CN112578236B - 绝缘材料电老化测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝缘材料电老化测试系统，包括控制装置、温度采集装置以及多个老化试样测量装置，所述老化试样测量装置，用于连接高压电源以实时测试绝缘材料试样所对应电阻的温度并发送给所述温度采集装置；所述温度采集装置，用于实时采集每一所述老化试样测量装置反馈的温度；所述控制装置，用于当任一所述老化试样测量装置在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，控制所述老化试样测量装置断开与高压电源的连接，由此形成多个绝缘材料试样的电老化测试回路，本发明提供的绝缘材料电老化测试系统能够避免电老化场强被频繁切断，使得每个绝缘材料试样的电老化性能测试结果更加精准。

Description

绝缘材料电老化测试系统
技术领域
本发明涉及高电压技术领域，尤其涉及一种绝缘材料电老化测试系统。
背景技术
电力电缆能提供稳定可靠的电能传输,是电能供应的关键渠道。电力电缆最广泛采用聚合物材料作为绝缘层,在长期电场作用下,聚合物绝缘材料中容易产生电老化,导致聚合物材料的逐步降解,并最终引发绝缘层击穿,因此,聚合物电老化行为对于电力电缆的长期工作稳定性具有重要影响,聚合物绝缘材料的研发也应该充分关注其电老化性能。然而聚合物绝缘材料电老化性能的评价以及绝缘材料电老化寿命的预测长期以来一直是该领域的研究难点。如何在实验室条件下通过对聚合物绝缘材料试样的测试,较为准确地预估绝缘材料高电场下的工作寿命,不仅对于评价聚合物材料耐电老化性能至关重要,对于电缆实际工作稳定性的预估也起到关键作用,尤其对于提高超高压电力电缆绝缘材料的研发效率有重要意义。
目前聚合物绝缘材料电老化行为测试鲜有报道出现,其原因是电老化行为测试实验周期长,实验难度大,具有较多的技术难点。现有最为常用的测试技术主要方法是先对一定数量的绝缘材料试样施加一个固定的电场,使材料在电场下开始电老化,材料发生电老化后,其击穿强度相比未老化时会有一定程度下降,在不同电老化时间后,关闭高压电源,取出试样分别测试每个试样的残余击穿场强或其它电学性能,即可通过不同材料之间的残余击穿场强或者电性能对比测试获知材料耐受电老化能力的差异。这种方法实验过程简单,但缺点十分明显：首先在经历不同老化时间取出试样时,必须对高压电源断电,这样电老化场强会被迫中断；其次,该方法通常采用多个试样并联方式施加电压,一旦某个试样因内部存有缺陷等原因提前发生击穿,会导致高压电源启动保护并自动断电,电老化场强的频繁切断对材料的电老化行为会不可避免产生影响,若采用直流场强进行电老化测试时,电老化场强的切断甚至会导致部分试样的内部损伤甚至直接击穿；最重要的是,电老化行为测试不应仅通过性能的对比而评估,关键是获取材料的电老化寿命指数,该指数是电缆绝缘寿命预估和电缆绝缘层厚度设计的重要依据,而上述测试方法仅能对材料的电老化性能做定性对比,无法通过实验准确预估材料的电老化寿命指数,因此这种测试方法明显是不完善的，完整的绝缘材料电老化行为测试，应以获得该材料的老化寿命指数为目标。
绝缘材料的某一确定电场下的寿命符合电老化的反幂定律Ent＝C,E是电场,t是材料在该电场E下的工作寿命,C是常数,n是电老化寿命指数,n值一旦确定,只要由试验得出一个击穿点就可以确定寿命曲线。根据反幂定律,较受认可的n指数测试方法为:在不同的老化场强下,分别对大量试样施加恒定的电老化场强,维持场强不变,获得并记录每个试样在该场强下击穿所需的时间,对多个试样的击穿时间做威布尔分布统计,将特征击穿时间记为该材料在该场强下的工作寿命,如此步骤,分别完成不同场强下材料工作寿命测试,依据反幂定律进行数据拟合,即可获得材料的老化寿命指数n。以上方法在原理上较为简单,但在试验方法上却面对较多技术难题:若采用单一的高压电源对单一试样施加老化场强,虽然能准确测得该试样的击穿寿命,但完整的电老化寿命统计至少需要单一老化场强下至少测试数十个试样的击穿寿命才能保障数据可靠性,在较低的老化场强下,试样的击穿寿命短则几日,长则数月,这样测试周期将被极度延长,实验效率极其低下。因此,高电压下长期施加电老化场强,为了实现较高的测试效率,并节省实验场地空间,需采用同一个高压电源对多个试样并联施加电老化场强,由于不同试样的击穿寿命差距较大,不同试样会在不同时间陆续击穿,在此条件下,由于高压电源均设有过流保护系统,一旦一个试样率先击穿,高压电源将立刻断电,这样电老化场强将被频繁切断,这对于测试结果将产生不可预估的严重影响。
