不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置及其方法

1.本发明涉及一种不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置及其方法，属于高压绝缘设备耐压性能测试领域。


背景技术：

2.高压绝缘设备的耐压性能作为输变电设备的一部分，对高压、特高压电路的稳定运行有很大的影响，输电线路中绝缘子、变压器等设备的绝缘性成为影响特高压发展的重要方面。随着电力设备电压等级的不断提高，对变压器介质的绝缘性能也有了更高的要求。输电线路中，基于绝缘材料支撑的需要，不得不在输电线路或变压器内部介质中引入绝缘材料，这也导致了输电线路可承受的耐压性能急剧下降。根据jadidian j的研究，绝缘介质的击穿电压通常高于距离相同的液体介质的击穿电压（jadidian j, zahn m, lavesson n, et al. stochastic and deterministic causes of streamer branching in liquid dielectrics[j]. journal of applied physics, 2013, 114(6): 063301.），由此可以得出液体介质中绝缘材料的耐压失败不是因为击穿造成，而是由于在绝缘材料表面发生了沿面闪络，即形成了沿着液体介质-聚合物材料交界面的闪络通道，因而降低了纯液体介质的击穿电压。
[0003]
目前对沿面闪络的认识仍在研究中，较为普遍的研究方法是通过大量的实验研究归纳总结。前期的研究可以得出造成沿面闪络的因素主要包括：施加电压、液体介质、聚合物材料、电极构造和电极材料等。沿面闪络的发生不仅制约着电力设备的稳定运行，而且耐压的失败也会造成经济的巨大损失。由此，可以看出研究不同介质下聚合物材料的沿面闪络特性有着重要的意义。


技术实现要素：

[0004]
现有关于沿面闪络特性的问题主要存在于研究介质较少、聚合物材料单一、间距固定等特点，为了解决现有问题，进一步提高沿面闪络特性研究的可操作性，本发明基于上述问题，提供了一种不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置及其方法，并通过实验进行了论证，实验证明，该装置能够用于测量不同介质下聚合物材料沿面闪络电压值，为电力设备的耐压材料论证提供了实验支撑。
[0005]
本发明的目的是这样实现的：不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置，其特征是：包括沿面闪络发生装置、高压脉冲电源、示波器、高压探头和电流线圈；所述沿面闪络发生装置包括密封容器以及安装于密封容器内的固定底座、导轨、第一滑块、第二滑块，其中，固定底座置于密封容器内底部，导轨安装于固定底座上，第一滑块、第二滑块均安装于导轨上，且第一滑块、第二滑块可沿导轨移动；所述第一滑块上安装有第一指形电极，第二滑块上安装有第二指形电极，第一滑块、第二滑块沿导轨移动，调节第一指形电极、第二指形电极之间的距离；所述第一指形电极的阳极与高压脉冲电源的正极通过导线连接，并经高压探头与
示波器的一端通过导线连接，高压脉冲电源的负极通过导线与地电极连接；第一指形电极的阴极面向第二指形电极的阳极；所述第二指形电极的阴极依次经保护电阻、电流线圈通过导线与地相连；示波器的另一端与电流线圈通过导线连接；所述第一指形电极面向第二指形电极的阴极端开有第一槽，第二指形电极面向第一指形电极的阳极端开有第二槽，第一槽的侧壁上开有第一螺纹通孔，第二槽的侧壁上开有第二螺纹通孔，还设有第一塑料螺栓、第二塑料螺栓，第一塑料螺栓旋于第一螺纹通孔并可延伸至第一槽内，第二塑料螺栓旋于第二螺纹通孔并可延伸至第二槽内；第一槽、第二槽用于放入聚合物材料，可通过第一塑料螺栓旋入第一螺纹通孔挤压第一槽内的聚合物材料，通过第二塑料螺栓旋入第二螺纹通孔挤压第二槽内的聚合物材料，使得聚合物材料固定于第一指形电极、第二指形电极上；利用高压探头与电流线圈测量沿面闪络发生时的电压、电流并由示波器读出电压、电流值。
