CN114034988B - 一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法,其特征在于，采用屏蔽良好的直流倍压回路产生直流高压，获得直流电压下油纸绝缘局部放电特性，具体步骤为，首先对试品及实验模型进行选择和处理，然后搭建电导测量平台并对介质场强进行计算，再搭建直流局放实验平台，对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形信息进行记录，最后根据所记录的信息实现试品绝缘劣化的表征。其有益效果是：既可以反映纸板表面的平均粗糙程度，又可以判断纸板表面是否出现严重的劣化痕迹。
Description
技术领域
本发明涉及电器件性能测试领域，特别是一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法。
背景技术
直流输电具有输送容量大、输电距离远、线路损耗低等优点，非常适合远距离大容量输电。自20世纪50年代以来，全世界已有超过80项直流输电工程投运。在高压直流输电系统中，换流变压器是最重要的设备之一，其可靠性及可用。
性对整个系统而言至关重要。在实际运行条件下，换流变压器阀侧绕组需要同时承受交、直流电压作用。在高直流电压分量下，换流变压器油纸绝缘材料的电导对电场分布起决定性作用，而电场分布情况直接影响换流变压器的绝缘结构设计及运行稳定性。因此，测量研究油纸绝缘材料在不同条件下的电导，对工程实际具有重要意义。
截至目前，国内外学者针对直流电压下油纸绝缘材料的电导特性已进行大量研究，但研究对象多为变压器油。另一方面，对绝缘纸板电导特性而言，虽有学者进行研究，但主要集中于绝缘纸板的温谱、频谱特性，且实验多在弱电场条件下进行，与工程实际不符。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法。具体设计方案为：
一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法,采用屏蔽良好的直流倍压回路产生直流高压，获得直流电压下油纸绝缘局部放电特性，具体步骤为，首先对试品及实验模型进行选择和处理，然后搭建电导测量平台并对介质场强进行计算，再搭建直流局放实验平台，对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形信息进行记录，最后根据所记录的信息实现试品绝缘劣化的表征。
先对试品及实验模型进行选择和处理步骤中，
实验前需使用真空加热装置及过滤装置对油进行滤油处理，过滤掉油中直径大于100 μm的杂质，再进行脱水处理，将油置于真空烘干箱内，在133Pa、70℃环境中干燥24h，之后对处理后的变压器油进行检测，使处理以后的变压器油含水率小于10 ppm，并且满足标准油杯击穿电压大于60 kV，90 ℃时的介质损耗小于0.4 %的条件，具体的变压器油处理流程如图1所示；
绝缘纸板厚度0.5 mm，实验前首先将纸板剪裁为100 mm×100 mm的正方形试样，随后利用真空加热装置对纸板进行干燥处理，将绝缘纸板置于真空烘干箱内，在133Pa、60℃环境中干燥24h，以尽量除去纸板内部水分，干燥完成后将纸板置于真空实验腔内进行真空注油，并在注油完成后继续抽真空进行浸渍12h，经上述处理后，绝缘纸板含水率可小于3.0 %，满足实验条件，具体的绝缘纸板处理流程如图2所示；
温度对油纸绝缘局部放电起始及发展过程具有重要影响，在正常负荷下，变压器绕组温度约为80 ℃，但在运行过程中，一旦出现负荷、环境温度等因素的改变，变压器绕组温度可能在很短的时间内发生剧烈变化，因此，有必要在更广的温度范围内研究油纸绝缘材料的直流局部放电特性，选取DJR-250型真空干燥装置对变压器油的温度进行控制，如图3所示,该装置采用基于PID原理设计的温度反馈回路，可在室温~200 ℃的温度范围内进行干燥作业,干燥器的侧面带有气孔，可由此进行抽真空处理，最大真空度为133 Pa,实验时高压电极由干燥器顶部引出，试品和地电极则置于石英烧杯中进行加热；
水含量对油纸绝缘的绝缘性能同样具有重要影响，常温下，矿物油的水饱和度为30 ppm左右，在脱水脱气处理后其水含量最多下降到5 ppm左右，并且水含量越低，矿物油吸潮能力越强，纤维素的吸湿能力很强，常温下在空气中的水饱和度最高可达自身质量的9%，因此，在油纸绝缘内部存在水分迁移过程，这使得同时控制油、纸的含水量变得极其困难，为此，采用相同初始水分含量的绝缘纸板与不同初始水分含量的变压器油相组合的方法，得到不同含水量的油纸绝缘组合，并用油中含水量对整体含水情况进行表征，实验采用大庆日上gf 5型卡氏微水仪对变压器油内微水含量进行测量，该设备最低检出浓度可达0.00003% m/m，检测灵敏度达0.1 μg，为得到确定含水量的变压器油，采用控制干燥时长的真空干燥法，在干燥过程中定时抽取油样进行含水量检测，得到图4所示曲线，对曲线进行拟合，得到如式（2-1）所示的干燥时间-微水含量关系式为：