综上,如何设计电老化实验的加压装置,实现分别获取并记录每个试样的击穿寿命(击穿时间),同时保障未击穿试样仍施加稳定的电老化场强,直至准确获得所有试样的击穿寿命,目前缺乏高效可靠的测试设备和方法。开发一种可自动且准确记录击穿时间的高压电缆绝缘材料批量电老化测试系统对绝缘材料的研发具有十分重要的意义。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种绝缘材料电老化测试系统，解决现有技术中无法自动记录绝缘材料电老化击穿时间的问题，以及无法准确测试绝缘材料的电老化寿命的技术问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种绝缘材料电老化测试系统，包括控制装置、温度采集装置以及多个老化试样测量装置；
所述老化试样测量装置，用于连接高压电源以实时测试绝缘材料试样所对应电阻温度并发送给所述温度采集装置；
所述温度采集装置，用于实时采集每一所述老化试样测量装置反馈的温度；
所述控制装置，用于当任一所述老化试样测量装置在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，控制所述老化试样测量装置断开与高压电源的连接。
优选的，所述控制装置包括计算机、PLC模块、I/O模块阵列以及高压继电器阵列，其中，所述I/O模块阵列包括多个I/O模块，所述高压继电器阵列包括多个高压继电器，所述计算机连接所述温度采集装置，所述计算机还与所述PLC模块连接，所述PLC模块与所述I/O模块阵列连接，所述I/O模块阵列与所述高压继电器阵列连接，所述高压继电器阵列分别与多个所述老化试样测量装置连接，且每一所述I/O模块、每一所述高压继电器以及每一所述老化试样测量装置一一对应。
优选的，所述温度采集装置包括光纤光栅测温解调仪，且所述光纤光栅测温解调仪分别与多个所述老化试样测量装置连接，所述光纤光栅测温解调仪还与所述控制装置连接。
优选的，所述老化试样测量装置包括高压电极、低压电极以及试样击穿温度突变点测试单元，所述高压电极与所述低压电极用于夹持绝缘材料试片，所述试样击穿温度突变点测试单元通过引线连接所述绝缘材料试片，所述试样击穿温度突变点测试单元分别连接所述光纤光栅测温解调仪以及与所述试样击穿温度突变点测试单元对应的所述高压继电器。
优选的，所述试样击穿温度突变点测试单元包括电阻和安装在所述电阻上的光纤光栅，所述电阻通过引线连接所述绝缘材料试片，所述光纤光栅和所述光纤光栅测温解调仪连接。
优选的，所述光纤光栅粘贴在所述电阻上。
优选的，所述光纤光栅安装在所述电阻的端部。
优选的，所述电阻的外侧包覆有环氧套，所述环氧套通过环氧树脂浇筑制成。
优选的，所述高压电源分别与多个所述高压继电器连接，所述低压电极接地。
与现有技术相比，本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统，具有以下效果：
(1)本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统，包括控制装置、温度采集装置以及多个老化试样测量装置，所述老化试样测量装置，用于连接高压电源以实时测试绝缘材料所对应的电阻的温度并发送给所述温度采集装置；所述温度采集装置，用于实时采集每一所述老化试样测量装置反馈的温度；所述控制装置，用于当任一所述老化试样测量装置在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，控制所述老化试样测量装置断开与高压电源的连接，由此形成多个绝缘材料试样的电老化测试回路，当有某一绝缘材料试样所对应的电阻的温度在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，所述控制装置立即控制该绝缘试样所在的所述老化试样测量装置断开与高压电源的连接，而不切断其他绝缘试样的测试回路，比之现有的通过高压电源控制所有绝缘试样的测试回路的方式，本发明实施例提供的绝缘材料老化测试系统一方面能够避免电老化场强被频繁切断，使得每个绝缘材料试样的电老化性能测试结果更加精准，进而使得绝缘材料的老化寿命测试更加精准可靠；另一方面，本发明实施例提供的绝缘材料老化测试系统通过温度采集装置采集所有绝缘材料试样所对应的电阻的温度，并自动记录每一个绝缘材料试样在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时对应的时间，节省高电压长期测试所需的实验空间和实验时间,从时间和空间两个维度上减少绝缘材料老化测试实验的难度，有效提高绝缘材料的老化寿命测试效率。
