电树枝在线监测的声光组合装置的制作方法

本发明属于绝缘材料检测技术领域，具体涉及电树枝在线监测的声光组合装置。

背景技术：

固体电介质是电气绝缘系统中占有十分重要地位的绝缘材料。固体电介质老化过程中的一个重要而且显著的现象是电树枝的出现与发展。电树枝的产生与生长是一个逐渐的过程。一般是由于缺陷、气泡等导致附近电场畸变，场强集中，进一步造成附近的绝缘材料的分解破坏，并呈辐射状、树枝状发展，最终导致固体电介质的击穿，使绝缘失效。整个过程涉及复杂的电动力与电化学过程。研究表明，电树枝的产生与发展受各种因素的影响，例如电压的频率与幅值、外部的机械应力、材料内部的缺陷、温度等等。目前的研究主要是对电树枝生长发展过程的光学或者电信号的记录与分析。例如，利用显微镜观察电树枝的几何特性及其发展变化或者通过对局部放电量进行测量来分析老化过程。通过光学分析的优势是可以直观而且便捷地观察到电树枝生长与发展过程。但是这种测量对样品的透明度有较高的要求，同时视线容易受到材料表面及内部气泡与杂质的影响。而在电树枝产生与发展的过程中，伴随着材料的变形与内部开裂，会产生声发射现象，产生声波的频率一般可从几赫兹到数兆赫兹。通过对声发射的检测，可有效的观察电树枝的生长活性。此外由于声发射检测对材料的几何形状不敏感，因此有着较高的实用性。但是声发射是一种动态的检测，只能反映电树枝的生长部位、活性等，不能有效地反映电树枝的大小等其它特性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供电树枝在线监测的声光组合装置。

经研究，本发明采用以下技术方案：

电树枝在线监测的声光组合装置，包括信号源，高压放大模块，观测模块，声测模块和数据采集处理模块；所述信号源与所述高压放大模块相连接，所述高压放大模块连接有针电极，针电极预埋在被测电介质之中，被测电介质底部涂有导电漆并连接有地电极，所述观测模块设置在被测电介质附近，所述声测模块贴于被测电介质表面，所述观测模块和所述声测模块均与所述数据采集处理模块相连接。

优选的，所述观测模块包括观测机构，光源机构，以及分别用于支撑观测机构和光源机构的旋转支架，所述旋转支架可围绕被测电介质上下、左右和前后方向进行调节。

优选的，所述观测机构为光学显微镜，光学显微镜变焦放大缩小观察电树枝整体和局部电树枝生长情况，并传输给数据采集处理模块。

优选的，所述光源机构包括侧面光源和底面光源，所述侧面光源和所述底面光源分别设置在被测电介质的两侧。

优选的，所述高压放大模块为高压放大器，所述高压放大器的高压输出端通过导线与所述针电极相连接。其中，高压放大器置于实验支架上。

优选的，所述高压放大器的另一输出端将输出的高压缩小后接入示波器，用于观察输入、输出的波形。

优选的，所述声测模块包括声发射检测传感器和前置放大器，所述声发射检测传感器贴于被测电介质表面，将检测到的信号通过前置放大器放大后传输给数据采集处理模块。其中，声发射检测传感器和前置放大器均通过可调节的旋转支架进行支撑。

优选的，所述针电极与被测电介质同轴设置。

优选的，所述被测电介质中针电极的针尖的曲率半径在5微米以下。

优选的，所述数据采集处理模块为计算机。

优选的，所述针电极与导线连接处用胶水浇注，并灌封胶延伸至被测电介质。具体为针电极与高压导线连接牢固后使用环氧胶水浇注，并灌封胶延伸至被测电介质，完全包裹导线与被测电介质之间的针电极，不留空隙，防止高压下的局部放电与沿面闪络。

上述电树枝在线监测的声光组合装置的检测方法，具体包括以下步骤：

1)将透明度良好的固体绝缘材料制成被测电介质，将针电极沿长度方向埋入被测电介质中，并将被测电介质延长度方向上的另一侧连接地电极；

2)设置信号源输出信号的频率和幅值，通过导线将信号传输给高压放大器，信号经过高压放大器放大之后，通过高压线传输给针电极；

3)高压放大器的另一输出端将输出的高压缩小后接入示波器，用于观察输入、输出的波形；

4)调整观测模块中侧面光源和底面光源至合适位置固定，并将观测模块中的光学显微镜调至合适的倍数固定，将显微镜观察的透明度良好材料的电树枝整体和局部生长情况传输给计算机；

