（高电压与绝缘技术专业论文）基于正交试验方法的硅橡胶电晕老化特性的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于正交试验方法的硅橡胶电晕老化 特性的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：在禹啤日期：加c p 爹弓彳尸井 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者虢侈物咯导师躲以v 妙 日期：洲口竿爿嗍日期：w 御 华北电力大学硕十学位论文 摘要 复合绝缘子的老化问题越来越受到人们的关注，如何在实验室内用尽量短 的时间去评判复合绝缘子的老化性能是十分有意义的。本文采用正交老化的试 验方法，开展了不同电压、时间、相对湿度作用下硅橡胶材料的电晕老化试验， 并对电晕老化后的试样进行了扫描电镜分析、憎水性测试、热刺激电流测试及 空间电荷测试。通过对老化后试样的热刺激电流和空间电荷测试结果进行极差 和方差分析发现，在本试验条件下，随着电压的增大和老化时间的延长，硅橡 胶材料的陷阱能级，陷阱电荷量以及内部空间电荷量均有所增大，但湿度对t s c 和空间电荷分布的影响不显著。另外，扫描电镜分析及憎水性测试结果表明， 电晕老化后硅橡胶材料表面结构被破坏，缺陷增多，憎水性会暂时丧失，其憎 水性恢复速率与恢复程度与老化程度有关。 关键词：硅橡胶，正交试验，电晕老化，热刺激电流，空间电荷 a b s t r a c t t h ea g i n go fc o m p o s i t ei n s u l a t o r sa r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n h o w t oe v a l u a t et h ea g i n gp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ei n s u l a t o r si ns h o r tt i m eb ym e a n so f e x p e r i m e n t si sv a l u a b l e i nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c e so fc o r o n av o l t a g e ，a g i n g t i m ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yo nt h ea g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh t vs i l i c o n er u b b e rh a v e b e e ns t u d i e di nd e t a i l sb a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d t h ec o r o n aa g i n g t e s t so fh t vs i l i c o n er u b b e rh a v eb e e nc a r d e do u tu n d e rv a r i e dc o r o n av o l t a g e ，d i f f e r e n t a g i n gt i m ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y t h eh y d r o p h o b i c i t y ，t s ca n ds p a c ec h a r g ep r o p e r t i e so f t e s ts a m p l e sh a v eb e e nm e a s u r e d ，a n dt h et e s ts a m p l e sw a sa l s oc h e c k e db ys e m a st h e a n a l y s i sr e s u l to ft s ca n ds p a c ec h a r g e sp r o p e r t i e su s i n gt h ev a r i a n c ea n a l y s i s ， i t i sr e v e a l e dt h a tt h et r a pl e v e l ，t r a pc h a r g eq u a n t i t yc o u l db ei n c r e a s e dw i t ht h e r a i s eo fc o r o n av o l t a g el e v e la n dt h ee