CN110456243A - 一种绝缘试样直流击穿测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了绝缘测试技术领域的一种绝缘试样直流击穿测试装置，旨在解决现有技术中由于金属杆与油槽壁之间空气中电场不均匀度，导致击穿测试过程中发生放电，以及无法准确测试绝缘试样在高温下直流击穿性能的技术问题。所述装置包括装有绝缘油液的油槽，所述油槽内收容有两个沿油槽轴线布设且浸泡于油液中的击穿电极，其中一个击穿电极接地，另一个击穿电极通过导电杆与直流电压发生器电性连接，所述导电杆一端位于油液中、另一端位于油液外，所述油槽内还收容有浸泡于油液中的加热部件。

Description

一种绝缘试样直流击穿测试装置
技术领域
本发明涉及一种绝缘试样直流击穿测试装置，属于绝缘测试技术领域。
背景技术
近年来，直流输电技术得到了迅速发展，特别是随着柔性直流输电技术的广泛应用，输送容量不断增加，电压等级也在不断提高，同时也对输电用变压器、开关、电缆绝缘(如环氧树脂、交联聚乙烯、橡胶等)等提出了更高的绝缘要求。为此，在绝缘材料投入使用前，通常需对试样进行直流击穿测试，以验证其直流击穿性能。
在进行直流击穿测试过程中，为防止直流击穿过程中的放电现象，击穿电极(例如球电极)通常放置于油槽中，连接导体球用金属杆通常裸露于空气中，由于空气击穿电场较低，致使金属杆容易对油槽金属壁放电。为防止放电，目前，大多数击穿设备厂家在未深入开展专门的电场理论研究与结构设计的情况下，仅简单采取将金属杆或者油槽壁利用绝缘层包住的方法。实践证明，该方法对防止放电效果并不明显，无法显著提高放电电压。
通常情况下，高压设备在正常运行过程中会禁受高温，具体设备均有最高工作温度要求，例如，电缆绝缘XLPE的最高工作温度为90℃。高温下的直流击穿性能，能够反映设备绝缘在极端环境下的性能，对于衡量绝缘材料性能极为重要。目前，由于标准中并未要求需对绝缘材料开展高温下的直流击穿测试，也未提出具体的高温击穿性能指标，因而厂家在进行绝缘击穿性能分析的时候，仅仅开展了室温条件下的击穿测试，无法准确测试其在高温下的直流击穿性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种绝缘试样直流击穿测试装置，以解决现有技术中进行绝缘击穿性能分析时，无法准确测试绝缘试样在高温下直流击穿性能的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种绝缘试样直流击穿测试装置，包括装有绝缘油液的油槽，所述油槽内收容有两个沿油槽轴线布设且浸泡于油液中的击穿电极，其中一个击穿电极接地，另一个击穿电极通过导电杆与直流电压发生器电性连接，所述导电杆一端位于油液中、另一端位于油液外，所述油槽内还收容有浸泡于油液中的加热部件。
优选地，还包括收容于油槽内的搅拌器，所述加热部件为设于两击穿电极下方的加热电阻，所述搅拌器设于加热电阻与两击穿电极之间。
优选地，还包括收容于油槽内的多孔金属板，所述多孔金属板水平布设于搅拌器与两击穿电极之间。
优选地，还包括油温测量部件，所述油温测量部件包括浸泡于油液中的温度传感器和与其通信连接的温度显示器。
优选地，所述导电杆为圆形金属杆且位于油槽轴线上，所述油槽为圆形槽，金属杆侧面圆周半径，其表达式如下：
油槽内侧壁圆周半径，其表达式如下：
式中，r0为金属杆侧面圆周半径，r1为油槽内侧壁圆周半径，k为裕度系数，u为外加电压，E空为空气中击穿电场。
优选地，所述击穿电极为球电极，所述球电极包括上球电极和下球电极，所述下球电极连接有接地线，所述上球电极通过弹簧(8)与导电杆电性连接。
优选地，导电杆与直流电压发生器之间串联有保护电阻和均压环。
优选地，所述均压环包括第一均压环和第二均压环，所述直流电压发生器与保护电阻、第一均压环、第二均压环和导电杆顺序连接，第一均压环与第二均压环之间连接有高压引线。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：通过在油槽中布设加热部件，能够实现高温下的直流击穿测试，以模拟超过现有直流电气设备工作温度的环境温度。通过对金属杆和油槽尺寸进行最优设计，最大限度地减少金属杆与油槽壁之间空气中电场不均匀度，防止在击穿测试过程中发生放电；同时，由于油槽尺寸更为紧凑，还有利于减少绝缘油液的使用量，并可减小加热部件的加热电流，降低加热能耗。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种绝缘试样直流击穿测试装置结构示意图；
