CN109298272A - 一种复合绝缘横担多因素老化评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合绝缘横担多因素老化评估系统，该系统包括设置在封闭空间内的试验变压器、应力试验模块、冷热循环模块以及数据采集模块；该应力试验模块包括应力架、应力板以及偏心电机；应力架竖直的固定在封闭空间内；应力架顶端的一侧与应力板的一端固定连接，应力板的另一端与样品的一端固定连接；样品的另一端通过电力绝缘牵引绳与偏心电机连接；试验变压器通过导线与样品连接；冷热循环模块为样品提供相应的循环温度；数据采集模块用于采集样品的应变应力、泄露电流、电晕放电信息、局部放电信息以及温度信息。应用本发明，能够从多角度多因素评估复合绝缘横担的老化性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合绝缘横担绝缘特性研究技术领域，特别是涉及一种复合绝缘横担多因素老化评估系统。
背景技术
杆塔是架空输电线路中最重要的组成部分之一。长期已来，钢材凭借它的强度高、性能稳定、易连接等优越性占据着输电杆塔的绝大部分，铁塔已成为世界各国超高压输电线路中最常见的杆塔型式。但随着电网建设的发展，钢材的需求量也越来越大，耗了大量的资料，造成了生态环境的严重污染。在节能环保备受重视的当下，急切需要一种新型节能环保的材料来替代或者部分替代钢材应用到输电杆塔中。
高性能纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)具有强度大、质量轻、耐腐蚀以及耐久性能和电绝缘性能好等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程以及电气工业等诸多领域，可以采用纤维增强复合材料(FRP)替代传统杆塔材料来解决杆塔存在的问题。
目前国内外220kV及以下低电压等级输电线路中，纤维增强复合材料(FRP)已广泛应用于格构式杆塔和单杆式杆塔设计中，对于荷载较大高电压等级输电线路来说，整个杆塔均采用纤维增强复合材料(FRP)较为困难，可结合采用部分绝缘杆塔技术，杆塔的塔身仍采用传统钢材结构，在杆塔的塔头或横担部分采用纤维增强复合材料(FRP)结构，即节省了钢材资源，缩减了线路走廊，又可避免全复合式杆塔需架设特殊接地引线的缺点，对于建设“资源节约型、环境友好型”的输电线路具有重大意义。
随着树脂和纤维材料性能的改进和制造技术的进步，复合绝缘横担得到了试点应用，但是复合材料抗老化性能差、寿命短等问题对复合绝缘横担在电力系统中的安全、稳定运行造成了一定的隐患，局限了复合绝缘横担的应用。对复合绝缘横担的老化性能进行评估，论证其长期运行的可靠性，可以为复合绝缘横担的推广应用提供参考和依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合绝缘横担多因素老化评估系统，能够从多角度多因素评估复合绝缘横担的老化性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复合绝缘横担多因素老化评估系统，所述复合绝缘横担多因素老化评估系统包括设置在封闭空间内的试验变压器、应力试验模块、冷热循环模块以及数据采集模块；
所述应力试验模块包括应力架、应力板以及偏心电机；所述应力架竖直的固定在所述封闭空间内；所述应力架顶端的一侧与所述应力板的一端固定连接，所述应力板的另一端与第一样品、第二样品的一端固定连接；所述第一样品、所述第二样品的另一端通过电力绝缘牵引绳与所述偏心电机连接；
所述试验变压器通过导线与所述第一样品、所述第二样品连接；
所述冷热循环模块用于为所述第一样品、所述第二样品提供相应的循环温度；
所述数据采集模块用于采集所述第一样品、所述第二样品的应变应力、泄露电流、电晕放电信息、局部放电信息以及温度信息。
可选的，所述采集模块包括应变应力单元、红外成像仪、紫外成像仪、高频电流传感器、泄漏电流采集单元；所述应变应力单元、所述红外成像仪、所述紫外成像仪用于实时测量所述第一样品和所述第二样品的应变应力、温度信息以及电晕放电信息；所述泄漏电流采集单元、所述高频电流传感器用于测量老化后的第一样品和第二样品的泄露电流和局部放电信息。
可选的，所述应变应力单元包括基于布里渊原理的分布式光纤测量器和应变片；所述应变片粘贴在所述第一样品和所述第二样品上，所述应变片通过导线与所述分布式光纤测量器连接。
可选的，所述红外成像仪和所述紫外成像仪的摄像头均对准所述第一样品和所述第二样品。
