CN109521337A - 一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置及方法，装置包括交流电压源、测试单元和信号采集单元；测试单元由针电极、被测试样和接地板组成；信号采集单元由计算机、数据采集装置、光学显微镜、光源和超声传感器组成；被测试样放置于接地板上方，针电极的顶端***被测试样内，针电极的尾端依次连接保护电阻和交流电压源的正极，交流电压源的负极和接地板均接地，超声传感器设置于接地板底部，超声传感器依次与数据采集装置和计算机相连，光源和光学显微镜分别相对的设置于被测试样的两侧，光学显微镜与计算机相连。本发明可有效反映绝缘内电树枝状态，为电缆附件绝缘设计及运行提供实验和理论依据。

Description

一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及交流电压下的电树枝特性的研究领域，具体的说，是一种电缆附件及主绝缘材料电树枝特性的测试装置及其测量方法。

背景技术

自从1951年J.H.Mason首次在固体介质中发现电树枝以来，全世界的研究学者对聚合物中的电树枝现象进行了广泛而深入的研究，已经走过了60余年的历程，对电树枝老化现象的认识也逐渐深入，发表了大量的研究成果。实验室中一般采用典型的针-板电极结构来模拟由气隙、杂质等缺陷引起的局部集中电场，目前已经对聚乙烯、环氧树脂、交联聚乙烯、有机玻璃、硅橡胶、纳米复合材料等聚合物中的电树枝老化现象进行了研究，研究了电压幅值、电压频率、环境温度、机械应力等因素对电树枝的起始、形态特征、生长特性以及累积击穿概率等的影响。

一般而言，聚合物中的电树枝化过程可分为三个阶段：电树枝的引发、生长和击穿。国内外研究人员都认为，无论是电树枝化的引发还是生长阶段都是一种极为复杂的电腐蚀现象，这一过程包含了电荷的注入-抽出、电-机械应力、局部放电、局部高气压、局部高温、化学分解、物理形变等多种作用。绝缘介质的种类、状态、微观结构的差异都会导致电树枝发展过程中随机性的增加。当其中一个或多个电树枝通道接近对面电极时，剩余的绝缘厚度不足以承受施加的电场强度，电树枝通道就会迅速发展成为明显的击穿通道。目前，针对聚合物中电树枝化现象的研究主要集中在两个方面：一是电树枝化的机理及其影响因素，包括电树枝从引发到击穿的各种表观特征，如光、电以及化学的微观变化等；二是聚合物中电树枝化的抑制方法，比如改性、电压稳定剂或者无机纳米材料的添加等。

目前电树枝的研究仅限于对于电树枝形态特征的记录以及基于此信号的电树枝特征分析。而在电树枝的生长过程中，除光学信号外，仍存在大量的其他信号，包括电信号，热信号与声信号。而声信号中存在大量的超声分量，基于超声信号的电树枝分析同样可以表征出电树枝的各阶段特征。对于某些不透明材料的研究中，光学手段无法实现有效监测，因此使用超声信号检测树枝的生长特性，有助于弥补光学检测手段在某些情况下的不足。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置及方法，利用交流电压施加于被测试样，产生较高的局部场强，利用超声信号检测此电场下聚合物内的电树枝特性，较之已有测试方案，增加了超声信号测量电树枝特性，可以克服传统光学手段对不透明信号无法观测的缺陷，更接近工程实际，可有效反映绝缘内电树枝状态，为电缆附件绝缘设计及运行提供实验和理论依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置，包括交流电压源、测试单元和信号采集单元；交流电压源的调节范围为0-100KV，电压频率为50Hz；所述测试单元用于实现被测试样的加压及电树枝诱发，由针电极、被测试样和接地板组成；所述信号采集单元用于实现电树枝生长过程中的形态及局部放电超声信号的记录，由计算机、数据采集装置、光学显微镜、光源和超声传感器组成；所述被测试样放置于接地板上方，针电极的顶端***所述被测试样内，针电极的尾端依次连接保护电阻和交流电压源的正极，交流电压源的负极和接地板均接地，所述超声传感器设置于接地板底部，超声传感器依次与数据采集装置和计算机相连，所述光源和光学显微镜分别相对的设置于被测试样的两侧，光学显微镜与计算机相连。

