CN110057817A - 基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置 - Google Patents

基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，主要由实验装置、电树枝观测装置、脉冲电压装置和终端构成，其特征在于,所述终端内设置有ScreenRuler长度测量平台，所述电树枝观察装置观测并记录所述实验装置内试样变化数据，并将数据传输至终端，所述终端内ScreenRuler长度测量平台进行电树枝长度测量，进而对绝缘材料的老化程度进行评估。

Description

基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置
技术领域
本发明属于高压设备领域，特别涉及一种基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置。
背景技术
随着电力工业产业的迅猛发展和电网规模的扩大，对电力传输要求也越来越高，电缆在城市电网改造、海底电缆送电等输配电网络中得到了广泛的应用。近年来，乙丙橡胶由于其优异的机械性能和电气性能，而被作为内绝缘材料大量应用于预制式电缆附件中。然而电缆附件的结构十分复杂，在绝缘材料制备或电缆附件挤塑成型过程中不可避免地会混入杂质，形成气隙、气泡和毛刺等缺陷。国家电网对电缆系统故障原因的统计结果显示，排除外力破坏的因素，70％的电缆系统故障源于电缆附件绝缘水平的下降。因此，提高电缆附件的绝缘可靠性对于保障电缆系统安全运行具有至关重要的作用。
目前，电树枝老化已经成为影响电缆附件绝缘可靠性的重要因素。电缆附件在生产制造和运输安装过程中引入的缺陷在外施电场的作用下会引起局部电场集中，极易引发电离并造成聚合物分解，沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展并生长出树枝状的放电通道，最终导致聚合物的完全或不完全击穿。
柔性直流输电与传统直流输电相比具有诸多优势，非常适用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电和异步交流电网互联等领域，而柔性直流输电系统中的开关元件导致系统内产生大量的脉冲电压，这就使得直流电缆在承受额定电压、操作过电压、雷击过电压的同时，还需承受大量重复脉冲电压的冲击。因此，脉冲电压的存在是否会影响绝缘状态并加速绝缘老化成为直流电缆技术中亟待解决的问题。
额定工况下，交联聚乙烯电力电缆及其附件长期运行在70℃左右的环境温度下，当电缆过载时，其运行温度可以达到约90℃，当电缆发生短路故障的时候，其运行温度可高达250℃；当电缆所带负荷发生增减的时候，会产生一个变温的环境，使得绝缘材料工作在更为恶劣的环境下。因此，研究温度变化条件下以及脉冲电压作用下，绝缘材料的老化状态评估方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，提供电树枝观测装置和温度变化环境下脉冲电压实验装置，从而能够使用测量电树枝长度的方法对高压直流电力电缆用绝缘材料在温度变化环境下的老化程度进行有效评估。
本发明为所要解决的技术问题提供的技术方案是：基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，主要由实验装置、电树枝观测装置、脉冲电压装置和终端构成，所述终端内设置有ScreenRuler长度测量平台，所述电树枝观察装置观测并记录所述实验装置内试样变化数据，并将数据传输至终端，所述终端内ScreenRuler长度测量平台进行电树枝长度测量，进而对绝缘材料的老化程度进行评估。
所述实验装置用以制造不同的恒定温度以及变温环境，包括恒温箱、温度传感器，温度控制器和加热装置；所述恒温箱顶部设置有温度传感器，所述温度传感器以信号线连接所述温度控制器，所述加热装置以信号线连接所述温度控制器；
所述电树枝观测装置主要由光学显微镜、CCD数码摄像头、冷光源构成；所述CCD数码摄像头与所述终端相连，通过视频软件观测试样内部电树枝的是否产生；
所述冷光源装置用以清晰的观测乙丙橡胶试样内部情形；
所述脉冲电压装置由一个脉冲电压发生器构成；
所述ScreenRuler长度测量平台是运行于所述终端上的软件分析平台，是一种测量屏幕的虚拟尺，可以随意调整长度、刻度、透明度，通过测量电树枝长度来描述聚合物的破坏程度。
所述针-板电极系统采用乙丙橡胶试样模具制备电树枝试样。