x t e n s i o no fc o r o n aa g e i n gt i m e ，t h er e l a t i v e h u m i d i t yh a sn o n - s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h et s ca n ds p a c ec h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s o fh t vs i l i c o n er u b b e r m o r e o v e r ，t h ed e f e c t so nm a t e r i a ls u r f a c ew o u l db e i n c r e a s e da f t e rt h ec o r o n aa g i n gp r o c e s s ，t h eh y d r o p h o b i c i t yc o u l d b el o s t t e m p o r a r i l y ， a n dt h er e c o v e r yr a t ea n dl e v e lo ft h eh y d r o p h o b i c i t yd e p e n d so nt h e c o r o n aa g i n gs t a t eo fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s k e yw o r d s ：s i l i c o n er u b b e r ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，c o r o n aa g i n g ，t s c ， s p a c ec h a r g e 563唧6 9m7，iiiy 华北电力大学硕士学位论文 摘要 第一章绪论 目录 1 1 1 1 研究硅橡胶材料电晕老化的意义l 1 2 硅橡胶材料电晕老化的研究现状2 1 3 本论文的主要工作6 第二章电晕老化试验 7 2 1 硅橡胶试样制备7 2 2 固体电介质耐电晕试验装置7 2 2 1 高压电源及试验保护系统8 2 2 2 电极系统9 2 2 3 数据采集系统9 2 2 4 电晕老化试验环境箱l l 2 3 电晕老化试验方法和程序1 2 2 3 1 试验电压的确定l2 2 3 2 电晕老化试验步骤1 2 2 4 小结1 2 第三章正交老化试验方案及相关测试参数的确定 1 3 3 1 正交试验设计方法1 3 3 1 1 试验设计方法概述1 3 3 1 2 正交试验设计法的优点和特点1 4 3 1 3 选择正交表的基本原则1 5 3 1 4 正交试验的操作方法。1 6 3 1 5 正交试验结果分析方法。1 6 3 2 硅橡胶材料热刺激电流( t s c ) 测试参数研究1 8 3 2 1t s c 试验系统介绍18 3 2 2t s c 试验方法和程序1 9 3 2 3t s c 试验参数研究2 0 3 3 电声脉冲法( p e a ) 空间电荷特性测试参数研究2 4 3 3 1p e a 测试原理2 4 3 3 2p e a 测试系统介绍2 5 3 3 3p e a 试验参数研究2 6 3 4 j 、结3 0 第四章电晕老化后硅橡胶材料的性能测试3 1 4 1 扫描电镜测试结果及分析3 l 4 1 1 扫描电镜( s e m ) 测试方法介绍3 l 4 1 2 电晕老化后硅橡胶材料表面形貌3 1 4 2 憎水性测试结果及分析3 4 4 2 1 憎水性测试方法介绍3 4 华北电力大学硕士学位论文 4 2 2 憎水性测试结果3 4 4 2 3 憎水性丧失与恢复的原因3 7 4 3 热刺激电流测试结果及分析3 7 4 3 1 热刺激电流测试结果3 7 4 3 2 正交试验结果分析：3 9 4 3 3 陷阱特性变化的原因4 l 4 4 空间电荷测试结果及分析4 2 4 4 1 空问电荷测试结果4 2 4 4 2 正交试验结果分析。4 5 4 4 3 空间电荷特性变化的原因4 7 4 5 硅橡胶材料电晕老化作用机制4 8 4 6 ，j 、结4 9 第五章结论。5 0 参考文献5l 致谢5 5 在学期间发表论文和参加科研情况5 6 i i 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究硅橡胶材料电晕老化的意义 绝缘子是高压、超高压输电线路上广泛使用的器件之一，其状况的好坏直接关 系到电网运行的可靠与安全【1 3 1 。随着大气污染程度的加剧和输电线路电压等级的提 高，绝缘子所承受的机电负荷加重，瓷绝缘子由于其性能上固有的缺陷，如笨重易 碎、表面呈亲水性、易发生污闪事故、维护量大等，已难以满足电力系统对绝缘子 越来越高的要求。