CN209590090U - 一种耐高压引线结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种耐高压引线结构，包括引线电缆本体、保护电阻、绕包绝缘层和应力锥；引线电缆本体包括电缆导体和电缆绝缘屏蔽层；引线电缆本体设有分断处，所述保护电阻于所述分段处串接两侧电缆导体；保护电阻及其两侧设定长度范围内的引线电缆本体外周设有绕包绝缘层，绕包绝缘层的两端部设有应力锥。耐压峰值高，耐压范围大，绝缘性能较好，能够适用于各种高压输出线路，或者高压测试电路，耐压能力强，绝缘效果好，可保障电力输送的安全性能以及相关测试的正常运行，从而得到可靠的测量结果。
Description
技术领域
本实用新型涉及电气电缆耐压绝缘设计技术领域，特别是一种耐高压引线结构。
背景技术
聚合物因其具有优异的电气性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高等，已成为电气工业不可或缺的材料。通常用做电气系统中各部件相互绝缘和对地绝缘，希望材料有尽可能高的体积电阻率。绝缘材料的体积电阻率往往随环境温度和外加电场的变化，比如高压直流电缆绝缘层所使用的交联聚乙烯，其体积电阻率随温度和电场的变化非常明显，有时能达几个数量级的差异，给高压直流电缆绝缘结构设计带来巨大挑战。直流电压下，电缆绝缘层的电场分布取决于交联聚乙烯的体积电阻率，体积电阻率的变化将引起电缆绝缘层电场严重畸变，再加上绝缘材料本身的特性和环境条件的变化对体积电阻也有很大影响，因此精准测量并合理评估绝缘材料的体积电阻率成为了直流电缆绝缘结构设计时必须攻克的技术难题。
高阻计作为测量材料体积电阻率的重要仪器之一，广泛用于测量绝缘材料、电工产品、各种元器件的绝缘电阻，具有测量精度高、性能稳定、操作简单等优点，仪器的最高量程高达1017Ω。但是在实际应用中还存在问题，比如测试电压低，最高输出电压只有1kV，不能满足绝缘材料在实际运行电压下的测试需求。为了研究绝缘材料体积电阻率随电场的变化关系，必须提供一种能够提供较高输出电压以及较宽输出电压范围的测试结构，但这就需要电压输出端与测试结构之间具有能够耐受高压的引线，保障高压下体积电阻率的测试正常进行，从而保障结果的可靠性。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种耐高压引线结构，其能够适用于高电压的输出，特别是直流高压的输出，耐压峰值高，耐压范围大，绝缘性能较好。
本实用新型采取的技术方案为：一种耐高压引线结构，包括引线电缆本体、保护电阻、绕包绝缘层和应力锥；引线电缆本体包括电缆导体和电缆绝缘屏蔽层；
引线电缆本体设有分断处，所述保护电阻于所述分段处串接两侧电缆导体；
保护电阻及其两侧设定长度范围内的引线电缆本体外周设有绕包绝缘层，绕包绝缘层的两端部设有应力锥。
优选的，所述应力锥锥面为向保护电阻所在位置方向内凹的曲面。
优选的，保护电阻的阻值为R＞Umax/Imax，其中Umax为流经高压引线和保护电阻的最大输出电压，Imax为流行高压引线和保护电阻的最大输出电流。
优选的，所述绕包绝缘层的厚度，满足使得绕包绝缘层表面径向电场强度为引线电缆本体绝缘屏蔽层最大电场强度的一半，即：
其中，中间量
上式中，E为引线电缆本体绝缘屏蔽层中任一点的电场强度；U为电缆绝缘承受电压；a为绝缘屏蔽层内半径；b为绝缘屏蔽层外半径，γ为电场系数；r为当前计算电场强度的点到电缆导体轴心的距离；
则，绕包绝缘层的厚度n为：
n＝c-b。
优选的，以应力锥直径较小端端点为横坐标原点，以电缆导体轴心所在高度为纵坐标原点，所述应力锥的锥面曲线方程为：
其中，锥面上的电场强度分布为：
上式中，x为锥面上任一点的的横坐标，rt为该点纵坐标；E为引线电缆本体绝缘屏蔽层中任一点的电场强度；α为锥面上某点的切向与横坐标的夹角，dx和dy为锥面上点的横坐标和纵坐标随锥面位置变化的微分形式；U为电缆绝缘承受电压；a为绝缘屏蔽层内半径；b为绝缘屏蔽层外半径，γ为电场系数。
本实用新型还公开一种应用上述耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，其包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；
测试电极包括相互平行放置的高压电极和测试电极，两电极之间设有试样容置间隔，高压电极外设有保护环；直流高压发生器的直流输出端正极通过所述耐高压引线连接高压电极；测量电极连接高阻计的测试端；