[0006]
所述导轨上设有标识长度的刻度线，方便第一滑块、第二滑块在导轨上移动，精确调整第一指形电极、第二指形电极之间的距离。
[0007]
所述高压脉冲电源的电压分辨率为0.01kv，电压调节范围为0~120kv，脉冲上升沿为40 ns，半高宽为100 ns。
[0008]
所述高压探头分压比为6500:1，电流线圈型号为pearson 6595，示波器采样频率为10 ghz，带宽为2ghz。
[0009]
不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置能够测量不同介质下聚合物材料沿面闪络发生时的电压、电流值；所述介质为空气、变压器油、十二烷基苯、甘油、蓖麻油或去离子水。
[0010]
所述第一滑块、第二滑块在导轨上间距调节范围为0~20 cm。
[0011]
所述第一槽的宽4 mm，深度为20 mm；第二槽的宽4 mm，深度为20 mm；为防止第一指形电极、第二指形电极之间不经过介质发生击穿，聚合物材料通过塑料螺母固定于深20 mm的间隙中，紧贴在第一指形电极、第二指形电极一侧。
[0012]
所述聚合物材料尺寸为40 mm
×
40 mm
×
2 mm。
[0013]
高压探头的测量端夹在高压脉冲电源的正极端，输出端接入示波器，电流线圈的输出端与示波器连接。
[0014]
利用不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置进行不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量方法，包括以下步骤：步骤1）、将聚合物材料依次利用丙酮、酒精与去离子水清洗材料表面，并用超声波洗净，烘干；步骤2）、将聚合物材料两端分别置于第一指形电极的第一槽、第二指形电极的第二槽；聚合物材料固定于第一指形电极的阴极，聚合物材料的一部分置于第一指形电极阴极端的第一槽，第一塑料螺栓旋入第一螺纹通孔挤压第一槽内的聚合物材料，使聚合物材料压紧于第一指形电极的阴极；步骤3）、根据实验间隙要求，将第一滑块、第二滑块沿导轨移动，调整第一指形电
极、第二指形电极之间的间距；间距确定后，将第二塑料螺栓旋入第二螺纹通孔挤压第二槽内的聚合物材料，使聚合物材料压紧于第二指形电极的阳极；步骤4）、根据实验要求，向密封容器内加入介质，介质为空气、变压器油、十二烷基苯、甘油、蓖麻油或去离子水；步骤5）、启动高压脉冲电源，以1kv/s的速度给第一指形电极、第二指形电极施加电压，直到沿面闪络的发生，通过示波器记录闪络发生时的电压、电流值；步骤6）、重复步骤1）-步骤5），每组间隙下做10次试验，获得10个闪络电压值；步骤7）、将第二指形电极阳极端处的第二塑料螺栓拧松，滑动第一滑块和/或第二滑块，改变第一指形电极、第二指形电极间距，拧紧第二塑料螺栓；重复步骤5），得出不同第一指形电极、第二指形电极间距下聚合物材料的沿面闪络电压值。
[0015]
本发明结构合理、方法先进科学，通过本发明，提供的一种不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置及其方法，包括沿面闪络发生装置、高压脉冲电源、示波器、高压探头和电流线圈，沿面闪络发生装置有密封容器、容器内有固定底座，带有刻度线的导轨，导轨上方装有滑块（第一滑块、第二滑块），第一滑块、第二滑块上分别固定第一指形电极、第二指形电极，第一指形电极、第二指形电极之间可通过塑料螺栓将聚合物材料压紧在第一指形电极一侧、第二指形电极一侧，第一指形电极、第二指形电极之间的距离可通过第一滑块、第二滑块沿带有刻度线的导轨移动进行调节。第二指形电极的一端经过保护电阻与地相连，第一指形电极与高压脉冲电源连接，利用高压探头与电流线圈测量沿面闪络发生时的电压、电流并由示波器读出电压、电流值。通过实验，该装置能够测量不同介质下聚合物材料沿面闪络发生时的电压、电流值。
