一种电缆附件界面电学特性的模拟以及评价装置和应用

本发明涉及一种电缆附件界面电学特性的模拟以及评价装置和应用，属于电缆检测。

背景技术：

1、在高压电力设备中，局部放电作为一种典型的电老化形式往往出现在绝缘缺陷或电场密集处，由于其并未贯穿绝缘且放电能量较小，所以短时间内的影响并不明显。但局部放电长期的积累会造成绝缘材料的劣化，导致绝缘强度下降，最终击穿。

2、高压电缆是应用非常广泛的电力设备，且人们对其工作可靠性的要求极为严格。高压电缆附件是高压电缆线路的重要组成部分，同时也是最薄弱的环节，高压电缆线路的故障大都来自于电缆附件和电缆终端等电缆附件。在高压电缆的绝缘结构中，电场分布以径向电场为主，几乎不存在其它方向的电场分量。然而，在电缆附件安装处，由于电缆的外半导电层被切断，使电场分布发生畸变，增强绝缘与电缆本体绝缘界面处不可避免地产生了轴向电场，且绝缘界面相对于构成该界面的两种材料本体而言，击穿强度严重偏低，所以更容易发生放电或沿面击穿。电缆附件的故障中，增强绝缘与电缆本体绝缘间的绝缘界面放电问题是亟待解决的技术难题，不仅增加了电缆附件的设计难度，也对电缆附件的持久工作可靠性产生了严重影响。

3、电缆附件绝缘结构复杂，且存在多种材料的交界面，增强绝缘与电缆本体绝缘构成的绝缘界面是电应力分布最集中的部分。经长期研究实践过程中发现，该绝缘界面的放电现象是由其承受的轴向电场分量(平行于界面)和径向电场分量(垂直于界面)二者共同决定的。由于增强绝缘与电缆本体绝缘材料的介电参数不同(电导率和相对介电常数等)，在这种由多层介质组成的复合绝缘结构中，受径向电场的作用，绝缘界面处会积累陷阱空间电荷或界面极化电荷，导致绝缘界面处电场产生局部畸变；而在轴向电场的作用下，使得电荷能够沿着界面方向快速传输，电场分量足够大时，电荷沿着界面传输过程加剧，将会引起沿界面方向的局部放电甚至沿面击穿。因此可知电缆附件绝缘界面的放电问题是正交电场作用下的十分复杂的物理过程。

4、此外，在电缆附件安装或者制造时绝缘界面处还可能存在气隙、划痕、杂质、微裂纹等缺陷，这些因素导致了绝缘界面处耐电强度进一步降低，更容易发生局部放电，同时也使得界面放电过程更加复杂。

5、电缆附件绝缘界面的电学特性是决定电缆系统长期工作可靠性的重要因素，获知电缆附件用绝缘材料界面电学特性对于材料研发和附件设计都有重要参考价值。然而，现有技术中缺乏评价电缆附件用绝缘材料界面电学特性的可行方法。

6、从理论上分析，若采用与实际电缆绝缘和电缆附件绝缘结构相近的“圆筒状”增强绝缘和“喇叭口状”应力锥结构，也能够塑造出与电缆附件工况相近的正交电场。然而，增强绝缘以及应力锥的制造需要花费大量时间和经费定制模具，且制造试样的过程周期过长。这种方式不仅效率低下、经济性差，且难以对其界面电学特性进行针对性测试分析。不适用于实验室内前期研发，仅适用于实际生产。

7、在实验室条件下，研究人员常采用“薄片状”试样对绝缘界面的电学特性进行研究，但是现有技术往往只是单纯采用了垂直于试样的体电场(可等效于径向电场)或者平行于试样表面的沿面电场(可等效于轴向电场)，却未能均匀可控地塑造出正交电场。由于未能模拟出电缆附件在常规工况下的电场分布，并且忽略了轴向电场和径向电场之间的相互影响，采用现有的测试装置或方法，只能获得绝缘界面的片面信息，没能获知正交电场下的绝缘界面真实电学特性。这将导致电缆附件绝缘材料研发和结构设计过程中，缺乏足够可靠的科学依据。

8、因此，提供一种准确、高效、且经济的电缆附件界面电学特性的模拟以及评价装置和应用，对于未来更高电压等级、更优工作可靠性的电缆附件研发是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明提供了一种准确、高效、且经济的正交电场下电缆附件用绝缘材料界面电学特性评价装置与方法，旨在以最简单、高效、经济的方式模拟电缆附件绝缘界面的关键工况，构建正交电场，并在正交电场下对电缆附件用绝缘材料构成的界面进行电学特性测试分析与评价，进而为电缆附件用绝缘材料的研发与电缆附件几何结构设计提供更科学的研究方法和参考依据。

2、本发明的技术方法：

3、本发明的目的之一是提供一种电缆附件界面电学特性的模拟装置，该装置包括上下同轴叠放的上层块和下层块，上层块和下层块为尺寸相同且分别内置有上电极和下电极的环氧树脂块，上电极为盖体结构，下电极是一端面为弧面的圆柱结构，上电极和下电极分别通过接线柱与外置球帽连接。