(2)本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统采用基于光纤测温原理,通过所述光纤光栅测温解调仪采集非电学信号并通过所述控制装置对所述测试系统进行控制,避免高电压测试过程中出现的局部放电信号干扰。
(3)本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统通过在电阻的外侧包覆环氧套，当有一试样发生击穿时，能够保障击穿电流使电阻的温度迅速升高,提高电阻对于击穿电流的敏感性,缩减光纤光栅测温解调仪的响应时间,保障基于温度测试的控制回路的响应速度。
(4)本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统通过设置多个所述老化试样测量装置分别与高压电源连接，可以对批量绝缘材料试样实现恒定场强的电老化测试，既能完成每个绝缘材料试样的击穿时间测试，实现对绝缘材料的电老化定性性能评价，也能实现绝缘材料电老化寿命指数值的测试，测试过程不存在频繁切断的场强,保障每个绝缘材料试样累计的电老化程度的可控性和一致性。
(5)本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统，击穿线路的切除由高压继电器实现，未开始电老化测试时，高压继电器不工作，并处于常开状态，开始测试后，高压继电器接受持续的弱电控制信号并切换至闭合状态，若因不可抗力导致控制系统损毁，高压继电器失去控制信号并恢复常开状态，高电压立即被切断，若高压继电器本身由于长期工作出现故障，高压继电器将自动恢复不工作状态，则高电压也将被切断，该测试系统可以有效预防出现故障时高电压持续导通所导致的安全隐患。
附图说明
图1是本发明提供的绝缘材料电老化测试系统的一个实施例的结构图；
图2是绝缘材料老化测试的试片衬板的示意图；
图3是图1中试样击穿温度突变点测试单元13的放大图；
图4是本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统的一个实施例中的电阻包覆结构的热传递理论热路模型；
图5是使用本发明实施例的绝缘材料老化测试系统的其中一路绝缘试样击穿时记录的温度变化数据图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，图1是本发明提供的绝缘材料电老化测试系统的一个实施例的结构图。
本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统，包括控制装置3、温度采集装置2以及多个老化试样测量装置1，其中：
所述老化试样测量装置1，用于连接高压电源以实时测试绝缘材料试样所对应的电阻的温度并发送给所述温度采集装置2。
所述温度采集装置2，用于实时采集每一所述老化试样测量装置1反馈的温度。
所述控制装置3，用于当任一所述老化试样测量装置1的绝缘材料试样在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，控制所述老化试样测量装置1断开与高压电源的连接。
本发明实施例在具体实施时，预先准备绝缘材料的老化检测所需的试片衬板，参见图2，图2是绝缘材料老化测试的试片衬板的示意图。未开始测试前，控制多个所述老化试样测量装置1均不接入高压电源，在开始测试前，在试片衬板上开设多个绝缘材料的试样对应的样片安装点,组成测试阵列,该阵列可根据试样的数量调整,最多可支持的试样片数为128片。开始测试时，控制多个所述老化试样测量装置1接入电压电源，以支持绝缘材料在高压下的击穿寿命和电老化寿命指数值的测试。在测试的过程中，所述温度采集装置2实时采集每一所述老化试样测量装置1反馈的温度，当检测到某一老化试样测量装置1在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，启动所述控制装置3，切断该绝缘材料试样所在的老化试样测量装置1与高压电源的连接，能够在不切断其他绝缘材料试样的老化场强的情况下,记录每个绝缘材料试样的击穿寿命的自动记录,并控制发生击穿的绝缘材料试样对应的老化试样测量装置1单独切断电压,避免了频繁切断电老化场强对于电老化寿命指数测试结果的影响,提高测试结果可靠性,增强了操作便利性,提高了测试效率。
