CN117347912A - 光纤绝缘子界面性能测试装置以及界面性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤绝缘子界面性能测试装置以及界面性能评价方法，包括局部泄漏电流测量模块及测试模块；局部泄漏电流测量模块包括平行设置在光纤绝缘子样品两端的高压端电极和低压端电极；测试模块包括用于给局部泄漏电流测量模块提供电压的高压电源，串联用于采集高压电源的输出电压值与测试的泄漏电流值的数据采集装置，串联用于保护数据采集装置采集的高压电源产生的过压和过流影响的保护电路以及串联用于将采集的输出电压值以及测试的泄漏电流值进行处理与统计的数据处理装置。本发明能够综合考察光纤界面处的局部泄漏电流值与整体泄漏电流值，对光纤绝缘子界面性能进行更加精准的评价。

Description

光纤绝缘子界面性能测试装置以及界面性能评价方法

技术领域

本发明涉及绝缘子界面性能状态检测和评价技术领域，特别是涉及一种光纤绝缘子界面性能测试装置以及界面性能评价方法。

背景技术

光纤具有频带宽、重量轻、体积小、无中继等优点，可以不受电磁场和电磁辐射的影响，使用环境温度范围宽，使用寿命长且安全。用复合绝缘子做电气绝缘和机械支撑，加入光纤形成具有通信载体和在线监测功能的光纤绝缘子。通过光纤布拉格光栅监测复合绝缘子运行状态中的温度和应力并进行通信，实现可以自我感知、自我诊断、及时预警的新型智能绝缘子。

光纤绝缘子芯棒-护套-光纤的交界面在运行中由水分、热量、电场等多因素导致老化，使界面在界面区域形成脱粘、气隙等缺陷，加速芯棒和护套的老化。在缺陷存在时，水分更容易通过护套渗入缺陷处，与芯棒直接接触。芯棒在吸收水分后，容易发生局部放电和水解、玻璃侵蚀以及离子交换等现象，导致芯棒性能劣化，引起芯棒断裂的事故，严重影响电网的安全稳定运行。目前市场上的光纤复合绝缘子普遍存在界面问题，运行中出现闪络、内绝缘事故，运行寿命远低于普通复合绝缘子。研究者为了解决界面问题设计了多种结构形式如穿心式、开槽式、整体拉挤式、整体缠绕式，但都没能有效地解决界面问题，提升使用寿命。因此，掌握并评估光纤绝缘子的界面性能对维护电网安全稳定运行尤为重要。

对界面的耐老化性能进行评价，首先需要确定用于评价界面某一时刻下性能状态的指标，然后观察状态指标在老化过程中的变化特性。目前，表征界面状态的方法包括测量泄漏电流、检测界面处的气隙缺陷以及评价界面粘接性能的力学方法。

水扩散试验和陡波冲击试验，是目前用于评价绝缘子的芯棒护套间界面耐老化性能的主要方法。水扩散试验通过样品的泄漏电流大小来评价界面的状态，通过水煮使界面老化，以水煮前后电流的变化表征界面的耐老化性能。陡波冲击试验可以检测到严重的缺陷，但不容易检测出微小的缺陷。

除了电学方法外，还可采用超声、微波等无损检测方法检测界面缺陷。相控阵超声波法、微波法、太赫兹波法可以检验出芯棒-护套界面0.5mm的气隙缺陷。采用X射线观察复合绝缘子内部情况，可清晰识别出内部缺陷及其位置。

芯棒和护套的交界面属于两种材料的粘接界面，因而界面状态还可以通过界面粘接强度来反映。在复合绝缘子领域，目前应用较为广泛的办法是解剖观察法，将芯棒和护套剥离后，观察芯棒的表面状况来评价界面的粘接强度。样品粘接强度的高低取决于于护套在芯棒表面残余量的多少。