而复合绝缘子的结构和材料都完全不同于传统的绝缘子，从现场 运行来讲具有重量轻、防污性高、安装维护方便等优点，使得它在电网中的发展和 使用日益广泛【4 1 。 国外从2 0 世纪5 0 年代开始研究和使用复合绝缘子，最先采用的绝缘材料主要 是脂肪族环氧树脂、二元和三元乙丙橡胶、聚四氟乙烯等。到7 0 年代后期，出现 了以合成材料为芯棒，绝缘性及耐候性良好的硅橡胶材料为伞裙组成的复合绝缘 子。其中，经补强且填充各种添加剂制作而成的高温硫化( h i g ht e m p e r a t u r e v u l c a n i z a t i o n ，h t v ) 硅橡胶首先在德国问世，它凭借其机械强度高、耐污闪性能 好、耐高低温性能强等优点，在世界上很多国家得到使用到目前为止，世界上已 有二十七个国家和地区使用复合绝缘子1 5 培】。 我国复合绝缘子的研制起步较晚但起点很高在吸取国外复合绝缘子生产技术 经验教训的基础上，研制出了自己的复合绝缘子。目前，中国研制的复合绝缘子在 压接密封技术上有了新的突破，还具有不需检测零值、不需经常清扫、不易脆断、 制作成本低等特点。2 0 0 3 年底，国内电网挂网运行的复合绝缘子已超过3 0 0 万只， 2 0 0 4 年实际挂网运行的复合绝缘子在4 0 0 万只，且以每年百万支的速度递增。目前， 多数电网复合绝缘子使用量超过5 0 ，部分电网已超过了8 0 。随着大面积污闪 造成的输电线路故障的不断出现我国复合绝缘子使用量还会大量增加。另外，过 去电网中挂网的瓷及玻璃绝缘子有待用复合绝缘子进行更换，复合绝缘子将会得到 更为广泛的应用 9 - 1 0 】。 用于超高压线路中的复合绝缘子越来越多，在污秽地区以及直流线路上运行的 绝大部分复合绝缘子都表现出了优良的性能。但是，随着复合绝缘子使用量的剧增， 其闪络和损坏的事例也日趋增多。复合绝缘子现场损坏原因基本包括：机械方面 的损坏，主要包括脆断、台风等因素导致的芯棒折断等。这类事故后果严重，可能 导致电网发生恶性事故；绝缘子的电气损坏，如界面击穿、沿面闪络以及老化等 问题。有资料表明【4 】，复合绝缘子表面闪络是绝缘子事故的主要表现，更进一步的 统计分析结果表明，造成表面闪络的原因中雷击、鸟害、污闪、冰闪、大风、外力 华北电力大学硕士学位论文 等占8 1 7 ，未查明原因的( 又称“不明闪络”) 占1 9 3 。有研究认为【1 1 1 ，复合绝 缘子在运行中憎水性部分或完全丧失，是目前复合绝缘子发生不明闪络的主要原 因。而复合绝缘子的老化很可能是导致其憎水性丧失的主要原因。 因此，复合绝缘子的老化越来越成为大家关注的焦点，其主要表现为在运行过 程中其护套、伞裙材料在潮湿、表面放电、紫外线、温度等因素的综合作用下发生 不可逆转的憎水性丧失、粉化、烧蚀及抗撕强度降低等现象【1 2 15 1 。 造成复合绝缘子老化的主要因素包括表面放电( 电晕放电、电弧放电) 、紫外 线、温度及污秽等，其中表面放电对复合绝缘子性能的影响比较严重。当绝缘子表 面场强达到o 5 0 7 k v c m 时，在绝缘子表面的水滴间就会出现电晕放电现象【4 1 。电 晕放电是由于金具、绝缘子设计安装不当或水珠污秽等畸变周围场强分布，以致超 过了空气击穿场强而引起的，它在轻度污秽或清洁条件下也会发生，并且这种放电 持续时间很长、威胁更大。电晕放电导致强烈的氧化作用，直接对憎水性等表面特 征产生明显的影响( 工业上常用电晕处理聚乙烯表面，使其丧失憎水性，便于涂染 和粘结) 【1 6 】：另一方面，放电本身产生的高温可以引起聚合物内部的化学反应，导 致材料出现烧蚀等情况【4 1 。电晕导致的材料老化是永久性的，合成绝缘子故障会在 短短的几年后发生，有的甚至是几个月内【1 7 d 引。 研究表明，复合绝缘子除了具有良好的耐高低温、耐日光紫外线辐射、耐霉菌 等性能外，它的材料结构强度经补强后也能满足结构机械性能的要求，但是当几个因 素共同作用于绝缘子表面，随着时间的增长，就有可能对其电气性能产生较大的影 响。比如温度因素，一般认为高温本身不会明显导致硅橡胶材料的老化，适当的高 温对于硅橡胶复合绝缘子的表面憎水性迁移和恢复有很大帮助。但是过高的温度会 加速硅橡胶分子链的交联，从而使材料的硬度快速增大，而且它与其它因素共同作 用于材料易导致材料的老化。其它化学作用主要包括污秽及湿度对绝缘子表面的影 响以及各种盐、酸、碱和臭氧等对材料的影响，这些因素在实际中是互相影响、共 同作用于绝缘子上的，如放电会导致臭氧和酸的产生并且能产生局部高温，而温度 升高又会加速各种化学变化的速度【4 , 1 9 - 2 2 。 由此可见，电晕放电导致复合绝缘子老化已成为影响其实际运行寿命的一个重要因 素，同时其他因素也有可能加速其老化程度。