（高电压与绝缘技术专业论文）有机绝缘材料电晕老化测试系统的研制.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 参照美国a s t md 2 2 7 5 0 1 固体电绝缘材料表面对局部放电( 电晕) 的耐压性测 试方法中的试验装置，本文研制了一套固体有机绝缘材料电晕老化测试系统。该系 统能实现不同的电晕试验条件，能够同时对5 4 个试样进行电晕老化试验。该系统 主要包括电晕电极组、测量装置、保护系统、环境控制及监测装置等。此外，还采 用l a b v i e w 软件平台开发了用于该系统的电流、电压、累积电荷量等信号的实时采 集、分析监测软件。本文最后利用所研制的系统对高温硫化( h t v ) 硅橡胶进行了 初步的电晕老化试验，发现不同的电晕条件对硅橡胶性能的影响是不同的。初步试 验也表明所研制的系统能够按照设定的试验条件可靠稳定运行。本试验系统的成功 研制有望为国内研究有机绝缘材料的耐电晕老化问题提供一个标准的试验平台，进 而有助于开展各类固体绝缘材料的耐电晕老化特性的研究工作。 关键词：固体绝缘材料电晕老化测试系统 a b s t r a c t r e f e r r i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ei nt h ea s t md 2 2 7 5 0 1s t a n d a r dt e s tm e t h o d f o rv o l t a g ee n d u r a n c eo fs o l i de l e c t r i c a li n s u l a t i n gm a t e r i a l ss u b j e c tt oc o r o n ao nt h e s u r f a c e ，as e to ft e s t i n gs y s t e mf o rt h ec o r o n aa g i n go fo r g a n i ci n s u l a t i o nm a t e r i a l sw a s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h en e ws y s t e mc o u l ds e td i f f e r e n tc o r o n ac o n d i t i o n s ，a n dt h e r e w e r eu pt o5 4s a m p l e sc o u l db et e s t e ds y n c h r o n o u s l yu n d e rt h es e te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n ss y s t e m t h en e ws y s t e mi sc o m p o s e do fc o r o n ae l e c t r o d es y s t e m ，m e a s u r i n g s y s t e m ，p r o t e c t i o nd e v i c e ，a n de n v i r o n m e n tc o n t r o l i n ga n dm o n i t o r i n gd e v i c e m o r eo v e r ， as o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m ，w h i c hc a nc o l l e c ta n d a n a l y zt h ec o r o n ac u r r e n t ，c o r o n av o l t a g ea n ds o m eo t h e rp a r a m e t e r sa tr e a lt i m e a n d t h ec o r o n aa g i n ge x p e r i m e n tf o rh t vs i l i c o n er u b b e rs a m p l e sw a sc a r r i e do u tu s i n gt h e n e wd e v e l o p e ds y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i e dc o r o n ac o n t i d i t o n s w o u l di n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fh t vs i l i c o n er u b b e ri nd i f f e r e n tw a y s ，t h i st e s ta l s o 旷e r i f i e dt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h i sw o r ki s e x p e c t e dt op r o v i d ea s t a n d