CN113092962A - 一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台及实验方法 - Google Patents

一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绝缘材料的电‑热‑气多应力联合老化实验平台及实验方法包括若干实验腔，所述实验腔的顶部连接有密封盖，所述密封盖上连接有穿插至实验腔内部的加热环和温度传感器探头，加热环和温度传感器探头共同连接至温度控制器，所述实验腔的底部内侧设置有绝缘板，所述实验腔的腔壁上对称设置有两个高压电极，其中一个高压电极连接至老化电压源的高压端，另一个高压电极接地，若干实验腔并联连接在老化电压源上，所述绝缘板上用于放置对绝缘材料施加电压的一组放电电极。本发明实验平台结构设计合理，占地面积小，便于操作，能够实现在不同气氛中长期加热加压实验。

Description

一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台及实验 方法
技术领域
本发明属于高压绝缘技术领域，特别涉及一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台及实验方法。
背景技术
环氧树脂及其复合材料作为一种优良的绝缘材料，因为其绝缘性能与机械性能良好、廉价且便于获取，一直作为高压气体绝缘开关(GAS INSULATED SWITCHGEAR，GIS)中盆式绝缘子的主要绝缘材料。而气-固界面发生的沿面闪络的制约着高压设备向特高压、小型化的方向发展。提高气-固绝缘系统沿面闪络性能，对于保证电力装备安全可靠运行具有重要意义。目前已有多种对绝缘材料表面处理进而提升沿面闪络性能的方法，比如表面涂层、表面氟化，表面等离子体处理，表面电子束辐照处理等，但是对于表面处理后的沿面闪络性能的稳定性和处理方法时效性的研究较少，同时，对应工程实际中在SF6中长期加压后的沿面闪络的研究也较少。
因此，表面处理后的环氧绝缘材料在不同气氛条件下的沿面闪络性能稳定性的研究非常关键。目前，已有的实验平台一般只能针对环氧绝缘材料进行热老化或者热电老化实验后再进行沿面闪络实验，鲜有关于对环氧绝缘材料进行不同气氛下长期加热加压运行后的沿面闪络稳定性测试的相关报道。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台及实验方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明实验平台结构设计合理，占地面积小，便于操作，能够实现在不同气氛中长期加热加压实验；该方法操作简便，过程易控，时间周期可控，成本低，效率高。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，包括若干实验腔，所述实验腔的顶部连接有密封盖，所述密封盖上连接有穿插至实验腔内部的加热环和温度传感器探头，加热环和温度传感器探头共同连接至温度控制器，所述实验腔的底部内侧设置有绝缘板，所述实验腔的腔壁上对称设置有两个高压电极，其中一个高压电极连接至老化电压源的高压端，另一个高压电极接地，若干实验腔并联连接在老化电压源上，所述实验腔的腔壁上还设置有三通和抽气口，所述三通上连接有注气口、气压表和放气口，所述抽气口上连接有真空泵；所述绝缘板上用于放置对绝缘材料施加电压的一组放电电极。
进一步地，所述密封盖通过若干紧固螺钉与实验腔上部的外沿连接。
进一步地，所述密封盖的中心位置设置有石英材质的观察窗。
进一步地，所述老化电压源为能够提供指定电压等级的电压、且具有短路保护功能和计时功能的电压源。
进一步地，所述放电电极通过PTFE固定底座放置在绝缘板上。
进一步地，所述放电电极采用指型电极，所述指型电极的球形指头半径为10mm，两个放电电极的间距为5mm。
进一步地，所述实验腔的材料选用耐腐蚀钢材；所述密封盖采用不锈钢；所述指型电极的材料为不锈钢；电极固定底座的材料为聚四氟乙烯。
一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验方法，包括以下步骤：
步骤一：取绝缘材料，进行预处理；