因此，针对性地开展电晕条件下h t v 硅橡胶老化特性的研究，寻求合成绝缘子老化评价新方法和新标准，找出材料微观 电特性与宏观物理特性之间的联系，对于科学评估合成绝缘子使用寿命等具有非常 重要的理论意义和实践价值。 1 2 硅橡胶材料电晕老化的研究现状 现阶段针对复合绝缘子的电晕老化问题，国内外学者主要是通过实验室老化试验， 2 华北电力大学硕士学位论文 对复合绝缘子在电晕放电中多种因子综合作用下的老化特性进行各种性能测试，并采用 相应的老化评估方法分析各个因子的作用机理。 一、老化试验方法 如何在实验室内用尽量短的时间去评判复合绝缘子的老化性能是当前的研究 热点。国际上各研究机构如i e c 、美国e p r i 、国际高电压大电流技术研究联合会和 意大利的c e s i ( c e n t r oe l e t t r o t e c n i c os p e r i m e n t a l ei t a l i a n o ) 等都提出了各自的人工加 速老化试验方法【2 3 之6 1 。我国目前国家标准中的老化试验方法采用的是i e c 的5 0 0 0 h 综合加速老化方法，在施加高压的同时在一个箱体内循环施加紫外线、热、雨、盐 雾、潮湿等各老化因素。中国电力科学研究院按照此方法对直流和交流老化试验进 行了研究。清华大学和中国电力科学研究院共同提出了一套新的加速老化试验方 法，其主要思想是在盐雾中增加了不可溶盐成分，并延长了盐雾和氙灯的照射时间， 以期更适合国内合成绝缘子的现场运行情况【4 1 。 二、老化特性及评估方法 运行单位更关注正在线路上运行的复合绝缘子的老化状况，包括如何判定它们 的老化状态以及何时应该更换等。国内外研究者对复合绝缘子的老化特性展开了大 量的研究，以便寻找更为有效的老化判定因子和方法，具体有以下几个方面： l 、物理特性分析( 表面形貌、硬度、憎水性等) 通过观察复合绝缘子表面状况是诊断绝缘子老化最简单最快速的方法，包括粗糙 度、颜色、粉化、裂化、电蚀、表面析出物等。一般来说，绝缘子老化后，其表面总是 会发生视觉可以判断的变化，但这些变化，比如像表面析出物，并不都是与绝缘子的电 性能相关的【3 8 】。 憎水性是复合绝缘子最重要的特性之一，它的丧失与否与老化程度密切相关。在恶 劣环境下，包括长时间的干带电弧放电和表面积污，或特殊的表面处理后，硅橡胶最初 憎水性的表面变为亲水性，称为憎水性的丧失；但在无放电的情况下或表面处理停止后 放置一段时间，硅橡胶表面又恢复到憎水性，这种由表面亲水性向憎水性的转变称为憎 水性的恢复【2 7 1 。在i e c 相关标准中，憎水性测量也被称为浸润性测量，推荐的测试方法 主要有三种，即接触角法、表面张力法、喷水分级法。 另外，扫描电镜( s e m ) 也常被用来研究复合绝缘子材料表面形态的变化【2 引。 2 、化学特性分析( x p s 、f t i r 等) x 射线光电子能谱( x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ，x p s ) ：x 射线光电子能谱是 较常用的表面分析技术之一，不仅能测定材料表面的组成元素，而且还能给出各元素的 化学状态信息，在很多领域都有广泛用途。其优点是其样品处理的简单性和广泛的适应 性与高信息量。x p s 的最大特色在于能获取丰富的化学信息，对样品表面的损伤最轻 微【2 9 】。 傅立叶变换红外光谱( f t i r ) ：f t i r 分析能够通过不同波长上的峰值来确定材 3 华北电力大学硕士学位论文 料中的化学键，测量材料老化前后的f t i r 谱图，通过对比就能够得知老化中材料 的降解变化【3 0 1 。 此外，化学分析方法还有气相色谱法、x 射线散射法、二次电子发射法等。 3 、电特性分析( 闪络电压、泄露电流、热刺激电流等) 闪络电压：诊断合成绝缘子老化与否最普遍采用的方法是测量其在雾中的闪络 电压 3 1 - 3 2 1 。根据i e c 5 0 7 ，测量雾( 净雾或盐雾) 中复合绝缘子老化前后的闪络电 压，可评估复合绝缘子老化前后电气性能的变化。闪络电压测试能够对绝缘子的电 气性能进行全面的评价【2 8 1 。 泄露电流：在各种应力叠加作用下，由于复合绝缘子表面出现泄漏电流及放电 ( 电晕、干燥带电弧放电、闪络等) ，绝缘表面的老化将显著发展。由于这一原因， 在实验室和现场研究中，泄漏电流的测量常被用以评估复合材料表面性能及其老化 的程度f 3 3 1 。 热刺激电流( t s c ) 方法是介质物理基础上发展起来的一门技术。通常注入材 料的电子会被不同能级的陷阱捕捉，在环境温度发生变化时，随着温度的升高被捕 获的电子获得释放，形成t s c 特性曲线。由t s c 曲线，根据相关算法可以确定出 陷阱能级、陷阱电荷量等参数。 另外，像表面电阻率测量、局部电弧测量也是作为电特性分析的一种手段，但 效果并不是很理想。 