a r de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h er e l a t i v er e s e a r c ho nt h ec o r o n aa g i n go fs o l i d i n s u l a t i o nm a t e r i a l s k e y w o r d s ：s o i l di n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，a g i n g , c o r o n a , t e s t i n gs y s t e m 华北电力大学硕士学位论文 摘要 参照美国a s t md 2 2 7 5 0 1 固体电绝缘材料表面对局部放电( 电晕) 的耐压性测 试方法中的试验装置，本文研制了一套固体有机绝缘材料电晕老化测试系统。该系 统能实现不同的电晕试验条件，能够同时对5 4 个试样进行电晕老化试验。该系统 主要包括电晕电极组、测量装置、保护系统、环境控制及监测装置等。此外，还采 用l a b v i e w 软件平台开发了用于该系统的电流、电压、累积电荷量等信号的实时采 集、分析监测软件。本文最后利用所研制的系统对高温硫化( h t v ) 硅橡胶进行了 初步的电晕老化试验，发现不同的电晕条件对硅橡胶性能的影响是不同的。初步试 验也表明所研制的系统能够按照设定的试验条件可靠稳定运行。本试验系统的成功 研制有望为国内研究有机绝缘材料的耐电晕老化问题提供一个标准的试验平台，进 而有助于开展各类固体绝缘材料的耐电晕老化特性的研究工作。 关键词：固体绝缘材料电晕老化测试系统 a b s t r a c t r e f e r r i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ei nt h ea s t md 2 2 7 5 0 1s t a n d a r dt e s tm e t h o d f o rv o l t a g ee n d u r a n c eo fs o l i de l e c t r i c a li n s u l a t i n gm a t e r i a l ss u b j e c tt oc o r o n ao nt h e s u r f a c e ，as e to ft e s t i n gs y s t e mf o rt h ec o r o n aa g i n go fo r g a n i ci n s u l a t i o nm a t e r i a l sw a s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h en e ws y s t e mc o u l ds e td i f f e r e n tc o r o n ac o n d i t i o n s ，a n dt h e r e w e r eu pt o5 4s a m p l e sc o u l db et e s t e ds y n c h r o n o u s l yu n d e rt h es e te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n ss y s t e m t h en e ws y s t e mi sc o m p o s e do fc o r o n ae l e c t r o d es y s t e m ，m e a s u r i n g s y s t e m ，p r o t e c t i o nd e v i c e ，a n de n v i r o n m e n tc o n t r o l i n ga n dm o n i t o r i n gd e v i c e m o r eo v e r ， as o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m ，w h i c hc a nc o l l e c ta n d a n a l y zt h ec o r o n ac u r r e n t ，c o r o n av o l t a g ea n ds o m eo t h e rp a r a m e t e r sa tr e a lt i m e a n d t h ec o r o n aa g i n ge x p e r i m e n tf o rh t vs i l i c o n er u b b e rs a m p l e sw a sc a r r i e do u tu s i n gt h e n e wd e v e l o p e ds y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i e dc o r o n ac o n t i d i t o n s w o u l di n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fh