CN111830370A - 一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置，产生各种谐波叠加直流电压波形，可以有效的模拟实际工程应用中出现的各种过电压波形。该装置包括：环氧树脂试样模具、温度梯度环境下电树枝实验系统、直流叠加谐波电源装置和电树枝观测装置，所述环氧树脂试样模具用以制备针‑板电极系统的电树枝试样；所述温度梯度环境下电树枝实验系统用以制造试样内部温度梯度分布；所述电树枝观测装置主要由光学显微镜、CCD数码摄像头、电脑、冷光源构成；CCD数码摄像头与电脑相连，通过视频软件摄像头录像大师实时观测并记录试样内部电树枝引发及生长过程。
Description
技术领域
本发明属于高压设备领域，特别涉及一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置。
背景技术
高压直流输电是把交流电整流后，变成直流电经直流线路送到负荷中心，然后经逆变把直流电又变成交流电供用户使用。随着电网的规模越来越大，直流输电在远距离大容量输电、电网区域互联、孤岛送电和可再生能源并网等方面具有不可替代的作用。环氧树脂是含有环氧基团的高分子聚合物的总称，由于环氧树脂具有优良的介电性能、力学性能、化学性能和良好的可加工型，配合上众多的固化剂、填料、促进剂、改性剂后，能适应和满足不同的使用性能和工艺要求。由于电缆终端本身结构、制作和连接及运行条件的复杂性，内部的电场分布比电缆本体绝缘复杂得多；同时在现场组装的过程中会出现气泡、杂质、表面划痕等缺陷，因此各种故障事故总是频繁发生。据统计，电缆附件的故障率占整个电缆系统故障的70％。在电缆事故中，故障位置多发生在半导电层与环氧材料的结合点处。绝大多数聚合物绝缘在强电场的长期作用下，会出现绝缘的老化现象，电气性能随着服役时间的增长而降低，最后导致绝缘的击穿。其中，聚合物中的电树枝劣化现象是导致绝缘故障的重要原因。实际上电树枝是一种电致裂纹现象，当聚合物中存在杂质、气泡、金属突起等缺陷时，会发生局部场强畸变，导致局部放电现象，产生树枝状放电痕迹，因而被命名为电树枝。大量研究指出，电树枝劣化现象是影响聚合物绝缘电力电缆长期运行安全的瓶颈，迫切需要研究电缆系统绝缘劣化以及失效机理。
在长期运行期间，聚合物绝缘也承受着温度梯度分布。设备中的导体会产生焦耳热导致内绝缘温度上升，而外绝缘处在环境温度下，因此绝缘中存在连续的温度梯度分布。在暂态情况下，环氧树脂终端可在高达150℃的温度下运行。在直流电压下，温度梯度导致绝缘内部的电导不一致，因此改变内部的电场分布和电荷输运过程。但目前关于温度对电树枝影响的研究多集中在单一温度，对不同温度和温度梯度下电荷输运过程的探讨还不够深入，尤其是直流复合电压下温度影响电树枝劣化的研究尚属空白领域。
环氧树脂因其优良的性能，在高压直流电缆系统中应用广泛。在不同工况下，电缆终端环氧树脂绝缘要经受直流电压及暂态过程出现的脉冲电压或谐波电压，同时绝缘也工作在低温、室温和温度梯度等温度环境。复合电压和环境温度会影响电介质内空间电荷的输运过程，加速绝缘老化，影响绝缘电气性能。电树枝放电作为绝缘劣化的重要形式，是导致绝缘材料失效的重要原因。因此，研究基于温度梯度和复合电压的绝缘老化评估方法是具有重要的意义的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于温度梯度和复合电压的电树枝实验装置，从而对绝缘材料绝缘状态进行有效评估。
本发明为所要解决的技术问题，采用的技术方案是：一种基于针-板电极系统的环氧树脂绝缘性能测试试样制备方法、温度梯度环境的电树枝观测系统和谐波加直流电压装置，包括：环氧树脂试样模具、温度梯度环境下电树枝实验系统、直流叠加谐波电源装置和电树枝观测装置，其中：
所述环氧树脂试样模具用以制备针-板电极系统的电树枝试样，包括特殊形状的模具；
所述温度梯度环境下电树枝实验系统用以制造试样内部温度梯度分布，包括加热片、温度传感器、温度控制器、冷风散热装置。温度控制器用于控制加热片温度，温度传感器由热电偶组成。
