CN111505452B - 基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法,利用可控温表面电荷测量装置，得到在高压脉冲叠加直流电压下绝缘材料的表面电荷积聚和衰减特性，进而分析高压脉冲叠加直流电压下的电荷输运机理。本发明有效的模拟了高压直流电力电缆的实际运行工况，实验装置内的温度准确、可控。可以测量直流电缆附件绝缘在温度、高压脉冲叠加直流电压等复杂条件作用下的表面电荷积聚和衰减特性，表面电荷衰减特性和绝缘的电导率有直接的关系，通过表面电荷衰减特性还可用于进一步分析载流子迁移率、陷阱能级等重要参数。
Description
技术领域
本发明属于高压设备领域，特别涉及一种基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法。
背景技术
电缆附件是电缆系统中用以连接电缆或其它设备的部件，是电缆系统的重要组成部分。高压直流电缆的附件对高压直流输电系统的可靠运行具有重要意义。与高压直流输电系统的其他部分相比,电缆附件的故障风险更高。其原因是高压直流电缆配件结构复杂,有多层绝缘。这些特性会导致局部电场的畸变,从而加剧电荷的积累。与高压交流电缆附件相比，高压直流电缆附件的研究起步晚，设计、制造和检测等不完善，并且对于在温度、电场等复杂条件作用下直流电缆附件绝缘的电荷特性研究很少。
直流电缆系统在实际运行过程中会伴随着线芯的发热，导致内侧绝缘的温度上升，温度按照内高外低分布，因此在直流电缆中存在温度梯度。在交流电缆系统中，电场按照介电常数分布，而温度对介电常数的影响很小，因此温度梯度的存在对交流电缆系统几乎没有影响。而在直流电缆系统中，电场按照绝缘的电阻分配，温度能够显著影响绝缘的电阻，因此在直流电缆系统中的温度梯度现象对直流系统的长期稳定运行构成了很大的威胁。直流电缆温度的内高外低分布，导致电场的分布也由内而外快速变化，抑制电场分布不均匀十分困难。而且随着直流电缆输电技术的提高，电缆的运行温度也不断提升，研究高温下的电缆附件绝缘特性显得尤为重要。
在高压直流电缆运行的过程中，除了长期存在着的直流电场，还有电力系统中暂态过电压产生的暂态电场。与高压交流电缆系统相比，高压直流电缆系统所采用的直流避雷器、平波装置、阻尼装置，以及换流控制调节系统所采取的移相、闭锁等操作，使得高压直流电缆系统内过电压的幅值、波形等特征更为复杂。暂态电场会加快绝缘的老化进程，因此暂态过电压是在设计直流电缆附件绝缘时的一个关键因素。因此设计一种基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法，展开热电复合场下直流电缆附件绝缘的研究，对于开发新型直流电缆绝缘材料、进一步改善直流电缆附件设计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，提供一种基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法，提供温度变化的环境下脉冲叠加直流电压实验装置和表面电荷观测装置，进而通过对表面电荷的观测得到绝缘材料的表面电荷积聚和衰减特性，绝缘材料的表面电荷衰减特性还可用于进一步分析载流子迁移率、陷阱能级等重要参数。
本发明为所要解决的技术问题提供一种基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法。
本发明的技术方案是基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法，利用可控温表面电荷测量装置，得到在高压脉冲叠加直流电压下绝缘材料的表面电荷积聚和衰减特性，进而分析高压脉冲叠加直流电压下的电荷输运机理。
具体步骤如下：
步骤1)将试样用无水酒精轻轻擦拭，自然风干后放入干燥箱内，在60℃的环境下干燥3h，充分去除水分。
步骤2)将干燥完成的试样放在地电极上，沿着导轨推到针电极的下方。启动加热器，控制温度保持在30℃。调整探头的位置与针电极所对的位置完全重合。提前打开静电电位计，进入待机状态。