步骤二：将绝缘材料置于放电电极之间，用导线将两个放电电极的尾端与实验腔腔壁上的两个高压电极连接；
步骤三：通过抽气口和真空泵将实验腔抽真空后，通过注气口充入气氛气体，并通过气压表观察气压示数，保证实验腔内部达到指定气压；
步骤四：充入气氛气体后，将温度控制器设置到指定温度；
步骤五：将若干个实验腔并联连接至老化电压源；
步骤六：在一个老化周期后，停止加电压，将其中一个实验腔卸下，其余的实验腔继续进行多应力联合老化过程；
步骤七：将取出来的实验腔的高压端单独连接放电电压源，进行电-热-气多应力联合老化后的绝缘材料的沿面闪络性能测试。
进一步地，步骤一中所述的预处理具体为：
a)将绝缘材料使用无水乙醇和去离子水，用超声清洗仪进行清洗，清除表面灰尘污渍，放置于真空烘箱干燥，使得绝缘材料的干燥程度达到指定实验要求；
b)对于经过表面处理的绝缘材料，直接放置于真空烘箱备用。
进一步地，a)中用超声清洗仪进行清洗30min，清除表面灰尘污渍，放置于60℃的真空烘箱干燥12h，b)中真空烘箱温度为25℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过电-热-气联合老化实验平台模拟实际中的复杂工况，该实验平台包括三种模块：由老化电压源和高压电极组成的电应力模块，能够为绝缘材料长期提供能够达到指定电压水平的电压；设置连接在老化实验腔密封盖上的加热环和温度传感器探头以及温度控制器组成热应力模块，能够使得实验腔体内气体达到指定温度；与实验腔连接的真空泵、气压表、注(放)气口以及气瓶组成的气氛模块，能够使得绝缘材料所处环境达到指定气氛与气压。三个模块同时工作时，能够为绝缘材料提供多种实验条件，模拟绝缘材料所在复杂的工况，如气体绝缘开关内的SF6环境下的长期电老化或者高温环境下的长期电老化。并且可以对三种模块进行单独调节，有助于分析得到三种不同模块分别对绝缘材料沿面闪络的影响，对于研究绝缘材料在模拟实际工况环境下的沿面闪络性能稳定性、寿命预测具有重要指导意义。具体优势如下：
1、实验腔作为老化实验平台主体结构，设计时考虑了绝缘材料面临的实际工况(电压，温度，气氛环境)及相关实验条件的控制，实验腔上表面有多个接口，分别用作真空抽气、注气、温控以及施加电压等过程。实验腔具有小型化特征，方便实验操作；
2、电应力模块的相关设计着重考虑绝缘材料的实际工况中存在长期施加电场的情况。在电极的设计方面，在实验腔内部可连接不同种类闪络电极，如指型电极，平板电极等，能够对绝缘材料进行不同加压方式的长期加压；
3、热应力模块的相关设计着重考绝缘材料的实际工况中可能受热的情况，因此在实验腔内设有加热环和温度传感器探头，加热环与温度传感器一并接入温度控制器，在升温过程中，加热模块能够对实验腔内的气体快速加热到指定温度，温度范围为室温～120℃。
4、气氛模块的相关设计着重考虑绝缘材料的沿面闪络发生在气-固界面的情况，常用气氛环境如真空、SF6、以及近年来新型的SF6替代环保气体。实验时可将实验腔气压抽至低于1×10-3Pa，可充入气体，并根据精密气压表，调节气体量在指定压强时后保持气压，气压最高可达0.3MPa；
进一步地，在电压源的设计方面，老化电压源能够长期提供指定电压等级的电压，并且具有短路保护功能与计时功能。
本发明公开的实验方法，基于上述公开的实验平台，实验操作简便，实验过程易控，时间周期可控，成本低，效率高。
附图说明
图1为本发明实验平台的实验腔的正面结构示意图；
图2为本发明实验平台的实验腔的侧面结构示意图；
图3为本发明实验平台的实验腔的俯视结构示意图；
图4为本发明实验平台的实验腔内部的指型电极平面示意图；
图5为随着电-热-气多应力联合老化时间闪络电压的平均值的变化曲线图；
图6为电-热-气多应力联合老化前后的环氧微米复合绝缘材料的沿面闪络weibull分布图。