控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；
直流高压发生器的直流输出端负极、保护环、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地。
上述高压引线的应用例中，直流高压发生器提供用来提供测试电压，控温屏蔽箱用来控制测试温度范围和屏蔽噪声干扰，保护环用于防止表面泄露电流对测试信号带来干扰。保护环可采用不锈钢材质。高压引线用于连接直流高压发生器和测试电极，其中保护电阻可降低故障电压或电流对电气元件的影响。高阻计采用直流放大法进行体积电阻率的测量，通过试样的电流用高阻计测量标准电阻两端的电压进而计算得到。控温屏蔽箱为获得不同环境温度下的测试结果，设置控温功能。控温屏蔽箱可采用现有的烘箱作为基础结构，然后通过消除烘箱金属外壳孔隙来实现屏蔽功能，并根据需要对烘箱内部的绝缘距离进行设计。
优选的，对于最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，直流高压发生器的最大输出电压为60kV，最大输出电流为2mA，纹波系数≤0.5％，保护电阻大于3×107Ω，同时远小于绝缘电阻，且最大连续工作电压大于60kV。最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，绝缘电阻约为1010Ω，保护电阻可优选为1×108Ω，精度：±0.1％～±10％，采用无感设计，能够承受较高的工作电压。
进一步的，高压引线连接高压电极的一端端部设有均压环。由于测试电极和高压引线导体端面存在尖端，高压下极易产生电晕现象，影响系统的安全可靠性，并对测试信号产生干扰，本实用新型通过在导体端部设置均压环，解决导体端部的放电问题，保证系统在极端环境下仍然不产生电晕放电。
优选的，均压环到控温屏蔽箱壳体的高度为：
定义Ec为标准大气条件下的起始电晕场强，r2为均压环半径，δr为气体相对密度，m1为测试电极表面粗糙系数，m2为环境修正系数，h2为均压环到屏蔽箱壳体的高度；则电晕起始电压为：
其中，
在设定的均压环直径下，当Uc超出并大于电压输出范围0-60kV，则相应的h2范围即为满足系统无电晕放电的均压环到屏蔽箱壳体的高度范围。本实用新型优选均压环直径为1cm，均压环到屏蔽箱壳体的距离大于10cm，可满足系统无电晕放电的要求。
为了保障屏蔽效果，解决测试系统电磁兼容问题，本实用新型控温屏蔽箱的屏蔽效能大于90dB，控温屏蔽箱的金属壳体厚度为0.008mm。
有益效果
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和进步：
本实用新型耐高压引线结构可适应较高的输出电压和输出电流，以及较宽的输出电压范围，能够适用于各种高压输出线路，或者高压测试电路，耐压能力强，绝缘效果好，可保障电力输送的安全性能以及相关测试的正常运行，从而得到可靠的测量结果。
同时，本实用新型应用耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，基于高阻计利用电流放大法对绝缘样品进行体积电阻率的测量，并对保护电阻进行设计，将测试电极以及试样置于控温屏蔽箱内，使得绝缘材料体积电阻的测试能够适应高温高压的环境，如环境温度从室温变为室温～100℃，测试电压从0～1kV变为0～60kV，并可长期承受高达60kV的直流电压；同时降低样品击穿对测试元器件的损坏风险；还通过高压引线端部设置均压环，同时合理设置屏蔽箱内的空气绝缘距离，消除测试电极在高电压下的电晕放电。
附图说明
图1所示为本实用新型耐高压引线结构示意图；
图2所示为本实用新型耐高压引线中应力锥电场分布示意图；
图3所示为应用本实用新型耐高压引线的体积电阻率测试系统结构示意图；
图4所示为图3中测试系统的等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
实施例1
结合图1和图2所示，本实施例的耐高压引线结构，包括引线电缆本体、保护电阻11、绕包绝缘层12和应力锥13；引线电缆本体包括电缆导体101和电缆绝缘屏蔽层102；
引线电缆本体设有分断处，所述保护电阻于所述分段处串接两侧电缆导体；
保护电阻及其两侧设定长度范围内的引线电缆本体外周设有绕包绝缘层，绕包绝缘层的两端部设有应力锥。
本实施例中，保护电阻的阻值为R＞Umax/Imax，其中Umax为流经高压引线和保护电阻的最大输出电压，Imax为流行高压引线和保护电阻的最大输出电流。
