CN110057818A - 基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，主要由实验装置、电树枝观察装置、直流叠加谐波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,提供电树枝观察装置和低温环境下直流叠加谐波电压实验装置，从而能够使用测量电树枝长度的方法对高温超导直流电压电缆用绝缘材料老化程度进行有效评估。

Description

基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置

技术领域

本发明属于高压设备领域，特别涉及一种基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置。

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，超导电缆成为了今后发展的热门方向。高温超导(HTS)电缆作为下一代电力传输介质，因其几乎无电阻的特性，可以实现大容量、低损耗的传输，且结构紧凑铺设方便，从而在国内外输电系统中得到广泛应用。在实际应用中，环氧树脂绝缘材料以其优秀的电性能和物理化学性能而广泛应用于高温超导电缆的附件中，其性能的好坏与输电线路的安全运行与否有直接关系。电树枝老化和击穿是环氧树脂绝缘材料绝缘损坏的重要原因。由于电缆的工作环境复杂，环氧树脂需要承受低温、谐波电压以及直流电压等多方面的考验。随着电网传输容量的不断增大，电压等级的不断提高，外界环境的更加复杂化，绝缘材料的电树枝老化问题愈显严重。而其最终导致的绝缘击穿则严重危险了电力系统的安全稳定运行。

对于高温超导直流电缆的运行过程，本身就处于一定幅值的直流电压下，而换流变压器会因为交直流电压的转换而出现谐波电压，从而导致超导直流电缆中直流叠加谐波的复合电压的出现，会对直流电缆的正常运行产生不利的影响，容易造成直流电缆绝缘的电树枝老化和击穿，严重威胁了电缆绝缘的安全性和使用寿命。因此，研究直流叠加谐波复合电场条件下浇注式绝缘材料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，提供一种基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，提供电树枝观察装置和低温环境下直流叠加谐波电压实验装置，从而能够使用测量电树枝长度的方法对高温超导直流电压电缆用绝缘材料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：基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，主要由实验装置、电树枝观察装置、直流叠加谐波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。

所述实验装置用以制造低温环境，包括恒温箱、温度传感器、温度控制器和液氮储存器；所述液氮储存器以管道和阀门连接所述恒温箱，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，所述温度控制器控制所述液氮储存器出口管线上的阀门开度；

所述电树枝观察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环氧树脂试样内部情形；

所述直流电压叠加谐波电压装置由一个电压复合单元构成，包括高压直流电压电源与谐波电压发生器；

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-板电极系统采用环氧树脂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直流叠加谐波电压装置，所述针-板电极系统底部通过低压套管接地。

有益效果

1、针-板电极系统模拟了环氧树脂套管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温超导电缆系统的工况。

4、可靠的产生各种直流叠加谐波电压波形

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是本发明的低温环境下电树枝实验系统装置结构图；

图3是+20kV直流电压和400Hz频率15kV谐波电压及其耦合电压波形例图；

图4是本发明的电树枝观察装置结构图；

图5是采用电树枝长度分析-20kV直流电压与400Hz频率15kV谐波电压耦合电压条件下环氧树脂试样的电树枝长度结果的例图；

图6是本发明的装置框图。

附图标记：

1-终端，2-针-板电极系统，3-恒温箱，4-温度传感器，5-温度控制器，6-液氮储存器,7-光学显微镜，8-CCD数码摄像头，9-地电极，10-冷光源，11-高压直流电源，12-谐波电压发生器，13-电树枝试样，14-高压套管，15-限流电阻，16-低压套管，17-针电极，18-透明玻璃。

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直流叠加谐波复合场的超导绝缘材料老化评估装置及方法是如何实现的。

如图6所示，本发明提供一种基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置主要由实验装置、电树枝观察装置、直流叠加谐波电压装置和终端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低温环境，包括恒温箱3、温度传感器4、温度控制器5、液氮储存器6，所述恒温箱3内设置有针-板电极系统2，所述针-板电极系统2采用环氧树脂试样模具制备电树枝试样；所述针-板电极系统2内放置有电树枝试样13，所述针-板电极系统2上部通过高压套管14和限流电阻15连接所述直流叠加谐波电压装置，所述针-板电极系统2底部通过低压套管16接地；所述低温环境由液氮制造，所述液氮储存器6以管道和阀门连接所述恒温箱3，所述恒温箱3顶部设置有温度传感器4，所述温度传感器4由热电偶组成，所述温度传感器4以信号线连接所述温度控制器5，所述温度控制器5控制所述液氮储存器6出口管线上的阀门开度；

