基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验系统及方法与流程

本发明属于电力设备老化性能评估领域，特别涉及一种复合绝缘子老化性能评价试验系统及方法。

背景技术：

在输电线路中，绝缘子主要是用于将高压导线与线路杆塔在机械上相互连接而在电气上相互绝缘。在电力系统运行过程中，任何一支绝缘子出现问题都会对系统产生严重影响。而对于在户外使用的绝缘子，除了要求具有良好的电绝缘性外，还需要有良好的防污闪特性。造成绝缘子污闪的主要原因是:工业污秽、盐碱和灰尘附着在绝缘子表面，然后大气中的雾、露、雨水等会使绝缘子表面的污秽物被润湿，绝缘子的表面电导和沿面泄露电流会急剧增大，使得绝缘子的闪络电压显著降低，严重的情况下还会使得绝缘子在正常工作电压下闪络。

如今，越来越多的输电线路选择复合绝缘子作为常用的绝缘子材料。这主要是因为通常使用的复合绝缘子材料与传统无机绝缘子材料，如陶瓷、玻璃相比，它具有较低的表面能。另外，复合绝缘子具有很好的疏水性，这样复合绝缘子在潮湿、雾天、降雨等环境下仍能保持表面清洁，更易于维护降。除此之外，复合绝缘子通常具备的优势还有:

(1)较轻的质量，这使得复合绝缘子可以在保持电站规模不变的情况下，建造更经济、发电系统更优秀的电站。比如德国的发电塔在使用了复合绝缘子后，电站的输电电压由245kv提高到420kv，加拿大的电站使用水平v形复合绝缘子后，相同规模的电站由115kv共50km长的线路提高到230kv。除了提高输电效率外，较轻质量的绝缘子还能够提高导体与地面的空间距离这样能够更好地避免电气事故的发生。使用质量轻的绝缘子使得在建造电线杆的时候无需使用起重机，节约了施工成本。

(2)在相同的质量比下，复合绝缘子具有更优秀的力学性能，更优秀的力学性能可以让电线杆之间的距离更远，降低电线杆的制造量。

(3)使用复合绝缘子制备的伞裙不易发生严重损坏，比如遇到冰雹等恶劣天气时，陶瓷等无机绝缘子容易被砸碎而掉落到地面，造成严重损坏。

(4)在户外露天环境下使用时，面对深度污染的大气环境，复合绝缘子具有更加优秀的性能。

(5)复合绝缘子比无机绝缘子更耐压。

当然与传统无机绝缘子相比，复合绝缘子也具有不少的缺点:

(1)复合绝缘子在遭受化学腐蚀后容易产生干带电弧，从而使得绝缘子发生故障。

(2)复合绝缘子的预期寿命难以估计。

(3)长期可靠性未知。

(4)难以检测具有缺陷的复合绝缘子。

直到现在，户外使用的复合绝缘子已经使用了将近60年。其中包括各种各样的材料和各种各样的结构。其中包括丙二酚环氧树脂、脂环族环氧树脂、乙丙橡胶和硅橡胶等。在20世纪40、50年代，丙二酚环氧树脂由于其优秀的户外性能，在美国已经开始大规模的生产应用。而60年代开始，美国开始使用脂环族环氧树脂，并使用悬挂式复合绝缘子，将输电电压提高到400kv，而且站内的输电电压能提高到500kv。到了70年代，乙丙橡胶在法国开始使用。而从70年代末到80年代，硅橡胶开始应用于市场。

长时间的运行经验表明：虽然复合绝缘子的防污闪能力非常强，但是这并不等于可以完全杜绝污闪事故的发生，运行中的复合绝缘子同样也会发生污闪事故。复合绝缘子优异的抗污闪主要得益于它那优秀的疏水性，使得复合绝缘子在重度污染的环境下仍然能够保持其表面的相对清洁。但是目前复合绝缘子存在的最大的问题主要是经过老化后复合绝缘子容易形成干带电弧，并且会发生外绝缘闪络、机械强度下降、界面击穿和芯棒脆断等现象。