其中，1为高压电极；2为密封盖；3为绝缘板；4为加热环；5为温度传感器探头；6为温度控制器；7为观察窗；8为实验腔；9为紧固螺钉；10为老化电压源；11为注气口；12为气压表；13为放气口；14为抽气口；15为真空泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图4，一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，包括若干个实验腔8，实验腔8底部设有绝缘板3；腔壁设有高压电极1，高压电极1连接老化电压源10；在实验腔8内部设有加热环4和温度传感器探头5，以及指型电极，待测试的绝缘材料置于指型电极的两个电极之间，且用耐高压导线将指型电极的尾端与高压电极1相连；在实验腔8的侧壁外还设有注气口11、气压表12采用精密气压表，放气口13和抽气口14以及真空泵15，在充气过程中，气压表12能够反应实验腔8内的气压；在实验腔8的顶部设有不锈钢材质的密封盖2，密封盖2中心设有石英材质的观察窗7，实验腔8的密封盖2通过8颗紧固螺钉9固定，加热环4和温度传感器探头5在密封盖2上留有接口，一并接入温度控制器6。
本发明的实验腔8具有小型化特征，材料选用耐腐蚀钢材，经过相应的切割、打磨、焊接之后，具有较强的抗压性，实验腔8的顶部不锈钢密封盖2的中心设有透明的石英材质的观察窗7，便于观察实验腔中设备状态和实验现象。在实验腔8设有分别用于检测温度和气压的温度传感器探头5和精密气压表12，实验腔8的腔壁上设置的注气口11，气压表12，放气口13和真空泵15，用于调节实验腔内的气氛条件。老化电压源10能够提供指定电压等级的电压，且具有短路保护功能和计时功能。指型电极的球形指头半径为10mm，电极间距为5mm；指型电极的材料为不锈钢，电极固定底座的材料为聚四氟乙烯。
一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验方法，包括以下步骤：
1)取绝缘材料，进行预处理，预处理的具体操作为：
a.对于未经过表面处理的绝缘材料，使用无水乙醇和去离子水，用超声清洗仪进行清洗30min，清除表面灰尘污渍，放置于60℃的真空烘箱，干燥12h，使得绝缘材料的干燥程度达到指定实验要求；
b.对于特定的经过表面处理的绝缘材料，由于表面处理前已经进行过表面清洗工作，故而经过表面处理的绝缘材料不再进行表面清洗，表面处理后直接放置于25℃的真空烘箱，保持样品的表面状态不受温度、湿度影响。
2)将绝缘材料置于指型电极内，实验腔8内部指型电极放置示意图如图4所示，用耐高压导线将指型电极的两个尾端与腔壁上的高压电极1连接。
3)通过真空泵15将实验腔8抽真空后，将注气口11与SF6气瓶相连(N2、CO2或干燥空气等气瓶可选择连接)，打开气瓶阀门，并通过气压表12观察气压示数，保证实验腔8内部达到指定气压后，关闭气瓶阀门。
4)将温度控制器6的设置温度处输入指定温度数值，加热环4开始加热，温度传感器探头5实时监测气体温度，在温度控制器的实际温度处显示数值，待实际温度显示数值达到指定温度数值后，实验腔8的气体温度即达到实验指定温度。
5)将若干个实验腔8并联连接，共同使用一个老化电压源10。打开老化电压源开关，设置指定电压等级的电压。
6)在一个老化周期后，切断其中一个实验腔8支路的电压，将此实验腔8卸下，然后其余的实验腔8继续进行多应力联合老化过程，待指定老化周期后再做处理。
7)对于卸下的实验腔8，无需取出样品，直接将实验腔8外的高压端单独连接另一闪络专用电压源，进行电-热-气多应力联合老化后的绝缘材料的沿面闪络性能测试。
下面对本发明实施方式作进一步详细描述：
本发明公开的绝缘材料在电-热-气多应力联合下的老化实验平台，若干个实验腔8，实验腔8底部设有绝缘板3；腔壁设有高压电极1，高压电极1连接老化电压源10；在实验腔8内部设有加热环4和温度传感器探头5，以及指型电极，待测试的绝缘材料置于指型电极的两个电极之间，且用耐高压导线将指型电极的尾端与高压电极1相连；在实验腔8的侧壁外还设有注气口11、气压表12采用精密气压表，放气口13和抽气口14以及真空泵15，在充气过程中，气压表12能够反应实验腔8内的气压；在实验腔8的顶部设有不锈钢材质的密封盖2，密封盖2中心设有石英材质的观察窗7，实验腔8的密封盖2通过8颗紧固螺钉9固定，加热环4和温度传感器探头5在密封盖2上留有接口，一并接入温度控制器6。
1、实验腔8作为老化实验平台的主体结构，其结构设计需要考虑绝缘材料实际运行工况及相关实验条件的控制，具体结构设计要点如下：
a.在实验腔8的顶部设有不锈钢密封盖2，同时设有石英观察窗7，便于观察实验腔中设备状态和实验现象；
b.在实验腔的底部设有绝缘板3，增强实验腔的绝缘强度；
