直流长期带电试验方法、系统以及电极加载方法、装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种直流长期带电试验方法、系统以及电极加载方法、装置，直流条件下，环氧类电气绝缘材料的耐久性目前还没有相关标准、相应的试验方法和评价体系，因此，对电气绝缘材料在直流电压下的电寿命评价没有一个明确的途径，本发明是一种适用于环氧类电气绝缘材料的直流长期带电试验及电寿命评价方法，方法规定了材料试样尺寸，加载电压、加载时间，中间参数测量方式、外推曲线绘制、寿命判定依据等，为电气绝缘材料在直流电压下的耐久性和电寿命评定提供了重要依据，从而为电力设备整体寿命评定提供技术支撑。
【专利说明】直流长期带电试验方法、系统以及电极加载方法、装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于环氧类电气绝缘材料直流长期带电试验方法的电极加载方法和装置，以及应用该加载方法、装置的直流长期带电试验方法和试验系统。
【背景技术】
[0002]电气绝缘材料在交流工频电压下的耐久性评定有一个通则对其进行约束(IEC TS61251-2008)，尤其是环氧类电气绝缘材料(如纤维增强环氧材料、环氧浇注材料、APG注射环氧材料等)，按照此通则形成了一些典型的试验方法(如热电老化试验)，但直流条件下，环氧类电气绝缘材料的耐久性目前还没有相关标准、相应的试验方法和评价体系，因此，对电气绝缘材料在直流电压下的电寿命评价没有一个明确的途径。
[0003]与交流输电相比，高压直流在长距离(>600km)输电中具有输电能力强，线路损耗小，两侧交流无需同步运行，故障损失小等优点，特别适用于长距离大容量送电，是未来输电线路建设的重点。但是，直流条件下电场具有单向稳定性，环氧类绝缘材料表面产生电荷积累效应，使其绝缘和污闪特性与交流条件下有很大差别，由此引起的表面击穿或放电事故比交流条件下更为严重，直接影响到直流输电系统的可靠性，甚至缩短设备整体电寿命。因此，对环氧类电气绝缘材料在直流电压条件下的电寿命进行预测，从而选择符合电力设备寿命的电气绝缘材料是十分重要的。
[0004]国内外对环氧类电气绝缘材料的电寿命评价方法不一，较为成熟的是国内西安交通大学根据IEC TS 61251-2008，进行的90°C、3kV/mm的环氧类电气绝缘材料热电老化试验，日本东芝使用一种特殊试样，发明了一种纯电老化试验，二者均是对特定时间的材料电气强度(内部)进行测试并进行时间对数曲线绘制、外推，以特定电气强度(内部)值作为判据对电寿命进行评定，但都仅限于交流条件下的环氧类电气绝缘材料电寿命评定，用于直流条件下的环氧类电气绝缘材料长期带电试验和电寿命判定方法则未见报道。
[0005]因此，本发明基于现有技术的缺陷，结合交流试验的经验，开发直流条件下的环氧类电气绝缘材料长期带电试验方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供直流长期带电试验方法、系统以及电极加载方法、装置，用以解决现有技术的缺陷。
[0007]为实现上述目的，本发明的方案包括:
[0008]一种电极加载方法，在材料试样上接触放置两电极，两电极处于材料试样的同一侦U，材料试样另一侧设置绝缘垫。
[0009]所述两电极为柱状电极，端面与材料试样的表面紧密接触；两个电极从与材料试样的接触端面向上逐渐相背倾斜。
[0010]所述绝缘垫为电木。
[0011]所述每个电极与材料试样所在平面夹角为45°。
[0012]一个电极加负电压，另一个电极接地。
[0013]所述材料试样为圆盘状，电极为圆柱状，电极端面为椭圆形。
[0014]—种电极加载装置，包括用于与待测试材料试样同一侧接触设置的两电极，材料试样另一侧用于设置绝缘垫。
[0015]所述两电极为柱状电极，端面与材料试样的表面紧密接触；两个电极从与材料试样的接触端面向上逐渐相背倾斜。
[0016]直流长期带电试验方法，对材料试样上安装电极，将材料置于一定温度、压力的绝缘介质环境里，加载直流电压进行电气绝缘材料直流长期带电试验；在设定的时间点，将试样取出，进行直流电气强度测试；对若干材料试样的试验时间、电气强度进行拟合，根据选取的临界电气强度，求取材料试样的电寿命。
[0017]直流长期带电试验系统，包括气体系统、温控系统、直流长期带电室和电压加载系统；所述直流长期带电室中设有用于安装材料试样的样品架，样品架上设有多个电机加载装置，电极加载装置包括用于与待测试材料试样同一侧接触设置的两电极，材料试样另一侧用于设置绝缘垫。
