一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法与流程

1.本发明属于高压试验技术领域，尤其涉及一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法。


背景技术：

2.目前，环氧树脂是一种性能优异的热固性树脂，其固化物具有良好的耐热性、耐化学性、机械性能及电气性能。其凭借着优异的介电性能等特点被广泛应用于高压直流干式套管的电容芯子主绝缘，干式变压器、盆式绝缘子，复合杆塔等电力设备绝缘。但在实际使用过程中，因长时间工作在大电流、高电压且受环境等因素的影响，以环氧绝缘为材料所制备的电气设备会存在部分缺陷。
3.高性能环氧材料凭借着其优良的特性目前得以在绝缘设备上得到广泛应用。随着电压等级的提高和电网规模的扩大，绝缘件的需求越来越多，对绝缘件的性能要求也在不断提高，其绝缘可靠性对电力系统正常运行十分重要。为了保证电力系统安全，应当准确评估各类绝缘件的运行状态，适时采取高效的运维检修策略，因此对环氧绝缘材料进行性能评估对电网的可靠运行和能源安全具有重要意义。
4.过热缺陷是以高性能环氧绝缘材料所制成的电气设备的一典型缺陷，温度是影响环氧绝缘件的绝缘特性不可忽视的因素。绝缘件一旦发生局部过热，将会导致设备损耗增大，大大加快绝缘的热老化，缩短了设备的使用年限。与此同时，由于制作工艺受限等问题在绝缘件生产过程可能会存在未能充分清除成型制品内部气泡，该情况下若绝缘件发生局部受热，则会导致受热不均而产生裂缝，更有甚者直接引发爆炸现象。因绝缘件受损会引发连锁反应，最终威胁到电力系统的安全稳定运行，造成无法预估的损失。
5.现有的对试品过热缺陷研究大多采用循环加热，水浴加热等方法，属于整体受热，因此对局部过热缺陷模拟不太适用，如部分绝缘件的电流致热型缺陷属于典型的局部过热缺陷，同时还有温度不可控，容易引入异物，干扰实验周围电磁场等问题。
6.解决以上问题及缺陷的难度为：
7.现有的技术当中主要问题为：加热方式属于整体受热，对局部过热缺陷模拟不太适用，还有温度不可控，容易引入异物，干扰实验周围电磁场问题。很难从经济方面和操作难度方面解决此问题。
8.解决以上问题及缺陷的意义为：
9.通过加热片结合可调直流电压源方式实现对一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷的模拟，具有更加接近实际故障，不影响其他实验测量的特点，同时具有较好的可调节性和响应速度。本发明提出的测试方法，解决了高电压下过热实验时不好加热的难点，同时在不影响样品周围电磁场的条件下实现了对样品局部加热的功能，对在电网或其他工业领域试品局部过热缺陷模拟提供了解决方法。与此同时操作简便，实验过程中用到的设备成本低，不需要进行大量的操作实验，从经济方面和操作方面考虑是一个可行的技术方案。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法。
11.本发明是这样实现的，一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法包括：
12.加热模块和温度控制模块；
13.所述温度加热模块置于绝缘支架中间部位的预留口中，所述加热模块上端放置有接地铜片，待测环氧绝缘件放置在接地铜片上端；
14.温度加热模块中所采用的加热片为工业级陶瓷加热片，且至于铜片的下方。铜片在起到接地作用的同时，具有着良好的导热性，能够将热量很好的传导至待测样品的局部地区。与此同时加热片安装于接地铜片下表面绝缘支架所预留的孔洞内，保证了温控装置与高压部分隔离开，从而使其能够安全正常的工作。
15.所述温度控制模块包括可调直流电压源、温度传感器和温度数显表，所述可调直流电压源和温度传感器分别与加热模块连接，所述温度数显表与温度传感器连接。
16.该温度控制模块由可调直流电压源、温度传感器和温度数显表组成，其中通过调节可调直流电压源从而控制加热片的工作功率，进一步达到温度控制的效果。在加热片温度发生变化的过程中，温度传感器能够迅速的感应到温度的变化，从而将温度变化的结果通过数显表显现出来。
17.进一步，所述高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统还包括：