可选的，所述高频电流传感器、所述泄漏电流采集单元均通过导线与老化后的第一样品和第二样品连接。
可选的，所述第一样品为1根的实心聚氨酯复合绝缘横担，所述第一样品为1根的空心充气复合绝缘横担。
可选的，所述试验变压器的额定电压为AC 50-400kV、DC 70-420kV，额定电容量为1-400kVA。
可选的，所述应力架由长为1.25m、宽为1m的钢制应力架组成；所述应力架的材质为Q460高强度钢材；所述应力板水平设置在所述封闭空间内，且所述应力板的尺寸为0.6m*0.5m*0.2m；所述偏心电机的台数为2台，且每台所述偏心电机的功率均为10kw；
所述封闭空间设置在地面上，所述应力架部分埋藏在地下，且所述应力架的埋藏深度为1m。
可选的，所述冷热循环模块提供的温度范围为-30℃至50℃；所述冷热循环模块包括冷风机、压缩机、散热器、蒸汽机；所述冷风机通过空心管与所述封闭空间外侧设置的压缩机连接，所述散热器通过空心管与所述封闭空间外侧设置的蒸汽机连接；所述冷风机的型号为DJ55，所述压缩机组为8HP。
可选的，所述复合绝缘横担多因素老化评估系统还包括在电力绝缘牵引绳之间布置的拉压力传感器和位移计；所述拉压力传感器和位移计用于实时测量所述第一样品、所述第二样品的荷载信息和位移信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的复合绝缘横担多因素老化评估系统可同时对机械应力、温度以及电压进行调节，同时在试验过程中还可以对试样的应变情况、泄露电流、局部放电以及温度等参数进行测量，进而根据测量的参数来评估样品的老化性能。
另外，由于复合绝缘横担硅橡胶覆层和FRP芯棒的热膨胀系数不同，复合绝缘横担在昼夜温差较大的环境中，长期经受冷热交替环境下可能会导致复合绝缘横担粘接剂老化，界面出现缝隙分层等。因此，在本发明中增加冷热循环系统，安装大功率加热和制冷设备，实现气候室内高温和低温的交替循环，符合实际需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例复合绝缘横担多因素老化评估系统的结构示意图；
图2为本发明实施例应力试验模块及复合绝缘横担安装示意图；。
图3为本发明实施例复合绝缘横担受力示意图；
图4为本发明实施例冷热循环示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种复合绝缘横担多因素老化评估系统，能够从多角度多因素评估复合绝缘横担的老化性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
复合绝缘横担(或者称为复合横担)在结构上与复合绝缘子或复合支柱绝缘子类似，但其与复合绝缘子较大的区别在于其机械受力情况的区别，同时复合绝缘横担的薄弱环节除了其机械强度随运行时间增加导致部分结构尤其管件连接点处出现机械疲劳外，更为主要的是其界面性能随老化时间(如冷热交替、机械振动、弯曲)的增加，导致其界面性能劣化，出现微孔或裂纹，同时当内部进入潮气或污秽时将导致局部放电产生，严重时可能导致外绝缘击穿以及绝缘FRP芯棒脆化断裂。
本发明主要针对于复合绝缘横担长期老化下的界面特性的研究，考虑复合绝缘横担所受机械温度以及电压特性，进行综合多角度多因素老化品台的设计，进而提供了一种复合绝缘横担多因素老化评估系统。
图1为本发明实施例复合绝缘横担多因素老化评估系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的复合绝缘横担多因素老化评估系统包括四大部分，分别为试验变压器、应力试验模块、冷热循环模块以及数据采集模块。所述封闭空间设置在地面上。
所述应力试验模块包括应力架、应力板以及偏心电机；所述应力架竖直的固定在所述封闭空间内；所述应力架顶端的一侧与所述应力板的一端固定连接，所述应力板的另一端与第一样品、第二样品的一端固定连接；所述第一样品、所述第二样品的另一端通过电力绝缘牵引绳与所述偏心电机连接。
所述试验变压器通过导线与所述第一样品、所述第二样品连接。
所述冷热循环模块用于为所述第一样品、所述第二样品提供相应的温度；
所述数据采集模块用于采集所述第一样品、所述第二样品的应变应力、泄露电流、电晕放电信息、局部放电信息以及温度信息。
其中，所述第一样品为1根的实心聚氨酯复合绝缘横担，所述第一样品为1根的空心充气复合绝缘横担。
所述试验变压器的额定电压为AC 50-400kV、DC 70-420kV，额定电容量为1-400kVA。
