；所述测量电阻用于辅助进行环氧绝缘材料放电量的校准。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述装置还包括电压、电流信号测量设备和局部放电采集设备；所述电压、电流信号测量设备用于测量外部高压源输出的电压、电流；所述局部放电采集设备用于采集环氧绝缘材料的放电信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述高压电极和地电极均采用半球结构，且在其球面顶端中间部位设置有一凹槽，所述凹槽用于固定夹持环氧绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述罐体本体的侧面设置有石英玻璃观察窗，用于观察罐体内部情况。
8.一种利用权利要求1至7任一所述装置研究环氧绝缘材料局部放电特性的实验方法，其特征在于，所述方法如下：
根据实验需求，调节外部高压源，将电压施加于所述环氧绝缘材料以获得其放电特性；和/或，
根据实验需求，调节温度控制系统设定温度，调节应力测量系统设定应力大小，分别产生不同的温度场和应力场，同时通过外部高压源施加电压进行试验；
得到环氧绝缘材料在电场、温度场及应力场单独或耦合作用下的局部放电特性。
9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1.不施加应力，保持温度为室温，调节外部高压源逐步升高电压，直至环氧绝缘材料出现稳定的局部放电信号，得到局部放电起始电压，继续升高电压，直至闪络，得到闪络电压；同时将局部放电起始电压到闪络电压之间的电压值划分为若干电压等级；
S2.根据环氧绝缘材料的拉伸强度和受力面积计算环氧绝缘材料断裂时的最大应力值，在零值到最大应力值范围内，将试验中环氧绝缘材料的受力划分为若干应力等级；同时，根据环氧绝缘材料最大承受温度将试验中环氧绝缘材料的温度分为若干温度等级；
S3.固定高压电极和地电极之间的距离不变，保持温度为室温，根据划分的应力等级、以及根据试验需求确定应力取值，不断变化施加所述应力值，同时调节外部高压源，分别将不同电压等级的电压值施加于所述环氧绝缘材料，得到环氧绝缘材料在不同应力场和不同电场作用下的局部放电信号；
S4.固定高压电极和地电极之间距离不变，保持环氧绝缘材料所受应力恒为零，根据划分的温度等级、以及根据试验需求确定温度取值，不断变化设定所述温度，得到环氧绝缘材料在不同温度场作用下的局部放电信号；
S5.保持温度为室温，保持环氧绝缘材料所受应力恒为零，根据试验需求，不断变化高压电极和地电极之间的间距，同时调节外部高压源，得到环氧绝缘材料的局部放电信号和闪络电压随两电极间距的变化特性；
S6.根据试验需求，选取不同温度等级和应力等级取值的组合，得到环氧绝缘材料在温度场和应力场耦合作用下的局部放电特性。
10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，
所述步骤S1中，对局部放电起始电压和闪络电压的确认实验采用每组均进行多次测量的方法，分别取其平均值作为局部放电起始电压和闪络电压。
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