c.具有小型化特征，方便移动，可进行同样条件下不同时间尺度的实验；
d.实验腔8用耐腐蚀钢材，经过相应的切割、打磨、焊接之后，具有较强的抗压性。
2、电应力模块的相关设计着重考虑绝缘材料在实际工程中长期施加电场的情况，具体结构设计要点如下：
a.在电源的设计方面，老化电压源8能够长期提供指定电压等级的电压，并且具有短路保护功能和计时功能；本发明采用的老化电压源为武汉国电西高电气有限公司制造。
b.在电极的设计方面，在实验腔8的腔壁上设有高压电极1，高压电极1使用纯铜作为电极材料；实验腔8的内部可连接指型电极，能够对绝缘材料进行加压处理，且指型电极中的电极使用不锈钢作为电极材料，且经过打磨光滑处理。
3、热应力模块的相关设计着重考虑绝缘材料在实际工程中受热的情况，具体结构设计要点如下：
a.加热环4设置在实验腔8内部中间位置，由于实验腔8具有小型化特征，加热环4能够对老化实验腔内气体快速加热到指定温度。
b.密封盖2上留有加热环4和温度传感器探头5的接头，与温度控制器6连接，实现对实验腔体的气体温度的检测与控制。温度控制器为宇电数字温控器AI-207。
4、在气氛模块方面，在设计制造实验腔时，设计着重考虑绝缘材料的气氛环境，因此气氛模块的具体结构设计要点如下：
a.实验腔8的腔壁上设置气压表12和注气口11，抽气口14与真空泵15相连接，可使实验腔内真空度达到指定真空状态；
b.实验腔8的腔壁上设置注气口11和气压表12，注气口11可与多种实验气体气瓶连接(如SF6、N2、CO2或干燥空气等气瓶均可选择连接)，可使实验腔达到指定气压的气氛环境。
实施例
环氧微米复合绝缘材料在电-热-气多应力联合老化后的沿面闪络性能测试如下：
1)取环氧微米复合绝缘材料，进行预处理，预处理的具体操作为：使用无水乙醇和去离子水，用超声清洗仪进行清洗30min，清除表面灰尘污渍，放置于60℃的真空烘箱，干燥12h，使得环氧微米复合绝缘材料的干燥程度达到指定实验要求；
2)将环氧微米复合绝缘材料置于指型电极内，电极间距为5mm，用耐高压导线将指型电极的两个尾端与腔壁上的高压电极1连接。
3)通过真空泵15将实验腔8抽真空后，将注气口11与SF6气瓶相连，打开气瓶阀门，并通过气压表12观察气压示数，保证实验腔8内部达到0.1MPa后，关闭气瓶阀门。
4)将温度控制器6的设置温度处输入50℃，加热环4开始加热，温度传感器探头5实时监测气体温度，在温度控制器的实际温度处显示数值，待实际温度显示数值达到50℃后，实验腔8的气体温度即达到实验指定温度。
5)将实验腔8外的高压端单独连接闪络专用电压源，测试环氧微米复合绝缘材料未加压进行老化前的沿面闪络性能，并记录沿面闪络发生时的电压数值。
6)将实验腔8外的高压端单独连接老化电压源10，打开老化电压源开关，设置指定电压为10kV。
7)分别在24h和36h后，切断此实验腔8支路的电压，将此实验腔8卸下，直接将实验腔8外的高压端单独连接闪络专用电压源，进行电-热-气多应力联合老化后的环氧微米复合绝缘材料的沿面闪络性能测试，并记录沿面闪络发生时的电压数值。
实验结果如图5和图6所示，图5为随着电-热-气多应力联合老化时间闪络电压的平均值的变化曲线图，图6为电-热-气多应力联合老化前后的环氧微米复合绝缘材料的沿面闪络weibull分布图。随着时间变化，老化0h，24h，36h对应的闪络电压平均值分别为27.41kV，25.41kV和23.90kV；闪络电压weibull分布的特征值分别为28.06kV，26.70kV和24.38kV。两种数值处理方式均表明，随着电-热-气多应力联合老化时间的增加，沿面闪络性能有一定幅度的降低。
综上所述，本发明通过电-热-气多应力联合老化实验平台模拟绝缘材料在服役时的复杂工况。目前，已有的实验平台只能针对绝缘材料进行热老化或者热电老化实验，很少有对绝缘材料进行电-热-气多应力联合老化实验。同时，该平台能够同时对三种模块进行单独的调整，利用控制变量法，可以得到电应力，热应力和气氛条件对绝缘材料的闪络性能的影响，有助于构建绝缘材料在电-热-气多应力联合老化情况下的沿面闪络稳定性和寿命预测模型，对于电力设备，如气体绝缘开关盆式绝缘子的使用寿命预测和故障诊断等具有指导意义。
