CN111964819B - 一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统 - Google Patents

一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，包括电力设备简化同轴模具，电力设备简化同轴模具上设置有热电偶传感器和光纤光栅传感器，热电偶传感器电连接有多路温度采集仪，光纤光栅传感器电连接有光纤解调仪，光纤解调仪和多路温度采集仪共同电连接有上位机控制装置。本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统的电力设备简化同轴模具拆装、清洁方便，通过布置布拉格光栅传感器和热电偶实现了对金属导体与固体绝缘材料界面处应力的精准测量，通过上位机控制装置，同步读取光线波长数据和热电偶温度数据，实现了金属导体与固体绝缘材料界面应力的在线监测。

Description

一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统
技术领域
本发明属于电力设备固体绝缘材料残余应力测量技术领域，具体涉及一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统。
背景技术
环氧基复合材料的固体绝缘广泛应用于电力电子封装和各电压等级的电力设备。在电力电缆、干式套管、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）等电力设备中，环氧基复合材料通过固化与中心导体相粘接，形成类同轴圆柱的结构。由于金属导体与固体绝缘材料属性的差异，导致其界面层在固化收缩和降温收缩过程中产生大量的残余应力。在实际运行过程中，界面层受到电场、热场和力场的叠加影响，由金属导体与固体绝缘界面处引发的裂纹和微气隙会加剧固体绝缘内部残余应力的影响，加速绝缘老化并引发绝缘破坏，因此需要对界面层的应力应变特性进行研究。
目前对复合材料界面应力的研究主要集中在固体绝缘的内部，或是以固化成型的构件为研究对象，对于金属导体与固体绝缘界面层的研究较少。如发明专利CN201810438393.2介绍了一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，其所述的复合材料制件与模具之间涂有脱模剂，此类界面区别于金属导体与固体绝缘之间形成的界面，该界面层是物理粘接和化学键合的共同产物。此外，该方法中采用应变片传感器在测量前需与数据采集片相粘接，粘接工艺严苛，胶层分布的不平整会直接影响测量精度，该方法中使用的应变片面积较大，导致其测量范围受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统，测量方便、结果精准且可实现实时监测。
本发明所采用的技术方案是：一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，包括电力设备简化同轴模具，电力设备简化同轴模具上设置有热电偶传感器和光纤光栅传感器，热电偶传感器电连接有多路温度采集仪，光纤光栅传感器电连接有光纤解调仪，光纤解调仪和多路温度采集仪共同电连接有上位机控制装置。
本发明的特点还在于，
电力设备简化同轴模具包括底托板，底托板上开设有环形凹槽，底托板上位于环形凹槽的中心开设有容置孔，环形凹槽内设置有位于底托板上方的圆筒形容置壳，容置壳内同轴设置有底端伸入容置孔内并与之卡合的圆柱形金属导体，金属导体与容置壳之间填充有固体绝缘材料。
热电偶传感器和光纤光栅传感器均敷设在金属导体与固体绝缘材料的界面处，热电偶传感器和光纤光栅传感器分别位于金属导体相对的两侧。
光纤光栅传感器上刻有布拉格光栅，光纤光栅传感器的栅区中心与热电偶传感器的测量点位于同一高度。
光纤光栅传感器的栅区长度为12 mm，带宽为0.182 nm，反射率为90.55%。
热电偶传感器的量程为0-300℃。
金属导体和底托板均为铝合金材质，容置壳为钢材质。
固体绝缘材料为环氧树脂基复合材料。
光纤解调仪由MICRON OPTICS公司生产，型号为SM130。
多路温度采集仪由韦度电子公司生产，型号为WD-08A。
本发明的有益效果是：本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统的电力设备简化同轴模具拆装、清洁方便，通过布置布拉格光栅传感器和热电偶实现了对金属导体与固体绝缘材料界面处应力的精准测量，通过上位机控制装置，同步读取光线波长数据和热电偶温度数据，实现了金属导体与固体绝缘材料界面应力的在线监测。
附图说明
图1是本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统的结构示意图；
图2是本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统中电力设备简化同轴模具的结构示意图；
图3是本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统中光纤光栅传感器的测量原理示意图；
图4是本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统中金属导体与固体绝缘材料界面层温度-应变特性曲线。
图中，1.光纤光栅传感器，2.热电偶传感器，3.金属导体，4.固体绝缘材料，5.容置壳，6.底托板，7.光纤解调仪，8.多路温度采集仪，9.上位机控制装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统，如图1所示，包括电力设备简化同轴模具，电力设备简化同轴模具上设置有热电偶传感器2和光纤光栅传感器1，热电偶传感器2通过导线连接有多路温度采集仪8，光纤光栅传感器1通过导线连接有光纤解调仪7，光纤解调仪7和多路温度采集仪8通过导线共同连接有上位机控制装置9，光纤解调仪7和多路温度采集仪8分别通过网口和串口与计算机相连，通过C#编写的上位机控制程序，对网口和串口数据同步读取，并通过波长—温度—应变的转换程序，计算并储存界面层的应变数据，完成对应变特性的实时监测。