t vs i l i c o n er u b b e ri nd i f f e r e n tw a y s ，t h i st e s ta l s o 旷e r i f i e dt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h i sw o r ki s e x p e c t e dt op r o v i d ea s t a n d a r de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h er e l a t i v er e s e a r c ho nt h ec o r o n aa g i n go fs o l i d i n s u l a t i o nm a t e r i a l s k e y w o r d s ：s o i l di n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，a g i n g , c o r o n a , t e s t i n gs y s t e m 士：q明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文有机绝缘材料电晕老化测试系统的研 制，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：至盏盘日 期： 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) 作者签名：导师签名：三至疃 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研制有机绝缘材料电晕老化测试系统的意义 随着电力系统输电电压等级的提高，对绝缘材料提出了更高的要求，传统的无 机绝缘材料暴露出了其性能上的固有缺陷与弱点，如笨重易碎、耐污闪性能差、运 输安装不便、运行维护工作量大，以及制造时生产工艺复杂、废品率高、能源消耗 大、对环境污染大等，难以满足电力系统对绝缘材料越来越高的要求n3 。 为了适应电力系统的发展，必须寻找一种高性能的材料代替传统的无机绝缘材 料。随着高分子合成技术的发展，一部分高分子材料所具有的绝缘优异特性为研究 开发新型绝缘材料创造了条件瞳1 。6 0 年代末到7 0 年代初，欧洲以及美国开始制造 用于输电线路的有机绝缘材料，如乙丙橡胶、室温硫化硅橡胶、高温硫化硅橡胶等 3 7 】 o 有机绝缘材料与传统的无机绝缘材料相比，在材料、结构上有着本质的不同， 性能上有明显的优势，如重量轻、耐污闪能力好、维护工作量少、经济效益高等优 点，使有机绝缘材料在电力系统中应用十分广泛。电力系统中许多重要设备中的绝 缘部分由有机绝缘材料组成，如输电线路、发电机、电力变压器、电力电缆等1 ， 有机绝缘材料在电力系统中的应用为电力系统的安全运行提供了保障、取得了巨大 的社会经济效益。 虽然有机绝缘材料被大量采用，但由于有机材料长期运行在和大气环境接触的 带电条件下，受到温差变化、风吹雨淋、阳光紫外线辐射等各种环境因素的影响， 必将出现老化现象。以有机绝缘材料制作的复合绝缘子为例，硅橡胶复合绝缘子的 老化，会出现粉化、龟裂、电痕等现象，其抗污闪性能也逐渐降低，老化到一定程 度，则发生污闪，对输变电线路的正常运行产生影响呻14 1 。 研究人员对有机材料绝缘子电蚀老化机理的研究主要集中在电弧放电老化现 象n 5 q 引，而电晕老化问题没有引起人们足够的重视，耐电晕老化还缺乏一个全面的 评价体系。而针对现场中运行的有机绝缘材料来说，电晕放电现象的影响又是十分 重要的。以有机绝缘材料制作的复合绝缘子为例，复合绝缘子在干湿环境下运行， 沿外绝缘表面出现的爬电电流，水珠电晕和高场强的金具端部空气起晕，都将造成 电晕老化。北京地区运行近1 0 年的各种电压等级的复合绝缘子，受日光直接照射 的伞裙上表面颜色虽然没有明显改变，但背光的产品伞裙下表面颜色都明显变浅。 这说明，运行的有机材料复合绝缘子外绝缘表面水珠电晕老化远远大于日光紫外线 照射的老化程度。 在我国很多地区常年空气湿度较高，有机材料复合绝缘子长年在这种环境下运 华北电力大学硕+ 学位论文 行，其绝缘表面电晕老化程度非常严重n7 。电晕老化使材料表面化学结构破坏，憎 水性丧失，并进一步导致电弧放电，电弧放电将使材料产生漏电起痕和电蚀损，导 致其失去使用价值。而且电晕导致的材料老化使永久性的。电晕老化导致了硅橡胶 复合绝缘子的运行年限远小于其正常使用寿命，对输变送线路的正常运行产生影响 1 2 1 4 o 尽管有不少由电晕引起的事故，由于固体材料的耐电晕老化试验具有较大的难 度，工作量也很大，对试验的要求也较高，所以对电晕引起材料老化的机理以及各 种填料对其耐电晕性能的影响等的研究开展得很少，因此到目前为止，对于有机绝 缘材料而言还没有评价材料耐电晕老化的试验方法和相关标准。 开展有机绝缘材料电晕老化特性及其机理的研究，发展其老化性能综合评价模 型，对于更好的理解有机绝缘材料耐电晕老化机理，科学评估使用寿命，指导材料 配方等方面具有重大的理论意义和实践价值。