在后续实验中，仅需控制变压器油干燥时间即可得到确定含水量的油样；
电极布置采用平面电极结构，如图7所示，其结构特点是将两个金属电极（可以具有多种轮廓）平放在试品的表面上并相隔一定距离，然后分别被固定，这种结构表面电极的电场属于稍不均匀场，具有强切向分量，比较接近工程实际，且适合光学观察，有利于研究沿面放电过程。
模型的具体尺寸为结构如图5所示，其中，条状电极厚宽10 mm，长80 mm，厚5 mm，电极边缘倒角，且经过打磨抛光处理。
所述电导测量平台中，通常意义上的电介质并非理想化的绝缘体，在电场作用下介质内部流过泄漏电流，这种现象称为电介质的电导，不同于相对介电常数，介质电导受场强、温度、微水等因素的影响较大，因此具有非线性特性，对油纸绝缘这类典型复合绝缘而言，在稳态直流电压作用下，根据电流连续性原理，介质上电压按电阻分配，因此，为确定不同实验条件下油纸绝缘直流局部放电起始场强，首先需要分别确定两种绝缘材料的电导特性。
关于变压器油电导率的测试方法，《GB/T 5654-2007液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》作出了相关规定，并推荐了两种试验池结构。该标准同时规定，利用推荐试验池进行电导测量时，外施电压不得超过2000V。因此，若要测量高场强下变压器油的电导率，需采用其他测量电极结构。基于上述考虑，采用形如图6所示的平行板板结构测量电极利用该电极可测量高场强下变压器油的电导率，
测量油浸绝缘纸板电导率所采用的电极可按照《GB/T 1410-2006固体绝缘材料体积电阻率及表面电阻率试验方法》中推荐的三电极结构进行设计，如图8所示。其中，电导测量平台包括第一电极、第二电极、第三电极，三电极均采用不锈钢材质，所述第一电极、第二电极位于试样的上方，第三电极位于试样的下方，采用该三电极结构测量绝缘纸板电导率时，取第一电极为高压电极，第二电极为测量电极，试样为保护电极，测得的结果为表面电导率；取第一电极为高压电极，第二电极为保护电极，试样为测量电极，测得的结果为体积电导率。此外，为保证电极与绝缘纸板的紧密接触，使用少量凡士林对纸板与电极进行粘合。由于绝缘纸板表面较为光滑，粘合剂薄层可达微米量级，由此对测量结果带来的影响可以忽略不计。
介质场强的计算步骤中，在上述测量电极的基础上，借助GB/T 1410-2006中“比较法”的思想设计了油纸绝缘材料电导率测量电路，回路示意图如图9所示，在图9中，
在实际操作时，利用高压探头对直流电源的输出电压U 0 及标准电阻上的电压U s 分别进行测量，再通过简单的电路计算即可得到试品的电阻值R x ：
SGG为隔离变压器；VR为输出可调的直流电源；R s 为可调换的标准电阻；R x 为试品电阻，因此，直流电源VR，标准电阻Rs和试品Rx构成回路，
对变压器油及绝缘纸板的体积电导率而言，电阻值R x 与电导率γ v 的关系为：
式中 A——电极有效面积，单位为cm2；
d——极间距离单位为，cm。
对绝缘纸板表面电导率γ s而言，其计算公式为：
式中 b——介质上的电极宽度，单位为cm；
l——极间沿面距离，单位为cm。
将式（2-3）、（2-4）与式（2-2）联立进行求解，可分别得到变压器油及绝缘纸板的体积电导率γ v 及绝缘纸板表面电导率γ s 的表达式：
根据绝缘材料的电阻值R x ，选择标准电阻值R s ，使得二者尽量接近，即U s 接近1/2U 0 ，以保证测量的准确性。在对不同温度条件下的试品进行测量时，需将试品连同电极置于前述的干燥箱中进行测量。此外，在进行测量前应使试品具有电介质稳定状态，采用短路接地法实现。在测量体电导率时，施加特定幅值的直流电压同时开始计时,在每个电化时间下作一次测量：1 min、2 min、5 min、10 min、50 min和100 min。如果两次测量得出同样的结果,则实验结束。在测量表面电导率时，电化时间规定为1 min，此时间后即使泄漏电流尚未达到稳定状态，实验也应结束。
介质场强的计算步骤中，对复合介质场强的计算中，
对具有强法向电场分量的油纸绝缘结构而言，变压器油和绝缘纸板中的电场分布可以用双层介质模型计算获得，
在直流电压下，对于多层电介质，介质中各点电流密度的方向相同，大小相等，且介质中的电场分布取决于介质的电导率，如图10中油纸绝缘双层介质模型所示设电极两端的直流电压为U，油浸绝缘纸板承受的电压为U1，变压器油承受的电压为U2；油浸绝缘纸板的体积电导率为γ 1，变压器油电导率为γ 2；介质总厚度为d，绝缘纸板厚度为d1，绝缘油厚度为d2，则上述各个参量满足如下关系：