绝缘子事故会使输电线路跳闸，这将严重干扰到电力系统的稳定运行，若发生大面积的绝缘子事故，则会发生大范围停电等严重后果，这对人民生活和国民经济都会造成严重影响和重大损失。因此，有必要对绝缘子老化性能测试进行深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验系统及方法，能够准确的判断复合绝缘子的老化性能，并根据试验结果及时安排检修更换，避免复合绝缘子事故的发生。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验系统，包括：真空腔体、真空控制单元、温度控制单元、二次电子测试单元和运动控制单元；

真空控制单元，用于控制真空腔体的真空度；

温度控制单元，用于控制和监测真空腔体的温度；

二次电子测试单元，用于和运动控制单元配合完成真空腔体中待测试样的二次电子的测量。

进一步的，真空控制单元包括安装于真空腔体上的前级分子泵、后级离子泵和真空计。

进一步的，温度控制单元包括安装于真空腔体上的温度传感器、加热器和深冷机。

进一步的，二次电子测试单元包括电子产生系统和二次电子测试系统；

电子产生系统包括测试电子枪、第一复合电子枪、第二复合电子枪和触发器；

运动控制单元包括送样机构和旋转机构；

二次电子测试系统包括收集极、直流电源、同轴连接器、信号放大器、示波器、静电计和时间同步触发器；

收集极为半球形金属电极，设置于真空腔体中；测试电子枪、第一复合电子枪、第二复合电子枪安装于真空腔体内的收集极上，测试电子枪竖直向下正对待测试样，第一复合电子枪和第二复合电子枪倾斜安装于测试电子枪两侧；触发器连接测试电子枪、第一复合电子枪、第二复合电子枪，用于触发三者工作；收集极的顶部中心通过同轴连接单元安装在真空腔体上，同轴连接单元连接旋转机构，能够在旋转机构的带动下驱动收集极旋转；

真空腔体底部设有样品架，待测样品放置于样品架上；

直流电源的正极连接收集极，直流电源的负极依次通过同轴连接器、信号放大器连接示波器；静电计连接真空腔体底部设置的样品架；时间同步触发器连接静电计和示波器，用于同时触发二者工作。

进一步的，样品架为铜板；送样机构为磁力电动导轨；样品架设置于真空腔体底部的磁力电动导轨上，送样机构通电能够控制样品架带动待测样品在真空腔体底部沿磁力电动导轨运动。

进一步的，还包括用于测试待测样品表面气体成分的表面气体成分测试单元。

进一步的，所述表面气体成分测试单元为四极杆质谱仪。

基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验方法，包括以下步骤：

首先通过运动控制单元中的送样机构将待测试样移动到收集极以外，然后通过旋转机构将收集极旋转到待测试样所处位置，此时打开测量电子枪，产生的一个直径5mm-20mm的电子束入射到收集极，通过连接在收集极上的示波器测试出该一次电流ip，从而对测量电子枪参数进行校准；测量电子枪从0ev开始每隔20ev增加来发射入射电子束，每一个能量对应通过收集极测量出所对应的一次电子电流ip并记录；在不同电子束能量下校准完测量电子枪后关闭测量电子枪，通过旋转机构和送样机构分别将收集极和待测试样移动到初始位置，然后在保持设置参数与测量一次电子电流ip相同的条件下打开测量电子枪开始测量二次电子，通过示波器测试出二次电流is。

进一步的，第一复合电子枪和第二复合电子枪根据前一次测试出的二次电子电流与一次电子电流的大小关系来判断是打开哪一个复合电子枪，以消除待测试样表面电荷的积累对最终测量结果的影响；

其中，当上一次测试出的二次电流大于一次电流时打开第一复合电子枪41产生电子，否则打开第二复合电子枪42产生正离子。

进一步的，在入射电子入射到待测试样表面后通过温度控制单元迅速将待测试样冷却到-90℃，然后以2℃/分钟的速度缓慢升温到80℃并记录下待测样品释放出的电流信号id。