[0018]与交流使用两圆形电极上下加载的方式(GB GB/T 1408.1-2006)不同，创新的使用两电极表面加载的方式，与直流条件下环氧类电气绝缘材料易于产生表面电荷积聚的苛刻环境相一致；下方使用电木绝缘和接地，增加安全性；改变电极形状为椭圆斜面，使用45度斜搭接的方式，既与试样表面贴合紧密，又大幅拉远了两电极之间的距离，便于接线；采用一端接负电极，一端接地电极的方式进行试验，因直流负电压下对材料的考核较为苛刻。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是典型的长期带电试验系统结构图；
[0020]图2是电极加载方式示意图；
[0021]图3是图2俯视图；
[0022]图4是典型拟合曲线图；
[0023]图5是典型的求拟合曲线与临界电气强度曲线示例。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0025]如图1所示为典型的长期带电试验系统，包括气体系统(气瓶、阀门、流量控制器、抽气泵和气压表)，主要作用是供气、气压测量、气体回收和处理(如绝缘介质为绝缘油等，则直接冲入带电室)；温控系统(加热系统和温度表)，主要作用是维持带电室的温度；直流长期带电室(样品架、烘箱、样品、加载电极、电极接线等)为长期带电试验的核心装置；电压加载系统(高压直流稳压电源、直流电压表、分压电阻、绝缘子等)，主要作用是提供稳定的直流高压。
[0026]基本试验过程如下:
[0027]对材料试样上安装电极，将材料置于一定温度、压力的绝缘介质环境里(即上述直流长期带电室)，加载直流电压进行电气绝缘材料直流长期带电试验；在设定的时间点，将试样取出，进行直流电气强度测试；对若干材料试样的试验时间、电气强度进行拟合，根据选取的临界电气强度，求取材料试样的电寿命。
[0028]具体在试验时，会同时对多个材料试样进行试验。材料试样的形状为圆盘或圆片状，可以选取为环氧类电气绝缘材料。
[0029]在进行长期带电试验时和进行直流电气强度测试时，均采用如下方式，如图2、图3所示:
[0030]在材料试样上接触放置两电极，两电极处于材料试样的同一侧，材料试样另一侧设置绝缘垫。这与交流使用两圆形电极上下加载的方式(GB GB/T 1408.1-2006)不同，创新的使用两电极表面加载的方式，与直流条件下环氧类电气绝缘材料易于产生表面电荷积聚的苛刻环境相一致。
[0031]具体的，两电极为柱状电极，端面与材料试样的表面紧密接触；两个电极从与材料试样的接触端面向上逐渐相背倾斜。既与试样表面贴合紧密，又大幅拉远了两电极之间的距离。
[0032]具体的，电极为圆柱状，电极端面为椭圆形。绝缘垫可以采用电木。每个电极与材料试样所在平面夹角为45°。
[0033]一个电极加负电压，另一个电极接地。这样是因为直流负电压下对材料的考核较为苛刻。
[0034]下面给出一个具体实例。
[0035](I)试验准备:
[0036]①试样要求:Φ 50 X 3 (mm)，圆片形，39片。
[0037]②试验温度:材料的玻璃化转变温度减15°C的温度环境，如材料的玻璃化转变温度为105 °C，试验温度即为90 °C。
[0038]③周围媒质:环氧类电气绝缘材料所应用的电力设备运行的环境，如油变压器使用的是绝缘油，高压开关设备环氧浇注绝缘子用绝缘材料，试验周围媒质为0.4MPa SF6。
[0039]④直流电源:根据电气绝缘材料电气强度(表面)选取直流电压发生器，一般选取试验电压与电气绝缘材料初始电气强度(表面)有关。
[0040]电气绝缘强度(表面)VS(I< 20kV/mm，选择试验电压Ut= 0.8kV/mm ；
[0041]电气绝缘强度(表面)20kV/_ ( Vso< 30kV/mm，选择试验电压Ut= 0.9kV/mm ；
[0042]电气绝缘强度(表面)VS0彡30kV/mm，选择试验电压Ut= lkV/mm。
[0043]如直流条件下，电气绝缘材料的初始电气强度(表面)为31.43kV/mm，则选取试验电压为lkV/mm，由于一般设定两电极间距为40mm，使用能产生40kV直流电压的发生器(电流很小)。
[0044]⑤电极形状及加载方式:如上述，图2、图3。
[0045]⑥试验装置搭建:以90°C、0.4MPa SF6环氧绝缘材料为例的长期带电试验系统如图1。
[0046](2)试验过程:
[0047]以90°C、0.4MPa SF6，环氧绝缘材料初始电气强度(表面)Vstl= 31.43kV/mm，试验电压Ut= lkV/mm为例的长期带电试验如下:
[0048]①带电试验:每片试样上设定两椭圆斜面电极间距为40mm，加载电压40kV，2枚椭圆斜面电极一个加载负电压，一个接地，所有试样负电压加载电极并联，接地电极并联。