求解式(2-7)中的电场参数，可得绝缘纸板中电场强度：
变压器油中电场强度：
结合式(2-8)、(2-9)及各条件下变压器油、绝缘纸板的电导率，在对电极施加不同的直流电压U时，可以计算出两种绝缘材料中的电场强度值，从而确定直流电压下强法向电场分量油纸绝缘模型的局部放电起始场强，对具有强切向电场分量的油纸绝缘结构而言，油纸交界面的局部放电起始场强则可直接由均匀电极结构下电压电场关系计算得到。
当绝缘介质内发生局部放电时，会伴随发生多种电和非电现象，对应的局部放电检测方法也分为电气与非电气两类，非电气的检测方法一般灵敏度较低，宜定性检测而不能定量分析，因此，选取属于电气类测量方法的电磁耦合法测量实验过程中的局部放电信号，
电磁耦合法的基本原理就是利用线圈感应微弱的放电电流，当高压设备发生局部放电时，在低压侧接地引线上会有相应的脉冲电流流过。脉冲电流穿过电流互感器，会在互感器出线端产生感应电流，感应电流经过I/V变换可变为电压信号，测量该信号即可知道试品侧电流的变化情况，由于在高压电缆和测量回路间没有直接的电气连接，电磁耦合法具有良好的抗干扰能力，直流局放实验平台包括电源，所述电源为高压直流电源，采用直流倍压回路搭建，所述电源的一端与回路保护电阻的一端连接，所述回路保护电阻为自制水电阻，阻值1 MΩ，能够有效限制击穿电流幅值，增加电极寿命，所述回路保护电阻的另一端与电阻分压器的一端、机玻璃实验腔体的一端连接，所述电阻分压器采用同轴高低压臂结构，其中高压臂浸渍于变压器油中，一方面防止发生沿面闪络，另一方面起到冷却的作用，分压器分压比为10068:1，分压信号经电缆传输至万用表进行读数，所述机玻璃实验腔体的腔体尺寸300 mm×150 mm×200 mm，腔体顶部进高压底部接地。进行高温实验时选用石英玻璃实验腔体，腔体直径及高度均为200 mm，所述机玻璃实验腔体的另一端与示波器的输入端连接，所述示波器采用美国泰克公司生产的Tektronix TBS1102数字存储示波器，其带宽100 MHz，采样频率1 GS/s，满足实验要求，所述机玻璃实验腔体上安装有局部放电信号的测量通过高频电流互感器，所述示波器的输出端与局部放电测量设备的输入端、TechImp局放检测仪的输入端连接，所述局部放电测量设备为PD Check局部放电检测设备，TechImp局放检测仪的输出端与计算机连接，局部放电测量设备的输出端、示波器的接地端、电源的另一端、电阻分压器的另一端接参考地。
直流局放实验平的实验操作中，IEC60270-2000规定，在试品上初次观察到重复放电时所施加的电压为局放起始电压，结合该规定，定义：试品内发生大于5 pC，且放电频数大于１次/min的稳定放电时，试品两端电压即为局放起始电压，对应该定义采用阶梯升压法确定试品局放起始电压，如图13所示，实验过程中升压起始电压为15 kV，每级电压间隔ΔV=1 kV，保持时间10 min，相隔各级电压升压时间Δt≤30 s，当电压升高到一定值后，在10 min内至少出现10次大于5 pC的局部放电，该电压即为局放起始电压。待试品局放起始电压确定后，再采用均匀升压法，将电压升至某一定值保持不变，长时间测量试品局部放电发展过程中的脉冲信号，并对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形等信息进行记录。
所述绝缘劣化表征中，变压器所用的固体绝缘材料种类繁多，如绝缘纸、绝缘纸板、Nomex纸、上胶纸、电工层压木等，但大型浸油式电力变压器所用的绝缘纸板主要为A级硫酸盐木浆纸，该类纤维素是由约90%的α-纤维素和10%的半纤维素构成。α-纤维素又是由约2000个葡萄糖单体(C6H10O5)组成的长链状高聚合碳氢化合物，其中约有70%的结晶部分和30%的无定型部分。纤维素是由结晶区和无定型区交错连接而成的二相体系，其分子结构式如图16所示，变压器固体绝缘纤维素大分子老化过程就是纤维素的降解过程，即长纤维分子链的断裂，因此，绝缘纸板的表面形貌能够有效反映绝缘纸板的老化情况，
观察绝缘纸板表面形貌的方法有多种，其中激光共聚焦扫描显微镜（Confocallaser scanning microscope，简称CLSM）由于具有广阔的观察范围和超清的观察精度而尤其适用于本部分的研究。激光共聚焦扫描显微镜CLSM的基本工作原理为：采用激光束作光源，激光束经照明针孔，经由分光镜反射至物镜，并聚焦于试品上，对试品焦平面上每一点进行扫描，试品中可被激发的荧光物质受到激发后发出的荧光，经原来入射光路直接反向回到分光镜，通过探测针孔时聚焦，聚焦后的光被光电倍增管（PMT）探测收集，并将信号输送到计算机，处理后在计算机显示器上显示图像，由于CLSM能够对同一试品的不同层面实时扫描成像，因此可以得到试品表面的三维结构图像，进而对样品的立体结构，如粗糙度等，进行精确分析。