对有机绝缘材料的老化分析必须以试 验为基础，而对于有机绝缘材料的电晕老化试验装置目前很少有人从事研究，这给 有机绝缘材料的电晕老化试验带来了不便，研究此装置可以为老化试验提供便利， 从而更容易分析寻找微观电特性与老化特性的关系。 综上所述，研究一套可以提供不同的电晕条件和环境条件的试验装置，为电晕 老化试验提供标准的试验平台，具有重要的科学意义和实践价值。 1 2 国内外研究现状 目前国内还未有类似的电晕条件下固体绝缘材料耐电压特性的研究测试平台， 国外的对电晕老化测试系统得研究现状如下。 1 a r i z o n as t a t e 大学的g o r u r 教授针对复合绝缘子的护套研制了相应的电晕加 速老化装置【2 6 1 ，该装置如图1 1 所示。 l r a l a 枷- 妒i m l _ r 埘簪 孙m 眦掉痂i 南蛾 图1 1 试样测试装置图 2 华北电力大学硕士学位论文 该试验表明：湿度在材料老化过程中的作用至关重要，它不仅制约试样老化的 程度，而且影响老化机理。整个试验装置腔内的温度是由喷入的湿空气的温度进行 调节。 2 a r i z o n as t a t e 大学的k a r a d y 教授研究了电晕引起的a d s s 光缆护套的老化问 题，该试验针对潮湿环境下由水珠引发的光缆护套的电蚀损机理作了进一步研究， 研究结果进一步验证了绝缘护套的水珠电晕中化学变化是其主导因子这一假设。表 明湿度在材料老化过程中的作用至关重要，它不仅制约试样老化的程度，而且影响 老化机理。并研制了相应的电晕加速老化装置【2 7 】，如图1 2 所示。 ”_ _ q n m 蝌 _ _ 一 t ：瓣。v t r a n s f o r m e r l 蛾：孙o nc i r c u i tc u r r e n t r ：s a m p l i n gr e s i s t o r - 廷c ： ，文；l i ； ， w a 馘s p r a y t ， r 。c ：l i m i t i n gi m p e d a n c e v 比o p c n c i r c u i tv o l t a g e 图1 - 2a d s s 光缆护套老化装置图 该试验针对电晕引起的a d s s 光缆护套的老化问题设计了一套全新的实验方 案，结合化学分析提出了电晕放电产生的等离子体和表面相互作用的老化机理并预 估长期电晕下其使用寿命为8 到1 5 年。 3 美国的j m c m a h o n 教授研究了电晕对聚烯烃树脂薄膜的老化问题，并研 制了相应的装置【2 8 】，如图1 3 所示。 图卜3 聚烯烃树脂薄膜老化装置图 华北电力大学硕士学位论文 该试验研究了不同湿度、气体、机械力等因素对聚烯烃树脂薄膜的老化的影响， 对老化机理进行了探究。 纵观以上几组电晕老化装置可以得出：g o r u r 教授研制的装置只能针对一组试 品进行研究，若要研究多组试品需重复进行，这样难以保证每组试验的条件完全一 致；k a r a d y 教授研制的装置不足在于试验环境如温度无法人为控制，难以考察温度 对电晕老化的影响；j m c m a h o n 教授研制的装置仅仅针对薄膜试品进行研究，对 较厚的试品却没有涉及。 在参考了国内外的相关文献的基础之上，为了更好的对有机绝缘材料在多种环 境下进行电晕老化试验保证其准确和方便，本课题要研究一套可根据需要电晕条件 ( 包括电晕强度、湿度以及温度等参数) 可控的、能够同时进行多个厚试样的固体 绝缘材料耐电晕老化测试系统。为此参考了美国a s t md 2 2 7 5 0 1 标准进行了装置 的构建。 1 3 美国a s t md 2 2 7 5 0 1 标准 美国a s t md 2 2 7 5 0 1 标准即电晕条件下固体绝缘材料电压耐受特性试验方法， 该标准是美国材料与试验协会为固体绝缘材料的电晕耐受性能试验而专门制定的。 该标准规定： 1 高压电源： 试验需具备可控制和能进行电压测量的高压源；另外，在电压测试期间能够提 供精度为1 的电源电压，如果需要的话可以使用稳压源或其他合适的设备。 2 限流电阻： 变压器和试样之间的串联电阻在试样击穿时限制其电流到0 0 5 a ，这些电阻必 须有足够的电压等级。限制电流防止电极蚀损，降低浪涌。因为一旦高压电极接地 会导致电阻过热，必须确定电路断开。 3 电路保护： 当一个试样击穿时，能够操动高压保护系统，进而打开电源与试样串联的一个 间隙，这样可以让其他试样继续进行试验。同时击穿电流操动继电器产生脉冲触发 事件记录器记录击穿时间。自动断路器在副边持续通过0 0 5 a 的电流1 5 s 时候的开 断电路以保护整个电路。 4 电极： 电晕老化试验需使用较小上电极，如柱状电极( 直径1 3 m m ，高1 3 m m ，重量9 0 克) 、钢球电极( 直径1 2 7 m m ，重量5 0 克) 、柱状电极( 直径6 0 0 3 m m ，重量3 0 克，这是i e c 的标准电极) 。且下电极比上电极大至少1 3 m m ，如果与电路相连下电 极会有一个平台。标准电极材料是3 0 9 或3 1 0 号不锈钢，光洁度为0 4 帅。 