以上实施将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，包括若干实验腔(8)，所述实验腔(8)的顶部连接有密封盖(2)，所述密封盖(2)上连接有穿插至实验腔(8)内部的加热环(4)和温度传感器探头(5)，加热环(4)和温度传感器探头(5)共同连接至温度控制器(6)，所述实验腔(8)的底部内侧设置有绝缘板(3)，所述实验腔(8)的腔壁上对称设置有两个高压电极(1)，其中一个高压电极(1)连接至老化电压源(10)的高压端，另一个高压电极(1)接地，若干实验腔(8)并联连接在老化电压源(10)上，所述实验腔(8)的腔壁上还设置有三通和抽气口(14)，所述三通上连接有注气口(11)、气压表(12)和放气口(13)，所述抽气口(14)上连接有真空泵(15)；所述绝缘板(3)上用于放置对绝缘材料施加电压的一组放电电极。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，所述密封盖(2)通过若干紧固螺钉(9)与实验腔(8)上部的外沿连接。
3.根据权利要求1所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，所述密封盖(2)的中心位置设置有石英材质的观察窗(7)。
4.根据权利要求1所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，所述老化电压源(10)为能够提供指定电压等级的电压、且具有短路保护功能和计时功能的电压源。
5.根据权利要求1所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，所述放电电极通过PTFE固定底座放置在绝缘板(3)上。
6.根据权利要求1所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，所述放电电极采用指型电极，所述指型电极的球形指头半径为10mm，两个放电电极的间距为5mm。
7.根据权利要求6所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，所述实验腔(8)的材料选用耐腐蚀钢材；所述密封盖(2)采用不锈钢；所述指型电极的材料为不锈钢；电极固定底座的材料为聚四氟乙烯。
8.一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验方法，采用权利要求1-7任一项所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验平台，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：取绝缘材料，进行预处理；
步骤二：将绝缘材料置于放电电极之间，用导线将两个放电电极的尾端与实验腔腔壁上的两个高压电极连接；
步骤三：通过抽气口(14)和真空泵(15)将实验腔(8)抽真空后，通过注气口(11)充入气氛气体，并通过气压表(11)观察气压示数，保证实验腔(8)内部达到指定气压；
步骤四：充入气氛气体后，将温度控制器(6)设置到指定温度；
步骤五：将若干个实验腔(8)并联连接至老化电压源(10)；
步骤六：在一个老化周期后，停止加电压，将其中一个实验腔(8)卸下，其余的实验腔(8)继续进行多应力联合老化过程；
步骤七：将取出来的实验腔(8)的高压端单独连接放电电压源，进行电-热-气多应力联合老化后的绝缘材料的沿面闪络性能测试。
9.根据权利要求8所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验方法，其特征在于，步骤一中所述的预处理具体为：
a)将绝缘材料使用无水乙醇和去离子水，用超声清洗仪进行清洗，清除表面灰尘污渍，放置于真空烘箱干燥，使得绝缘材料的干燥程度达到指定实验要求；
b)对于经过表面处理的绝缘材料，直接放置于真空烘箱备用。
10.根据权利要求9所述的一种绝缘材料的电-热-气多应力联合老化实验方法，其特征在于，a)中用超声清洗仪进行清洗30min，清除表面灰尘污渍，放置于60℃的真空烘箱干燥12h，b)中真空烘箱温度为25℃。
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