所述绝缘劣化表征中，对于固体材料表面，难以用直接观测的手段判断其平整程度，因而常采用粗糙度的概念来表征表面的形貌。为此，引入三维轮廓均方根偏差S q 及三维轮廓十点高度S z 的概念。其中：
S q 反映纸板被测区域轮廓偏离测量焦平面的程度，如图19所示，
S z 反映了纸板被测区域内五个最高峰标高和五个最低谷标高绝对值之和的平均值，如图20所示，
S q 与S z 的计算公式如下：
式中：
l=l (x,y,z)为平面上任一点到测量焦平面的偏距；
S为纸板被测区域在测量焦平面的正投影。
采用这两个参数表征纸板表面状态，既可以反映纸板表面的平均粗糙程度，又可以判断纸板表面是否出现严重的劣化痕迹（如蚀坑及纤维链断裂）。
通过本发明的上述技术方案得到的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其有益效果是：
既可以反映纸板表面的平均粗糙程度，又可以判断纸板表面是否出现严重的劣化痕迹。
附图说明
图1是本发明所述油处理流程图；
图2是本发明所述纸板处理流程图；
图3是本发明所述DJR-250型真空干燥器示意图；
图4是本发明所述油中含水量与烘干时间的关系图；
图5是本发明所述强切向电场分量模型图；
图6是本发明所述强法向电场分量模型图；
图7是本发明所述沿面放电平面模型布置图；
图8是本发明所述测量固体介质电导的三电极结构图；
图9是本发明所述油纸绝缘电导测量回路图；
图10是本发明所述平板电极间电场分布模型图；
图11是本发明所述直流局放实验平台示意图；
图12是本发明所述互感器频响曲线图；
图13是本发明所述升压方式示意图；
图14是本发明所述升压方式示意图；
图15是本发明所述不同放电量幅值下检测系统获取的单个脉冲电流波形图；
图16是本发明所述纤维素分子结构图；
图17是本发明所述全新纸板的表面光学图；
图18是本发明所述全新纸板的表面形貌三维云图；
图19是本发明所述纸板被测区域轮廓偏离测量焦平面的程度图；
图20是本发明所述纸板被测区域内五个最高峰标高和五个最低谷标高绝对值之和的平均值图；
图中，1、电源；2、回路保护电阻；3、电阻分压器；4、机玻璃实验腔体；5、高频电流互感器；6、示波器；7、局部放电测量设备；8、TechImp局放检测仪；9、计算机；10、第二电极；11、第三电极；12、试样；13、第一电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法,采用屏蔽良好的直流倍压回路产生直流高压，获得直流电压下油纸绝缘局部放电特性，具体步骤为，首先对试品及实验模型进行选择和处理，然后搭建电导测量平台并对介质场强进行计算，再搭建直流局放实验平台，对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形信息进行记录，最后根据所记录的信息实现试品绝缘劣化的表征。
先对试品及实验模型进行选择和处理步骤中，
实验前需使用真空加热装置及过滤装置对油进行滤油处理，过滤掉油中直径大于100 μm的杂质，再进行脱水处理，将油置于真空烘干箱内，在133Pa、70℃环境中干燥24h，之后对处理后的变压器油进行检测，使处理以后的变压器油含水率小于10 ppm，并且满足标准油杯击穿电压大于60 kV，90 ℃时的介质损耗小于0.4 %的条件，具体的变压器油处理流程如图1所示；
绝缘纸板厚度0.5 mm，实验前首先将纸板剪裁为100 mm×100 mm的正方形试样，随后利用真空加热装置对纸板进行干燥处理，将绝缘纸板置于真空烘干箱内，在133Pa、60℃环境中干燥24h，以尽量除去纸板内部水分，干燥完成后将纸板置于真空实验腔内进行真空注油，并在注油完成后继续抽真空进行浸渍12h，经上述处理后，绝缘纸板含水率可小于3.0 %，满足实验条件，具体的绝缘纸板处理流程如图2所示；
温度对油纸绝缘局部放电起始及发展过程具有重要影响，在正常负荷下，变压器绕组温度约为80 ℃，但在运行过程中，一旦出现负荷、环境温度等因素的改变，变压器绕组温度可能在很短的时间内发生剧烈变化，因此，有必要在更广的温度范围内研究油纸绝缘材料的直流局部放电特性，选取DJR-250型真空干燥装置对变压器油的温度进行控制，如图3所示,该装置采用基于PID原理设计的温度反馈回路，可在室温~200 ℃的温度范围内进行干燥作业,干燥器的侧面带有气孔，可由此进行抽真空处理，最大真空度为133 Pa,实验时高压电极由干燥器顶部引出，试品和地电极则置于石英烧杯中进行加热；