4 华北电力大学硕+ 学位论文 5 测量： 实验开始时需要测量电晕电压等级，并在绝缘老化的不同阶段监测该值。电压 水平包括起晕电压、电晕熄灭电压。而且也可以利用电桥和示波器进行电晕能量和 功率的测量。 该电路必须有安全连续可靠的控制，还要自动监测击穿时间和自动将击穿试样 从测试电路中转移出去。 6 试样 试样要选用厚度为1 4 m m 左右的材料，对于较厚的材料，要减小其厚度，让未 修改的一面对准小电极，试样的大小要能够覆盖整个电极以防止闪络。 7 环境 电晕的产物以及空气中的湿气经常容易阻止放电进而影响击穿时间，因此有必 要在试验前清洁试样，因为这些因素有可能改变耐电晕特性，这个因素应该作为试 验的一部分而介绍并给予报道。 8 试验步骤 在试样上施加一个高于电晕起始值的电压，但要求在此电压下试样不能在1 天 之内发生击穿，且能够在短于3 0 天发生击穿，通常是2 0 k v m m 。 通常把中间击穿的时间作为测试时间。当对9 个试样进行电晕试验时，如果中 值时间不高于第一个击穿时间的两倍，认为这个时间就是击穿时间。如果分散性较 大，在韦布尔概率图纸上作一条直线，将直线中的5 0 击穿时间作为最终击穿时间。 用每次试验的经验值决定下一次较低的试验电压，求得3 个或更多电压等级下 的击穿曲线。继续试验直到电场强度为4k v m m 或者高于电晕起始电压的4 0 的电 压。画出电场以k v m m 的单位的对数与时间曲线。 为了更多的测试电晕材料的阻抗，可以通过增加频率加速老化。 1 4 本课题的主要工作 本文在深入了解美国a s t md 2 2 7 5 0 1 标准( 电晕条件下固体绝缘材料电压耐 受特性试验方法) 的基础上，查阅了相关领域的研究文献，开展了固体绝缘材料耐 电晕老化测试系统的研制工作： 1 研制固体绝缘材料耐电晕特性测试系统的硬件平台： 该硬件平台包括电晕老化试验环境箱的设计与选型、电晕电极系统的设计、高 压电源及试验保护系统的研制、试验信号测量采集系统的研制、测量保护系统的设 计等。该平台电晕条件( 包括电晕强度、湿度以及温度等参数) 可控，同时能够进 行多个试样耐电晕老化试验。 2 开发固体绝缘材料耐电晕测试系统的软件平台： s 华北电力大学硕士学位论文 开发一套基于l a b v i c w 平台的固体绝缘材料耐电晕老化测试系统的监测分析软 件系统，通过该系统能够实现根据需要进行多路试样试验信号( 电压、电流以及试 验环境箱内的环境参数等) 的同时采集、能够进行累计电荷量的计算以及试验后试 验过程的重现，此外希望能实现在无人值守情况下的全自动运行。 3 利用所研制的系统开展复合绝缘子电晕老化试验： 为了考核所研制测试系统的可用性和稳定性，本文对不同电晕条件下硅橡胶复合绝 缘子进行了电晕老化试验，并初步研究硅橡胶复合绝缘子电晕老化性能的变化情况。 目前国内还未有类似的电晕条件下固体绝缘材料耐电压特性的研究测试平台，本系 统的完成对于将来开展电晕条件下固体绝缘材料老化特性的研究具有很重要的意义。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章有机绝缘材料电晕老化装置的设计及实现 2 1 系统的要求 在参考美国a s t md 2 2 7 5 0 1 标准对试验装置的要求的基础上，结合国外相关参 考文献资料，对装置的功能提出了如下要求： 1 ) 可多路试品同时进行试验，当某一路击穿时，该路能安全退出试验，其余 各路可继续进行试验。 2 ) 能够同时多路的泄漏电流、电源电压特征量并可同时进行显示其波形，还 可同时显示环境参数( 试验所处的温度、湿度参数) 。 3 ) 保护系统要安全可靠，须对高压和低压侧均加入保护。 4 ) 试验环境要求可控。 2 2 系统方案的设计 本文所研制的有机绝缘材料电晕加速老化试验系统能够在不同条件下同时对 多个试样进行电晕老化，主要包括五部分：1 ) 高压电源及试验保护系统，2 ) 电晕 电极系统，3 ) 试验信号测量采集系统，4 ) 测量保护系统，5 ) 电晕老化试验环境 箱。电晕加速老化试验系统示意图见图2 1 ，实际的装置如图2 2 所示。 善v 图2 1 试验系统示意图 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 实际装置图 放置在恒温箱中的5 4 路有机绝缘材料通过高压继电器和导电纸加入高压。每个 高压继电器控制九个电极，每个电极通过导电纸与高压电缆接入高压继电器。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。实验环境的温度和湿度条件可以控制。硬件连 接完毕后，该系统的信号采集、传输、分析和处理均由计算机自动完成，体现了较 高的自动化程度和精确度并且操作方便。 2 2 1高压电源及试验保护系统 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 ) 电源选用了可控工频无晕试验变压器，装置参数如下：额定电压为 2 2 0 5 0 k v ，额定电流2 2 7 0 1 a ，额定频率为5 0 h z ，额定容量为5 k v a ，空载电流2 8 a ， 电压波动小于1 ，如图2 3 。