材料科学对两种材料界面的粘接性能进行了广泛的研究。通常以粘接界面在不同受力状况下的特性来评价其粘接性能，例如测量粘接件的拉伸强度、剪切强度，观察粘接界面在受到静态力、疲劳力作用下的特性等方法。一般将受力试验中粘接件的破坏方式分为内聚破坏、界面破坏、混合破坏。界面的破坏过程，可采用照相、分析图片的方式记录及研究。

界面耐老化性能评价方法，即使采用以上介绍的方法在确定表征界面状态的指标后，对绝缘子人工老化一定时间后测量该状态指标。目前存在两个问题：一是人工老化时间的合理选取；二是以泄漏电流为代表的状态指标在不同种类、厂家的绝缘子上的变化范围不同，整体泄漏电流测量的方法只能对绝缘子样品整体界面性能进行评估，无法反映绝缘子样品薄弱环节（比如护套-芯棒处以及光纤处等不同光纤界面处），其绝对值并不能反映界面老化的程度。

发明内容

为了解决现有光纤绝缘子人工老化一定时间后测量界面性能存在人工老化时间的不合理选取或者以泄漏电流为代表的状态指标在不同种类、厂家的绝缘子上的变化范围不同，其绝对值并不能反映界面老化的程度的技术问题，本发明的首要目的在于提供一种能够更加精准进行界面性能评价的光纤绝缘子界面性能测试装置。

本发明的再一目的是提供一种采用上述光纤绝缘子界面性能测试装置的界面性能评价方法。

本发明通过如下技术方案加以实现：

一种光纤绝缘子界面性能测试装置，包括局部泄漏电流测量模块及测试模块；

所述局部泄漏电流测量模块包括平行设置在光纤绝缘子样品两端的高压端电极和低压端电极；

所述测试模块包括用于给所述局部泄漏电流测量模块提供电压的高压电源，串联用于采集高压电源的输出电压值与测试的泄漏电流值的数据采集装置，串联用于保护数据采集装置采集的高压电源产生的过压和过流影响的保护电路以及串联用于将采集的输出电压值以及测试的泄漏电流值进行处理与统计的数据处理装置。

在一些实施例中，所述高压端电极为黄铜圆板电极，尺寸略大于所测光纤绝缘子样品截面积。

在一些实施例中，所述低压端电极为黄铜圆环与环氧树脂圆环组合的圆板电极。

本发明还提出来一种采用上述的光纤绝缘子界面性能测试装置的界面性能评价方法，包括如下步骤：

S1、光纤绝缘子样品预处理：对光纤绝缘子进行加工，得到高度为30±0.5mm且上下两面平行的短圆柱光纤绝缘子，每组均从所述短圆柱光纤绝缘子不同光纤界面处截取得到3~5个光纤绝缘子样品；

S2、进行水煮老化试验：将所述光纤绝缘子样品表面进行消毒干净后置于水浴锅中沸煮，进行人工加速老化试验，模拟高湿热环境下样品的运行老化；在老化试验进行同时，不同时间段取出所述光纤绝缘子样品，冷却至室温备用；

S3、测量局部泄漏电流值：将所述光纤绝缘子样品放在所述局部泄漏电流测量模块的高压端电极和低压端电极之间，采用所述测试模块中的高压电源施加试验电压，后采用数据采集装置记录测试的泄漏电流值，然后降压至零；通过数据采集装置采集到流经所述光纤绝缘子样品的整体泄漏电流值，以及所述步骤S1取样的光纤界面处的局部泄漏电流值；