进一步的，二次电子和待测样品释放出的电流信号id的测试进行多次。通过增大测量电子枪发射的束流能量，当上一次测试出的二次电子小于一次电子，材料表面积累了负电荷从而导致最终测试的二次电子系数存在误差；当上一次测试出的二次电子大于一次电子时，材料表面积累了正电荷从而也会引起最终测试的二次电子系数存在误差。为了消除表面电荷积累，测试系统引入了第一复合电子枪和第二复合电子枪，两台复合电子枪通过触发器控制。在测量电子枪和复合电子枪的配合下，二次电子产生的电流is和待测样品释放出的电流信号id曲线分别被测试出，进而通过该曲线评估待测试样的老化状况。

进一步的，通过本系统的温度控制单元和测量系统可以实现陷阱能级的测量，进而通过分析待测样品内荷电粒子的微观参数从微观上分析样品的老化过程，最终为样品材料的改性提过理论指导。

进一步的，通过本系统中的表面气体成分测试单元测试待测试样表面吸附气体的成分，从而可以分析表面气体成分对于试样表面由于沿面放电引起的老化的影响。

进一步的，试验系统工作过程如下：首先，将待测样品放置于样品架上，关闭真空腔体。然后启动真空控制单元中的分子泵进行预抽真空，当真空度达到10^-6torr以下时启动真空控制单元中的离子泵进行超高真空的抽取，当真空度小于10^-7torr时开始进行待测试样表面和内部老化状况的测量。

进一步的，试验系统工作中，首先是进行测量系统的校准。调整好测量电子枪、第一复合电子枪和第二复合电子枪后开始进行二次电子测量，通过运动控制单元中的送样机构将待测样品放置在真空腔体中的收集极以外，而通过运动控制单元中的旋转机构将收集极旋转到放置待测样品的位置；然后通过测量电子枪产生一个较大直径的电子束，该电子束入射到收集极，其产生的电流就是一次电子电流ip，通过该电流实现对不同待测试样测量电子枪参数的校准。

进一步的，试验系统工作中，其次是进行待测试样老化状况的测量。关闭测量电子枪，通过旋转机构将收集极旋转到初始位置，通过送样机构将待测样品放置在初始位置，然后打开测量电子枪(设置参数保持不变)，其产生的电子束通过收集极上的膜孔入射到待测样品上，此时在收集极上施加10v的直流电压，在其产生的电场下待测试样表面产生的二次电子被收集极全部收集，通过示波器上采集的电流信号is可以评估待测试样表面的老化状况。同时将待测试样的温度极速降低到-90℃，然后以2℃/分钟缓慢升温到80℃并通过静电计记录下待测样品释放出的电流信号id，通过分析该电流信号就可以评估待测试样的内部老化状况。

进一步的，试验系统工作中，待测试样表面发射的二次电子在收集极建立的电场下全部被收集极收集，此时通过收集极上测试出的电流ic、一次电子电流ip以及通过静电计测试出的待测样品上的电流id就可以计算出二次电子系数δ，并绘制出二次电子系数δ曲线。为了综合测试待测试样，二次电子和待测样品释放出的电流信号id的测试需要进行多次，通过增大测量电子枪发射的束流能量。当上一次测试出的二次电子小于一次电子，材料表面积累了负电荷从而导致最终测试的二次电子系数存在误差；当上一次测试出的二次电子大于一次电子时，材料表面积累了正电荷从而也会引起最终测试的二次电子系数存在误差。为了消除表面电荷积累，测试系统引入了第一复合电子枪和第二复合电子枪，两台复合电子枪通过触发器控制。在测量电子枪和复合电子枪的配合下，二次电子产生的电流is和待测样品释放出的电流信号id曲线分别被测试出，进而通过该曲线评估待测试样的老化状况。