步骤3)打开直流电源，持续加压10s，在关闭电源的同时快速将试样推到探头的下方，并记录静电电位计的示数。更换新的试样后，重复上述操作，持续加压时间为30、60、120、240、300、600s，可以得到直流电场表面电荷积累特性。
步骤4)更换新的试样后，打开直流电源，持续加压10min，在关闭电源的同时快速将试样推到探头的下方，持续20min的时间记录静电电位计示数，可以得到直流电场表面电荷消散特性。
步骤5)更换新的试样后，在直流加压的最后1s施加雷击脉冲，然后在关闭直流和脉冲电源的同时快速将试样推到探头的下方，持续20min的时间记录静电电位计示数，可以得到脉冲叠加直流电压下的表面电荷的瞬态特性。
步骤6)将温度升高至50，70，90℃重复上述步骤，获得试样不同温度下的表面电荷特性。每组实验重复3次。
步骤7)通过对比直流脉冲复合电压下绝缘材料的表面电荷特性，可以得到同极性直流、脉冲电压分量对试样表面电荷特性的影响规律，并明确异极性直流脉冲复合电压下的电荷输运机理。
本方法所采用的实验装置主要由三部分组成：表面电荷测量装置、试样平台和复合电源。
所述表面电荷测量装置包括Trek 347-3HCE静电电位计及与其配套的Trek6000B-5C振动反馈式电容探头，测量精度为±3V。所述Trek 6000B-5C振动反馈式电容探头固定在可以水平移动的支架上，用于测量所需位置的表面电位。
所述试样平台包括固定在导轨上的加热器和地电极，所述加热器和所述地电极之间放置一层绝缘材料以保护电路。所述加热器的工作范围是30-200℃。
所述复合电源由雷击波发生器，直流电源，连接单元，电容C，针电极和示波器构成。所述雷击波发生器具有可变的脉冲极性，得到的雷击脉冲电压为标准1.2/50μs雷电波。所述直流电源的输出电压幅值可调。所述连接单元可以提供保护电阻，并将脉冲电流与直流源隔离。所述电容C起到为直流电源侧隔离脉冲的作用。所述针电极连接在复合电源的输出端，用于向试样表面发射电荷，复合电源的另一端接地处理。所述示波器可以监测针电极上的输出电压，并通过分压器与电路连接。
利用可控温表面电荷测量装置，获得高压脉冲叠加直流电压下绝缘材料的表面电荷积聚和衰减特性，获得了直流、脉冲电压分量对绝缘材料表面电荷的影响规律，进而得到高压脉冲叠加直流电压下的表面电荷输运机理。
有益效果
本发明有效的模拟了高压直流电力电缆的实际运行工况，实验装置内的温度准确、可控。可以测量直流电缆附件绝缘在温度、高压脉冲叠加直流电压等复杂条件作用下的表面电荷积聚和衰减特性，表面电荷衰减特性和绝缘的电导率有直接的关系，通过表面电荷衰减特性还可用于进一步分析载流子迁移率、陷阱能级等重要参数。因此本发明对研究新型电缆附件绝缘、探索电缆附件绝缘改性方法有重要的工程意义。
附图说明
图1是本发明的可控温的脉冲叠加直流的表面电荷测量系统装置结构图。
图2是本发明的可移动探头的俯视图。
图3是本发明的复合电源装置的结构图。
图4是不同温度下直流电压叠加同极脉冲下硅橡胶/SiC复合材料的初始表面电位。
图5是不同温度下在前15s内施加直流电压叠加同极脉冲的硅橡胶/SiC复合材料的衰减率。
图6是D4-P10作用下试样起始表面电位较D4作用时的升高值。
图7是D4-P10作用下试样表面电位衰减速率较D4作用时的减小值。
具体实施方式
下面给出具体实例，进一步说明本发明的基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验装置及方法是如何实现的。
选取的试样为硅橡胶/SiC复合材料，由高温硫化硅橡胶基体和作为非线性填料的SiC颗粒组成。硅橡胶的分子量为550000，α-SiC颗粒的大小为8μm。硅橡胶由20phr的SiO2增强，以获得更好的机械性能。同时，将旨在修饰SiO2表面的六甲基二硅氮烷与SiO2颗粒掺杂，以确保均匀共混。然后，在室温下，用双辊混合机将用乙醇洗涤并干燥12h的SiC颗粒以0、60和90phr的填料含量掺杂在基体中。最后，将复合材料在厚度为0.3mm的不锈钢模具中，在10MPa下，在433K下硫化20min，在相同压力下冷却1h，得到M0、M60和M90三组试样。其中，SiC颗粒的高含量不会导致冷凝，且分布均匀。
为了获得在脉冲叠加直流电压下的表面电荷的瞬态特性，将处理好的试样在直流电压下被施加5分钟，而仅在最后施加雷击电压，然后在关闭直流和脉冲电源的同时快速将试样推到探头的下方，在持续20分钟的时间记录静电电位计示数。