18.用于提供和调节施加交流电压及其电压值大小的交流电压模块，所述交流电压模块包括工频试验变压器、分压器和保护电阻，所述工频试验变压器一端通过保护电阻与待测环氧绝缘件上端的高压接线端连接，所述工频试验变压器另一端与接地铜片连接，所述分压器与高压接线端连接。
19.进一步，所述加热模块选用工业级高温陶瓷加热片。
20.进一步，所述工业级高温陶瓷加热片采用氧化铝陶瓷片。
21.进一步，所述可调直流电压源可通过手动旋钮调节，输出电压范围为直流3～26v。
22.进一步，所述温度传感器置于接地铜片下方，用于测量实时测量在实验过程中局部过热点的温度特征。
23.进一步，所述接地铜片根据实际实验所需采用较薄的铜片，使局部加热温度尽可能集中在加热片区域内。
24.本发明的另一目的在于提供一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟方法，包括以下步骤：
25.步骤1，加热片的选型。
26.步骤2，将加热片以及传感器安装于固体绝缘支架上，安装位置为绝缘支架中间位置预留的小孔内如图2所示，为了保证加热片的加热效果以及传感器能够较为准确的获得该点温度，在安装的过程中应保证固定牢靠，避免出现松动等问题，从而对实验造成影响。
27.步骤3，在实验过程中，为了读到较为准确的局部温度示数，应当使温度读数稳定时在进行读数记录。因受到不同外界环境的影响，可能会对加热片升至稳定温度的时间以及升至该温度所需的电压造成一定影响。应当在正式实验开始前对加热片以及温度传感器
进行检验，测定该点局部温度升至不同稳定温度时的工作电压以及所需时间，用于正式实验中的参考，保证局部温度尽可能准确。
28.步骤3.1，取一小块待测样品置于实验平台上，打开开关，调节与加热片相连接的可调电源，通过调节其旋钮控制输出电压为最低电压3v，待显示屏读数稳定时，记录该输出电压等级下所对应的局部温度。
29.步骤3.2，调节旋钮将电压提升1v，待温度稳定进行读数记录。
30.步骤3.3，重复步骤3.2即可，直至输出电压达到最大输出电压。
31.步骤4，将待测高性能环氧绝缘件置于绝缘支架上，确保样品放置应当平稳，且需要模拟的局部过热区域应保证在接地铜片上方。
32.步骤5，按照图3所示的回路示意图对各项设备进行连接，在连接的过程中在保证绝缘安全距离的前提条件下，尽量缩短连接线并避免连接线过度弯曲，接线点的裸线处有许多毛刺，在高压作用下易发生电晕放电，故所有接线点均用铝箔紧密包裹。与此同时应采用波纹管对高压线接线进行保护。
33.步骤6，通过交流调压源控制输出电压，将电压升至实验所需电压。
34.步骤7，通过调节可调直流电压源，对比步骤2中所提前测出的所需温度，将电压调制实验所需温度的对应电压等级，待示数稳定后通过微调旋钮，从而最终保证该点局部温度能够达到本次实验所需的温度。
35.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明将温控装置安装于接地铜片下表面，这样不会影响到样品所承受的电场，同时温控装置也与高压部分隔离开，从而使其能够安全正常的工作。除此之外，该方法能够手动精确对其功率进行调节，从而控制该点温度，以保证实验过程中该点的温度达到预期值，且被测样品其他部位温度不受影响，已完成环氧绝缘件局部过热缺陷的模拟。
36.本发明通过采用调压源对加热片有更好的掌控，可以控制加热片的功率高低，进而观察不同功率下，试品表面稳态温升。采用测量精度较高的传感器，实时采集试品温度，与调压源相互配合。
37.本发明通过工业级陶瓷加热片加热的方式实现对环氧绝缘件局部过热缺陷的模拟，很好的解决了行业内传统过热实验中整体加热、温度不可控、容易引入异物等问题，具有更加接近实际故障，不影响其他实验测量的特点，同时具有较好的可调节性和响应速度。本发明提出的测试方法，在不影响样品周围电磁场的条件下实现了对样品局部加热的功能，对在电网或其他工业领域试品局部过热缺陷模拟提供了解决方法。
38.该技术方案实验平台搭建较为简单，具有操作便利的特点，对于工作人员来说可以方便的进行此实验，且在对不同待测样品进行测试时只需要将待测样品进行更换，无需对平台进行大规模改造，此平台设备成本较低有着很好的经济优势。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统的结构示意图。
41.图2是本发明实施例提供的加热模块的结构示意图。
42.图3是本发明实施例提供的实验回路连接方式示意图。