所述直流叠加谐波电源装置包含一个电压耦合单元，由高压直流电源、谐波电压发生器和电压耦合单元组成，高压直流电源采用静电纺丝式电源，最大输出电压为50kV，内部带有自断电型保护装置。
所述电树枝观测装置由光学显微镜(SDK-2000)、CCD数码摄像头、电脑、冷光源等。CCD数码摄像头与电脑相连，通过视频软件摄像头录像大师实时观测并记录试样内部电树枝引发及生长过程。
配有冷光源装置以清晰的观测环氧树脂试样内部电树枝形态。
有益效果
本发明的优点和有益效果：
1、针-板电极系统模拟了环氧树脂内部不可避免的缺陷。
2、本装置制造的温度梯度环境可控而准确。
3、有效的模拟了实际运行中复杂的电压和温度工况，对于判断绝缘材料好坏分析绝缘运行状态提供了可靠的依据。
4、可靠的产生各种谐波叠加直流电压波形，可以有效的模拟实际工程应用中出现的各种过电压波形。
5、Matlab语言数据分析平台，进而得出数据进行分析，将图形转化为数值，保证了评估的准确性。
附图说明
图1是本发明的环氧树脂试样示意图；
图2是本发明的直流叠加谐波电源装置；
图3是谐波叠加直流电压波形示意图；
图4是本发明的温度梯度环境下测试单元；
图5是温度梯度与电树枝累积损伤的关系；
a-高温侧温升时温度梯度与累积损伤的关系；
b-接地侧温升时温度梯度与累积损伤的关系；
图6是本发明的装置框图。
具体实施方式
下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的基于温度梯度和谐波叠加直流电压绝缘材料老化评估方法是如何实现的。本发明的目的是提供一种能够基于针-板电极的环氧树脂绝缘性能测试试样制备方法、温度梯度环境的电树枝试验系统和谐波叠加直流电压发生装置，对绝缘材料绝缘状态进行有效评估的方法。
图1是针-板电极系统模拟实际环氧树脂终端绝缘中出现的杂质、毛刺和半导电凸起等局部场强集中问题。制备环氧树脂试样的模具在浇注环氧树脂之前已预埋了金属针电极，为了防止实验中可能出现的沿面闪络，在试样上表面与针电极接触处涂覆绝缘硅胶防止放电。
图2是本发明的谐波叠加直流电压复合电源，高压直流电源经保护电阻和滤波电容器后与试样的针电极相连，同时谐波电压发生器经滤波电容后与针电极相连。两个滤波电容器分别承担着滤除高频分量保护高压直流电源和阻挡直流分量保护谐波电压发生器的作用。输出谐波电压经滤波电容后与针电极相连，同时高压直流电源经保护电阻和滤波电容器后与针电极相连。电阻作用为减小试样击穿时流经高压直流电源的电流。电压复合电源输出的电压经阻抗分压器后由示波器显示。同样，实验过程中当直流电压到达设定值1min后，再以1kV/s的速率施加谐波电压直至设定电压值，最终形成谐波叠加直流复合电压。
图4为温度梯度环境测试单元，主要包括高压端、地电极、复合电压装置和温度控制系统。试样内的温度梯度分布依靠不同位置的陶瓷加热片实现，铜电极侧固定的加热片用以控制地电极侧的温度，针电极上方1mm处固定的加热片用以控制高压侧的温度。固定在加热片上的温度传感器测量并控制加热片温度，实验中的温度误差为±0.5℃。当电极温度达到设定温度15min后进行电树枝实验，每次实验后将测试单元冷却至室温后再进行下次实验。实验过程中为保证试样内部温度的梯度分布，在试样的低温侧使用风冷方式降温。
累积损伤可以用来定量的描述电树枝对绝缘材料的破坏程度，它等于电树枝照片中树枝通道所覆盖的像素的总数，是对其他参数的一个补充。
步骤1)分别采用室温固化方法制备环氧树脂电树枝试样，采用热压成型方法制备环氧树脂薄片试样。
环氧树脂电树枝试样制备过程如下：
(1)分别称取双酚A环氧树脂与聚酰胺树脂样品，按照3:1的质量比将样品倒入干燥洁净的烧杯。
(2)打开磁力搅拌器，将磁力搅拌器的转速设定为60r/min，将混合液体搅拌10min以达到搅拌均匀的目的。
(3)打开真空箱，将真空箱温度设定为25℃，到达设定温度后将搅拌均匀的混合液体置于真空箱中抽真空1h以充分去除混合物中的空气。
(4)预埋针电极，使用双层模具，针电极嵌入双层模具夹层，调整针电极尖端与模具底部的距离，以制造人工缺陷；
(5)取出充分脱气的混合液体，在玻璃棒引流下缓慢的浇注到预埋针电极的模具中，注意倾倒完成时，混合液体液面必须与模具等高