三、老化机理 电晕放电引起硅橡胶材料老化的机理主要从以下四个方面阐述【2 7 】： ( 1 ) 电晕放电产生的带电粒子对材料表面的轰击，使硅橡胶材料主链断裂，高 分子离解或部分变成小分子； ( 2 ) 电晕放电引起材料局部温度上升，放电区域内的热量使硅橡胶材料发生热 裂解； ( 3 ) 电晕会产生臭氧，在高湿度条件下，又会转变为硝酸，它们的氧化及腐蚀 作用容易加速硅橡胶材料的老化； ( 4 ) 电晕放电会产生紫外线和x 射线等辐射，导致硅橡胶材料分解。 具体到不同的试验条件，国内外研究者所持观点如下： 美国的v m m o r e n o 教授等人对3 种复合绝缘子在相对干净的环境中进行金具 端电晕放电，水珠电晕放电的试验研究。试验分析结果表明，复合绝缘子材料的电 晕老化是一个电、化学反应共同作用的结果，而不是热效应【3 引。 r s g o r u r 教授采用单针一板的电极形式产生电晕，通过观测合成绝缘子试样在 电晕不同时间后的表面形态，测重量损失，红外光谱分析等，对复合绝缘子护套在 潮湿环境下的电蚀损机理进行了研究。结果验证了化学反应是硅橡胶材料绝缘护套 电晕老化主导的假设【35 1 。 4 华北电力大学硕士学位论文 美国的k u m o s a 等人通过试验分析，表明在空气电晕放电时产生的硝酸不但能 够腐蚀老化合成绝缘子表面，导致绝缘子性能下降，更能渗入到内部导致复合绝缘 子发生脆性断裂，产生更大的危害【2 7 1 。 y u k i h i r o 等人探讨了电晕放电对硅橡胶的老化作用及填料种类、含量对硅橡胶 老化特性的影响。通过测量电晕放电过程中的臭氧浓度及硅橡胶表面的p h 值，并 结合f t i r 分析结果，认为电晕放电时硅橡胶表面褪色( 变白) 及白色粉末沉淀主 要是由硝酸引起的【33 。 华北电力大学的梁英通过研究硅橡胶在不同电晕电压和不同电晕时间后的憎 水性丧失以及憎水恢复特性发现【3 8 1 ，硅橡胶的憎水性只有当外加电压达到起晕电压 后才会逐渐减弱。停止电晕作用后若电晕电压较低且作用时间不长，则硅橡胶的憎 水性通常可以基本完全恢复，但长时间高强度电晕作用后硅橡胶的憎水性并不能完 全恢复。此外，通过t s c 测试发现，电晕电压越高或电晕作用时间越长，硅橡胶中 的陷阱密度越大，陷阱能级越深。上述现象可归结于电晕放电中产生的带电粒子轰 击硅橡胶表面以及发生了氧化反应。通过研究不同相对湿度下电晕后硅橡胶的憎水 性丧失以及憎水恢复特性发现，电晕时间较短时，相对湿度对硅橡胶材料的憎水性 丧失及憎水恢复特性的影响很小，但当电晕时间较长时，硅橡胶材料的憎水恢复特 性随着相对湿度的增加而减慢。 武汉大学的蓝磊等人通过测量r t v 硅橡胶在电晕老化不同时间后的f t i r 谱 图，对材料的抗电晕老化性能进行了试验研究，分析后认为电晕放电造成硅橡胶材 料老化的主要原因是高能粒子的碰撞，其次是紫外线辐射，化学腐蚀( 硝酸和臭氧) 处于次要地位【”】。 综上所述，国内外学者从不同角度对硅橡胶材料的电晕老化问题进行了试验研 究，但是并没有一个统一的研究结果。目前的研究主要存在以下一些问题： 1 对于如何在实验室内用尽量短的时间去评判复合绝缘子的老化性能是当前 的研究热点，但是现有的试验主要还是靠加剧试验条件来达到缩短时间的效果，并 没有从实验方法上有一个新的突破。 2 国内外学者大多是从宏观特性的角度对电晕老化中各因素对硅橡胶材料电 晕老化中的作用进行了研究，而对于从微观电特性的角度各因素作用机理的研究相 对较少； 3 对于硅橡胶材料电晕老化中哪个或哪几个因素起主要作用还没有一个统一 的结果，研究还不够系统和深入； 4 对现有测试手段的研究开展得较少。特别是在对材料微观电特性的研究中， 由于有些试验平台没有统一的标准，而试验参数对于试验结果会有一定的影响，所 以对于试验参数的研究也是很有意义的工作。 华北电力人学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 在综合国内外研究的基础上，本课题主要针对电压和湿度对硅橡胶复合绝缘子 老化的作用进行了较为系统的试验研究，主要工作如下： 1 学习试验设计原理，采用基于多因素的正交老化试验方法设计电晕老化试验 方案； 2 开展热刺激电流特性( t s c ) 、空间电荷特性的试验参数的研究，确定较为合理 的试验条件； 3 开展不同条件下的电晕老化试验，综合分析对比试样的t s c 特性、空间电荷 特性、憎水性恢复特性等，研究电压、湿度对硅橡胶老化的作用机理。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 硅橡胶试样 第二章电晕老化试验 试验采用的是广泛用于户外绝缘的高温硫化硅橡胶，它是以聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) 为生胶，以耐电蚀损性能、导热性能好的氢氧化铝稳定剂、能提高机械强度 的白炭黑( s i 0 2 ) 、着色剂、过氧化物交联剂等为主要添加物，以一定比例混合，并经 高温硫化而制成。