43.图中：1、绝缘支架；2、加热模块；3、接地铜片；4、可调直流电压源；5、温度传感器；6、温度数显表；7、待测环氧绝缘件；8、工频试验变压器；9、分压器；10、保护电阻；11、高压接线端。
44.图4是本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟方法流程图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
47.本发明提供的一种高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统及方法仅仅是一个具体实施例而已。本方法还可应用于环氧绝缘胶纸套管的过热缺陷实验中。以及应用于在对其他环氧绝缘材料制成的。
48.如图1和图2所示，本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟系统包括由绝缘材质制成的绝缘支架1、置于绝缘支架底部的加热模块2、置于绝缘支架上部的接地铜片3、可调直流电压源4、温度传感器5。
49.绝缘支架1由绝缘材料制成，在支架上部中心位置切割一个宽度为15mm的槽口预留，用于放置加热模块2，该支架起到对局部过热平台装置进行支撑与固定的作用。
50.接地铜片置于绝缘支架上方，用以引出接地线。与此同时为了使局部加热温度尽可能集中在加热片区域内，接地铜片在具有一定机械强度的情况下应尽量选择厚度较薄的。故本装置在实际使用过程中可根据实际所需选择满足要求的不同宽度和厚度的铜片制作接地电极，将铜片使用耐热胶与绝缘扎带固定于绝缘支架。
51.加热模块2为本装置的关键部件之一，采用工业级高温陶瓷加热片。本装置所需要考虑的核心问题之一就是在选择加热装置时既要考虑局部加热同时也需要考虑加热片不影响到样品所承受的电场，与此同时应保证温控装置与高压部分隔离开，从而使其能够安全正常的工作。故将该加热片安装于接地铜片下表面绝缘支架所预留的孔洞内，能够很好地克服上述问题。加热片外型尺寸为10*10*1.2mm，电阻值为10欧姆，具体性能参数见下表1。
52.表1高温陶瓷加热片性能参数
[0053][0054]
加热模块2采用可调直流电压源4进行控制，直流供电部分选用带数显可调电源，输入电压为交流100v～240v、50/60hz宽压输入，输出电压为直流3～26v可调电压(通过旋钮控制)。加热片通过调节向其供电的直流电压大小最终实验对温度进行控制。
[0055]
温度传感器5置于加热片边缘处，该温度传感器探头处由热敏电阻制成，该传感器工作电压为1.5v采用干电池进行独立供电，具有一定的便携性。传感器的测试温度为-40℃～300℃，响应时间≤2s，测量精度1.0级。能够满足常见的局部过热点的温度测试，且响应较快，测量精度较高能够实时的将被测点温度反馈至数码显示屏上。
[0056]
如图3所示，除上述部分外，实验回路中还包含工频试验变压器、分压器和保护电阻，用于提供和调节施加交流电压及其电压值大小。
[0057]
如图4所示，本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟方法包括：
[0058]
s101，加热片的选型；
[0059]
s102，将加热片以及温度传感器安装于固体绝缘支架上，安装位置为绝缘支架中间位置预留的小孔内，安装过程应保证固定牢靠，避免出现松动；
[0060]
s103，在正式实验开始前对加热片以及温度传感器进行检验，测定该点局部温度升至不同稳定温度时的工作电压以及所需时间，在实验过程中，当温度读数稳定时进行读数记录；
[0061]
s104，将待测高性能环氧绝缘件置于绝缘支架上，确保样品放置应当平稳，且需要模拟的局部过热区域应保证在接地铜片上方。
[0062]
s105，按照回路连接方式对各项设备进行连接；
[0063]
s106，通过交流调压源控制输出电压，将电压升至实验所需电压；
[0064]
s107，通过调节可调直流电压源，对比步骤s103中所提前测出的所需温度，将电压调制实验所需温度的对应电压等级，待示数稳定后通过微调旋钮，保证该点局部温度能够达到本次实验所需的温度。
[0065]
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
[0066]
本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件局部过热缺陷模拟方法具体包括以下步骤：