所述采集模块包括应变应力单元、红外成像仪、紫外成像仪、高频电流传感器、泄漏电流采集单元；所述应变应力单元、所述红外成像仪、所述紫外成像仪用于实时测量所述第一样品和所述第二样品的应变应力、温度信息以及电晕放电信息；所述泄漏电流采集单元、所述高频电流传感器用于测量老化后的第一样品和第二样品的泄露电流和局部放电信息。详细情况见表1。
表1参数测量方法及仪器汇总表
所述应变应力单元包括基于布里渊原理的分布式光纤测量器和应变片；所述应变片粘贴在所述第一样品和所述第二样品上，所述应变片通过导线与所述分布式光纤测量器连接。
所述红外成像仪和所述紫外成像仪的摄像头均对准所述第一样品和所述第二样品。
所述高频电流传感器、所述泄漏电流采集单元均通过导线与老化后的第一样品和第二样品连接。
优选的，所述复合绝缘横担多因素老化评估系统还包括在电力绝缘牵引绳之间布置的拉压力传感器和位移计；所述拉压力传感器和位移计用于实时测量所述第一样品、所述第二样品的荷载信息和位移信息。
机械应力会造成复合绝缘横担的应力疲劳，尤其会造成复合绝缘横担根部连接件机械疲劳以及复合绝缘横担硅橡胶/FRP芯棒界面粘接性能下降。因此，根据实际所需，在评估复合绝缘横担老化性能的试验中需要应力试验模块。
结合实际输电塔架工程情况，参考力学模型和复合绝缘横担缩比尺寸，采用如图2所示的安装方式实现应力测试。
在复合绝缘横担试件安装之前，根据复合绝缘横担试件的几何尺寸，预先加工复合绝缘横担试件与反力墙的连梁装置，最终实现复合绝缘横担试件的试验安装。根据实际500kV复合绝缘横担运行环境，确定导线载荷、风速、振动频率等参数。对复合绝缘横担试件进行受力分析，确定复合绝缘横担试验载荷。复合绝缘横担受力示意图如图3所示。
由于试验时长较长，且需要对复合绝缘横担试件进行持续的受力和振动，因此应力架的设计及施工是整个试验中起到关键作用的因素，考虑复合绝缘横担试件在实际工况下的受力情况，设计了由长为1.25m、宽为1m的钢制的应力架，还将应力架部分埋藏在地下，埋藏深度为1m；该应力架的材质为Q460高强度钢材。
通过电力绝缘牵引绳将复合绝缘横担端部与偏心电机相连，实现复合绝缘横担系统拉力的加载。
参考风电机组叶片的疲劳试验，搭建主要由固定装置(应力架)、应力板、偏心电机构成的应力试验模块。将应力板水平设置在封闭空间内，复合绝缘横担一端的法兰盘通过螺母紧固在应力板上，复合绝缘横担的另一端通过电力绝缘牵引绳与偏心电机相连。为了模拟复合绝缘横担在导线舞动导致的横担振动情况，通过偏心电机做设定频率下的摆动来实现。
另外该应力板的尺寸为0.6m*0.5m*0.2m；偏心电机的台数为2台，且每台偏心电机的功率均为10kw。
由于复合绝缘横担硅橡胶覆层和FRP芯棒的热膨胀系数不同，复合绝缘横担在昼夜温差较大的环境中，长期经受冷热交替环境下可能会导致复合绝缘横担粘接剂老化，界面出现缝隙分层等。因此，在综合老化试验中需考虑昼夜温差问题，增加冷热循环试验。
所述冷热循环模块提供的温度范围为-30℃至50℃；所述冷热循环模块包括冷风机、压缩机、散热器、蒸汽机；所述冷风机通过空心管与所述封闭空间外侧设置的压缩机连接，所述散热器通过空心管与所述封闭空间外侧设置的蒸汽机连接，并采用300ml密封胶圈密封；所述冷风机的型号为DJ55，所述压缩机组为8HP。所述压缩机组的尺寸为1.5m*1.5m*1.5m。
通过建造人工气候室(封闭空间)实现气候室内高温和低温的交替循环。试验中高低温的温度选定分别为50℃和-30℃，各持续12h，如图4所示，一次高温和一次低温为一个循环，共计5000h，最后从低温-恢复到室温。由于试验时长为5000h，因此需要对人工气候室合理的设计以及气候室内各制冷制热试验设备进行评估与选定，使其能够满足超长时间持续工作的要求。
本发明拟定搭建的人工气候室尺寸为5.1m*2.3m*2.55m。在人工气候室的左侧是冷风机与散热器，冷风机位于人工气候室左侧上方，散热器位于人工气候室左侧下方。冷风机与散热器分别实现了对人工气候室室内的制冷及制热，冷风机连接位于外侧的压缩机，散热器连接位于外侧的蒸汽机。同时，在工作区将会放置应力试验模块。人工气候室室内高低温的调节由位于人工气候室外壁的电控箱实现。设备的详细技术参数如下所述，选择规格为8HP的压缩机组作为人工气候室的制冷机组，其运行工况在50℃至零下35℃之间，制冷量为6500W。制热装置中的散热器为特别定制，其冷凝面积为49m2以满足人工气候室尺寸要求，名义制冷量为18100W。选用型号为DJ55的冷风机，其蒸发面积为55m2满足人工气候室尺寸，名义制冷量为9800W，其板金为不锈钢材质，排列方式为5排管，每排12支，管径16，片距9mm，风机直径500mm。