[0049]②样片抽取:分别在电压加载lmin、2min、5min、10min、20min、50min、lOOmin、200min、500min、1000min、2000min、5000min、1000min 时各取样 3 片，编号分别为 1-1、1-2、卜3、2-1、2-2、2-3、5-1、5-2、5-3、10-1、10-2、10-3、20-1、20-2、20-3、50-1、50-2、50-3、100-1、100-2、100-3、200-1、200-2、200-3、500-1、500-2、500-3、1000-1、1000-2、1000-3、2000-1、2000-2、2000-3、5000-1、5000-2、5000-3、10000-1、10000-2、10000-3，电压加载至1000min 停止。
[0050]③电气强度(表面)测量:对取出的39片试样进行直流电气强度(表面)测试，测试温度23±2°C，在0.4MPa SF6气体中进行，升压速率500V/s，电极形状及加载方式同图1，电极间距8mm，测试每个时间点3个试样，取平均值，获得数据13个。电极加载上述如图2。
[0051 ] (3)试验数据处理及电寿命评价:
[0052]①数据作图:将所得13个直流电气强度(表面)数据点对时间对数作图，并进行直线拟合，典型拟合线见图4。
[0053]②数据外推:将所得拟合线进行外推，直至与某一特定直流电气强度(表面)(以6.75kV/mm为例)的评价参考线相交，读取外推线与该特定直流电气强度(表面)值的参考线的交点时间值，即为环氧类电气绝缘材料在直流电压下的电寿命。典型图见图5。
[0054]其中，6.75kV/mm为电气强度的临近值，即在该电气强度以下，材料会失效。此实例中，临界值Vmin = 6.75kV/mm。评价参考线的直流电气强度(表面)判据值计算方法，即临界值的获取方式如下:
[0055]Vmin = β Ec+ α
[0056]Ec--通过仿真计算分析获得的环氧类电气绝缘材料所制造的绝缘子在电力设备运行状态下的最大表面场强值；
[0057]α 一一以±200kV直流电力设备计算出的电压修正值，主要由环氧类电气绝缘材料所制造的绝缘子所在电力设备电压等级Uu决定，一般情况下α = (U^200)/20(^
[0058]β 一一系数，对于本实例，经过对各种设备的寿命试验，能够确定为1.54。
[0059]如±200kV直流高压开关设备用环氧浇注绝缘子，测得表面最大场强为4.36kV/mm,电压修正值α为0，计算得直流电气强度(表面)判据值Vmin为6.75kV/mm，曲线外推至33.75年与判据值6.75kV/mm相交，即直流条件下，该环氧类电气绝缘材料的电寿命为33.75 年。
[0060]本发明中，发明人通过研宄，创造性的发现:电气强度的临近值与Ec建立线性关系，能够准确的描述电气强度临界值的性质，这与之前的交流试验有很大差异。
[0061]以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种电极加载方法，其特征在于，在材料试样上接触放置两电极，两电极处于材料试样的同一侧，材料试样另一侧设置绝缘垫。
2.根据权利要求1所述的一种电极加载方法，其特征在于，所述两电极为柱状电极，端面与材料试样的表面紧密接触；两个电极从与材料试样的接触端面向上逐渐相背倾斜。
3.根据权利要求2所述的一种电极加载方法，其特征在于，所述绝缘垫为电木。
4.根据权利要求2所述的一种电极加载方法，其特征在于，所述每个电极与材料试样所在平面夹角为45°。
5.根据权利要求2所述的一种电极加载方法，其特征在于，一个电极加负电压，另一个电极接地。
6.根据权利要求2所述的一种电极加载方法，其特征在于，所述材料试样为圆盘状，电极为圆柱状，电极端面为椭圆形。
7.—种电极加载装置，其特征在于，包括用于与待测试材料试样同一侧接触设置的两电极，材料试样另一侧用于设置绝缘垫。
8.根据权利要求7所述的一种电极加载装置，其特征在于，所述两电极为柱状电极，端面与材料试样的表面紧密接触；两个电极从与材料试样的接触端面向上逐渐相背倾斜。
9.应用权利要求1所述电极加载方法的直流长期带电试验方法，其特征在于，对材料试样上安装电极，将材料置于一定温度、压力的绝缘介质环境里，加载直流电压进行电气绝缘材料直流长期带电试验；在设定的时间点，将试样取出，进行直流电气强度测试；对若干材料试样的试验时间、电气强度进行拟合，根据选取的临界电气强度，求取材料试样的电寿命0
10.应用权利要求1所述电极加载方法的直流长期带电试验系统，包括气体系统、温控系统、直流长期带电室和电压加载系统；其特征在于，所述直流长期带电室中设有用于安装材料试样的样品架，样品架上设有多个电机加载装置，电极加载装置包括用于与待测试材料试样同一侧接触设置的两电极，材料试样另一侧用于设置绝缘垫。
【文档编号】G01R31/12GK104502808SQ201410667281
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】 田 浩, 袁端鹏, 李继承, 林生军, 郭煜敬, 韩丽娟, 张柳丽 申请人:平高集团有限公司, 国家电网公司, 国网北京市电力公司