试样的老化程度直接体现在其表面粗糙、孔洞及孔洞的深度、密度状况，同时随着试样的老化其表面和内部的陷阱也会增多，这样导致入射在试样表面的电子被捕获形成空间电荷的概率增大以及与试样表面碰撞能量衰减增大，从而导致收集到收集极的二次电子减小。因此通过二次电子的大小可以评价待测试样表面的老化状态。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验方法采用独立单元化设计，试验系统主要由温度控制单元、真空控制单元、二次电子系数测试单元、表面气体成分测试单元和运动控制单元组成。五个单元之间通过统一接口连接到主控电脑，通过labview软件进行控制。

2、本发明可同时测量待测试样表面发射的二次电子和一次电子入射到待测试样释放出的电流信号。

3、由于待测绝缘体试样表面发射的二次电子和一次电子入射到待测试样释放出的电流信号非常微弱，本发明设计的试验系统采用接地的金属真空腔体作为测试空间环境，这样避免了空间电磁场和空间电荷对测量的影响。

4、本发明通过表面气体成分测试单元测试待测试样表面吸附气体的成分，从而为试样表面由于沿面放电引起的老化提供理论分析依据。

5、本发明实试验系统通过测试待测绝缘子试样的压电性能、高分子运动多重转变、热电常数、介电常数、二次电子发射系数来评估复合绝缘子的老化性能，从而发现复合绝缘子存在的问题，及时发现绝缘子存在的隐患，提前采取应对措施。同时为绝缘子材料性能的改善和新型绝缘子材料的研制提供试验指导。

6、本发明基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验系统通过一边对复合绝缘子试样升温一边进行测量。由于材料中的荷电粒子的微观参数不同，其就容易将材料中的各种不同活化能和松弛时间的荷电粒子分离开来，从而求出各自的参数。同时测试出试样表面在不同温度下的二次电子发射系数。通过对测试出的参数进行分析从而得出复合绝缘子试样的老化状态。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验系统的结构示意图；

图2表示本发明的二次电子发射和电介质中的电荷输运示意模型。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

请参阅图1所示，本发明提供一种基于空间电荷效应的复合绝缘子老化性能试验系统，包括：真空腔体1、真空控制单元2、温度控制单元3、二次电子测试单元4、运动控制单元5和表面气体成分测试单元6组成。

真空控制单元2，包括安装于真空腔体1上的前级分子泵、后级离子泵和真空计，三者配合用于控制真空腔体1的真空度。

温度控制单元3，包括安装于真空腔体1上的温度传感器、加热器30和深冷机31；用于控制和监测真空腔体1的温度。

二次电子测试单元4，包括电子产生系统和二次电子测试系统，用于和运动控制单元5配合完成二次电子的测量。运动控制单元5包括直线送样机构51和旋转机构52。

电子产生系统由测试电子枪40、复合电子枪41、复合电子枪42和触发器43构成。

二次电子测试系统由收集极7、直流电源8、同轴连接器9、信号放大器10、示波器11、静电计12和时间同步触发器13构成。收集极7为半球形金属电极，其设置于真空腔体1中。测试电子枪40、复合电子枪41和复合电子枪42安装于真空腔体1顶部的收集极7上，测试电子枪40竖直向下正对待测试样，复合电子枪41和复合电子枪42倾斜安装于测试电子枪40两侧；触发器43连接测试电子枪40、复合电子枪41和复合电子枪42，用于触发三者工作。收集极7的顶部中心通过同轴连接单元固定在真空腔体1上，同轴连接单元为旋转杆，其连接旋转机构52，能够在旋转机构52的带动下驱动收集极7旋转。旋转机构52为旋转电机或者由外部电机驱动的齿轮传动机构。

直流电源8的正极连接收集极7，直流电源8的负极依次通过同轴连接器9、信号放大器10连接示波器11；静电计12连接真空腔体1底部设置的样品架101；时间同步触发器13连接静电计12和示波器11，用于同时触发二者工作。