水含量对油纸绝缘的绝缘性能同样具有重要影响，常温下，矿物油的水饱和度为30 ppm左右，在脱水脱气处理后其水含量最多下降到5 ppm左右，并且水含量越低，矿物油吸潮能力越强，纤维素的吸湿能力很强，常温下在空气中的水饱和度最高可达自身质量的9%，因此，在油纸绝缘内部存在水分迁移过程，这使得同时控制油、纸的含水量变得极其困难，为此，采用相同初始水分含量的绝缘纸板与不同初始水分含量的变压器油相组合的方法，得到不同含水量的油纸绝缘组合，并用油中含水量对整体含水情况进行表征，实验采用大庆日上gf 5型卡氏微水仪对变压器油内微水含量进行测量，该设备最低检出浓度可达0.00003% m/m，检测灵敏度达0.1 μg，为得到确定含水量的变压器油，采用控制干燥时长的真空干燥法，在干燥过程中定时抽取油样进行含水量检测，得到图4所示曲线，对曲线进行拟合，得到如式（2-1）所示的干燥时间-微水含量关系式为：
在后续实验中，仅需控制变压器油干燥时间即可得到确定含水量的油样；
电极布置采用平面电极结构，如图7所示，其结构特点是将两个金属电极（可以具有多种轮廓）平放在试品的表面上并相隔一定距离，然后分别被固定，这种结构表面电极的电场属于稍不均匀场，具有强切向分量，比较接近工程实际，且适合光学观察，有利于研究沿面放电过程。
模型的具体尺寸为结构如图5所示，其中，条状电极厚宽10 mm，长80 mm，厚5 mm，电极边缘倒角，且经过打磨抛光处理。
所述电导测量平台中，通常意义上的电介质并非理想化的绝缘体，在电场作用下介质内部流过泄漏电流，这种现象称为电介质的电导，不同于相对介电常数，介质电导受场强、温度、微水等因素的影响较大，因此具有非线性特性，对油纸绝缘这类典型复合绝缘而言，在稳态直流电压作用下，根据电流连续性原理，介质上电压按电阻分配，因此，为确定不同实验条件下油纸绝缘直流局部放电起始场强，首先需要分别确定两种绝缘材料的电导特性。
关于变压器油电导率的测试方法，《GB/T 5654-2007液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》作出了相关规定，并推荐了两种试验池结构。该标准同时规定，利用推荐试验池进行电导测量时，外施电压不得超过2000V。因此，若要测量高场强下变压器油的电导率，需采用其他测量电极结构。基于上述考虑，采用形如图6所示的平行板板结构测量电极利用该电极可测量高场强下变压器油的电导率，
测量油浸绝缘纸板电导率所采用的电极可按照《GB/T 1410-2006固体绝缘材料体积电阻率及表面电阻率试验方法》中推荐的三电极结构进行设计，如图8所示。其中，电导测量平台包括第一电极13、第二电极10、第三电极11，三电极均采用不锈钢材质，所述第一电极13、第二电极10位于试样12的上方，第三电极11位于试样12的下方，采用该三电极结构测量绝缘纸板电导率时，取第一电极13为高压电极，第二电极10为测量电极，试样12为保护电极，测得的结果为表面电导率；取第一电极13为高压电极，第二电极10为保护电极，试样12为测量电极，测得的结果为体积电导率。此外，为保证电极与绝缘纸板的紧密接触，使用少量凡士林对纸板与电极进行粘合。由于绝缘纸板表面较为光滑，粘合剂薄层可达微米量级，由此对测量结果带来的影响可以忽略不计。
介质场强的计算步骤中，在上述测量电极的基础上，借助GB/T 1410-2006中“比较法”的思想设计了油纸绝缘材料电导率测量电路，回路示意图如图9所示，在图9中，
在实际操作时，利用高压探头对直流电源的输出电压U 0 及标准电阻上的电压U s 分别进行测量，再通过简单的电路计算即可得到试品的电阻值R x ：
SGG为隔离变压器；VR为输出可调的直流电源；R s 为可调换的标准电阻；R x 为试品电阻，因此，直流电源VR，标准电阻Rs和试品Rx构成回路，
对变压器油及绝缘纸板的体积电导率而言，电阻值R x 与电导率γ v 的关系为：
式中 A——电极有效面积，单位为cm2；
d——极间距离单位为，cm。
对绝缘纸板表面电导率γ s而言，其计算公式为：
式中 b——介质上的电极宽度，单位为cm；
l——极间沿面距离，单位为cm。
将式（2-3）、（2-4）与式（2-2）联立进行求解，可分别得到变压器油及绝缘纸板的体积电导率γ v 及绝缘纸板表面电导率γ s 的表达式：
根据绝缘材料的电阻值R x ，选择标准电阻值R s ，使得二者尽量接近，即U s 接近1/2U 0 ，以保证测量的准确性。在对不同温度条件下的试品进行测量时，需将试品连同电极置于前述的干燥箱中进行测量。此外，在进行测量前应使试品具有电介质稳定状态，采用短路接地法实现。在测量体电导率时，施加特定幅值的直流电压同时开始计时,在每个电化时间下作一次测量：1 min、2 min、5 min、10 min、50 min和100 min。如果两次测量得出同样的结果,则实验结束。在测量表面电导率时，电化时间规定为1 min，此时间后即使泄漏电流尚未达到稳定状态，实验也应结束。
介质场强的计算步骤中，对复合介质场强的计算中，
对具有强法向电场分量的油纸绝缘结构而言，变压器油和绝缘纸板中的电场分布可以用双层介质模型计算获得，
