本发明属于高压设备领域，特别涉及一种基于直流叠加脉冲复合场的直流电缆绝缘材料高温老化程度评估装置。
背景技术
在高压直流电缆中，电缆绝缘的温度与电缆负载情况有关。在满额工作时，电流通过电缆导体产生的温度高达90℃。这个温度已经远远高于室温。而在故障时短时间内可高达150℃，严重影响电力电缆的安全运行。对于高压直流电缆的运行过程，本身就处于一定幅值的直流电压下，但由于雷击、换流失败、操作过电压等原因引入的脉冲电压，会对工作环境产生不利的影响，容易造成电缆绝缘的电树枝老化和击穿，严重威胁了电缆绝缘的安全性和使用寿命。交联聚乙烯作为高压直流电缆的绝缘材料，其最高可接受的连续工作温度仅为90℃。聚丙烯具有优异的热学性能，熔点高达160℃，长期使用温度达100-120℃。同时，聚丙烯具有优良的绝缘性能和抗腐蚀性。此外，由于其热塑性，在使用寿命结束时更容易回收利用，因此对环境友好的。聚丙烯作为潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料有望代替交联聚乙烯作为高压直流电缆绝缘新材料。研究直流叠加脉冲复合场电场聚丙烯绝缘材料高温下老化状态评估装置具有非常重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于复合电场的高温绝缘材料老化评估装置，提供电树枝观测装置和高温环境下直流叠加脉冲电压实验装置，从而能够使用累积损伤的方法对直流电缆用绝缘材料老化程度进行有效评估。
本发明为所要解决的技术问题提供的技术方案是：基于复合场的直流电缆绝缘材料高温老化评估装置，主要由实验装置、电树枝观测装置、直流叠加脉冲电源装置和终端构成，所述终端内设置有matlab语言数据分析平台，所述电树枝观测装置观测记录所述实验装置内试样变化数据，并将数据传输至所述终端；
所述实验装置用以制造高温环境，包括恒温箱、温度传感器、温度控制器和油罐；所述油罐内置加热装置，所述油罐以管道和阀门连接所述恒温箱，所述恒温箱内部设置有温度传感器，所述温度传感器以信号线连接所述温度控制器，所述温度控制器控制所述油罐液循环回路的开断；
所述恒温箱内设置有针-板电极系统，所述针-板电极系统内放置有电树枝试样，所述针-板电极系统上部连接所述直流叠加脉冲电源装置，所述直流叠加脉冲电源装置由一个电压复合单元构成，包括高压直流电源与脉冲电压发生器；
所述电树枝观测装置主要由光学显微镜、ccd数码摄像头、冷光源构成；所述ccd数码摄像头与所述终端相连，通过视频软件观测所述电树枝试样；
所述matlab语言数据分析平台是运行于所述终端上的软件分析平台，采用matlab语言进行计算，分析损伤区域占整个图片像素的数量来描述聚合物的破坏程度。
本发明所述恒温箱由耐热玻璃缸内层、耐热玻璃缸外层构成；所述油罐内热油以管道和阀门连接所述耐热玻璃缸外层，所述耐热玻璃缸内层内部设置有温度传感器，所述温度传感器由热电偶组成。
本发明所述针-板电极系统上部通过高压套管和限流电阻连接所述直流叠加脉冲电源装置。
本发明所述针-板电极系统采用聚丙烯试样模具制备电树枝试样。
本发明所述针-板电极系统底部通过低压套管接地。
与现有技术相比，本发明有益效果
1、本发明采用针-板电极系统模拟了直流电缆内部不可避免的缺陷。
2、本发明实验温度可控而准确。
3、有效的模拟了实际运行中直流电缆的工况。
4、可靠的模拟实际工程应用中出现的各种过电压波形。
5、将图形转化为数值，保证了评估的准确性。
附图说明
图1是本发明的实验用针-板电极系统试样图；
图2是本发明的高温环境下电树枝实验系统装置结构图；
图3是本发明的电树枝观测装置结构图；
图4是不同复合电压及不同温度下实验结果例图：
(a)+15kv脉冲电压与-25kv直流电压复合电场下电树枝形态图
(b)+25kv脉冲电压与-25kv直流电压复合电场下电树枝形态图
(c)+35kv脉冲电压与-25kv直流电压复合电场下电树枝形态图
图5是采用累积损伤分析不同复合电压及不同温度下绝缘的老化面积结果的例图:
(a)+15kv脉冲电压与-25kv直流电压复合电场下绝缘的老化面积
(b)+25kv脉冲电压与-25kv直流电压复合电场下绝缘的老化面积
(c)+35kv脉冲电压与-25kv直流电压复合电场下绝缘的老化面积
图6是本发明的装置框图。
附图标记：1-终端，2-针-板电极系统，3-耐热玻璃缸内层，4-温度传感器，5-温度控制器，6-油罐,7-光学显微镜，8-ccd数码摄像头，9-地电极，10-冷光源，11-高压直流电源，12-脉冲电压发生器，13-电树枝试样，14-高压套管，15-限流电阻，16-低压套管，17-塑料底座，18-耐热玻璃缸外层，19-针电极。
具体实施方式
下面结合附图给出具体实例，进一步说明本发明的基于直流叠加脉冲复合场的高温绝缘材料老化评估装置及方法是如何实现的。