本实施例中，所述绕包绝缘层的厚度，满足使得绕包绝缘层表面径向电场强度为引线电缆本体绝缘屏蔽层最大电场强度的一半，即：
其中，中间量
上式中，E为引线电缆本体绝缘屏蔽层中任一点的电场强度；U为电缆绝缘承受电压；a为绝缘屏蔽层内半径；b为绝缘屏蔽层外半径，γ为电场系数；r为当前计算电场强度的点到电缆导体轴心的距离；
则，绕包绝缘层的厚度n为：
n＝c-b。
本实施例中，所述应力锥锥面为向保护电阻所在位置方向内凹的曲面。
以应力锥直径较小端端点为横坐标原点，以电缆导体轴心所在高度为纵坐标原点，所述应力锥的锥面曲线方程为：
其中，锥面上的电场强度分布为：
上式中，x为锥面上任一点的的横坐标，rt为该点纵坐标；E为引线电缆本体绝缘屏蔽层中任一点的电场强度；α为锥面上某点的切向与横坐标的夹角，dx和dy为锥面上点的横坐标和纵坐标随锥面位置变化的微分形式；U为电缆绝缘承受电压；a为绝缘屏蔽层内半径；b为绝缘屏蔽层外半径，γ为电场系数。
实施例2
结合图3和图4，应用实施例1所述高压引线的体积电阻率测试系统，包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；
测试电极包括相互平行放置的高压电极和测试电极，两电极之间设有试样容置间隔，高压电极外设有保护环；直流高压发生器的直流输出端正极通过所述耐高压引线连接高压电极；测量电极连接高阻计的测试端；
控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；
直流高压发生器的直流输出端负极、保护环、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地。
在应用时，直流高压发生器提供用来提供测试电压，控温屏蔽箱用来控制测试温度范围和屏蔽噪声干扰，保护环用于防止表面泄露电流对测试信号带来干扰。保护环可采用不锈钢材质。高压引线用于连接直流高压发生器和测试电极，其中保护电阻可降低故障电压或电流对电气元件的影响。高阻计采用直流放大法进行体积电阻率的测量，通过试样的电流用高阻计测量标准电阻两端的电压进而计算得到。控温屏蔽箱为获得不同环境温度下的测试结果，设置控温功能。控温屏蔽箱可采用现有的烘箱作为基础结构，然后通过消除烘箱金属外壳孔隙来实现屏蔽功能，并根据需要对烘箱内部的绝缘距离进行设计。
体积电阻率公式为：
其中，ρv-体积电阻率，单位Ω·m；U—测试电压，单位kV；I-测试电流，单位μA；h—绝缘材料试样的厚度，单位m；A-测量电极(图2中电极3)的有效面积，单位m2，d1-测量电极直径，单位m；g-测量电极与保护电极间隙宽度，单位m。
以下针对系统中各组成部分分别进行说明。
一、直流高压发生器
直流发生器在整个系统中的主要作用为给待测绝缘样品提供一个直流高电压，直流高压发生器必须考虑三个重要指标：最高输出电压、最大输出电流和纹波系数。
1.1、最高输出电压
对于最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，要求测试电场不低于30kV/mm，可以确定直流高压发生器的最大输出电压为60kV。
1.2、最大输出电流
最大输出电流主要取决于样品、电容元件等在加压、降压过程中的充、放电电流。样品电容计算公式为通用电容计算公式：根据公式计算得到待测绝缘样品的最大电容约为0.3nF。考虑最大加压或降压速率120kV/s，根据样品充电电流公式：可以得出最大充电电流为0.36mA。为保证直流高压发生器足够的裕度，并结合商品化直流发生器产品的实际情况，本实施例选定直流高压发生器的最大输出电流为2mA。
1.3、纹波系数
由纹波电压引起的纹波电流可能对信号电流造成干扰。当纹波系数为0.5％时，纹波电流远小于测试电流，这样对信号电流的干扰几乎可以忽略。
综合以上，直流高压发生器的主要技术要求为：输出直流60kV；最大电流2mA；纹波系数≤0.5％。
二、高压引线和保护电阻
2.1、保护电阻
参考图3，为了保证样品发生击穿时产生的短路电流不大于最大输出电流，根据直流高压发生器的最大输出电压为60kV，最大输出电流为2mA，可推导出保护电阻大于3×107Ω。根据样品尺寸，绝缘电阻约为1010Ω。为保证样品上的电压几乎等于直流高压发生器的输出电压，必须满足保护电阻R＜＜R样品，即保护电阻阻值远小于绝缘电阻。
因此，本实施例保护电阻的阻值选为1×108Ω，为保证其可承受较高的工作电压，保护电阻的最大连续工作电压大于60kV，阻值精度为：±0.1％～±10％，采用无感设计。