如图2所示，电力设备简化同轴模具包括底托板6，底托板6上开设有环形凹槽，底托板6上位于环形凹槽的中心开设有容置孔，环形凹槽内设置有位于底托板6上方的圆筒形容置壳5，容置壳5内同轴设置有底端伸入容置孔内并与之卡合的圆柱形金属导体3，金属导体3与容置壳5之间填充有固体绝缘材料4，容置壳5和金属导体3依次通过底托板6上的环形凹槽和容置孔完成装配，模具的拆装、清洁方便，制备的简化同轴模具脱模方便。热电偶传感器2和光纤光栅传感器1均敷设在金属导体3与固体绝缘材料4的界面处，热电偶传感器2和光纤光栅传感器1分别位于金属导体3相对的两侧。光纤光栅传感器1上刻有布拉格光栅，光纤光栅传感器1的栅区中心与热电偶传感器2的测量点位于同一高度。
光纤光栅传感器1由深圳中科传感生产，光纤材质和光纤外护套为聚酰亚胺类聚合物，传感器上刻有布拉格光栅，栅区长度为12 mm，带宽为0.182 nm，反射率为90.55%。
热电偶传感器2由西安奕威机电设备生产，热电偶数据传输线包覆层材质为具有耐高温特性的高分子聚合物，热电偶量程为0-300℃，该测量范围高于环氧树脂基复合材料固化过程中的最高温度，并留有一定的测量裕度，能够满足测量的精度和范围。
金属导体3和底托板6均为铝合金材质，如6063铝合金；容置壳5为钢材质，如QS235-A结构钢。
固体绝缘材料4为环氧树脂基复合材料，环氧树脂有着较高的可调控性，其复合材料广泛应用与航空航天和电气绝缘领域。特别的，纯环氧树脂的断裂形态为脆性断裂，其界面效应更为突出，因此本发明中初步以纯环氧树脂为研究对象，初步探究导体与固体绝缘界面层的应变特性，后计划通过填料改性以及界面涂覆的方式，进一步探索界面应力的演变规律，实现界面效应的缓释。
光纤解调仪7由MICRON OPTICS公司生产，型号为SM130，可对刻有布拉格光栅的光纤的中心波长实现4通道的测量和解调，波长解调精度精确至小数点后六位，测量的波长范围广。光纤解调仪与通过网口与上位机相连，实现的光纤波长数据的在线监测和实时记录，测量的最小时间步长为1秒。
多路温度采集仪8由韦度电子公司生产，型号为WD-08A，其标配K型传感器，测温范围为-40至300℃，温度测量精度精确值小数点后三位，且抗干扰能力强，可以实现8路温度数据的同时采集，测量的最小时间步长为1秒，采集到得温度数据可以通过U盘存储或直接通过串口与上位机相连，实现光纤波长数据的在线监测和实时记录。特别的，由于热电偶传感器2敷设在金属导体与固体绝缘材料的界面处，经固化流程后会被固定在固体绝缘中，因而通过串口模组将内嵌的热电偶传感器2接线端口改为外置的插拔式，可以保证同轴模具的完整性，为后期研究热处理对界面应力的影响以及界面应力的蠕变效应提供保障。
如图3所示为本发明光纤光栅传感器1的测量原理示意图，光纤上刻有一定长度且按周期分布的栅区，当有光纤射入栅区时，栅区会对特定波长的光信号进行反射，反射波长是光纤有效折射率和光栅周期的函数，因此布拉格光栅根据光纤折射率的变化将应变信号转换为光信号。光纤的折射率受光弹效应和光热效应的影响，即当光栅周围有温度场和光纤轴向的应力场作用时，光纤的有效折射率发生改变，进而影响反射波长。在工程应用中，光纤反射波长的变化量是光栅周围温度变化量和光栅轴向应变的线性函数，通过引入温度灵敏度系数和应变灵敏度系数来反映温度和应变对中心波长的影响程度。不同光纤之间的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数存在差异，因此在测试之前，需要对光纤传感器的两个系数进行标定。本发明分别通过阶梯升温和引伸计完成温度灵敏度系数和应变灵敏度系数的标定，标定数据的相关系数均大于0.99，验证了中心波长与温度变化量和轴向应变之间呈线性关系。
如图4所示为本发明电力设备简化同轴模具的金属导体与固体绝缘界面层温度—应变特性曲线，根据环氧树脂应变的变化规律，可以将应变特性曲线分为I、II、III、IV四个阶段。第I阶段，即在凝胶点之前，光栅随环氧树脂内温度的上升而产生光热效应，由于环氧树脂处于粘流态，其对光栅变化的阻碍作用很小，光栅处于一种“自由”的状态，光栅的波长变化仅由温度引起。因此，该阶段的界面处的应变趋向于0。第II阶段，模具内制样的温度达到环氧树脂的凝胶点，环氧树脂分子交联形成大分子聚合分子链，固化体系的三维空间网络结构形成，产生固化反应收缩，因此导致在界面处的轴向应变在第II阶段的初始时刻呈下降趋势；同时，环氧树脂为自催化反应，交联固化反应放出的热量会进一步加速反应的程度，导致环氧树脂内温度大幅度上升，待反应结束，环氧树脂内的温度初步恢复至环境温度。因此，在第II阶段，温度曲线存在一个明显的热冲击峰，应变曲线呈先减后增再减的趋势。第III阶段为160℃的保温阶段，初期温度上升引起固化的环氧树脂发生热膨胀，因此应变与温度曲线保持相同增长趋势，在后期的温度保持阶段，应变也保持恒定。第IV阶段为线性降温阶段，此时界面处的应变是由降温收缩引起，可以看出，金属导体与固体绝缘界面处的残余应变主要由该过程产生。
通过上述方式，本发明一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测实验系统的电力设备简化同轴模具拆装、清洁方便，通过布置布拉格光栅传感器和热电偶实现了对金属导体与固体绝缘材料界面处应力的精准测量，通过上位机控制装置，同步读取光线波长数据和热电偶温度数据，实现了金属导体与固体绝缘材料界面应力的在线监测。