2 ) 高压继电器的主要作用是实现标准中所要求的节 省试验时间的方法，即当九个试验中有五个已经击穿时，则余下的四个试样可停止 试验，以第五个试品的击穿时间为准。高压继电器是选用的无锡普天科技有限公司 生产的j t - 5 真空高压继电器，如图2 4 ，继电器参数如下：吸合电压1 6 v ，线圈电阻 为8 0 欧，触点间和触点与底板之问耐电压为5 0 h z ，2 5 k v 。3 ) 导电纸的保护原理： 当试品发生击穿时在该路中必定流过一个大的电流，该电流流过导电纸时导致导电 纸发热迅速燃烧断开，从而把高压与试品断开起到保护的作用，还可保证其余各路 试品继续试验。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3 电源 2 2 2电晕电极系统的设计 图2 - 4j t - 5 型真空高压继电器 电缆将高电压引入到试验腔中的电极上。电极采用的是标准中规定的3 1 0 号不 锈钢材料制作。电极采用传统的针一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 ，如图2 5 ，板电极是下电极，半径是3 0 m m ，如图 2 6 。整个电极系统包含5 4 组针一板电极，如图2 7 。 考虑到标准中规定的可节省试验时间的规定，即当九个试验中有五个已经击穿 时，则余下的四个试样可停止试验，以第五个试品的击穿时间为准。共设计了5 4 个 针板电极系统，共分为六组，每组对应九个针板电极系统。这样可同时进行六组试 验。由于同时加压可以保证每个试样环境保持一致，有利于试验数据的准确性。 分别将5 4 个针电极、板电极分别布置在上下两个由可调节距离的螺杆连接的正 对的环氧玻璃布绝缘板上，且每组针一板电极中心相对；为了尽量节省空间并使相 邻的针板电极系统相互之间影响小，利用a n a l y s 软件对此进行建模计算，绝缘板上 的针一针板一板距离为9 0 m m 时，表明在所加电压等级下，各组电极间电场强度的影 响很小。 图2 5 上电极 9 图2 - 6 下电极 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 试验信号测量采集系统的设计 图2 7 电极系统图 测量系统需要满足如下要求：能够同时对多路电晕电流信号进行采集并显示测 量结果；能够测量并显示电晕电压波形；能够计算电晕放电正负半周的累积电荷量 和总电荷量以及放电功率、能量并保存；能够显示电晕放电电流正、负半周的电荷 量以及放电能量随时间的变化趋势图。为此，设计了基于l a b v i e w 的有机绝缘材料 老化试验系统的测量系统。 一、测量系统的硬件设计与实现 在恒温箱中对5 4 路试品加压，并控制箱体中的环境，泄漏电流经过屏蔽电缆 引出，接到测量系统( 接口均采用b n c 进行连接) ，测量系统由保护电路、测量电 流精密电阻和采集卡组成。整个测量由计算机完成。 如图2 8 为测量系统的原理图，采用高精度精密电阻采集泄露电流信号，采用快 速恢复二极管、氧化锌压敏电阻和放电管构成保护电路。电流信号经过采样电阻r 转化为电压信号，送入数据采集卡，计算机经过软件处理转化为电流信号，并显示 和处理。 图2 - 8 采样及保护电路 1 0 华北电力火学硕十学位论文 1 采样电阻的选择 采集卡的采集输入的信号电压范围为5 v 和1 0 v 电压，为了得到较好的分辨 度，考虑采用5 v ，又考虑到电晕电流都在l m a 以下，这样采样电阻值为 r ( 5 v l m a = 5 kq ，考虑电阻值如果过于小，电流值变化可能无法准确表达，应选用 5 k q 附近的电阻值。r f , r 的选择是考虑到保护的动作限值而选择的。将在后面的保 护部分进行详细介绍。本文对每一路都搭建了一个采样电路，如图2 9 所示测量箱。 燎嚣黪一4 一 图2 9 测量箱 2 采集卡的选择 采集卡的选择，主要从采集所需通道、采样率、采集卡的位数和数字i o 口价 格几方面考虑。 本文要采集的是5 4 路的泄漏电流信号，另外还需要同时测量电源的电压值，所 需的采集通道最少要5 5 路通道。另外用示波器进行了实测试验，调整了不同的采 样率，经过对比发现当采样率为1 0 k 时可以采到明显的泄漏电流的信号，如图2 1 0 。 选择至少每个通道的采样率为1 0 k ，考虑到泄漏电流信号的精度要求不高，选择1 2 位的可以达到要求，还要控制高压继电器，选择带有至少六个数字i o 口的卡，同 时考虑到价格因素，选择了凌华公司的d a q 2 2 0 4 的数据采集卡。 d a q 2 2 0 4 如图2 1 1 ，其性能指标如下：本卡的最大采样率为3 m s s ；具有6 4 个输入输出通道，同时使用5 5 个通道时，平均每个通道的采样率为5 5 k ：位数为 1 2 位；具有2 4 个数字i 0 口。 图2 1 0 泄漏电流信号 图2 11 采集卡 一鬻蕊 华北电力大学硕士学位论文 二、测量系统软件的设计与实现 l a b v i e w 是一款由由美国国家仪器( n i ) 公司研制开发的一套软件开发平台，其 具有以下特点： 1 ) l a b v i e w 利用图形化的语言以图块的形式生成程序，是一个图形化的程序语 言平台。 