与现有技术相比，本发明能够真实模拟复合绝缘横担的生存环境，精确评估复合绝缘横担的老化性能。另外。在试验过程中，能够对机械应力、温度以及电压进行调节，在试验过程中能够对复合绝缘横担的应变情况、泄露电流、局部放电以及温度等参量进行实时测量，进一步证明了本发明提供的评估系统能够从多角度多因素评估复合绝缘横担的老化性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述复合绝缘横担多因素老化评估系统包括设置在封闭空间内的试验变压器、应力试验模块、冷热循环模块以及数据采集模块；
所述应力试验模块包括应力架、应力板以及偏心电机；所述应力架竖直的固定在所述封闭空间内；所述应力架顶端的一侧与所述应力板的一端固定连接，所述应力板的另一端与第一样品、第二样品的一端固定连接；所述第一样品、所述第二样品的另一端通过电力绝缘牵引绳与所述偏心电机连接；
所述试验变压器通过导线与所述第一样品、所述第二样品连接；
所述冷热循环模块用于为所述第一样品、所述第二样品提供相应的循环温度；
所述数据采集模块用于采集所述第一样品、所述第二样品的应变应力、泄露电流、电晕放电信息、局部放电信息以及温度信息。
2.根据权利要求1所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述采集模块包括应变应力单元、红外成像仪、紫外成像仪、高频电流传感器、泄漏电流采集单元；所述应变应力单元、所述红外成像仪、所述紫外成像仪用于实时测量所述第一样品和所述第二样品的应变应力、温度信息以及电晕放电信息；所述泄漏电流采集单元、所述高频电流传感器用于测量老化后的第一样品和第二样品的泄露电流和局部放电信息。
3.根据权利要求2所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述应变应力单元包括基于布里渊原理的分布式光纤测量器和应变片；所述应变片粘贴在所述第一样品和所述第二样品上，所述应变片通过导线与所述分布式光纤测量器连接。
4.根据权利要求2所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述红外成像仪和所述紫外成像仪的摄像头均对准所述第一样品和所述第二样品。
5.根据权利要求2所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述高频电流传感器、所述泄漏电流采集单元均通过导线与老化后的第一样品和第二样品连接。
6.根据权利要求1所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述第一样品为1根的实心聚氨酯复合绝缘横担，所述第一样品为1根的空心充气复合绝缘横担。
7.根据权利要求1所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述试验变压器的额定电压为AC 50-400kV、DC 70-420kV，额定电容量为1-400kVA。
8.根据权利要求1所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述应力架由长为1.25m、宽为1m的钢制应力架组成；所述应力架的材质为Q460高强度钢材；所述应力板水平设置在所述封闭空间内，且所述应力板的尺寸为0.6m*0.5m*0.2m；所述偏心电机的台数为2台，且每台所述偏心电机的功率均为10kw；
所述封闭空间设置在地面上，所述应力架部分埋藏在地下，且所述应力架的埋藏深度为1m。
9.根据权利要求1所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述冷热循环模块提供的温度范围为-30℃至50℃；所述冷热循环模块包括冷风机、压缩机、散热器、蒸汽机；所述冷风机通过空心管与所述封闭空间外侧设置的压缩机连接，所述散热器通过空心管与所述封闭空间外侧设置的蒸汽机连接；所述冷风机的型号为DJ55，所述压缩机组为8HP。
10.根据权利要求1-9任一项所述的复合绝缘横担多因素老化评估系统，其特征在于，所述复合绝缘横担多因素老化评估系统还包括在电力绝缘牵引绳之间布置的拉压力传感器和位移计；所述拉压力传感器和位移计用于实时测量所述第一样品、所述第二样品的荷载信息和位移信息。
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