4、进一步限定，上电极为圆环和圆板同轴构成的一体化的盖体结构，圆板盖装在圆环上，且圆板直径略小于圆环外径。

5、进一步限定，上电极和下电极均与上层块和下层块的接触面平行且接触。

6、进一步限定，上层块和下层块之间依次设有试样一和试样二，且试样一和上层块、试样二和下层块的接触面均匀涂抹硅油层。

7、更进一步限定，试样一和试样二为尺寸相同的圆片，同轴叠放且紧密接触。

8、更进一步限定，试样一与试样二分别为两种绝缘材料，分别模拟电缆附件增强绝缘和电缆附件增强绝缘。

9、更进一步限定，试样一为经过硫化后的硅橡胶或乙丙橡胶。

10、更进一步限定，试样二为交联聚乙烯或者聚丙烯。

11、进一步限定，上层块和下层块均为圆柱体，且分别与上电极和下电极同轴设置。

12、本发明的目的之二是提供一种电缆附件界面电学特性的评价装置，该装置包括上述电缆附件界面电学特性的模拟装置、hfct(高频电流传感器)、示波器、皮安表、钮子开关、电源和上位机；

13、模拟装置的下电极通过外置球帽与电源的输出端连接，上电极通过外置球帽经接地线和钮子开关接地，接地线穿过hfct的测量线圈，且hfct的信号输出端与示波器连接，示波器连接上位机后与电源形成回路。

14、进一步限定，钮子开关的一引脚接地电极，公共引脚与接地线连接，另一引脚与皮安表连接，皮安表与上位机连接后与电源形成回路。

15、本发明的目的之三是提供一种上述电缆附件界面电学特性的评价装置的使用方法，该方法包括以下步骤：

16、(1)将上层块、试样一、试样二和下层块由上到下依次同轴叠放，并在试样一和上层块、试样二和下层块的接触面均匀涂抹硅油层，连接电路；

17、(2)拨动钮子开关形成通路，开始测试，控制电源，以0.1kv/s的升压速率升压，当示波器检测到发生局部放电时，上位机记录此时电源的输出电压为局部放电起始电压pdiv，继续升压，当电源输出电压达到1.1倍pdiv后，以0.1kv/s的降压速率降低电压，待示波器检测到发生局部放电结束时，上位机记录此时电源的输出电压为局部放电熄灭电压pdev。

18、进一步限定，整个测试过程中，上位机实时记录hfct和皮安表测得的局部放电信号波形与泄漏电流，并通过对局部放电信号波形的分析进一步获得电相位分布图和放电频率的电气特性信息。

19、进一步限定，试样一和试样二之间的界面可以经过打磨等各种形式的表面处理或由外部压力装置提供压力，以便模拟不同形式的电缆附件。

20、有益效果：

21、(1)本发明通过对上电极和下电极结构的设计，并同轴叠放在双层介质界面构造了正交电场，模拟了电缆附件用绝缘材料界面承受的正交电场实验条件，进一步的通过电极尺寸的选择，还可以调整正交电场的轴向电场分量(垂直于界面)和切向电场分量(平行于界面)的比例，进而模拟不同规格电缆附件中增强绝缘与电缆本体绝缘之间界面所承受电场，相比仅能提供某一单一电场分量的现有技术传统试验方法，具有更贴近电缆附件工况电场分布情况的优势，从而可以更准确地测试和分析电缆附件用绝缘材料的界面在轴向电场分量(平行于界面)和径向电场分量(垂直于界面)共同作用下的电学特性。

22、(2)本发明采用环氧树脂包封电极，且电极的边缘为圆角，电极的接线端均采用圆球形状结构，有效地均化了电极边缘的电场分布，避免了电极边缘的杂散放电信号对测试结果的干扰，使得测试过程抗干扰能力更强，测试结果更加可靠。

23、(3)相比于嵌入式金属箔片电极，本发明采用非嵌入式电极，不仅具有使用方便、快捷、可重复使用等多种优点，同时避免了因电极嵌入导致的试样形变，以及嵌入电极与材料间不规则界面上出现的放电。

24、(4)本发明的电极设计保证了绝缘界面的平整，且相比于金属箔片电极塑造的极不均匀场，本发明塑造的是相对更加均匀和稳定的场，更加符合实际电缆附件的工况。

25、(5)本发明通过盖体结构电极和一端面为弧面的圆柱结构电极叠放在双层介质界面构造正交电场，使得在绝缘界面上，每一个以界面中心为圆点的同心圆圆周上的轴向电场与切向电场大小相等，相当于增大了同一电场下的材料界面的被测试面积，更有利于表达出材料界面整体的特性优劣，使得测试结果更具有代表性和统计价值。

26、(6)本发明同时采用皮安表测试正交电场下的泄漏电流和高频电流传感器hfct测试正交电场下的试样中的局部放电信号，这两种测试方法通过开关进行控制，可以同时进行，使两种测试信号相互支撑、相互验证，也可以单独进行，操作便捷、灵活性高。并且可以同时获知电缆附件用绝缘材料界面正交电场下的泄漏电流、局部放电起始电压、局部放电熄灭电压、放电相位分布图、放电频率等多种电气特性信息，进一步的采用局部放电和泄漏电流两种形式对界面的优劣进行定量的评价，为电缆附件材料研发和几何结构设计提供了多种科学参考数据。

27、(7)本发明提供的绝缘界面正交电场下的评价方法，适用于电缆附件研发，可以在实验室条件下以经济、高效的方式实现电缆附件用绝缘材料界面在工况电场下的电学特性分析，也可以定量地获得材料界面的关键电学性能参数，基于本发明获得的数据，不仅可以对某种材料的改性效果进行评价，也可以针对确定的绝缘材料，确定其放电起始电压、熄灭电压等参数，为电缆附件几何结构设计提供参数。