5)保持环境安静，调整声测模块中的声发射检测传感器，使其贴于针电极针尖附近的被测电介质表面，声发射检测传感器检测的信号通过前置放大器放大后传输给计算机；

6)调整信号源输出电压幅值，通过显微镜和声发射检测传感器检测电树枝随幅值变化的生长情况，并传输给计算机；

7)待电树枝生长至一定值之后时，关闭电源，将计算机中采集的光学数据和声学数据进行处理分析，得到电树枝生长的最大长度为：

leb＝max[lend](式ⅰ)

式ⅰ中，leb表示针尖到电树枝末端点的最大长度，lend表示针尖到电树枝末端点的测量长度，即针尖到电树枝末端点的每个测量长度；

得到声发射每10秒平均强度为：

式ⅱ中，d10s-average表示每10秒内的各采样点分贝值的算术平均值，t0表示任意10秒时段的声发射采集分贝值的起始时间，d(t)表示t时刻采集到的分贝值；

通过lend得到每10秒间隔内电树枝长度的增量δleb，将每10秒间隔内电树枝长度的增量δleb与声发射平均强度的关系进行拟合，获得声发射每10秒平均强度与电树枝长度增量之间的关系为：

d10s-average＝1755.4δleb+6.3(式ⅲ)

式ⅲ中，d10s-average表示每10秒内的各采样点分贝值的算术平均值，δleb表示每10秒间隔内电树枝长度的增量；

8)将上述得到的模型或公式用于透明度差或不透明材料的监测和分析。

本发明的有益效果在于：

本发明的电树枝在线监测的声光组合装置，通过光学设备对透明度良好材料的电树枝生长过程进行观察和测量，同时，通过声学设备对检测到的声发射信号进行处理与提取，然后通过计算机分析得到电树枝不同生长阶段的光学现象与声发射特性的相互关系，然后将其应用于相似的但透明度较差或者不透明的材料的监测分析，弥补了单一声学检测只能测量动态特性与光学检测受材料透光程度限制的局限性，另外，通过使用固体介质对裸露的电气连接进行绝缘，避免了使用绝缘油造成的不便，具有更高的实用性，在实际的固体绝缘材料检测电树枝的生长过程具有潜在的应用前景。

附图说明

图1为本发明的电树枝在线监测的声光组合装置的结构示意图；

图中，1-计算机；2-光学显微镜；3-侧面光源；4-底面光源；5-声发射检测传感器；6-前置放大器；7-被测电介质；8-绝缘灌封胶；

图2为本发明电树枝在线监测的声光组合装置检测得到的电树枝的长度特性与时间的关系曲线图；

图3为本发明电树枝在线监测的声光组合装置检测得到声发射平均强度的变化图；

图4为本发明电树枝在线监测的声光组合装置拟合得到的电树枝长度的增量δleb与声发射平均强度的关系。

具体实施方式

下面结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，电树枝在线监测的声光组合装置，包括信号源，高压放大模块，观测模块，声测模块和数据采集处理模块1；信号源与高压放大模块相连接，高压放大模块连接有针电极，针电极预埋在被测电介质7之中，被测电介质7底部涂有导电漆并连接有地电极，观测模块设置在被测电介质7附近，声测模块贴于被测电介质7表面，观测模块和声测模块均与数据采集处理模块1相连接。其中，被测电介质底部涂有导电漆并连接地电极，以避免被测电介质表面出现放电。

观测模块包括观测机构，光源机构，以及分别用于支撑观测机构和光源机构的旋转支架，旋转支架可围绕被测电介质上下、左右和前后方向进行调节。

观测机构为光学显微镜2，光学显微镜2变焦放大缩小观察电树枝整体和局部电树枝生长情况，并传输给数据采集处理模块1。

光源机构包括侧面光源3和底面光源4，侧面光源3和底面光源4分别设置在被测电介质7的两侧。

高压放大模块为高压放大器，高压放大器的高压输出端通过导线与针电极相连接。高压放大器的另一输出端将输出的高压缩小后接入示波器，用于观察输入、输出的波形。

声测模块包括声发射检测传感器5和前置放大器6，声发射检测传感器5贴于被测电介质7表面，将检测到的信号通过前置放大器6放大后传输给数据采集处理模块1。

针电极与被测电介质7同轴设置。被测电介质7中针电极的针尖的曲率半径在5微米以下。

数据采集处理模块1为计算机。

针电极与导线连接处用胶水浇注，并灌封胶延伸至被测电介质。

上述电树枝在线监测的声光组合装置的检测方法，以透明度良好的电介质材料作为被测电介质，具体包括以下步骤：

1)将透明度良好的e-51环氧树脂，加入固化剂与催化剂，经搅拌、脱气升温固化等操作制成试样电介质，将针电极延长度方向埋入被测电介质中，并将被测电介质沿长度方向上的另一侧连接地电极；