在直流电压下，对于多层电介质，介质中各点电流密度的方向相同，大小相等，且介质中的电场分布取决于介质的电导率，如图10中油纸绝缘双层介质模型所示，设电极两端的直流电压为U，油浸绝缘纸板承受的电压为U1，变压器油承受的电压为U2；油浸绝缘纸板的体积电导率为γ 1，变压器油电导率为γ 2；介质总厚度为d，绝缘纸板厚度为d1，绝缘油厚度为d2，则上述各个参量满足如下关系：
求解式(2-7)中的电场参数，可得绝缘纸板中电场强度：
变压器油中电场强度：
结合式(2-8)、(2-9)及各条件下变压器油、绝缘纸板的电导率，在对电极施加不同的直流电压U时，可以计算出两种绝缘材料中的电场强度值，从而确定直流电压下强法向电场分量油纸绝缘模型的局部放电起始场强，对具有强切向电场分量的油纸绝缘结构而言，油纸交界面的局部放电起始场强则可直接由均匀电极结构下电压电场关系计算得到。
当绝缘介质内发生局部放电时，会伴随发生多种电和非电现象，对应的局部放电检测方法也分为电气与非电气两类，非电气的检测方法一般灵敏度较低，宜定性检测而不能定量分析，因此，选取属于电气类测量方法的电磁耦合法测量实验过程中的局部放电信号，
电磁耦合法的基本原理就是利用线圈感应微弱的放电电流，当高压设备发生局部放电时，在低压侧接地引线上会有相应的脉冲电流流过。脉冲电流穿过电流互感器，会在互感器出线端产生感应电流，感应电流经过I/V变换可变为电压信号，测量该信号即可知道试品侧电流的变化情况，由于在高压电缆和测量回路间没有直接的电气连接，电磁耦合法具有良好的抗干扰能力，直流局放实验平台包括电源1，所述电源为高压直流电源，采用直流倍压回路搭建，所述电源1的一端与回路保护电阻2的一端连接，所述回路保护电阻2为自制水电阻，阻值1 MΩ，能够有效限制击穿电流幅值，增加电极寿命，所述回路保护电阻2的另一端与电阻分压器3的一端、机玻璃实验腔体4的一端连接，所述电阻分压器3采用同轴高低压臂结构，其中高压臂浸渍于变压器油中，一方面防止发生沿面闪络，另一方面起到冷却的作用，分压器分压比为10068:1，分压信号经电缆传输至万用表进行读数，所述机玻璃实验腔体4的腔体尺寸300 mm×150 mm×200 mm，腔体顶部进高压底部接地。进行高温实验时选用石英玻璃实验腔体，腔体直径及高度均为200 mm，所述机玻璃实验腔体4的另一端与示波器6的输入端连接，所述示波器6采用美国泰克公司生产的Tektronix TBS1102数字存储示波器，其带宽100 MHz，采样频率1 GS/s，满足实验要求，所述机玻璃实验腔体4上安装有局部放电信号的测量通过高频电流互感器5，所述示波器6的输出端与局部放电测量设备7的输入端、TechImp局放检测仪8的输入端连接，所述局部放电测量设备7为PD Check局部放电检测设备，TechImp局放检测仪8的输出端与计算机9连接，局部放电测量设备7的输出端、示波器6的接地端、电源1的另一端、电阻分压器3的另一端接参考地。
直流局放实验平的实验操作中，IEC60270-2000规定，在试品上初次观察到重复放电时所施加的电压为局放起始电压，结合该规定，定义：试品内发生大于5 pC，且放电频数大于１次/min的稳定放电时，试品两端电压即为局放起始电压，对应该定义采用阶梯升压法确定试品局放起始电压，如图13所示，实验过程中升压起始电压为15 kV，每级电压间隔ΔV=1 kV，保持时间10 min，相隔各级电压升压时间Δt≤30 s，当电压升高到一定值后，在10 min内至少出现10次大于5 pC的局部放电，该电压即为局放起始电压。待试品局放起始电压确定后，再采用均匀升压法，将电压升至某一定值保持不变，长时间测量试品局部放电发展过程中的脉冲信号，并对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形等信息进行记录。
所述绝缘劣化表征中，变压器所用的固体绝缘材料种类繁多，如绝缘纸、绝缘纸板、Nomex纸、上胶纸、电工层压木等，但大型浸油式电力变压器所用的绝缘纸板主要为A级硫酸盐木浆纸，该类纤维素是由约90%的α-纤维素和10%的半纤维素构成。α-纤维素又是由约2000个葡萄糖单体(C6H10O5)组成的长链状高聚合碳氢化合物，其中约有70%的结晶部分和30%的无定型部分。纤维素是由结晶区和无定型区交错连接而成的二相体系，其分子结构式如图16所示，变压器固体绝缘纤维素大分子老化过程就是纤维素的降解过程，即长纤维分子链的断裂，因此，绝缘纸板的表面形貌能够有效反映绝缘纸板的老化情况，