图2是本发明实施例中金属杆与油槽间的介质分布示意图。
图中：1、直流电压发生器；2、保护电阻；3、第一均压环；4、高压引线；5、第二均压环；6、金属杆；7、绝缘油液面；8、弹簧；9、上球电极；10、下球电极；11、试样；12、电极架；13、多孔金属板；14、接地线；15、搅拌器；16、加热电阻；17、油槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，是本发明具体实施方式提供的一种绝缘试样直流击穿测试装置结构示意图，所述装置包括直流电压发生器1、与直流电压发生器1电性连接的圆柱形金属杆6、装有绝缘油液的圆形金属油槽17，油槽17内收容有电极架12，金属杆6位于油槽17轴线上，金属杆6下端设有凸台，金属杆6通过该凸台卡接在电极架12上，凸台端面内凹形成空心槽。为节省绝缘油液并防止其溢出，油槽17中的绝缘油液不宜加得过满，液面7盖住电极架12即可。电极架12内收容有两个沿油槽17轴线竖直布设且浸泡于油液中的上球电极9和下球电极10，其中，下球电极10安装于电极架12底面内壁上并连接有接地线14，上球电极9通过弹簧8与金属杆6电性连接，弹簧8上端固定于金属杆6凸台空心槽内。电极架12架设于一水平放置的多孔金属板13上，多孔金属板13固定于油槽17内壁焊接的三个金属凸起物上，多孔金属板13下方设有加热电阻16，多孔金属板13与加热电阻16之间设有搅拌器15。直流电压发生器1顺序连接有保护电阻2、第一均压环3、高压引线4、第二均压环5，第二均压环5与金属杆6连接。
本实施例中，弹簧8用于对上球电极9施加向下弹力，从而将绝缘体试样11紧密压合于上球电极9与下球电极10之间，以确保可靠接触；直流电压发生器1用于提供击穿试样11所需直流高压；保护电阻2用于防止击穿测试时电流过大以保护直流电压发生器1；第一均压环3用于均匀直流电压发生器1顶端和保护电阻2的电场；高压引线4用于连接直流电压发生器1与金属杆6，第二均压环5用于均匀金属杆6顶端电场。另外，在本实施例中，加热电阻16用于对绝缘油液进行加热，由于多孔金属板13上设有均匀分布的通孔，在搅拌器15作用下，便于将油槽17底部绝缘油液的热量及时传递至电极架12中的绝缘油液，从而确保油槽17中的绝缘油液保持温度均匀；电极架12内还收容有用于测量油温的温度传感器，该温度传感器连接有与其适配的温度显示器，以便于及时测量和显示油槽17内绝缘油液的温度。通过在油槽17布设加热电阻16，能够实现高温下的直流击穿测试，以模拟超过现有直流电气设备工作温度的环境温度。
如图2所示，是本发明实施例中金属杆与油槽间的介质分布示意图，油槽17中介质分为两层，下面一层为绝缘油液，上面一层为空气。其中，金属杆6连接高压，电位为u；油槽17金属壁接地，电位为0。由于空气介质中更容易放电，在此，仅分析金属杆6与油槽17金属壁之间空气中的电场分布。
根据圆柱体介质中的电场分布，可知：
式中，r为空气中任意点与金属杆轴线间距离，r0为金属杆半径，r1为油槽内侧壁圆周半径，u为外加电压，E为上述空气中任意点处电场；
由式(1)可知，当空气中任意点与金属杆6轴线间距离为r0时电场最高，即所述空气中任意点位于金属杆6侧面位置，此时，该空气中任意点电场记为E0，表示为：
E0对r0求导，可表示为：
由式(3)可知，当即时，E0随r0增加而增加；当即时，E0随r0增加而减少，由此可得知，当时，电场E0最小；其中e为自然常数。
空气中击穿电场可表示为E空，再考虑一定的裕度系数k，则空气中安全电场E空，安全可表示为由于最大电场出现在金属杆6侧面位置，只需使得E0＝E空，安全，即可使得金属杆6表面不放电。将其代入式(2)中，可得：
化简后，得：
将代入式(5)，可得：
综上所述，将金属杆6设计为式(6)所述尺寸，将油槽17设计为式(7)所述尺寸，为本发明装置的最优设计尺寸。一方面，能够最大限度地减少金属杆6与油槽17金属壁之间空气中电场不均匀度，防止在击穿测试过程中发生放电；另一方面，由于油槽17尺寸更为紧凑，能够减少绝缘油液的使用量，同时可减小流经加热电阻16的加热电流并降低能耗。
本发明具体实施方式提供的一种绝缘试样直流击穿测试装置，其设计实施步骤如下：