2)设置信号源输出频率为50hz和幅值为2v的正弦波，通过导线将信号传输给5000倍增益高压放大器放大，得到幅值为10kv的工频正弦波，然后通过高压线传输给针电极；

3)5000倍增益高压放大器的另一输出端将输出的高压缩小后接入示波器，以观察输入、输出信号的具体波形；

4)调整观测模块中侧面光源和底面光源至合适位置固定，并将观测模块中的光学显微镜调至合适的倍数固定，将显微镜的摄像头观察得到的透明度良好的电介质材料的电树枝整体和局部生长情况传输给计算机；

5)同时，保持环境安静，调整声测模块中的声发射检测传感器，使其贴于针电极针尖附近的被测电介质表面，声发射检测传感器检测的信号通过前置放大器放大后传输给计算机；

6)调整信号源输出电压幅值，使高压放大器放大后的幅值逐步升至20kv，通过显微镜和声发射检测传感器检测电树枝随幅值变化的生长情况，并传输给计算机；

7)待电树枝生长至1mm左右时，关闭电源，将计算机中采集的数据进行处理分析，得到相关模型或公式；

取前10min的数据进行分析，对捕获到的光学影像每隔10s进行帧提取，得到一系列图像。利用实际长度与像素点的比例关系测量出提取帧中的电树枝的长度为：

leb＝max[lend](式ⅰ)

式ⅰ中，leb表示针尖到电树枝末端点的最大长度，lend表示针尖到电树枝末端点的测量长度，即针尖到电树枝末端点的每个测量长度。

得到电树枝的长度特性与时间的关系曲线如图2所示。

从图2中分析可知，从开始计时到140s时，电树枝长度由零开始增加，同时对应的电树枝长度增量δleb也由0变为正值，表明电树枝产生并开始增长，可以计算出平均增长速率为0.00137mm/s。

将采样得到的声学信号进行处理，得到声发射每10秒平均强度为：

式ⅱ中，d10s-average表示每10秒内的各采样点分贝值的算术平均值，t0表示任意10秒时段的声发射采集分贝值的起始时间，d(t)表示t时刻采集到的分贝值。

获得的声发射平均强度的变化图如图3所示。

从图3中分析可知，在初始阶段采集到的声信号较微弱，在中后段声信号经过一个上升后在一定的范围内波动，其在时间上与电树枝的产生与生长基本对应。

将电树枝长度的增量δleb与声发射平均强度进行拟合，结果如图4所示。

通过图4进行分析拟合得知，在既定的实验条件下，声发射每10秒平均强度与电树枝长度增量之间的关系为：

d10s-average＝1755.4δleb+6.3(式ⅲ)

式ⅲ中，d10s-average表示每10秒内的各采样点分贝值的算术平均值，δleb表示电树枝长度的增量。

从图4中分析可知，在电树枝长度增量为0的时段对应的声信号强度较弱，可以认为是环境噪声或者放大电路中的噪声信号。而在电树枝长度增量较大的时段，采集到的声发射信号较强，且在忽略个别偏离点的前提下，可以认为二者在当前实验条件下呈线性关系。

综上可知，电树枝产生、发展过程中所测量到的声信号强度相较于未产生时有明显的提高，当检测到平均强度持续超过某一阈值后，即可认为电树枝已经产生并且不断生长。另外在初始没有电树枝时候的信号也较微弱，从而证明了声光组合装置的可行性。

本发明的电树枝在线监测的声光组合装置，利用声学设备和光学设备的组合对电树枝进行在线测量，弥补了单一声学检测只能测量动态特性与光学检测受材料透光程度限制的局限性。与单一测量相比，本发明通过光学设备对透明度良好材料的电树枝生长过程进行观测，同时，通过声学设备对检测到的声发射信号进行处理与提取，分析得到电树枝不同生长阶段的光学现象与声发射特性的相互关系，然后将其应用于相似的但透明度较差或者不透明的材料的监测分析。

当然，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。