优选的，所述控制装置3包括计算机33、PLC模块34、I/O模块阵列31以及高压继电器阵列32，其中，所述I/O模块阵列31包括多个I/O模块，所述高压继电器阵列32包括多个高压继电器320，所述计算机33连接所述温度采集装置2，所述计算机33还与所述PLC模块34连接，所述PLC模块34与所述I/O模块阵列31连接，所述I/O模块阵列31与所述高压继电器320阵列32连接，所述高压继电器阵列32分别与多个所述老化试样测量装置1连接，且每一所述I/O模块、每一所述高压继电器320以及每一所述老化试样测量装置1一一对应。
可以理解的是，在本发明实施例中，通过设置每一所述I/O模块、每一所述高压继电器320以及每一所述老化试样测量装置1一一对应，以分别对每个绝缘材料试样的通断进行控制。具体地，在本实施例中，通过高压继电器320实现对每条高压线路的通断控制,高压继电器320为低压控制高压的工作方式,采用PLC模块34实现对各个绝缘材料试样的测试回路的过载自动切断,PLC模块34采用台达ES标准主机,最多可支持256个数字端口。所述PLC模块34与所述计算机33进行TCP/I P通讯,获得温度过高点的绝缘材料试样的位置或编号,根据位置或编号，所述PLC模块34输出信号到所述I/O模块阵列31中与该绝缘材料试样位置(编号)相对应的I/O模块，并驱动该绝缘材料试样所对应的高压继电器320断开。
优选的，所述温度采集装置2包括光纤光栅测温解调仪，且所述光纤光栅测温解调仪分别与多个所述老化试样测量装置1连接，所述光纤光栅测温解调仪还与所述控制装置3连接。
可以理解的是，在本发明实施例中，所述光纤光栅测温解调仪设置有多个测试点，由此实现对多个所述老化试样测量装置1所测试的绝缘材料试样的温度采集。
作为本发明实施例的一个优选方案，所述老化试样测量装置1包括高压电极11、低压电极12以及试样击穿温度突变点测试单元13，所述高压电极11与所述低压电极12用于夹持绝缘材料试片，所述试样击穿温度突变点测试单元13通过引线连接所述绝缘材料试片，所述试样击穿温度突变点测试单元13分别连接所述光纤光栅测温解调仪以及与所述试样击穿温度突变点测试单元13对应的所述高压继电器320。
参见图3，图3是图1中试样击穿温度突变点测试单元13的放大图。优选的，所述试样击穿温度突变点测试单元13包括电阻131和通过粘贴安装在所述电阻上的光纤光栅132，所述电阻131通过引线连接所述绝缘材料试片，所述光纤光栅132和所述光纤光栅测温解调仪连接。
可以理解的是，在本发明实施例中，所述电阻131既作为测试系统击穿电流的采集单元,也作为高压电源和高压继电器320的保护电阻,减少过大的击穿电流对高压电源产生的冲击，同时保护高压继电器320，避免高压继电器320承担过大的负载电流而出现故障。
优选的，所述光纤光栅132粘贴在所述电阻131上。
作为本发明实施例的一个具体方案，所述光纤光栅132安装在所述电阻131的端部。
可以理解的是，所述光纤光栅132贴在所述电阻131靠近端部位置，电阻的热量优先通过端部向外传递，电阻端部温度升高相对更快，相比与安装在电阻131中部的位置，能够使所述光纤光栅132升温更快。
较佳地，所述电阻131的外侧包覆有环氧套133，所述环氧套133通过环氧树脂浇筑制成。
可以理解的是，电阻131表面粘贴光纤光栅132,若暴露在空气中自然对流散热,光纤光栅132所测得的表面温度变化幅度较小,为放大光纤光栅132的温感输出幅值,在粘贴有光纤光栅132的电阻131外侧利用环氧树脂进行封装形成环氧套133,由于环氧套133兼具较好的绝缘性能和较低的导热系数,既不影响电阻131正常工作,也会使电阻131表面隔热性能增强,即可起到热量聚集套的作用，通过设计环氧树脂包绕式热量聚集套的结构可以进一步提升温度测量灵敏度。所采用的热量聚集套结构设计可以依据如图4所示的电阻包覆结构的热传递理论热路模型，当电阻131中有电流经过,温度将会明显升高。通过控制电阻131的外包覆绝缘材料的厚度和电阻131的阻值,可以使电阻131中出现击穿电流时温升加快,提高电阻131的温度敏感性,进一步能缩减所述光纤光栅传感仪测温的响应时间。