S4、绘制曲线：根据所述数据处理装置进行处理与统计的输出电压值以及泄漏电流值绘制电压-电流曲线以及电流-时间曲线，得到光纤绝缘子的界面性能评价方法。

在一些实施例中，步骤S1中，所述每组不同部位截取光纤绝缘子样品为3~5个；所述不同光纤界面处为护套-芯棒处以及光纤处。

在一些实施例中，步骤S2中，所述水浴锅中沸煮中加入含0.1~1.5wt%的NaCl去离子水。

在一些实施例中，步骤S2中，所述不同时间段分别为0、50±0.5小时、100±0.5小时。

在一些实施例中，步骤S3中，所述试验电压为12kV的试验电压，升压速率为1kV/s并保持1min±2s。

在一些实施例中，步骤S3中，所述数据采集装置记录5~10个周期的电信号数据。

在一些实施例中，步骤S4中，若100小时内泄漏电流值的有效值大于0.1mA且输出电压值-泄漏电流值相位差≤10°，则认为光纤绝缘子的界面性能不满足要求。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

本发明通过采用包含具有多环结构的高压端电极以及低压端电极的局部泄漏电流测量模块，以及采用局部泄漏电流测量模块同时测量水煮老化后的光纤绝缘子样品整体泄漏电流、护套-芯棒处以及光纤处的局部泄漏电流，通过电压电流大小与变化趋势，能够综合考察光纤界面处的局部泄漏电流值与整体泄漏电流值，对光纤绝缘子界面性能进行更加精准的评价。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1是本发明实施例中光纤绝缘子界面性能装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中光纤绝缘子界面性能装置的低压端电极结构示意图。

图3是本发明实施例中光纤绝缘子界面性能装置的原理示意图。

图4是本发明实施例中光纤绝缘子界面性能评价方法的流程图。

图5是本发明实施例中75Hz电压-泄漏电流的低通FFT滤波-时间曲线示例图。

图6是本发明实施例中界面性能良好和较差样品的总泄漏电流及光纤处泄漏电流-水煮老化时间曲线示例图。

附图标记如下：

1-高压电源，2-局部泄漏电流测试模块，21-高压端电极，22-低压端电极，221-黄铜圆环，222-环氧树脂圆环，23-样品，231-芯棒，232-护套，3-保护电路，4-数据采集装置，5-数据处理装置。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

在针对复合绝缘子的国家标准中规定人工老化时间100h后测量其泄漏电流，不大于1mA即视为通过标准，没有对泄漏电流与电压相位差做出规定，通过电压-电流相位差可以有效判断出样品是否已经产生缺陷。

不同厂家生产绝缘子在护套配方、偶联剂配方上有不同的选取，同一厂家不同批次的产品泄漏电流的测量值也有区别。国家标准中仅对复合绝缘子样品的整体泄漏电流进行规定，通过将光纤绝缘子整体泄漏电流细分为护套-芯棒处的泄漏电流和光纤处的泄漏电流，通过电流大小与变化趋势，有助于帮助研究者理解产生缺陷的具体位置及原因。

本发明实施例提出一种光纤绝缘子界面性能测试装置以及界面性能评价方法，泄漏电流作为界面性能评价参数特有的直接性和准确性，本发明实施例针对光纤绝缘子的结构不同，基于水扩散试验测试泄漏电流的思路，进而提出一种对光纤绝缘子光纤植入局部泄漏电流进行测量，综合考察光纤界面处泄漏电流与整体泄漏电流，对光纤绝缘子界面性能进行评价。该装置采用多环结构电极，测量水煮老化后光纤绝缘子样品整体、护套-芯棒处和光纤处的泄漏电流，获得反映绝缘子界面性能的特征参数，可以综合评价光纤绝缘子的界面性能，弥补了现有光纤绝缘子界面性能评价方法方法上的不足，对光纤绝缘子界面性能进行更加精准的评价。

本发明实施例提出了一种光纤绝缘子界面性能评价方法及光纤绝缘子界面性能测试装置，旨在通过该方法及装置能对光纤绝缘子界面性能进行综合、直观的评价，进而为及时开展绝缘子性能评估、更换、绝缘配置调整等防治工作提供保障。

由水扩散泄漏电流试验可知，通过上下两个电极可测量复合绝缘子样品的泄漏电流，由所测得的泄漏电流大小衡量复合绝缘子的界面性能。

本发明实施例基于上述评价方式，提出在光纤绝缘子选取多处区域进行泄漏电流测量从而对绝缘子界面性能进行综合评价，其中多区域具体包括光纤绝缘子样品整体、护套-芯棒处和光纤处。