为了方便描述，对电压进行了简化。例如，一个-4KV的直流电压被称为D4，由-4KV直流电压和-5kV或10kV冲击电压形成的脉冲叠加直流电压称为D4P5或D4-P10。
第一种工况，附图4显示了在不同温度下施加直流电压叠加同极性脉冲电压的样品的初始表面电位(ISP)。随着脉冲电压的增加，所有样品的初始表面电位都上升。由于电导率的提高，上升的幅度随着样品中SiC含量的增加而减小，这有助于将表面电荷传导到地面。当冲击电压为-5kV时，温度对初始表面电位的减少影响很小。然而，当冲击电压增加到-10kV时，温度对初始表面电位的减小变得明显。对于M90，这种降低在90℃时仍不显著。这是由于当温度低于90℃时，M90具有相对较高的电导率，这充分抑制了表面电荷的积累。附图5显示了在前15s内施加直流电压叠加同极性脉冲电压的相应衰减率。很明显，SiC含量的增加和脉冲电压的增加都会加速衰减过程。温度对提高衰变率也起到了积极的作用。
第二种工况，附图6是直流电压叠加异极性脉冲电压下各试样的起始表面电位特性。各试样的起始表面电位增量均随温度升高而增加。在同一温度下，起始表面电位增量也随着SiC含量的提高而变大。附图7是与附图6对应的初始15s表面电位平均衰减速率。由图可知，在异极性脉冲电压分量的作用下，表面电位衰减速率减小。30℃时，M0衰减速率减小了0.3V/s，M60减小了1.5V/s，M90减小了3V/s；70℃时，三种试样的衰减速率都出现了明显减少，且都比30℃时的减幅增大；90℃时与70℃趋势相同。
通过具体实例可以看出该方法可以较为准确地测量试样在温度、高压脉冲叠加直流电压等复杂条件作用下的表面电荷积聚和衰减特性，并且通过表面电荷衰减特性还可用于进一步分析载流子迁移率、陷阱能级等重要参数。
Claims (4)
1.基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法,其特征在于,利用可控温表面电荷测量装置，得到在高压脉冲叠加直流电压下绝缘材料的表面电荷积聚和衰减特性，进而分析高压脉冲叠加直流电压下的电荷输运机理，具体步骤如下：
步骤1)将试样用无水酒精轻轻擦拭，自然风干后放入干燥箱内；
步骤2)将干燥完成的试样放在地电极上，沿着导轨推到针电极的下方；启动加热器，控制温度保持在30℃；调整探头的位置与针电极所对的位置完全重合；
步骤3)打开直流电源，持续加压10s，在关闭电源的同时快速将试样推到探头的下方，并记录静电电位计的示数；更换新的试样后，重复上述操作，持续加压时间为30、60、120、240、300、600s，可以得到直流电场表面电荷积累特性；
步骤4)更换新的试样后，打开直流电源，持续加压10min，在关闭电源的同时快速将试样推到探头的下方，持续20min的时间记录静电电位计示数，可以得到直流电场表面电荷消散特性；
步骤5)更换新的试样后，在直流加压的最后1s施加雷击脉冲，然后在关闭直流和脉冲电源的同时快速将试样推到探头的下方，持续20min的时间记录静电电位计示数，可以得到脉冲叠加直流电压下的表面电荷的瞬态特性；
步骤6)将温度升高至50，70，90℃重复上述步骤，获得试样不同温度下的表面电荷特性；步骤7)通过对比直流脉冲复合电压下绝缘材料的表面电荷特性，可以得到同极性直流、脉冲电压分量对试样表面电荷特性的影响规律，并明确异极性直流脉冲复合电压下的电荷输运机理。
2.根据权利要求1所述的基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法,其特征在于,所述步骤1)在60℃的环境下干燥3h，充分去除水分。
3.根据权利要求1所述的基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法,其特征在于,所述步骤2)提前打开静电电位计，进入待机状态。
4.根据权利要求1所述的基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法,其特征在于,所述步骤6)每组实验重复3次。
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