如图3所示，所述电树枝观察装置主要由光学显微镜(SDK-2000)7、CCD数码摄像头8、冷光源10构成；所述CCD数码摄像头8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10用以清晰的观测环氧树脂试样内部情形；

如图2所示，所述直流叠加谐波电压装置由一个电压复合单元构成，包括高压直流电源11与谐波电压发生器12；所述高压直流电源11采用静电纺丝式电源，所述静电纺丝式电源，最大输出电压为50kV，当电流超过阈值后，内部自断电型保护装置自动断电保护装置。

所述谐波电压发生器12是将工频交流电压经过整流电路、开关电路、信号发生器和变压器后输出高频高压谐波的装置；

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2mm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。

基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置的评估方法，采用电树枝长度的方法对高温超导直流电压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-板电极的环氧树脂测试试样，本发明试样制备采用针-板电极系统2，针电极17接高电压，板电极9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。

对于环氧树脂测试试样的制备，应按照以下程序。第一步，将环氧树脂和聚酰胺按照3:1的质量配比倒入烧杯中混合，然后使用磁力搅拌器均匀搅拌混合物20min，使其混合均匀，得到混合均匀后的环氧树脂混合液体；第二步，为保证试样不含气泡而影响电树枝老化的观察效果，将混合均匀后的环氧树脂混合液体放入真空箱中抽真空两个小时以充分去除其中的水分和空气，得到干燥的环氧树脂混合液体；第三步，从真空箱内取出，将干燥的环氧树脂混合液体用玻璃棒引流缓慢倒入提前准备好的模具中，注意不要在倾倒时混入气泡；第四步，在室温条件下静置固化48小时，再于60℃烘烤箱烘烤8小时，取出自然降温至室温；第五步，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)使用低温环境下电树枝实验系统装置进行实验，低温环境下电树枝实验系统装置如图2所示。第一步，放置环氧树脂试样：先检查低温环境下电树枝实验系统装置正常后，开始连接试样针电极和低温环境下电树枝实验系统装置高压端；第二步，在恒温箱中放入液氮，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，如以每秒10℃速率下降温度至液氮温度-196℃，再等待5min以保证材料的温度达到液氮温度；第三步，进行加压实验：采取先加直流电压电压再加谐波电压的方法，以1kV/s的速率加压至指定直流电压电压数值，等待5min后再加谐波电压，同样以1kV/s的速率加压至指定谐波电压数值，这样试样就被施加了指定的复合场电压，如图3所示；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，准备在电树枝观察装置下进行观察。

步骤3)在电树枝观察装置下观察试样内部电树枝老化情况，电树枝观察装置结构如图4。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，以清晰地观测环氧树脂试样的内部情形；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环氧树脂在谐波过电压的扰动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2mm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2mm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。因此在不同复合电压形式、不同谐波电压频率下，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直流叠加谐波复合场的超导绝缘材料老化的评估方法。

Claims (6)

1.基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，主要由实验装置、电树枝观察装置、直流叠加谐波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。

2.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，其特征在于，所述实验装置用以制造低温环境，包括恒温箱、温度传感器、温度控制器和液氮储存器；所述液氮储存器以管道和阀门连接所述恒温箱，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，所述温度控制器控制所述液氮储存器出口管线上的阀门开度。

3.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，其特征在于，所述电树枝观察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环氧树脂试样内部情形。

4.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，其特征在于，所述直流电压叠加谐波电压装置由一个电压复合单元构成，包括高压直流电压电源与谐波电压发生器。

5.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，其特征在于，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，测量屏幕的虚拟尺，通过测量电树枝长度来描述聚合物的破坏程度。

6.根据权利要求1所述的基于直流叠加谐波的低温电树枝老化实验装置，其特征在于，所述针-板电极系统采用环氧树脂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直流叠加谐波电压装置，所述针-板电极系统底部通过低压套管接地。