所述针-板电极系统设置于所述恒温箱内，所述针-板电极系统内放置有电树枝试样。
所述针-板电极系统上部通过高压套管和限流电阻连接所述脉冲电压装置，所述针-板电极系统底部通过低压套管接地。
有益效果
1、针-板电极系统模拟了乙丙橡胶电缆附件内部不可避免的缺陷。
2、本装置实验温度可控而准确。
3、有效的模拟了实际运行中高压直流电力电缆的实际运行工况。
附图说明
图1是本发明的实验用针-板电极系统试样图；
图2是本发明的电热耦合条件下的电树枝实验系统装置结构图；
图3是本发明的电树枝观测装置结构图；
图4是本装置可以模拟的一些温度变化条件。
(a)可以模拟电缆长期运行在某恒定的温度环境。
(b)可以模拟电缆在突然短路条件下，其运行温度的急剧变化情况。
(c)可以模拟负荷增减过程中，运行温度变化的暂态升温过程。
(d)可以模拟绝缘材料有初始电树枝，随后又发生负荷增减导致温度变化，对绝缘材料的后续电树枝老化的影响。
图5是不同温度条件下的典型电树枝形态。
(a)30℃的条件下，加压10min。
(b)60℃的条件下，加压10min。
(c)90℃的条件下，加压10min。
(d)30℃-90℃持续升温条件下，加压5min。
(e)30℃条件下，加压5min。
(f)90℃条件下，加压5min。
(g)30℃加压2min30s-90℃加压5min稳态变温条件下，共加压7min30s。
(h)30℃条件下，加压7min30s。
(i)90℃条件下，加压7min30s。
图6是采用screenruler分析平台对不同温度下的绝缘材料电树枝老化分析结果示例(分别对应着图5-(a),(b),(c))。
图7是本发明的装置框图。
附图标记：
1-终端，2-基于针板电极系统的电树枝试样，3-冷光源，4-光学显微镜，5-CCD数码摄像头，6-低压套管，7-地电极，8-透明玻璃板，9-温度传感器，10-温度控制器，11-加热装置，12-恒温箱，13-限流电阻，14-高压套管，15-针电极。
具体实施方式
下面结合附图给出具体实例，进一步说明本发明的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置及方法是如何实现的。
如图7所示，本发明提供一种基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置主要由实验装置、电树枝观测装置、脉冲电源装置和终端1构成，所述终端1内设置有ScreenRuler长度测量平台，所述电树枝观察装置观测记录所述实验装置内试样变化数据，并将数据传输至终端1，所述终端1内ScreenRuler长度测量平台进行电树枝长度测量；
如图2所示，所述实验装置用以制造不同的温度环境，包括恒温箱12、温度传感器9、温度控制器10、和加热装置11，所述恒温箱12内设置有基于针板电极系统的电树枝试样2，所述电树枝试样2采用乙丙橡胶试样模具制备电树枝试样；所述基于针-板电极系统的电树枝试样2上部通过高压套管14和限流电阻13连接所述脉冲电源电压装置，所述基于针-板电极系统的电树枝试样2底部通过低压套管6接地；所述不同温度环境由温度控制器10、温度传感器9以及加热装置11制造，所述温度控制器10通过控制电路连接所述加热装置11，所述恒温箱12顶部设置有温度传感器9，所述温度传感器9由热电偶组成，所述温度传感器9以信号线连接所述温度控制器10，所述温度控制器10控制所述加热装置11的加热功率；
如图3所示，所述电树枝观测装置主要由光学显微镜(SDK-2000)4、CCD数码摄像头5、冷光源3构成；所述CCD数码摄像头5与所述终端1相连，通过视频软件摄像头录像大师观测试样内部电树枝的是否产生，放大倍数选用1X，最高分辨率为1024pixels×768pixels，三个物镜倍数分别为4X、10X、40X，目镜倍数为10X；
所述冷光源3用以清晰的观测乙丙橡胶试样内部情形；
如图2所示，所述脉冲电压装置由一个脉冲电压发生器构成；
ScreenRuler长度测量平台是运行于所述终端1上的软件分析平台，是一种测量屏幕的虚拟尺，可以随意调整长度、刻度、透明度，通过测量电树枝长度来描述聚合物的破坏程度。ScreenRuler长度测量平台操作步骤为：第一步，打开所述视频软件摄像头录像大师拍摄的图片；第二步，操作虚拟尺，将针电极尖端对准虚拟尺0刻度处；第三步，操作虚拟尺的可移动标线至电树枝延伸的最远端，读出虚拟尺显示的电树枝长度；第四步，将电树枝长度与标定的300um长度对应的虚拟尺长度进行折算，得出最终电树枝的实际长度。