(6)先将浇注后的模具置于25℃的电烤箱中固化48h。为了保证固化反应的完全进行，再将烤箱温度设定为60℃固化8h。
(7)固化完成后从电烤箱取出试样，缓慢冷却至室温。拆除模具，获得尺寸为15mm×20mm×4mm的环氧试样。
(8)在试样底部贴上一层100μm厚的铝箔以保持电树枝实验中试样与地电极的良好接触。将处理完成的试样置于试样袋中密封避光储存。
步骤2)环氧树脂试样被固定在测试单元中，针电极连接高压端，板电极连接地电极。为了消除升压实验中可能出现的闪络放电，试样被完全浸泡在绝缘油中。当谐波叠加直流电压施加在试样上时，绝缘油会因为电泳效应产生晃动，这影响了对电树枝生长过程的实时观测，因此使用显微镜观测试样时需要移除复合电压并等待电压自然衰减到零。
步骤3)试样内的温度梯度分布依靠不同位置的加热片实现，铜地电极侧固定的加热片控制地电极侧的温度，针电极上方1mm处固定的加热片控制高压侧的温度。固定在加热片上的温度传感器测量并控制加热片温度，温度控制误差为±0.5℃。当电极温度达到设定温度15min后进行电树枝实验，每次实验后将测试单元冷却至室温再进行下次实验。
步骤4)在电树枝观测装置下观察试样内部电树枝老化情况，电树枝观测装置结构如图3。第一步，放置试样，调试光学显微镜和CCD数码摄像头。本发明的光学显微镜选用高倍率单筒视频显微镜，CCD数码摄像头选用1X，目镜倍数为10X，可将电树枝图像放大40到400倍。将试样放置于玻璃片上，调节试样位置直到可以看见针尖。调节冷光源位置，使冷光源发出的光直射试样针尖，以清晰地观测环氧树脂试样的内部情形；第二步，观测试样。将CCD数码摄像头与终端相连，通过视频软件摄像头录像大师观测试样内部电树枝的形态，并拍照记录。利用记录的图像就可以利用累积损伤的方法开始对绝缘老化进行评估。根据实验发现，在施加电压时间一样的条件下可以看出不同条件下绝缘材料的老化程度是不一样的，因此实验结果可以为实际工程中评估环氧树脂在谐波过电压的扰动下绝缘老化程度提供有效指导。
步骤5)累积损伤的具体计算方法：第一步，对800×600像素的照片进行截取得到包含整个电树枝的照片；第二步，使用Matlab语言对电树枝照片进行二值化处理得到黑白图像；第三步，将尺度大小为r的网格覆盖在黑白图像上，计算出网格中存在电树枝像素的小正方形个数N(r)；第四步，不断减小r，得到相对应的N(r)，N(r)同整个方格数的比值等于累计损伤面积同整个照片面积的比值A(r)，算出r趋于零时A(r)的值，即为累积损伤。
Claims (4)
1.一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置，其特征在于，包括：环氧树脂试样模具、温度梯度环境下电树枝实验系统、直流叠加谐波电源装置和电树枝观测装置，其中：
所述环氧树脂试样模具用以制备针-板电极系统的电树枝试样；
所述温度梯度环境下电树枝实验系统用以制造试样内部温度梯度分布；
所述直流叠加谐波电源装置包含一个电压耦合单元，由高压直流电源、谐波电压发生器和电压耦合单元组成；
所述电树枝观测装置主要由光学显微镜、CCD数码摄像头、电脑、冷光源构成；CCD数码摄像头与电脑相连，通过视频软件摄像头录像大师实时观测并记录试样内部电树枝引发及生长过程；配有冷光源装置以清晰的观测环氧树脂试样内部电树枝形态。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置，其特征在于，温度控制器用于控制加热片温度，温度传感器由热电偶组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置，其特征在于，高压直流电源采用静电纺丝式电源，最大输出电压为50kV，内部带有自断电型保护装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度和复合电压的绝缘老化实验装置，其特征在于，所述温度梯度环境下电树枝实验系统包括加热片、温度传感器、温度控制器、冷风散热装置。
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