本发明实施例提出一套进行相关试验的装置，该装置为一种绝缘子局部泄漏电流测试装置。其结构如图1和图3所示，该装置由局部泄漏电流测量模块2及测试模块两部分组成，二者通过导线连接。

其中局部泄漏电流测量模块2包括平行设置在光纤绝缘子样品23两端的高压端电极21和低压端电极22。高压端电极21为黄铜圆板电极，尺寸略大于所测光纤绝缘子样品23截面积。低压端电极22如图2所示，其为黄铜圆环221与环氧树脂圆环222组合的圆板电极。

具体测量操作如下：测量应根据光纤绝缘子结构选择圆环配合，使得光纤绝缘子样品位于中心时圆环恰好通过光纤-护套232-芯棒231界面处，后进行输出高压、升压至交流12kV（±0.5kV）（有效值），测量其在不同水煮老化时间下的泄漏电流值。

测试模块包含与局部泄漏电流测量模块2串联的高压电源1，与局部泄漏电流测量模块2串联的保护电路3，与保护电路3串联的数据采集装置4，并形成回路，以及与数据采集装置4单独连接的数据处理装置5。其中高压电源用于给局部泄漏电流测试模块2提供电压；数据采集装置用于采集高压电源1的输出电压值与测试的泄漏电流值，保护电路3用于保护数据采集装置4采集的高压电源1产生的过压和过流的影响。数据处理装置5用于将采集的输出电压值以及测试的泄漏电流值进行处理与统计。

本发明实施例提出的光纤绝缘子界面性能评价方法具体包括如下步骤：

S1、光纤绝缘子样品预处理：对光纤绝缘子进行加工，得到高度为30±0.5mm且上下两面平行的短圆柱光纤绝缘子，每组均从短圆柱光纤绝缘子不同光纤界面处截取得到3~5个光纤绝缘子样品；

具体地，每组不同部位截取光纤绝缘子样品为3~5个；不同光纤界面处为护套-芯棒处以及光纤处。

S2、进行水煮老化试验：将光纤绝缘子样品表面进行消毒干净后置于水浴锅中沸煮，进行人工加速老化试验，模拟高湿热环境下样品的运行老化；在老化试验进行同时，不同时间段取出光纤绝缘子样品，冷却至室温备用；

具体地，水浴锅中沸煮中加入含0.1~1.5wt%的NaCl去离子水。不同时间段分别为0、50±0.5小时、100±0.5小时。

S3、测量局部泄漏电流值：将光纤绝缘子样品放在局部泄漏电流测量模块的高压端电极和低压端电极之间，采用测试模块中的高压电源施加试验电压，后采用数据采集装置记录测试的泄漏电流值，然后降压至零；通过数据采集装置采集到流经光纤绝缘子样品的整体泄漏电流值，以及步骤S1取样的光纤界面处的局部泄漏电流值；

具体地，试验电压为12kV的试验电压，升压速率为1kV/s并保持1min±2s。数据采集装置记录5~10个周期的电信号数据。

S4、绘制曲线：根据数据处理装置进行处理与统计的输出电压值以及泄漏电流值绘制电压-电流曲线以及电流-时间曲线，得到光纤绝缘子的界面性能评价方法。

具体地，若100小时内泄漏电流值的有效值大于0.1mA且输出电压值-泄漏电流值相位差≤10°，则认为光纤绝缘子的界面性能不满足要求。

本发明实施例具有如下优势：

本发明提出了一种光纤绝缘子界面性能评价方法及装置，该装置由泄漏电流测量模块及测试模块组成。由此装置可针对光纤绝缘子的结构的特殊性，根据光纤绝缘子结构选择圆环配合，使得样品位于中心时圆环恰好通过光纤-护套-芯棒界面处，后进行输出高压、升压至交流，测量其在不同水煮时间下的泄漏电流值，从而进行更加精准的界面性能评价。