基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置的评估方法，采用电树枝长度的方法对高压直流电缆用绝缘材料绝缘状态进行有效评估，包括如下步骤：
步骤1)制备基于针-板电极的乙丙橡胶测试试样，本发明试样制备采用基于针-板电极系统的电树枝老化试样2，针电极15接高电压，地电极7接地，试样放在平板电极上。为了更清晰的观察到电树枝图像，试样被固定在两片透明玻璃片之间。
对于乙丙橡胶测试试样的制备，应按照以下程序。第一步，先称取40gEPDM颗粒，使用双辊机将EPDM颗粒充分熔融，双辊机温度设定为170℃，转速为每分钟25圈，在室温条件下熔融10分钟后使用双二五硫化剂进行共混硫化交联3分钟，EPDM和双二五硫化剂质量分数比例为100:1；第二步，共混均匀后，在170℃，压强24MPa条件下使用压片机压片10分钟后，取出试样室温冷却；第三步，使用切割器将试样切割为40mm×20mm×4mm的试样块；第四步，在试样底部贴上厚度为100μm铜箔电极，就达到电树枝老化实验要求了。最终制备出的试样如图1所示。
步骤2)使用电热耦合场测试装置进行实验，电树枝实验系统装置如图2所示。本实验装置可以模拟多种不同的实际工况，对于不同的实际工况，实验操作有所不同，下面分别介绍：
第一种工况，如图4-(a)所示，用以模拟运行在不同温度下的电缆；第一步，放置乙丙橡胶试样：先检查电树枝实验系统装置正常后，开始连接试样针电极和电树枝实验系统装置高压端；第二步，在温度控制器中设定目标温度，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证恒温箱内部温度达到实验要求，当温度到达设定温度的时候，再等待5min以保证材料的温度达到目标温度；第三步，进行加压实验：打开脉冲电源的同时开始计时；第四步，取出试样：在指定加压时间后，关闭电源取出试样，静置于室温环境20min，准备在电树枝观测装置下进行观察。
第二种工况，如图4-(b)所示，用以模拟当电力电缆短路之后，短路电流产生的巨大热效应导致的电缆运行温度急剧变化；第一步，放置乙丙橡胶试样：先检查电树枝实验系统装置正常后，开始连接试样针电极和电树枝实验系统装置高压端；第二步，在温度控制器中设定目标温度，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证恒温箱内部温度达到实验要求，当温度到达设定温度的时候，再等待5min以保证材料的温度达到目标温度；第三步，进行加压实验：打开脉冲电源的同时开始计时，当到达设定时间后，关闭脉冲电源；第四步，在温度控制器中设定另一温度(图4-(b)折线后半部分)，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证恒温箱内部温度达到实验要求，当温度到达设定温度的时候，再等待5min以保证材料的温度达到目标温度；；第五步，再次加压：打开脉冲电源的同时开始计时；第六步，取出试样：在指定加压时间后，关闭电源取出试样，静置于室温环境20min，准备在电树枝观测装置下进行观察。
第三种工况，如图4-(c)所示，用以模拟电缆负荷增减所导致的运行温度变化的暂态升温过程；第一步，放置乙丙橡胶试样：先检查电树枝实验系统装置正常后，开始连接试样针电极和电树枝实验系统装置高压端；第二步，在温度控制器中设定目标温度，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证恒温箱内部温度达到实验要求；启动加热装置的同时打开脉冲电源；第三步，取出试样：在到达设定目标温度后，关闭电源取出试样，静置于室温环境20min，准备在电树枝观测装置下进行观察。
第四种工况，如图4-(d)所示，用以模拟电缆中已有起始电树枝的情况下，负荷的增减所导致的暂态升温过程对后续绝缘材料的老化影响；第一步，放置乙丙橡胶试样：先检查电树枝实验系统装置正常后，开始连接试样针电极和电树枝实验系统装置高压端；第二步，在温度控制器中设定目标温度，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证恒温箱内部温度达到实验要求，当温度到达设定温度的时候，再等待5min以保证材料的温度达到目标温度；第三步，进行加压实验：打开脉冲电源的同时开始计时，当到达设定时间后，关闭脉冲电源；第四步，在温度控制器中设定新的目标温度，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证恒温箱内部温度达到实验要求；启动加热装置的同时打开脉冲电源；第五步，取出试样：在到达设定目标温度后，关闭电源取出试样，静置于室温环境20min，准备在电树枝观测装置下进行观察。