观察绝缘纸板表面形貌的方法有多种，其中激光共聚焦扫描显微镜（Confocallaser scanning microscope，简称CLSM）由于具有广阔的观察范围和超清的观察精度而尤其适用于本部分的研究。激光共聚焦扫描显微镜CLSM的基本工作原理为：采用激光束作光源，激光束经照明针孔，经由分光镜反射至物镜，并聚焦于试品上，对试品焦平面上每一点进行扫描，试品中可被激发的荧光物质受到激发后发出的荧光，经原来入射光路直接反向回到分光镜，通过探测针孔时聚焦，聚焦后的光被光电倍增管（PMT）探测收集，并将信号输送到计算机，处理后在计算机显示器上显示图像，由于CLSM能够对同一试品的不同层面实时扫描成像，因此可以得到试品表面的三维结构图像，进而对样品的立体结构，如粗糙度等，进行精确分析。
所述绝缘劣化表征中，对于固体材料表面，难以用直接观测的手段判断其平整程度，因而常采用粗糙度的概念来表征表面的形貌。为此，引入三维轮廓均方根偏差S q 及三维轮廓十点高度S z 的概念。其中：
S q 反映纸板被测区域轮廓偏离测量焦平面的程度，如图19所示，
S z 反映了纸板被测区域内五个最高峰标高和五个最低谷标高绝对值之和的平均值，如图20所示，
S q 与S z 的计算公式如下：
式中：
l=l (x,y,z)为平面上任一点到测量焦平面的偏距；
S为纸板被测区域在测量焦平面的正投影。
采用这两个参数表征纸板表面状态，既可以反映纸板表面的平均粗糙程度，又可以判断纸板表面是否出现严重的劣化痕迹（如蚀坑及纤维链断裂）。
实施例1
利用Olympus公司生产的激光共聚焦扫描显微镜（型号：OLS4000）观察绝缘纸板表面形貌，其基本参数如下：观察倍率108倍~17280倍；最大视野2.5 mm；最高分辨率0.12 μm；高度测量极致范围0.1 μm~300 μm。同时配备的LEXT人机交互软件可进行纸板表面粗糙度的分析，
将绝缘纸板在丙酮中萃取并自然干燥后即可测量其表面形貌，图17为全新纸板的表面光学图像。图中，纸板表面平整，无明显“峰”、“谷”，
图18为全新纸板的表面形貌三维云图，以该图为基础，结合后期软件处理，能够得到纸板表面最大高度、表面粗糙度等众多有用参数。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法,其特征在于，采用屏蔽良好的直流倍压回路产生直流高压，获得直流电压下油纸绝缘局部放电特性，具体步骤为，首先对试品及实验模型进行选择和处理，然后搭建电导测量平台并对介质场强进行计算，再搭建直流局放实验平台，对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形信息进行记录，最后根据所记录的信息实现试品绝缘劣化的表征；
介质场强的计算步骤中，
在实际操作时，利用高压探头对直流电源的输出电压U 0 及标准电阻上的电压U s 分别进行测量，再通过简单的电路计算即可得到试品的电阻值R x ：
R s 为可调换的标准电阻；R x 为试品电阻，
对变压器油及绝缘纸板的体积电导率而言，电阻值R x 与电导率γ v 的关系为：
式中A——电极有效面积，单位为cm2；
d——极间距离单位为，cm，
对绝缘纸板表面电导率γ s而言，其计算公式为：
式中 b——介质上的电极宽度，单位为cm；
l——极间沿面距离，单位为cm，
将式（2-3）、（2-4）与式（2-2）联立进行求解，可分别得到变压器油及绝缘纸板的体积电导率γ v 及绝缘纸板表面电导率γ s 的表达式：
采用短路接地法实现，在测量体电导率时，施加特定幅值的直流电压同时开始计时,在每个电化时间下作一次测量：1 min、2 min、5 min、10 min、50 min和100 min，如果两次测量得出同样的结果,则实验结束，在测量表面电导率时，电化时间规定为1 min，此时间后即使泄漏电流尚未达到稳定状态，实验也应结束；
介质场强的计算步骤中，对复合介质场强的计算中，
在直流电压下，对于多层电介质，介质中各点电流密度的方向相同，大小相等，且介质中的电场分布取决于介质的电导率，设电极两端的直流电压为U，油浸绝缘纸板承受的电压为U1，变压器油承受的电压为U2；油浸绝缘纸板的体积电导率为γ 1，变压器油电导率为γ 2；介质总厚度为d，绝缘纸板厚度为d1，绝缘油厚度为d2，则上述各个参量满足如下关系：
求解式(2-7)中的电场参数，可得绝缘纸板中电场强度：
变压器油中电场强度：
结合式(2-8)、(2-9)及各条件下变压器油、绝缘纸板的电导率，在对电极施加不同的直流电压U时，可以计算出两种绝缘材料中的电场强度值，从而确定直流电压下强法向电场分量油纸绝缘模型的局部放电起始场强，对具有强切向电场分量的油纸绝缘结构而言，油纸交界面的局部放电起始场强则可直接由均匀电极结构下电压电场关系计算得到。
2.根据权利要求1中所述的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其特征在于，先对试品及实验模型进行选择和处理步骤中，
实验前需使用真空加热装置及过滤装置对油进行滤油处理，再进行脱水处理，之后对处理后的变压器油进行检测；