[0016]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：首先，沿面闪络的介质条件更为广泛，不再是单一的某种介质，对多种介质均可在密封的容器内进行反应。其次，聚合物材料不唯一，对于目前沿面闪络的发展机理尚不完全清楚，电力设备材料的绝缘性能只能通过大量实验研究进行归纳总结，因此将电极结构变为可拆卸形式，为聚合物材料实验研究的更换提供了方便。最后，电极间距离可调。该装置设置的带有刻度的滑动导轨能够精确地调整指形电极间的距离，方便于科研人员研究不同间隙距离下的沿面闪络电压值。
附图说明
[0017]
图1是本发明的整体装置结构图；图2是本发明中第一指形电极、第二指形电极部分的结构图；图3是变压器油中有机玻璃沿面闪络的10组电压值；图4是变压器油中有机玻璃沿面闪络的典型电压波形；其中，1高压脉冲电源、2导轨、3密封容器、4-1第一滑块、4-2第二滑块、5聚合物材料、6-1第一指形电极、6-2第二指形电极、7固定底座、8高压探头、9保护电阻、10电流线圈、11示波器、12-1第一槽、12-2第二槽、13-1第一螺纹通孔、13-2第二螺纹通孔、14-1第一塑料螺栓、14-2第二塑料螺栓。
具体实施方式
[0018]
以下结合附图以及附图说明书对本发明做进一步说明。
[0019]
不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置，包括沿面闪络发生装置、高压脉冲电源1、示波器11、高压探头8和电流线圈10。沿面闪络发生装置包括密封容器3以及安装于密封容器3内的固定底座7、导轨2、第一滑块4-1、第二滑块4-2，其中，固定底座7置于密封容器3内底部，导轨2安装于固定底座7上，第一滑块4-1、第二滑块4-2均安装于导轨2上，第一滑块4-1、第二滑块4-2可沿导轨2移动；在第一滑块4-1上安装有第一指形电极6-1，第二滑块4-2上安装有第二指形电极6-2，第一滑块4-1、第二滑块4-2沿导轨2移动，调节第一指形电极6-1、第二指形电极6-2之间的距离。
[0020]
所述第一指形电极6-1的阳极与高压脉冲电源1的正极通过导线连接，并经高压探头8与示波器11的一端通过导线连接，高压脉冲电源1的负极通过导线与地电极连接；第一指形电极6-1的阴极面向第二指形电极6-2的阳极；第二指形电极6-2的阴极依次经保护电阻9、电流线圈10通过导线与地相连；示波器11的另一端与电流线圈10通过导线电连接。
[0021]
第一指形电极6-1面向第二指形电极6-2的阴极端开有第一槽12-1，第二指形电极6-2面向第一指形电极6-1的阳极端开有第二槽12-2，第一槽12-1的侧壁上开有第一螺纹通孔13-1，第二槽12-2的侧壁上开有第二螺纹通孔13-2，还设置有第一塑料螺栓14-1、第二塑料螺栓14-2，第一塑料螺栓14-1旋于第一螺纹通孔13-1并可延伸至第一槽12-1内，第二塑料螺栓14-2旋于第二螺纹通孔13-2并可延伸至第二槽12-2内。
[0022]
第一槽12-1、第二槽12-2用于放入聚合物材料5，可通过第一塑料螺栓14-1旋入第一螺纹通孔13-1挤压第一槽12-1内的聚合物材料5，通过第二塑料螺栓14-2旋入第二螺纹通孔13-2挤压第二槽12-2内的聚合物材料5，使得聚合物材料5固定于第一指形电极6-1、第二指形电极6-2上；利用高压探头8与电流线圈10测量沿面闪络发生时的电压、电流并由示波器11读出电压、电流值。
[0023]
进一步的，导轨2上设置标识长度的刻度线，方便第一滑块4-1、第二滑块4-2在导轨2上移动，精确调整第一指形电极6-1、第二指形电极6-2之间的距离。
[0024]
高压脉冲电源1的电压分辨率为0.01kv，电压调节范围为0~120kv，脉冲上升沿为40 ns，半高宽为100 ns。高压探头8分压比为6500:1，电流线圈10型号为pearson 6595，示波器11采样频率为10 ghz，带宽为2ghz。
[0025]
第一滑块4-1、第二滑块4-2在导轨2上间距调节范围为0~20 cm。
[0026]