2 ) l a b v i e w 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析、数据表达而设计的开 发平台，具有数据采集、仪器设备控制、数据可视化、方面的专用函数库，同时还 有一些专门的工具箱( p i d 控制工具箱、i n t e r a c t 应用工具箱等) ，方便各种功能的 实现，由于l a b v i e w 软件开发平台在数据采集、自动控制以及仪器控制等方面非常 流行，因此很多世界知名公司生产的数据采集卡、多功能卡等都提供l a b v i e w 驱动 程序，能够在开发应用时候直接调用，可极大缩短开发周期。 3 ) l a b v i e w 是自动优化程序，提高程序的运行速度：利用l a b v i e w 开发的应用 程序具有极强扩展性，便于将来系统得维护和升级；l a b v i e w 是一种多平台的开发 环境，能在w i n d o w s 、u n i x 系统中运行，使用范围广，故此选用l a b v i e w 作为软件 平台。 电晕老化测试系统软件以n i 公司的l a b v i e w 为平台，开发了电晕老化测试系统 的程序，电晕老化测试系统的主程序流程图如图2 1 2 。 i 图2 1 2 主程序流程图 1 2 华北电力大学硕士学位论文 如图2 1 3 为采用l a b v i e w 编写的泄漏电流测量软件前面板。从面板上看不出控 制部分的痕迹，所有这方面的程序均在该面板的后面板中，包括对高压继电器的控 制。另外该程序还实现了对试验数据，包括诸如电压、泄漏电流、累积电荷量、温 度以及对应时间的自动保存功能；通过该程序把这些数据以定的格式存储到计算 机硬盘上，便于以后进行数据的二次加工和处理。 参数设定和系统初始化后，开始进行多路泄漏电流的测量。测量过程中可以显 示泄漏电流和试验电压随时间变化的图形。泄漏电流波形的时间轴和幅值轴可以任 意调整，方便对泄漏电流波形进行细致的观察和分析。 其主要功能包括数据采集与预处理、信号分析与处理、文件存储和读取等。 謦竣爱囊叛据袋黎辩：襞织穗藕重；毓婚| 街墩 薯一 | | i _ 。 z 浮? * 。l - 童 ，菇囊越幂薯爱蔓西舞澎蠢_ 鬻鹈 囊j 帮劳。 瀵蘸 一i 缨委碧誊 j 嚣簧i 渗! j 夔戮蘩 。麓警i 鬣i i 冀7 疆髫i 雾 i 鬻 ，缓；自晒 簇编黼疆 图2 1 3 程序前面板 1 ) 数据采集卡的参数设置部分包括量程、极性、采样率和采集通道，i o 输出 的选择，还有保存路径等的选择。 采集通道选择的主界面如图2 1 4 。在图中鼠标点击要进行试验的回路号对应的 小方框，该方框内出现一个号。这些试验回路被选择，即这几路要采集进行老化 试验。 由于回路较多，系统初始化时的判断语句都是重复性的，所以在这里为了表达 的方便性，仅展示其中的一小部分，如图2 1 5 。 图2 1 4 采集通道选择界面 1 3 华北电力大学硕士学位论文 圜固圜固豳| ；| _ 圈露困 臣_ - _ _ 巨_ _ _ d 臣_ - 一_ _ _ _ d 圜固陋固恩圈露圈臣_ - - 瑚嗡_ - - _ 瑚量- 曩- d l _ - 嗣一 霹固圈团铲因酽因 酽固酽因霉固酽因l 蕾蝴_ 田圈蝴_ 瑚量- 啊- - | 图2 1 5 选择通路判断 2 ) 数据采集部分的内容主要包括对多路电流波形的保存和选择显示、试验电压 波形的保存和显示、试验进度和各路的击穿显示和击穿时间的显示和保存。 该软件是实现对5 4 路泄漏电流的测量，由于显示器面板尺寸有限，所以不可能 把5 4 路泄漏电流信号波形同时在面板上显示出来，而是对多路信号进行选择显示。 击穿时采集系统里流过一个大电流，使取样电阻上产生一个大电压，如果大于 等于5 v ，可以认为击穿。各路的击穿显示和击穿时间的判断后面板程序如图2 1 6 。 击穿时间保存程序启动，将击穿时间以每一路的名称为文件名存储。 琏悸通瞎 培 囵母一莎一d 图2 1 6 击穿显示和时间保存后面板程序 3 ) 累积电荷量程序包括各路累积电荷量的显示，还可选择某一路的累积电荷量 随时间的变化趋势图。累积电荷量的计算通过如图2 1 7 后面板程序来计算，将输入 的泄漏电流数据乘以采样点之间的时间间隔，得到每个电流点的电荷量，进行相加， 得到这组数据电荷量。累积电荷量程序的前面板如图2 18 。 侈 图2 1 7 累积电荷量计算 1 4 圃 j 善： 匦 一 华北电力大学硕士学位论文 溯畿簇鬻燃 熬i 鬻鬻 图2 - 1 8 累计电荷量前面板 4 ) 波形回放程序对已存储的波形进行回放。前面板如图2 1 9 。 2 2 4 测量保护系统 图2 1 9 波形回放前面板 测量保护系统采用瞬变抑制二极管、压敏电阻、放电管组成保护。原件介绍如下： 1 瞬变电压抑制二极管工作在反向击穿区。管子有两个伏安特性区。在正向偏 置时，二极管就如同一般的硅二极整流管，在很低的电压下就有大量载流子流过结 区。而在反向偏置时，电压要高到一定程度，管子才击穿导通。导通后，管子上的 电压基本不随电流的增加而增大。瞬变电压抑制二极管的伏安特性如图2 2 0 。 i ( a ) 0 6 。 