参见图4，图4是本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统的一个实施例中的电阻绕包结构设计的热传递理论等值热路模型；图中T1为电阻本身绝缘材料的等效热阻,T2为环绕的环氧套的等效热阻,为外界环境温度，U为高压电源所施加的电压有效值，R为电阻的电阻值，根据式即可计算所述光纤光栅132表面理论上可测得的最大温度TMAX。若TMAX越大，则试样击穿后光纤光栅所测得的温度上升越快，即温度测试响应速度越快，可见在环境温度、测试电压和测试老化电场一定的情况下，R越小温度升高越快，T2越大温度升高越快，在具体实施时，可适当增大环氧树脂的包覆厚度以增大T2热阻值，也可根据高压电源承载电流能力以及高压继电器承受电流能力适当减小电阻R的阻值，即可提高温度测试的响应速度。在本发明的实施例中可设置温升20％作为击穿脉冲电流的温度阈值点,当光纤光栅132的短时温升提高20％时，即认为该绝缘材料试样的测试支路发生击穿，进而断开该绝缘材料试样对应的高压继电器320与高压电源的连接。
优选的，所述高压电源分别与多个所述高压继电器320连接，所述低压电极12接地。
需要说明的是，本发明实施例提供的绝缘材料电老化测试系统是基于温度测试的方式对高压线路通断进行控制,对于测试电压的种类没有限制,因此通过更换高压电源形式,既适用于直流高压下的电老化测试,也适用于交流高压下的电老化测试,具有较好的老化测试灵活性。同时，本实施例采用弱电控制高压线路的通断,有效保障了测试人员的安全性。
为了更好地说明本发明实施例的作用机理，下面采用本发明实施例提供的缘材料电老化测试系统进行一次测试实验，首先搭建好测试平台，即本发明实施例提供的的缘材料老化测试系统。参见图5，图5是使用本发明实施例的绝缘材料老化测试系统的其中一路绝缘材料试样发生击穿时记录的温度变化数据图。可以看到，在实验进行到15个小时绝缘材料试样发生了击穿,击穿点温度出现突变,随后温度回到原温度值。通过PLC模块对该试样的测试回路的高压继电器320施加控制信号,将高压继电器320由常闭切换至常开,并记录此时的累计时间,实现了系统所需求的功能。
以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种绝缘材料电老化测试系统，其特征在于，包括控制装置、温度采集装置以及多个老化试样测量装置；
所述老化试样测量装置，用于连接高压电源以实时测试绝缘材料试样所对应的电阻的温度并发送给所述温度采集装置；
所述温度采集装置，用于实时采集每一所述老化试样测量装置反馈的温度；
所述控制装置，用于当任一所述老化试样测量装置在当前时刻的温度与上一时刻的温度之间的温度变化值大于等于预设温度变化阈值时，控制所述老化试样测量装置断开与高压电源的连接；
其中，所述温度采集装置包括光纤光栅测温解调仪，且所述光纤光栅测温解调仪分别与多个所述老化试样测量装置连接，所述光纤光栅测温解调仪还与所述控制装置连接；
其中，所述老化试样测量装置包括高压电极、低压电极以及试样击穿温度突变点测试单元，所述高压电极与所述低压电极用于夹持绝缘材料试片，所述试样击穿温度突变点测试单元通过引线连接所述绝缘材料试片，所述试样击穿温度突变点测试单元分别连接所述光纤光栅测温解调仪以及与所述试样击穿温度突变点测试单元对应的高压继电器；
其中，所述试样击穿温度突变点测试单元包括电阻和安装在所述电阻上的光纤光栅，所述电阻通过引线连接所述绝缘材料试片，所述光纤光栅和所述光纤光栅测温解调仪连接；
其中，所述电阻的外侧包覆有环氧套，所述环氧套通过环氧树脂浇筑制成。
2.如权利要求1所述的绝缘材料电老化测试系统，其特征在于，所述控制装置包括计算机、PLC模块、I/O模块阵列以及高压继电器阵列，其中，所述I/O模块阵列包括多个I/O模块，所述高压继电器阵列包括多个高压继电器，所述计算机连接所述温度采集装置，所述计算机还与所述PLC模块连接，所述PLC模块与所述I/O模块阵列连接，所述I/O模块阵列与所述高压继电器阵列连接，所述高压继电器阵列分别与多个所述老化试样测量装置连接，且每一所述I/O模块、每一所述高压继电器以及每一所述老化试样测量装置一一对应。
3.如权利要求1所述的绝缘材料电老化测试系统，其特征在于，所述光纤光栅粘贴在所述电阻上。
4.如权利要求1所述的绝缘材料电老化测试系统，其特征在于，所述光纤光栅安装在所述电阻的端部。
5.如权利要求4所述的绝缘材料电老化测试系统，其特征在于，所述高压电源分别与多个所述高压继电器连接，所述低压电极接地。
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