实施例

本实施例的光纤绝缘子界面性能测试装置如图3所示，一种光纤绝缘子界面性能测试装置，包括局部泄漏电流测量模块2及测试模块；局部泄漏电流测量模块包括平行设置在光纤绝缘子样品两端的高压端电极21和低压端电极22；测试模块包括用于给局部泄漏电流测量模块2提供电压的高压电源1，串联用于采集高压电源1的输出电压值与测试的泄漏电流值的数据采集装置4，串联用于保护数据采集装置4采集的高压电源1产生的过压和过流影响的保护电路3以及串联用于将采集的输出电压值以及测试的泄漏电流值进行处理与统计的数据处理装置5。其中高压端电极21为黄铜圆板电极，尺寸略大于所测光纤绝缘子样品截面积。低压端电极22为黄铜圆环与环氧树脂圆环组合的圆板电极。

本实施例的绝缘子污秽状态评价方法基于流程图图4进行操作，依据水扩散试验测试方法，具体包括如下步骤：

S1、光纤绝缘子样品预处理：对以上两类硅橡胶光纤绝缘子样品和脂环族环氧树脂光纤绝缘子样品进行加工，得到高度为30±0.5mm，上下两面平行的短圆柱光纤绝缘子样品，每组都包括从光纤绝缘子不同部位（即光纤界面处）截取至少三个光纤绝缘子样品，具体可以截取3~5个光纤绝缘子样品，不同光纤界面处为护套-芯棒处以及光纤处，后续的实验结果取的是样品数量的平均值。

S2、进行水煮老化试验：首先用干净滤纸和酒精擦干光纤绝缘子样品表面，后置于水浴锅中，加入含1%NaCl的去离子水沸煮，进行人工加速老化试验，模拟高湿热环境下样品的运行老化。在老化试验进行的同时，分别在0、50、100小时（±0.5h）时取出样品，置于自来水中冷却至室温备用，以便于后续加压进行泄漏电流的测量。老化试验时间间隔越短，最后绘制的曲线变化趋势越明显，但操作会更繁琐，50h基本可以看出大致变化趋势，因此分别在0、50、100小时（±0.5h）时取出样品。

S3、测量局部泄漏电流值：如图3所示，将光纤绝缘子样品23放在局部泄漏电流测量模块2的高压端电极21和低压端电极22之间，采用测试模块中的高压电源1施加12kV的试验电压，具体升压速率为1kV/s并保持1min（±2s），后采用数据采集装置4记录5~10个周期的电信号数据，然后降压至零。通过高压端电极21和低压端电极22以及数据采集装置4可以采集到流经光纤绝缘子样品23的总泄漏电流，以及光纤植入处的局部泄漏电流。其中取的数据采集装置记录周期越长，精准度越高，但在已经升至12kV并保持一分钟后，记录时间更长对数据影响不大。光纤植入处根据具体方式不同，植入位置也不同，光纤植入处有可能在芯棒231中心处，有可能在芯棒231和护套232交界处，因此根据光纤绝缘子具体结构设计组合圆板电极。

S4、绘制曲线：根据数据处理装置进行处理与统计的输出电压值以及泄漏电流值绘制输出电压值-泄漏电流值曲线与泄漏电流值-时间曲线。若100小时内电流有效值大于0.1mA且输出电压值-泄漏电流值相位差≤10°则认为光纤绝缘子界面性能不满足要求。

本实施例根据测得的数据绘制的电压-泄漏电流曲线如图5所示，可以验证操作者选取的电压是否符合本评价方法，选择电压-电流相位差作为其中一项评价指标，相位差过小时（≤10°）是由于产生稳定放电通道导致的，即认为样品已出现缺陷；其中，左侧y轴为泄漏电流（mA），右侧y轴为电压（kV）。