第一槽12-1的宽4 mm，深度为20 mm；第二槽12-2的宽4 mm，深度为20 mm；为防止第一指形电极6-1、第二指形电极6-2之间不经过介质发生击穿，聚合物材料5通过塑料螺母固定于深20 mm的间隙中，紧贴在第一指形电极6-1、第二指形电极6-2一侧。聚合物材料5尺寸为40 mm
×
40 mm
×
2 mm。
[0027]
使用时，包括的步骤为：步骤1）、将聚合物材料5依次利用丙酮、酒精与去离子水清洗材料表面，并用超声波洗净，烘干；步骤2）、将聚合物材料5两端分别置于第一指形电极6-1的第一槽12-1、第二指形电极6-2的第二槽12-2；聚合物材料5固定于第一指形电极6-1的阴极，聚合物材料5的一部分置于第一指
形电极6-1阴极端的第一槽12-1，第一塑料螺栓14-1旋入第一螺纹通孔13-1挤压第一槽12-1内的聚合物材料5，使聚合物材料5压紧于第一指形电极6-1的阴极；步骤3）、根据实验间隙要求，将第一滑块4-1、第二滑块4-2沿导轨移动，调整第一指形电极6-1、第二指形电极6-2之间的间距；间距确定后，将第二塑料螺栓14-2旋入第二螺纹通孔13-2挤压第二槽12-2内的聚合物材料5，使聚合物材料5压紧于第二指形电极6-2的阳极；步骤4）、根据实验要求，向密封容器3内加入介质，介质为空气、变压器油、十二烷基苯、甘油、蓖麻油或去离子水；步骤5）、启动高压脉冲电源1，以1kv/s的速度给第一指形电极6-1、第二指形电极6-2施加电压，直到沿面闪络的发生，通过示波器11记录闪络发生时的电压、电流值；步骤6）、重复步骤1）-步骤5），每组间隙下做10次试验，获得10个闪络电压值；步骤7）、将第二指形电极6-2阳极端处的第二塑料螺栓14-2拧松，滑动第一滑块4-1和/或第二滑块4-2，改变第一指形电极6-1、第二指形电极6-2间距，拧紧第二塑料螺栓14-2；重复步骤5），得出不同第一指形电极6-1、第二指形电极6-2间距下聚合物材料5的沿面闪络电压值。
[0028]
如图1所示，不同介质下聚合物材料沿面闪络电压测量装置，包括高压脉冲电源1、密封容器3，底座7固定于容器底部，导轨2可通过螺丝固定在底座7上，将装有第一指形电极6-1的第一滑块4-1由导轨2的一侧滑槽滑入轨道，装有第二指形电极6-2的第二滑块4-2由导轨2的一侧滑槽滑入轨道；聚合物材料5压紧在第一指形电极6-1、第二指形电极6-2一边。第一指形电极6-1的阳极与高压脉冲电源1相连，第二指形电极6-2阴极连接保护电阻9穿过电流线圈10接地。高压探头8的测量端夹在高压脉冲电源1的正极端，输出端接入示波器11，电流线圈10的输出端与示波器11连接。
[0029]
本实施例中采用液体介质材料变压器油，聚合物材料选用有机玻璃（pmma）作为实验对象，测量其在不同间隙下的沿面闪络电压、电流值。具体包括如下步骤：（1）、将有机玻璃制成尺寸为40 mm
×
40 mm
×
2 mm的式样。并用丙酮、酒精与去离子水清洗材料表面，最后由超声波洗净，烘干；（2）、将有机玻璃固定于第一指形电极6-1的阴极，有机玻璃的一部分置于第一指形电极6-1阴极端的第一槽12-1，第一塑料螺栓14-1旋入第一螺纹通孔13-1挤压第一槽12-1内的有机玻璃，使有机玻璃压紧于第一指形电极6-1的阴极；（3）、将第一滑块4-1、第二滑块4-2沿导轨移动，调整第一指形电极6-1、第二指形电极6-2之间的间距；间距确定后，将第二塑料螺栓14-2旋入第二螺纹通孔13-2挤压第二槽12-2内的有机玻璃，使有机玻璃压紧于第二指形电极6-2的阳极；（4）、向密封容器3内加入变压器油；（5）、启动高压脉冲电源1，以1kv/s的速度给指形电极施加电压，直到沿面闪络的发生，通过示波器11记录闪络发生时的电压、电流值；（6）、重复步骤（1）-（5），每组间隙下做10次试验，获得10个闪络电压值；（7）、将第二指形电极6-2的阳极第二塑料螺栓拧松，改变第一指形电极6-1、第二指形电极6-2间距，拧紧塑料螺母，重复步骤（5），得出不同间隙下聚合物材料的沿面闪络电
压值。
[0030]
如图3所示，将以上试验测得的数据绘制成散点图，得到在高压脉冲电源作用下的沿面闪络电压发生的范围值。图4为试验中测量的变压器油中有机玻璃沿面闪络的典型电压波形。