5 4 321o 4 ： 厂 - - 一0 4 _ 图2 2 0 瞬变电压抑制二极管的伏安特性 华北电力大学硕士学位论文 瞬变电压抑制二极管在瞬间高功率的冲击下，能以极高的速度改变自身的阻抗， 从而吸收大电流，将两端的电压钳制在一个预定的数值上，其最快反应时间为 1 0 - 1 2 s 。瞬变电压抑制二极管分为单极性和双极性两种。单极性的瞬变电压抑制二 极管只能对一个方向的浪涌冲击电压起保护作用，对相反极性的冲击只相当于一个 正向导通的二极管，没有钳位作用。双极性的瞬变电压抑制二极管可对任一方向的 浪涌冲击电压起保护作用。其峰值脉冲功率一般为5 0 0 5 0 0 0 w 。根据采集卡的量程， 选择把电压钳制在5 v 的t v s 。选择了s a 5 0 a 型号的t v s 。表2 1 为s a 5 0 a 型号 的t v s 参数 表2 1s a 5 0 a 型号的t v s 参数 型号反向变最小击最大击测试电最大箝峰值脉 最大反向 位电压穿电压穿电压流( i l 认)拉电压冲电流漏电流 ( v )( v )( v )( a )( a )( u a ) s a 5 o a5 o6 4 07 2 51 09 25 4 36 0 0 从表2 1 可以看出s a 5 0 a 型瞬变电压抑制二极管的通流容量很大，最大反向峰 值脉冲电流也很大，同时动作时间也非常短。所以可以把它作为保护系统的第一级 保护器件。该型号的t v s 的峰值脉冲功率为p 1 = 5 4 3 9 2 = 5 0 0 w ，而当试品击穿流 过采样电阻的功率为p = ( 2 0 0 0 0 2 5 ) 2 1 0 0 0 0 = 6 4 0 0 w ，p i ( 2 2 2 5 ) xlx6 - - - 15 v ，选择了l8 0 l d 0 7 型压敏电阻，1 8 0 l d 0 7 型压敏电阻的主要参数见表2 2 。 华北电力大学硕十学位论文 表2 2 为1 8 0 l d 0 7 型压敏电阻的主要参数 型号标称压敏最大连续额定功率额定电流限浪涌耐量a电容量 电压( v )工作电压( w )制电压( 二次， ( p f ) a c d cva 8 2 0 u s ) f - 1 k h z 1 8 0 l d 0 7l8 ( 1 5 1 11 4o 0 23 62 52 52 8 0 0 2 1 ) 3 放电管是用陶瓷密封的放电间隙，管内充以惰性气体。管内可以是两个电极的单 间隙，也可以把两个相同间隙密封在一个管子内，有3 个电极。气体放电管能通过 5 - 3 0 k a 的8 2 0 us 波形的冲击电流l o 次而无明显损伤，所以可以分流比较大的冲 击电流。它的极问电容小，一般为0 5 2 p f ，故它成为少有的，能保护频率为5 0 m h z 以上的电路中的过电压的元件之一。此外放电管的价格也比较便宜。 一般气体放电管伏安特性与哪个电极施加什么极性的电压没有关系。以直流放 电电压为1 5 0 v 的放电管为例，其伏安特性如图2 2 2 所示。 i u ( v ) 图2 2 2 气体放电管伏安特性 逐渐增加两电极间的电压，在a 点放电管放电，a 点的电压被称为放电管的直 流放电电压。在a 与b 之间段伏安特性，其增量电阻d u d l 是负的，称为负阻区。 如果2 0 0v 直流电源，经lm 电阻接至放电管，放电管工作在此区，放电是闪变的。 b c 段为正常辉光放电区。在此区，电压基本不随电流的变化而变化。当辉光覆盖 整个阴极表面，电流再增加，电压也增加。 c d 段称为异常辉光放电区。直流放电管电源为9 0 至3 0 0 v 的放电管，辉光放 电区b d 的最大电流通常在o 2 1 5 a 之间。当电流可增加到足够大的时候，放电突 然在e 点进入电弧放电区。即使是同一支放电管，放电由辉光转入电弧时电流值也 是不能精确地重复的。电弧放电时，在电场中加速了的正离子轰击阴极。阴极材料 被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使得间隙距离增加，管壁绝缘变坏。在采用恰当的 材料等措施后，放电管可以做到导通幅值为1 0 k a 的8 2 0 u s 冲击电流数百次。在电 弧区管子两端的电压基本上与通过的电流无关。充以不同的惰性气体，不同的气压， 电弧电压在1 0 3 0 v 之间。管子工作在电弧区就可以将电压钳制在较低的数值，达 到过电压保护的目的。 华北电力大学硕士学位论文 当电流下降到比开始燃弧时( e 点) 电流低的电流值即电弧熄灭时的电流值时( f 点) ，放电由电弧转为辉光，通常电弧熄灭值在0 1 0 5 a 之间。在过电压作用下放 电后，放电管应该能自动恢复到非导电状态，否则，在电弧区的续流可能会烧坏管 子，甚至使通过续流的导线或者电源受到损坏。在辉光区，毫安级的续流长期通过， 也会使放电管损坏。 因此，电路中加在放电管两端的电压应低于维持放电的电压。一般信号电路中， 电源的内阻比较大，维持放电电压是维持辉光放电的电压。试验时，在直流电源与 放电管间串5 k q 电阻，慢慢升压使得放电管动作，然后慢慢降低电压，测量放电管 停止放电时的电压。例如，测得直流放电电压为3 5 0 v 的放电管，维持放电电压为 6 8 1 8 4 v ，