本实施例根据测得的数据绘制的泄漏电流-水煮老化时间曲线如图6所示，可以验证操作者选取的老化时间是否符合本评价方法，选择电流-时间作为其中一项评价指标，100小时内电流有效值大于0.1mA，是由于产生稳定放电通道导致的，即认为样品已出现缺陷。同时可以通过0h和50h的数据判断缺陷已完全产生的时间段。

现有的测量方法无法检测光纤部分的泄漏电流，只能检测样品整体的泄漏电流。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤绝缘子界面性能测试装置，其特征在于，包括局部泄漏电流测量模块及测试模块；

所述局部泄漏电流测量模块包括平行设置在光纤绝缘子样品两端的高压端电极和低压端电极；

所述测试模块包括用于给所述局部泄漏电流测量模块提供电压的高压电源，串联用于采集高压电源的输出电压值与测试的泄漏电流值的数据采集装置，串联用于保护数据采集装置采集的高压电源产生的过压和过流影响的保护电路以及串联用于将采集的输出电压值以及测试的泄漏电流值进行处理与统计的数据处理装置。

2.如权利要求1所述的光纤绝缘子界面性能测试装置，其特征在于，所述高压端电极为黄铜圆板电极，尺寸略大于所测光纤绝缘子样品截面积。

3.如权利要求1所述的光纤绝缘子界面性能测试装置，其特征在于，所述低压端电极为黄铜圆环与环氧树脂圆环组合的圆板电极。

4.一种采用权利要求1~3中任一项所述的光纤绝缘子界面性能测试装置的界面性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、光纤绝缘子样品预处理：对光纤绝缘子进行加工，得到高度为30±0.5mm且上下两面平行的短圆柱光纤绝缘子，每组均从所述短圆柱光纤绝缘子不同光纤界面处截取得到3~5个光纤绝缘子样品；

S2、进行水煮老化试验：将所述光纤绝缘子样品表面进行消毒干净后置于水浴锅中沸煮，进行人工加速老化试验，模拟高湿热环境下样品的运行老化；在老化试验进行同时，不同时间段取出所述光纤绝缘子样品，冷却至室温备用；

S3、测量局部泄漏电流值：将所述光纤绝缘子样品放在所述局部泄漏电流测量模块的高压端电极和低压端电极之间，采用所述测试模块中的高压电源施加试验电压，后采用数据采集装置记录测试的泄漏电流值，然后降压至零；通过数据采集装置采集到流经所述光纤绝缘子样品的整体泄漏电流值，以及所述步骤S1取样的光纤界面处的局部泄漏电流值；

S4、绘制曲线：根据所述数据处理装置进行处理与统计的输出电压值以及泄漏电流值绘制输出电压值-泄漏电流值曲线以及泄漏电流值-时间曲线，得到光纤绝缘子的界面性能评价方法。

5.如权利要求4所述的界面性能评价方法，其特征在于，步骤S1中，所述每组不同部位截取光纤绝缘子样品为3~5个；所述不同光纤界面处为护套-芯棒处以及光纤处。

6.如权利要求4所述的界面性能评价方法，其特征在于，步骤S2中，所述水浴锅中沸煮中加入含0.1~1.5wt%的NaCl去离子水。

7.如权利要求4所述的界面性能评价方法，其特征在于，步骤S2中，所述不同时间段分别为0、50±0.5小时、100±0.5小时。

8.如权利要求4所述的界面性能评价方法，其特征在于，步骤S3中，所述试验电压为12kV的试验电压，升压速率为1kV/s并保持1min±2s。

9.如权利要求4所述的界面性能评价方法，其特征在于，步骤S3中，所述数据采集装置记录5~10个周期的电信号数据。

10.如权利要求4所述的界面性能评价方法，其特征在于，步骤S4中，若100小时内泄漏电流值的有效值大于0.1mA且输出电压值-泄漏电流值相位差≤10°，则认为光纤绝缘子的界面性能不满足要求。