如图6所示，本发明提供一种基于复合电场的绝缘材料高温老化评估装置主要由实验装置、电树枝观测装置、直流叠加脉冲电源装置和终端1构成，所述终端1内设置有matlab语言数据分析平台，所述电树枝观测装置观测记录作用在所述直流叠加脉冲电源装置下的实验装置内试样变化数据，并将试样内变化数据传输至终端1，所述终端1内matlab语言数据分析平台进行分析评估；
如图2所示，所述实验装置用以制造高温环境，包括由耐热玻璃缸内层3、耐热玻璃缸外层18构成的恒温箱、温度传感器4、温度控制器5、油罐6，所述耐热玻璃缸内层3内设置有针-板电极系统2，所述针-板电极系统2采用压片机制备电树枝试样；所述针-板电极系统2内放置有电树枝试样13，所述针-板电极系统2上部通过高压套管14和限流电阻15连接所述直流叠加脉冲电源装置，所述针-板电极系统2底部通过低压套管16接地；所述高温环境由热油制造，所述油罐内置加热装置，热油6以管道和阀门连接所述耐热玻璃缸外层18，所述耐热玻璃缸内层3内部设置有温度传感器4，所述温度传感器4由热电偶组成，所述温度传感器4以信号线连接所述温度控制器5，所述温度控制器5控制所述油罐6内循环装置的开断；
如图3所示，所述电树枝观测装置主要由光学显微镜(sdk-2000)7、ccd数码摄像头8、冷光源10构成；所述ccd数码摄像头8与所述终端1相连，通过视频软件摄像头录像大师观测试样内部电树枝是否产生，放大倍数选用1x，最高分辨率为1024pixels×768pixels，三个物镜倍数分别为4x、10x、40x，目镜倍数为10x；
所述冷光源10用以清晰的观测聚丙烯试样内部情形；
如图2所示，所述直流叠加脉冲电源装置由一个电压复合单元构成，包括高压直流电源11与脉冲电压发生器12；所述高压直流电源11采用静电纺丝式电源，所述静电纺丝式电源，最大输出电压为50kv，当电流超过阈值后，内部保护装置会自动断电以实现保护作用。
所述脉冲电压发生器12是将工频交流电压经过整流电路、开关电路、信号发生器和变压器后输出高频高压脉冲的装置；
所述matlab语言数据分析平台是运行于所述终端1上的软件分析平台，所述终端1内matlab语言数据分析平台进行分析评估是采用matlab语言进行计算，分析损伤区域占整个图片像素的数量来描述聚合物的破坏程度。
所述matlab语言数据分析平台程序步骤为：
第一步，对所述视频软件摄像头录像大师拍摄的图片进行二值化处理得到给黑白图像；
第二步，统计图像中黑色区域内的像素个数，得到的数值即为电树枝的累积损伤值。
基于复合电场的直流电缆绝缘材料高温老化评估装置的评估方法，采用累积损伤的方法对直流电缆用绝缘材料绝缘状态进行有效评估，包括如下步骤：
步骤1)制备基于针-板电极的聚丙烯测试试样，本发明试样制备采用针-板电极系统2，针电极19接高电压，地电极9接地，试样放在平板电极上。
步骤2)使用高温环境下电树枝实验系统装置进行实验，高温环境下电树枝实验系统装置如图2所示。第一步，放置聚丙烯试样：先检查高温环境下电树枝实验系统装置正常后，开始连接试样针电极和高温环境下电树枝实验系统装置高压端；第二步，在玻璃缸内层及外层中倒入变压器油，由热电偶组成的温度传感器实时测量箱内温度，通过温度控制系统保证玻璃缸内部温度达到实验要求，再等待5min以保证材料的温度达到测试温度；第三步，进行加压实验：采取先加直流电压再加脉冲电压的方法，以1kv/s的速率加压至指定直流电压数值，等待5min后再加脉冲电压，同样以1kv/s的速率加压至指定脉冲电压数值，这样试样就被施加了指定的复合场电压；第四步，取出试样：在指定加压时间后，关闭电源取出试样，静置于室温环境20min，准备在电树枝观测装置下进行观察。
步骤3)在电树枝观测装置下观察试样电树枝老化情况，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，以清晰地观测聚丙烯试样的内部情形；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，如图4(a)至(c)所示。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经行评估。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聚丙烯绝缘在脉冲过电压的扰动下绝缘老化程度提供有效指导。
步骤4)采用matlab语言进行计算：
(1)截取包含整个电树枝的图片，总像素值为500pixels×500pixels；
(2)对图像进行二值化处理得到给黑白图像；
(3)统计图像中黑色区域内的像素个数，得到的数值即为电树枝的累积损伤值；
(4)采用累积损伤分析不同复合电压与脉冲频率下绝缘的老化面积结果，如图5(a)至(c)所示。可以看出不同复合电压形式、不同脉冲电压频率下，使用累积损伤表征绝缘老化程度效果明显，实验结果证明累积损伤的方法可以成为本发明基于直流叠加脉冲复合场的超导绝缘材料老化的评估方法。