绝缘纸板厚度0.5 mm，实验前首先将纸板剪裁，随后利用真空加热装置对纸板进行干燥处理，以尽量除去纸板内部水分，干燥完成后将纸板置于真空实验腔内进行真空注油；
选取DJR-250型真空干燥装置对变压器油的温度进行控制,干燥器的侧面带有气孔，实验时高压电极由干燥器顶部引出，试品和地电极则置于石英烧杯中进行加热；
采用相同初始水分含量的绝缘纸板与不同初始水分含量的变压器油相组合的方法，得到不同含水量的油纸绝缘组合，并用油中含水量对整体含水情况进行表征，采用控制干燥时长的真空干燥法，在干燥过程中定时抽取油样进行含水量检测，干燥时间-微水含量关系式为：
（2-1）
在后续实验中，仅需控制变压器油干燥时间即可得到确定含水量的油样；
电极布置采用平面电极结构，其结构特点是将两个金属电极平放在试品的表面上并相隔一定距离，然后分别被固定，
模型的具体尺寸为条状电极厚宽10 mm，长80 mm，厚5 mm，电极边缘倒角，且经过打磨抛光处理。
3.根据权利要求1中所述的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其特征在于，所述电导测量平台中，
采用平行板板结构测量电极利用该电极可测量高场强下变压器油的电导率，
电导测量平台包括第一电极（9）、第二电极（10）、第三电极（11），三电极均采用不锈钢材质，所述第一电极（9）、第二电极（10）位于试样（12）的上方，第三电极（11）位于试样（12）的下方，采用该三电极结构测量绝缘纸板电导率时，取第一电极（9）为高压电极，第二电极（10）为测量电极，试样（12）为保护电极，测得的结果为表面电导率；取第一电极（9）为高压电极，第二电极（10）为保护电极，试样（12）为测量电极，测得的结果为体积电导率。
4.根据权利要求1中所述的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其特征在于，
直流局放实验平台包括电源（1），所述电源（1）的一端与回路保护电阻（2）的一端连接，所述回路保护电阻（2）的另一端与电阻分压器（3）的一端、机玻璃实验腔体（4）的一端连接，所述机玻璃实验腔体（4）的另一端与示波器（6）的输入端连接，所述机玻璃实验腔体（4）上安装有高频电流互感器（5），所述示波器（6）的输出端与局部放电测量设备（7）的输入端、TechImp局放检测仪（8）的输入端连接，TechImp局放检测仪（8）的输出端与计算机（9）连接，局部放电测量设备（7）的输出端、示波器（6）的接地端、电源（1）的另一端、电阻分压器（3）的另一端接参考地。
5. 根据权利要求1中所述的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其特征在于，直流局放实验平的实验操作中，试品两端电压即为局放起始电压，对应该定义采用阶梯升压法确定试品局放起始电压，实验过程中升压起始电压为15 kV，每级电压间隔ΔV=1kV，保持时间10 min，相隔各级电压升压时间Δt≤30 s，当电压升高到一定值后，在10 min内至少出现10次大于5 pC的局部放电，该电压即为局放起始电压，待试品局放起始电压确定后，再采用均匀升压法，将电压升至某一定值保持不变，长时间测量试品局部放电发展过程中的脉冲信号，并对局放脉冲次数、局放放电量、局放波形信息进行记录。
6.根据权利要求1中所述的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其特征在于，所述绝缘劣化表征中，采用激光束作光源，激光束经照明针孔，经由分光镜反射至物镜，并聚焦于试品上，对试品焦平面上每一点进行扫描，试品中可被激发的荧光物质受到激发后发出的荧光，经原来入射光路直接反向回到分光镜，通过探测针孔时聚焦，聚焦后的光被光电倍增管（PMT）探测收集，并将信号输送到计算机，处理后在计算机显示器上显示图像。
7.根据权利要求1中所述的通过局放特性实验平台实现绝缘劣化表征的方法，其特征在于，所述绝缘劣化表征中，对于固体材料表面，难以用直接观测的手段判断其平整程度，因而常采用粗糙度的概念来表征表面的形貌，为此，引入三维轮廓均方根偏差S q 及三维轮廓十点高度S z 的概念，其中：
S q 反映纸板被测区域轮廓偏离测量焦平面的程度，S z 反映了纸板被测区域内五个最高峰标高和五个最低谷标高绝对值之和的平均值，
S q 与S z 的计算公式如下：
式中：
l=l (x,y,z)为平面上任一点到测量焦平面的偏距；
S为纸板被测区域在测量焦平面的正投影，
采用这两个参数表征纸板表面状态，既可以反映纸板表面的平均粗糙程度，又可以判断纸板表面是否出现严重的劣化痕迹。
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