试样直径为3 0 m m 、厚约l m m ，其具体形状如图2 1 所示。 图2 1 试样的形状 2 2 固体电介质耐电晕试验装置 硅橡胶材料的老化试验采用本实验室自行研制的固体电介质耐电晕试验装置进行， 其示意图如图2 2 。该系统主要包括五部分：1 ) 高压电源及试验保护系统；2 ) 电极系 统；3 ) 数据采集系统；4 ) 测量保护系统；5 ) 电晕老化试验环境箱，实际的装置如图 2 3 所示。 图2 2 占 体电介质耐电晕试验装置示意图 华北电力大学硕+ 学位论文 该系统最多可同时对5 4 路试样进行电晕加速老化，工频高压通过高压继电器和导电 纸组成的保护加到上电极，由于上电极采用的是针电极，导致周围空气电场发生畸变而 产生电晕放电，放置于下电极上的硅橡胶试样由于长时间受到带电粒子轰击等作用， 其结构和性能遭到破坏。泄漏电流通过耐高温的屏蔽电缆引至测量系统，测得的数 据由电缆线传输到采集卡，由计算机进行数据显示、分析和处理。老化试验环境箱 可以保持试验所需的温湿度。试验证实，当试样击穿时，保护系统能够及时启动， 体现了较高的自动化程度。 2 2 1 高压电源及试验保护系统 图2 - 3 实际装置图 高压电源及试验保护系统由可控的交流高压电源，高压继电器和导电纸三部分 组成。1 ) 电源选用了武汉电气测试设备厂生产的y d 6 5 0 型高压试验变压器，具 体参数如下：额定电压2 0 0 5 0 k v ，额定容量6 k v a ，变比k 为2 5 0 。2 ) 高压继电器 的主要作用是实现a s t md 2 2 7 5 0 1 标准中所要求的节省试验时间的方法，即当九 个试验中有五片试样已经击穿时，则余下的四片试样可停止试验，以第五个试样的 击穿时间为准。试验采用j t - 5 常闭型真空高压继电器，由无锡普天科技有限公司生 产，具体参数为：吸合电压1 6 v ，触点间和触点与底板之间耐受电压等级为2 5 k v 3 ) 导电纸的保护原理是当某一路试样发生击穿时在该路中会流过一个大电流，电 流流过导电纸时引起导电纸发热迅速燃断，该路试验退出运行，其余试样不受影响， 将继续进行老化试验【4 0 1 。 华北电力大学硕十学位论文 2 2 2 电极系统 电极采用传统的针板模式以模拟现场中的尖端电晕放电。针电极作为上电极， 曲率半径是0 2 m m ，板电极是下电极，直径是3 0 m m 。整个电极系统包含5 4 组针 板电极，如图2 - 4 所示，针电极、板电极分别布置在上下两个由绝缘杆连接的正对 的环氧树脂平板上，且每组针板电极中心相对；绝缘板上的针针板一板距离为 9 0 m m ，利用a n s y s 软件对此进行建模计算，结果表明在所加电晕电压下，各组电 极间电场强度的影响很小：针板电极间的距离可通过上极板在绝缘杆上的移动来调 节；下极板可以移动，以方便放置、拿取试样【4 0 1 。 2 2 3 数据采集系统 图2 - 4 电极系统 数据采集系统满足如下要求：1 ) 能够同时对多路电晕电流信号进行采集并显 示测量结果；2 ) 能够测量并显示电晕电压波形；3 ) 能够计算电晕放电正负半周的 累积电荷量和总电荷量；4 ) 具有波形回放功能，可以在试验后随时查看和分析已存储 的数据【删。 1 硬件选择 设置好恒温恒湿箱的温湿度以后，对放置于箱体内的试样加压，泄漏电流经过 屏蔽电缆引出，接到数据采集卡的输入通道，p c 端的软件模块负责将采集卡采到的 电流信号进行一系列分析、处理、保存等工作。 图2 - 5 为采集系统的示意图，该系统包括保护电路，采样电阻、数据采集卡、 工控机、双屏蔽低噪声电缆等。顾名思义，采样电阻用来采集泄露电流信号，阻值 为5k q ，为高精密无感电阻。快速恢复二极管、氧化锌压敏电阻和放电管组成的三 级保护电路实现对采集卡的保护【4 0 1 。采集卡的选择主要从通道数、采样率、精度、 数字i o 口个数及价格等几方面考虑，选用了凌华公司的d a q 2 2 0 4 型数据采集卡， 该卡是p c i 总线1 2 位的采集卡，采样率为3 m s ，具有6 4 个输入输出通道，2 4 个数 9 华北电力大学硕士学位论文 字i o 口。 图2 - 5 采集系统的示意图 2 软件设计 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g ) 是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及 数据采集卡通讯的全部功能。此外，它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件 标准的库函数，在数据采集、自动控制等方面应用非常广泛。 