(一)确定金属杆半径和油槽内半径等主要设计参数
通常情况下，干燥空气击穿电场E空约为3kV/mm，选取安全系数k＝1.2，根据式(6)和式(7)可得，金属杆半径r0＝40mm，油槽内半径r1＝296mm。
(二)确定各组件相关参数
(1)直流电压发生器，其额定电压为300kV，最大输出电流为5mA，纹波系数<1％；
(2)第一均压环，能够承受200kV直流电压而不产生放电；
(3)保护电阻，电阻值为1MΩ～10MΩ；
(4)高压引线，高压用波纹管导线，其直径为10mm～20mm；
(5)第二均压环，能够承受200kV直流电压而不产生放电；
(6)金属杆，为圆形棒状，可用铝或铝合金等轻质金属，半径为40mm，高度为850mm(含卡入电极架中50mm长度)；
(7)绝缘油液，可选用高压变压器用绝缘油，不可使用含极性基团绝缘油；
(8)上、下电极，均为球电极，材质为铜导体，直径为20mm；
(9)试样为热固性或热塑性材料，直径约100mm，厚度约1mm；
(10)电极架选用耐热绝缘材料，如环氧树脂、聚四氟乙烯等，高度约150mm；
(11)多孔金属板选用不锈钢材料，厚度为2～5mm，直径为588mm；
(12)接地线，宜用实芯铜线，一端通过螺栓固定于下电极下面导杆上，另一端焊接于油槽金属壁，接地线导体截面应为4mm2及以上；
(13)油槽，内部高度约400mm，内径为592mm，底部有加热电阻和搅拌器，结合控温系统，保证加热速率1～5℃/min，温度控制误差为±2℃。
经试验测试，本实施例所述绝缘试样直流击穿测试装置，其所能实现的最高击穿电压为200kV。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，包括装有绝缘油液的油槽(17)，所述油槽(17)内收容有两个沿油槽(17)轴线布设且浸泡于油液中的击穿电极，其中一个击穿电极接地，另一个击穿电极通过导电杆与直流电压发生器(1)电性连接，所述导电杆一端位于油液中、另一端位于油液外，所述油槽(17)内还收容有浸泡于油液中的加热部件。
2.根据权利要求1所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，还包括收容于油槽(17)内的搅拌器(15)，所述加热部件为设于两击穿电极下方的加热电阻(16)，所述搅拌器(15)设于加热电阻(16)与两击穿电极之间。
3.根据权利要求2所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，还包括收容于油槽(17)内的多孔金属板(13)，所述多孔金属板(13)水平布设于搅拌器(15)与两击穿电极之间。
4.根据权利要求1所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，还包括油温测量部件，所述油温测量部件包括浸泡于油液中的温度传感器和与其通信连接的温度显示器。
5.根据权利要求1所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，所述导电杆为圆形金属杆(6)且位于油槽(17)轴线上，所述油槽(17)为圆形槽，金属杆(6)侧面圆周半径，其表达式如下：
油槽(17)内侧壁圆周半径，其表达式如下：
式中，r0为金属杆侧面圆周半径，r1为油槽内侧壁圆周半径，k为裕度系数，u为外加电压，E空为空气中击穿电场。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，所述击穿电极为球电极，所述球电极包括上球电极(9)和下球电极(10)，所述下球电极(10)连接有接地线(14)，所述上球电极(9)通过弹簧(8)与导电杆电性连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，导电杆与直流电压发生器(1)之间串联有保护电阻(2)和均压环。
8.根据权利要求7所述的绝缘试样直流击穿测试装置，其特征是，所述均压环包括第一均压环(3)和第二均压环(5)，所述直流电压发生器(1)与保护电阻(2)、第一均压环(3)、第二均压环(5)和导电杆顺序连接，第一均压环(3)与第二均压环(5)之间连接有高压引线(4)。
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