待测试样100放置在真空腔体1底部的样品架101上后，关闭真空腔体1的真空门，通过真空控制单元2对真空腔体1进行抽真空，首先打开分子泵进行预抽真空，等到真空计测试出的真空度下降到10^-6torr时关闭分子泵，打开离子泵，观察真空计等到真空度下降到10^-7torr时开始二次电子的测量。样品架101为铜板，深冷机31的探头和静电计11的探头同时连接到样品架101上；送样机构51为磁力电动导轨。样品架101设置于真空腔体1底部的磁力电动导轨上，送样机构51通电能够控制样品架101带动样品在真空腔体1底部沿磁力电动导轨运动。

二次电子测试时，首先通过运动控制单元5中的送样机构51将待测试样100移动到收集极7以外(通过样品架101移动带动待测试样100移动；收集极7采用半球形金属，其直径小于真空腔体1的长度并且与样品架101之间存在一段距离，这里的以外指的是半球形金属收集极7以外。)，而通过旋转机构52将收集极7旋转到待测试样100原始所处位置，此时打开测量电子枪40，其产生的一个5mm-20mm的电子束入射到收集极7，通过连接在收集极7上的示波器11测试出该一次电流ip，从而对测量电子枪40参数进行校准。为了排除入射电子束能量对测量结果的影响，测量电子枪40从0ev开始每隔20ev增加来发射入射电子束，每一个能量对应通过收集极7测量出所对应的一次电子电流ip并记录。在不同电子束能量下校准完测量电子枪40后关闭测量电子枪，通过旋转机构52和送样机构51分别将收集极7和待测试样100移动到初始位置，然后在保持设置参数与测量一次电子电流ip相同的条件下打开测量电子枪40开始测量二次电子。为了提高测量精度在收集极7上通过直流电源8施加了一个10v的直流电压，通过其产生的电场将一次电子入射到待测试样100表面发射出的二次电子全部收集在收集极7上，并通过测量系统中的示波器11测试出二次电流is从而评估待测试样100表面的老化状况。

复合电子枪41和42根据前一次测试出的二次电子电流与一次电子电流的大小关系来判断是打开哪一个复合电子枪(当上一次测试出的二次电流大于一次电流时打开复合电子枪41产生电子否则打开复合电子枪42产生正离子)，从而消除待测试样100表面电荷的积累对最终测量结果的影响。为了进一步评估试样内部的老化状况，在入射电子入射到待测试样100表面后通过深冷机31迅速将待测试样100冷却到-90℃，然后打开温度控制单元3以2℃/分钟的速度缓慢升温到80℃并通过测量系统中的静电计8记录下待测样品100释放出的电流信号id，通过对电流信号id的分析进而评估待测试样100内部的老化状况。在进行一次电子测量之前和二次电子测量完毕之后通过表面气体成分测试单元6中的四极杆质谱仪对待测样品100表面的气体成分进行测量，通过分析表面气体成分从而为理论分析试样老化提供气体数据依据。

如图2所示，二次电子发射和电介质中的电荷输运示意模型。在该模型中，随着复合绝缘子试样老化的加剧，陷阱能级增大，一个方面在逃逸过程中被俘获的载流子越来越难逃离陷阱的束缚，或者说需要更多的能量来脱离陷阱，这样就抑制了电子雪崩的发生，从而提高了闪络电压。另一方面，随着陷阱的加深，载流子一旦被陷阱捕获就会越来越难脱离陷阱束缚，从而积累较多的电荷，形成空间电荷中心，空间电荷所处的区域被严重极化，当一旦受到外部的扰动，某电荷发生退陷阱化必然导致介质的去极化过程，释放出大量的能量，导致周围电荷的退陷化发生，那就会像雪崩一样发生，从而发生闪络进而影响绝缘子的正常工作。同时随着绝缘子老化，电介质材料表面的双层电荷的厚度变大进而二次电子的产生变得困难。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。