本实验室以l a b v i e w 为平台，开发了一套用于多路数据采集的软件系统。该系 统主要包括系统初始化、数据采集、中断控制输出、数据库建立与调用等部分，其 程序前面板如图2 6 所示。 骖揪鬣维甏薷圈。蚴露鞫蟹 击穿显示 i o 7 擘簟 l ， ，n，s l ，零 毋参 l ，：i 9神2 t笠 臼2 1 ；尊疆 ；：* ”*”* 番参 #剪辨3 9o1啦 l ，鲁参9 ：伸 ， 螂竹wj l ：毋9 j ：。一一，。 j 雾曼建墅! 坠 l 壅熊畦鲤。二， # 7。0 珏j “。一| i 一 啬嘲。t 二。”一一羹 鼍! ! l 一 z 箩j - |习囝i ? 一 l1 ：，、，i ， l l 。磊一疋。：。一。五。二。氛。如，。：o 急z 己i 图2 - 6 程序前面板图 该程序可以实现对泄露电流的采集与显示、信号的分析与处理、继电器自动或手动 l o 华北电力大学硕十学位论文 断开、文件读取与存储功能。 2 2 4 电晕老化试验环境箱 电晕老化试验环境箱为宁波海曙赛福实验仪器厂生产的h w s - 1 0 0 0 型恒温恒湿 箱，它不但有优良的温湿度控制性能和抗干扰能力，同时还可选择连续工作方式或 定时工作方式，具体参数见表2 1 。 表2 1 恒温箱参数 内径尺寸外径尺寸控温范围湿度范围除霜方式 智能 1 5 0 0 x 9 0 0 x 7 0 0l6 0 0 x o o o x- 5 8 0 l o 5 0 ：5 0 - - 9 5 手动除霜 恒温m m1 2 5 0 m m 控温精度士lp h ，8 0 ：5 恒湿，除霜时短p h 控湿精度： 箱时波动士3 a 5 升温通过恒温箱内置的加热管加热，降温及除湿利用压缩机间歇工作实现，加 湿装置采用的是亚都超声波加湿器，老化箱实物图如图2 - 7 所示。 图2 - 7 电晕老化试验环境箱 华北电力大学硕士学位论文 2 3 电晕老化试验方法和步骤 2 3 1 试验电压的确定 对硅橡胶材料进行电晕老化，施加多大的电压是需要考虑的问题。如果所加电 压过低，试样在仅有交流电场作用而无放电情况下其老化效果并不明显：如果电压 太高，容易造成沿面闪络甚至击穿，所以所加电压应在起晕电压与造成间隙击穿电 压两者之间选择。 将试品放置在直径为3 0 m m 的板电极上，调整针电极与试品之间的距离为l m m ， 加交流电压，用示波器观察信号，在有稳定的电晕信号出现时，记录此时电压为 2 6 k v ，逐步提高电压值，当达到l o k v 时，针板电极间的气隙短时间内被击穿，导 电纸燃断。设一定条件下电晕起始电压为u o ，则定义电晕强度为实际旋加电压与 u o 的比值，用1 3 表示。经过试验确定u o 为2 6 k v ，试验一般选择电晕强度为2 - 3 ， 最终确定了试验电压分别为4 k v 、6 k v 、8 k v 。 2 3 2 电晕老化试验步骤 电晕老化试验一般采用以下步骤：1 ) 试验前，先将试样置于无水乙醇中充分 漂洗，以除去制备和运输过程中残留在试样表面的污秽，然后放入烘箱中烘干备用； 2 ) 将试样放入老化试样箱的下电极上，调节针电极到试样表面的距离为l m m ，接 好试验线路；3 ) 预先设定好试验所需的温湿度，当满足环境要求时，打开电源控 制箱，在试样两端施加工频交流电压，缓慢升至相应值；4 ) 当达到设定的老化时 间后取出试样并进行相关特性分析，需要注意的是老化过程中如果出现断电等意外 情况，则该组试样将被废弃。 2 4 小结 本章首先对硅橡胶的制备过程做了简单介绍，其次介绍了硅橡胶材料耐电晕试验装 置的软硬件组成，主要包括五个部分：1 ) 高压电源及试验保护系统；2 ) 电极系统；3 ) 数据采集系统；4 ) 测量保护系统；5 ) 电晕老化试验环境箱。第三，介绍了电晕老化试 验方法和试验步骤，确定了试验电压和试验过程中应注意的一些问题。 华北电力大学硕士学位论文 第三章正交老化试验方案及相关测试参数的确定 硅橡胶复合绝缘子在使用的过程当中，由于受到外界各种因素的相互作用，长期使 用其电气性能会逐渐变差，该过程称为老化。研究发现，其性能的下降主要是由带电粒 子、硝酸、温度、紫外线等相互作用导致的【1 5 1 。在以往的研究中，一般都是采用单因素 分析的试验手段来评判各因子对硅橡胶老化作用的影响，即在其他条件都不变的情况 下，只改变其中一个因子来观察它对老化过程的影响，很显然如果按照现场运行条件来 进行试验的话，耗时会很长。 如何在实验室内用尽量短的时间来评判复合绝缘子的老化性能是很有意义的。 为了系统开展电晕老化对硅橡胶性能影响的研究，本论文采用正交老化试验方法， 较为系统的开展研究电压、湿度、加压时间对硅橡胶老化的影响。 3 1 正交试验设计方法 3 1 1 试验设计方法概述 试验设计是数理统计学的一个重要分支。