Claims (5)

1.一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，其特征在于，包括电力设备简化同轴模具，电力设备简化同轴模具上设置有热电偶传感器（2）和光纤光栅传感器（1），热电偶传感器（2）电连接有多路温度采集仪（8），光纤光栅传感器（1）电连接有光纤解调仪（7），光纤解调仪（7）和多路温度采集仪（8）共同电连接有上位机控制装置（9）；
所述电力设备简化同轴模具包括底托板（6），底托板（6）上开设有环形凹槽，底托板（6）上位于环形凹槽的中心开设有容置孔，环形凹槽内设置有位于底托板（6）上方的圆筒形容置壳（5），容置壳（5）内同轴设置有底端伸入容置孔内并与之卡合的圆柱形金属导体（3），金属导体（3）与容置壳（5）之间填充有固体绝缘材料（4）；
所述热电偶传感器（2）和光纤光栅传感器（1）均敷设在金属导体（3）与固体绝缘材料（4）的界面处，热电偶传感器（2）和光纤光栅传感器（1）分别位于金属导体（3）相对的两侧；
所述光纤光栅传感器（1）上刻有布拉格光栅，光纤光栅传感器（1）的栅区中心与热电偶传感器（2）的测量点位于同一高度。
2.如权利要求1所述的一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器（1）的栅区长度为12 mm，带宽为0.182 nm，反射率为90.55%。
3.如权利要求1所述的一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，其特征在于，所述热电偶传感器（2）的量程为0-300℃。
4.如权利要求1所述的一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，其特征在于，所述金属导体（3）和底托板（6）均为铝合金材质，容置壳（5）为钢材质。
5.如权利要求1所述的一种金属导体与固体绝缘材料界面应力检测的实验系统，其特征在于，所述固体绝缘材料（4）为环氧树脂基复合材料。
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