2.2、保护电阻与高压引线的绝缘结构
本实用新型将高压引线切断，并在中间接入保护电阻，可降低样品击穿对测试元器件的损坏风险。为保证高压引线能够长期承受60kV的直流高压，还需要在保护电阻及高压引线外周设计绕包绝缘层,和应力锥。
2.2.1绕包绝缘层的厚度
根据电气绝缘结构设计原理，直流电缆绝缘中的电场分布可表示如下：
其中，中间量
式中，E为导体连接套表面电场强度；U为电缆绝缘承受电压；a为电缆本体绝缘内半径；b为电缆本体绝缘外半径，γ为电场系数；r为当前计算电场强度的点到电缆本体轴心的距离；
当绕包绝缘层外径为c时，取绕包绝缘层表面径向电场强度为高压引线电缆本体最大电场强度的一半，即：
则绕包绝缘厚度n为：
n＝c-b
2.2.2、应力锥锥面
参考图3所示，应力锥面上任一点轴向电场强度Et为：
其中
图3中，由于r＝b+dy，因此有dr＝dy，则有：
上式两边积分：
可得应力锥锥面曲线方程为：
当变量r＝c时，应力锥的长度为：
由此即可计算得到应力锥的形状。
三、控温屏蔽箱
3.1、箱内绝缘距离设计
本实施例中，连接高阻计测试端的极板为圆柱体极板，保护环为柱体圆环。保护环用于防止表面泄露电流对测试信号带来干扰。保护环可采用不锈钢材质。
由于测试电极和高压引线导体端面存在尖端，高压下极易产生电晕现象，影响系统的安全可靠性，并对测试信号产生干扰，因此本实施例在高压引线连接测试电极的一端端部设有均压环。可解决导体端部的放电问题，保证系统在极端环境下仍然不产生电晕放电。
在标准大气条件下电晕起始场强Ec的经验表达式为：
式中，Ec为起始电晕场强，单位kV/cm；r2为均压环半径，单位cm；δr为气体相对密度；m1为电极表面粗糙系数，取0.8；m2为环境修正系数，好天气时，可按0.8估算。假设均压环半径为1cm，可求得Ec，定义h2为均压环到屏蔽箱壳体的高度，单位cm，则根据均压环位置可求得电晕起始电压为：
本实施例取r2＝1cm，m1＝0.8，m2＝0.8，可得Ec＝25kV/cm，进而可根据均压环到屏蔽箱距离与电晕起始电压的关系式得到，当h2＞10cm时，Uc超出电压输出范围0-60kV，即大于60kV，可满足系统无电晕放电的要求。
3.2、控温屏蔽箱的屏蔽效能
电阻率的测试过程中存在较多的强干扰源(如高电压或强电流装置)，同时又存在一些敏感设备，系统电磁兼容问题较为突出。电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重大措施之一。电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰。
《实验室认可准则》中对电磁兼容检测领域认可的补充要求，屏蔽箱的屏蔽效能应达到f＝0.014MHz～1MHz时，屏蔽效能S>60dB；f＝1MHz～1000MHz时，S>90dB。本实施例中要求屏蔽效能大于90dB。
根据电磁波传播理论：
当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射即：
R'＝168-10×lg(fμrσr)
式中，R'为反射损耗，单位dB；μr为金属的相对磁导率；σr为金属的相对导电率(以铜为例σr为1)；f为电磁波频率。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续。
②未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。
也就是所谓的吸收；即：
式中，A'为吸收损耗，单位dB；t为金属板厚度，单位mm。
在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射，在当上述吸收损耗A'大于10dB时，在实际工程中，一般可以不考虑。屏蔽箱屏蔽效能S的理论值为S＝R'+A'，本实施例中，当金属板厚度为0.008mm时即可满足屏蔽效能的要求。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种耐高压引线结构，其特征是，包括引线电缆本体、保护电阻、绕包绝缘层和应力锥；引线电缆本体包括电缆导体和电缆绝缘屏蔽层；
引线电缆本体设有分断处，所述保护电阻于所述分断处串接两侧电缆导体；
保护电阻及其两侧设定长度范围内的引线电缆本体外周设有绕包绝缘层，绕包绝缘层的两端部设有应力锥。