多数数理统计方法主要用于分析已经得到 的数据，而试验设计却是用于决定数据收集的方法。试验设计方法主要讨论如何合理地 安排试验以及试验所得的数据如何分析等【4 1 1 。 试验设计方法常用的术语定义如下【4 2 】： 试验指标：指作为试验研究过程的因变量，常为试验结果特征的量。 因素：指作为试验研究过程的自变量，常常是造成试验指标按某种规律发生变化的 那些原因。 水平：指试验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级。 本论文为了研究电压、湿度、时间对硅橡胶材料电气性能变化的影响，需对这三 个因素各按3 个水平进行试验，见表3 1 。 表3 - 1 冈素水平表 因 素 水平 电压( u )时间( t )相对湿度( d ) l4 k v l 天 5 0 26 k v 7 天 7 0 38 k v 1 5 天 9 0 很容易想到的是全面搭配法方案( 如图3 1 所示) ：此方案数据点分布的均匀性极好， 华北电力大学硕士学位论文 因素和水平的搭配十分全面，唯一的缺点是实验次数多达3 3 = 2 7 次( 指数3 代表3 个 因素，底数3 代表每因素有3 个水平) 。因素、水平数愈多，则实验次数就愈多，因此 需要寻找一种合适的试验设计方法。 图3 - 1 全面搭配法方案 e 常用的试验设计方法有g 正交试验设计法、均匀试验设计法、单纯形优化法、双水 平单纯形优化法、回归正交设计法、序贯试验设计法等。可供选择的试验方法很多，各 种试验设计方法都有其一定的特点。所面对的任务与要解决的问题不同，选择的试验设 计方法也应有所不同，本论文采用的是正交试验设计方法。 3 1 2 正交试验设计法的优点和特点 用正交表安排多因素试验的方法，称为正交试验设计法。其优点为：完成试验要 求所需的实验次数少，对于3 因素3 水平来说，如果采用全搭配试验方案，需做2 7 组 老化试验，但是采用正交试验方案，则只需要9 组。数据点的分布均匀。可用相应 的极差分析方法、方差分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论【4 1 1 。 正交试验设计方法是用正交表来安排试验的。各列水平数均为3 的常用正交表有： b ( 3 4 ) ；各列水平数均为4 的常用正交表有：l 1 6 ( 4 5 ) 。对于本试验适用的是b ( 3 ) ， 含义见图3 2 ，其试验安排见表3 - 2 。 芷交襞的嘲数 每荧啪水平数 实验的 燃 正交褒窘g 代警 图3 - 2 正交表名称写法含义 1 4 曷甚甚甚甚甚 华北电力大学硕士学位论文 表3 - 2 正交试验安排表 试验号电压时间 湿度误差列试验指标 l33l3 2l233 33132 4l322 5233l 63221 722l2 82l23 9 l ll l 所有的正交表与b ( 3 4 ) 正交表一样，都具有以下两个特点： ( 1 ) 在每一列中，各个不同的数字出现的次数相同。在表3 2 中，每一列有三个水 平，水平l 、2 、3 都是各出现3 次。 ( 2 ) 表中任意两列并列在一起形成若干个数字对，不同数字对出现的次数也都相同。 在表3 2 中，任意两列并列在一起形成的数字对共有9 个：( 1 ，1 ) ，( 1 ，2 ) ，( 1 ，3 ) ， ( 2 ，1 ) ，( 2 ，2 ) ，( 2 ，3 ) ，( 3 ，1 ) ，( 3 ，2 ) ，( 3 ，3 ) ，每一个数字对各出现一次。 这两个特点称为正交性。正是由于正交表具有上述特点，就保证了用正交表安排的 试验方案中因素水平是均衡搭配的，数据点的分布是均匀的。因素、水平数愈多，运用 正交试验设计方法，愈发能显示出它的优越性。 3 1 3 选择正交表的基本原则 一般都是先确定试验的因素、水平和交互作用，后选择适用的l 表。在确定因素的 水平数时，主要因素宜多安排几个水平，次要因素可少安排几个水平【4 1 1 。 ( 1 ) 先看水平数。若各因素全是2 水平，就选用l ( 2 “) 表；若各因素全是3 水平， 就选l ( 37 、) 表。若各因素的水平数不相同，就选择适用的混合水平表。 ( 2 ) 为了对试验结果进行方差分析或回归分析，还必须至少留一个空白列，作为“误 差”列，在极差分析中要作为“其他因素”列处理。 ( 3 ) 要看试验精度的要求。若要求高，则宜取实验次数多的l 表。 ( 4 ) 若试验费用很昂贵，或试验的经费很有限，或人力和时间都比较紧张，则不宜 选实验次数太多的l 表。 ( 5 ) 按原来考虑的因素、水平和交互作用去选择正交表，若无正好适用的正交表可 选，简便且可行的办法是适当修改原定的水平数。 ( 6 ) 对某因素或某交互作用的影响是否确实存在没有把握的情况下，选择l 表时常 为该选大表还是选小表而犹豫。若条件许可，应尽量选用大表，让影响存在的可能性较 大的因素和交互作用各占适当的