[0067]
步骤1，加热片的选型，在众多类型的加热片中，应当选择最为合适类型的材质作为加热片，根据计算对比选择高性能氧化铝陶瓷加热片作为本次实验所用的加热片。在对样加热片进行选型时，应当充分考虑材料的性能稳定性，其中al2o3陶瓷具有硬度高，耐磨性好，高温稳定，电绝缘性能好，化学稳定等诸多优点。
[0068]
体积密度(d)的测试：
[0069]
致密度高表示陶瓷内部气孔、缺陷少，抵抗外界破坏的能力强，是陶瓷材料性能重
要的标志。采用阿基米德排水测试al2o3陶瓷的体积密度，参考标准gb/t3850-1983。按如下公式计算：
[0070]
体积密度：d＝m1×
ρ1/(m
1-m2)
[0071]
相对体积：d＝d/d0[0072]
m1——试样的干重(g)；
[0073]
m2——试样的悬水重(g)；
[0074]
ρ1——测试温度下对应的水密度；
[0075]
d——材料的体积密度；
[0076]
d0——材料的理论密度；对氧化铝来说，理论密度值取3.99g/cm3；
[0077]
d-—材料的相对密度。
[0078]
弯曲强度6的测试：
[0079]
陶瓷材料的断裂方式为脆性断裂，因此陶瓷材料的材料的强度使用弯曲强度来评定。参考gb/t6569-2006，弯曲试样尺寸为3mm
×
4mm
×
40mm的，在we-100液压式万能试验机(型号：加载速度：0.5mm/min跨距：32mm)测试三点抗弯强度，施加的力达到临界点时样品断裂，记录这时的作用力p。根据如下公式计算弯曲强度(δ)：
[0080][0081]
p——载荷(n)
[0082]
l——跨距(mm)；
[0083]
b——试样宽度(mm，精确到0.01mm)；
[0084]
h——平行于加载方向的试样高度(mm，精确到0.01mm)
[0085]
根据实验测算得出，99％的氧化铝陶瓷片的体积密度为3.866g/cm3、平均强度为453mpa，查阅相关资料对比发现其性能明显优于95％氧化铝陶瓷片以及氮化铝陶瓷的性能。故本次选用氧化铝陶瓷片作为加热片。
[0086]
步骤2，将加热片以及传感器安装于固体绝缘支架上，安装位置为绝缘支架中间位置预留的小孔内如图2所示，为了保证加热片的加热效果以及传感器能够较为准确的获得该点温度，在安装的过程中应保证固定牢靠，避免出现松动等问题，从而对实验造成影响。
[0087]
步骤3，在实验过程中，为了读到较为准确的局部温度示数，应当使温度读数稳定时在进行读数记录。因受到不同外界环境的影响，可能会对加热片升至稳定温度的时间以及升至该温度所需的电压造成一定影响。应当在正式实验开始前对加热片以及温度传感器进行检验，测定该点局部温度升至不同稳定温度时的工作电压以及所需时间，用于正式实验中的参考，保证局部温度尽可能准确。
[0088]
步骤3.1，取一小块待测样品置于实验平台上，打开开关，调节与加热片相连接的可调电源，通过调节其旋钮控制输出电压为最低电压3v，待显示屏读数稳定时，记录该输出电压等级下所对应的局部温度。
[0089]
步骤3.2，调节旋钮将电压提升1v，待温度稳定进行读数记录。
[0090]
步骤3.3，重复步骤3.2即可，直至输出电压达到最大输出电压。
[0091]
步骤4，将待测高性能环氧绝缘件置于绝缘支架上，确保样品放置应当平稳，且需要模拟的局部过热区域应保证在接地铜片上方。
[0092]
步骤5，按照图3所示的回路示意图对各项设备进行连接，在连接的过程中在保证绝缘安全距离的前提条件下，尽量缩短连接线并避免连接线过度弯曲，接线点的裸线处有许多毛刺，在高压作用下易发生电晕放电，故所有接线点均用铝箔紧密包裹。与此同时应采用波纹管对高压线接线进行保护。
[0093]
步骤6，通过交流调压源控制输出电压，将电压升至实验所需电压。
[0094]
步骤7，通过调节可调直流电压源，对比步骤3中所提前测出的所需温度，将电压调制实验所需温度的对应电压等级，待示数稳定后通过微调旋钮，从而最终保证该点局部温度能够达到本次实验所需的温度。
[0095]
下面结合对比对本发明的技术效果作详细的描述。
[0096]
表2各过热缺陷模拟装置对比
[0097][0098]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0099]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。