2.根据权利要求1所述的耐高压引线结构，其特征是，所述应力锥锥面为向保护电阻所在位置方向内凹的曲面。
3.根据权利要求1所述的耐高压引线结构，其特征是，保护电阻的阻值为R＞Umax/Imax，其中Umax为流经高压引线和保护电阻的最大输出电压，Imax为流行高压引线和保护电阻的最大输出电流。
4.根据权利要求1所述的耐高压引线结构，其特征是，所述绕包绝缘层的厚度，满足使得绕包绝缘层表面径向电场强度为引线电缆本体绝缘屏蔽层最大电场强度的一半，即：
其中，中间量
上式中，E为引线电缆本体绝缘屏蔽层中任一点的电场强度；U为电缆绝缘承受电压；a为绝缘屏蔽层内半径；b为绝缘屏蔽层外半径，γ为电场系数；r为当前计算电场强度的点到电缆导体轴心的距离；
则，绕包绝缘层的厚度n为：
n＝c-b。
5.根据权利要求1所述的耐高压引线结构，其特征是，以应力锥直径较小端端点为横坐标原点，以电缆导体轴心所在高度为纵坐标原点，所述应力锥的锥面曲线方程为：
其中，锥面上的电场强度分布为：
上式中，x为锥面上任一点的横坐标，rt为该点纵坐标；E为引线电缆本体绝缘屏蔽层中任一点的电场强度；α为锥面上某点的切向与横坐标的夹角，dx和dy为锥面上点的横坐标和纵坐标随锥面位置变化的微分形式；U为电缆绝缘承受电压；a为绝缘屏蔽层内半径；b为绝缘屏蔽层外半径，γ为电场系数。
6.一种应用权利要求1至5任一项所述耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，其特征是，包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；
测试电极包括相互平行放置的高压电极和测试电极，两电极之间设有试样容置间隔，高压电极外设有保护环；直流高压发生器的直流输出端正极通过所述耐高压引线连接高压电极；测量电极连接高阻计的测试端；
控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；
直流高压发生器的直流输出端负极、保护环、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地。
7.根据权利要求6所述的耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，其特征是，对于最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，直流高压发生器的最大输出电压为60kV，最大输出电流为2mA，纹波系数≤0.5％，保护电阻大于3×107Ω，同时远小于绝缘电阻，且最大连续工作电压大于60kV。
8.根据权利要求6所述的耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，其特征是，高压引线连接高压电极的一端端部设有均压环。
9.根据权利要求8所述的耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，其特征是，均压环到控温屏蔽箱壳体的高度为：
定义Ec为标准大气条件下的起始电晕场强，r2为均压环半径，δr为气体相对密度，m1为测试电极表面粗糙系数，m2为环境修正系数，h2为均压环到屏蔽箱壳体的高度；则电晕起始电压为：
其中，
在设定的均压环直径下，当Uc超出并大于电压输出范围0-60kV，则相应的h2范围即为满足系统无电晕放电的均压环到屏蔽箱壳体的高度范围。
10.根据权利要求6所述的耐高压引线结构的体积电阻率测试系统，其特征是，控温屏蔽箱的屏蔽效能大于90dB，控温屏蔽箱的金属壳体厚度为0.008mm。
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|---|---|---|---|
| CN201822259207.7U CN209590090U (zh) | 2018-12-30 | 2018-12-30 | 一种耐高压引线结构 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109557344A (zh) * | 2018-12-30 | 2019-04-02 | 南瑞集团有限公司 | 一种耐高压引线结构 |
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2018
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