步骤3)在电树枝观测装置下观察试样内部电树枝老化情况，电树枝观测装置结构如图3。第一步，放置试样，调试光学显微镜和CCD数码摄像头。本发明的光学显微镜选用高倍率单筒视频显微镜，CCD数码摄像头选用1X，目镜倍数为10X，可将电树枝图像放大40到400倍。将试样放置于玻璃片上，调节试样位置直到可以看见针尖。调节冷光源位置，使冷光源发出的光直射试样针尖，以清晰地观测乙丙橡胶试样的内部情形；第二步，观测试样。将CCD数码摄像头与终端相连，通过视频软件摄像头录像大师观测试样内部电树枝的形态，并拍照记录。利用记录的图像就可以利用电树枝长度的方法开始对绝缘老化经行评估。根据实验发现，在施加电压时间一样的条件下可以看出不同条件下绝缘材料的老化程度是不一样的，因此实验结果可以为实际工程中评估乙丙橡胶在不同的温度环境下绝缘老化程度提供有效指导。第一步，打开所述视频软件摄像头录像大师拍摄的图片；第二步，操作虚拟尺，将针电极尖端对准虚拟尺0刻度处；第三步，操作虚拟尺的可移动标线至电树枝延伸的最远端，读出虚拟尺显示的电树枝长度；第四步，将电树枝长度与标定的300um长度对应的虚拟尺长度进行折算，得出最终电树枝的实际长度。
步骤4)采用ScreenRuler虚拟尺进行计算：
(1)打开所述视频软件摄像头录像大师拍摄的图片；
(2)操作虚拟尺，将针电极尖端对准虚拟尺0刻度处；
(3)操作虚拟尺的可移动标线至电树枝延伸的最远端，读出虚拟尺显示的电树枝长度；
(4)将电树枝长度与标定的300um长度对应的虚拟尺长度进行折算，得出最终电树枝的实际长度，如图5所示。可以看出视频软件摄像头录像大师拍摄的图片能清晰的分辨出电树枝形貌，ScreenRuler长度测量平台可以较为准确的测量电树枝长度。因此在不同温度环境下，使用电树枝长度表征绝缘老化程度效果明显，实验结果证明电树枝长度的方法可以成为本发明基于电热耦合场的绝缘材料老化的评估方法。

Claims (7)

1.基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，主要由实验装置、电树枝观测装置、脉冲电压装置和终端构成，其特征在于,所述终端内设置有ScreenRuler长度测量平台，所述电树枝观察装置观测并记录所述实验装置内试样变化数据，并将数据传输至终端，所述终端内ScreenRuler长度测量平台进行电树枝长度测量，进而对绝缘材料的老化程度进行评估。
2.根据权利要求1所述的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，其特征在于,所述实验装置用以制造不同的恒定温度以及变温环境，包括恒温箱、温度传感器，温度控制器和加热装置；所述恒温箱顶部设置有温度传感器，所述温度传感器以信号线连接所述温度控制器，所述加热装置以信号线连接所述温度控制器。
3.根据权利要求1所述的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，其特征在于,所述电树枝观测装置主要由光学显微镜、CCD数码摄像头、冷光源构成；所述CCD数码摄像头与所述终端相连，通过视频软件观测试样内部电树枝的是否产生；
所述冷光源装置用以清晰的观测乙丙橡胶试样内部情形。
4.根据权利要求1所述的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，其特征在于,所述脉冲电压装置由一个脉冲电压发生器构成。
5.根据权利要求1所述的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，其特征在于,所述针-板电极系统采用乙丙橡胶试样模具制备电树枝试样。
6.根据权利要求1所述的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，其特征在于,所述针-板电极系统设置于所述恒温箱内，所述针-板电极系统内放置有电树枝试样。
7.根据权利要求1所述的基于电热耦合场的绝缘材料老化测试装置，其特征在于,所述针-板电极系统上部通过高压套管和限流电阻连接所述脉冲电压装置，所述针-板电极系统底部通过低压套管接地。
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