一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量方法，包括以下步骤：

(1)实验前将针电极预置于绝缘试样内，将绝缘试样置于测试单元中的铜制地电极上并连接电源线及接地线，其中针电极的针尖距离接地板的距离为1-4mm；

(2)将超声传感器置于地电极背面，打开光学显微镜并调节焦距至可清晰观测到针电极尖端，将超声传感器通过数据采集装置连接至计算机，将光学显微镜连接至计算机；

(3)调节交流电源至设定值，使试样内产生电树枝；

(4)观测电树枝的生长并同时记录超声信号波形与电树枝形态。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明可实现对实际工况下电树枝特征的测试，更加接近工程实际，与单纯的光学观测法有明显不同；增加了超声信号测量电树枝特性，可以准确揭示工频电压下非透明绝缘电树枝生长机理，有效反映绝缘内电树枝状态；为高压电缆运行及绝缘设计提供可靠实验依据及测试方法。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

附图标记：1-交流电压源，2-保护电阻，3-针电极，4-被测试样，5-电树枝，6-铜地电极， 7-超声传感器，8-数据采集装置，9-光学显微镜，10-计算机，11-光源

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例提供的基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置及方法，装置包括交流电压源1、保护电阻2、针电极3、被测试样4、铜地电极6、超声传感器7、数据采集装置8、光学显微镜9、计算机10和光源11。各部分详细功能如下：

(1)交流电压源1(武汉三鑫华泰YD-50kVA/100kV)的功能是产生交流电压，使用保护电阻2对交流电压源进行有效保护。交流电压源1的电压范围为0至100kV可调，电压频率为50Hz。

(2)测试单元包括：针电极3，被测试样4和铜地电极6，其功能是实现对被测试样4的加压及电树枝5的诱发。测试之前将针电极3预置于被测试样4内，测试中将内置针电极 3的被测试样4置于铜地电极6上，本实施例中被测试样4为电缆绝缘材料，由交联聚乙烯、硅橡胶等构成，测试中将工频高电压施加于针电极3，改变电压参数诱发电树枝5。

(3)信号采集单元包括：超声传感器7(鹏翔电子PXR-30)，数据采集装置8(阿尔泰pxi8800)，光学显微镜9(千甲义HS_G001B)，计算机10(dell OptiPlex 5050SFF)，光源 11(DINHERO XD-302-301)。其功能是实现电树枝生长过程中的形态及局部放电超声信号的记录。测试中使用光学显微镜9记录电树枝产生及生长的全过程，同时使用超声传感器7 及数据采集装置8记录电树枝生长过程中产生的超声信号。

进一步的，通过图1所示的测试装置，进行测试的具体步骤如下：

1.将针电极预置于绝缘试样内，置于测试单元中的地电极上并连接电源线及接地线，针电极与地电极的距离为1-4mm。

2.将超声传感器放置于地电极上，打开光学显微镜并调节焦距至可清晰观测到针电极尖端。将超声传感器通过采集装置连接至计算机，将光学显微镜连接至计算机。

3.调节交流电压源至设定值。

4.观测是否有电树枝生成并同时记录超声信号值与电树枝形态。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置，其特征在于，包括交流电压源、测试单元和信号采集单元；所述测试单元用于实现被测试样的加压及电树枝诱发，由针电极、被测试样和接地板组成；所述信号采集单元用于实现电树枝生长过程中的形态及局部放电超声信号的记录，由计算机、数据采集装置、光学显微镜、光源和超声传感器组成；所述被测试样放置于接地板上方，针电极的顶端***所述被测试样内，针电极的尾端依次连接保护电阻和交流电压源的正极，交流电压源的负极和接地板均接地，所述超声传感器设置于接地板底部，超声传感器依次与数据采集装置和计算机相连，所述光源和光学显微镜分别相对的设置于被测试样的两侧，光学显微镜与计算机相连。

2.根据权利要求1所述一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量装置，其特征在于，所述交流电压源的调节范围为0-100KV，电压频率为50Hz。

3.一种基于超声法的聚合物电树枝特性测量方法，基于权利要求1所述聚合物电树枝特性测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)实验前将针电极预置于绝缘试样内，将绝缘试样置于测试单元中的铜制地电极上并连接电源线及接地线，其中针电极的针尖距离接地板的距离为1-4mm；

(2)将超声传感器置于地电极背面，打开光学显微镜并调节焦距至可清晰观测到针电极尖端，将超声传感器通过数据采集装置连接至计算机，将光学显微镜连接至计算机；

(3)调节交流电源至设定值，使试样内产生电树枝；

(4)观测电树枝的生长并同时记录超声信号波形与电树枝形态。