变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统及方法

技术领域

本发明属于固体绝缘材料绝缘测试技术领域，具体涉及变频绝缘电热力耦合电树枝老化多 参量原位表征测试系统及方法。

背景技术

随着可整合新能源电力的智能电网的普及，包括大容量电力电子装备在内的多类电力设备都承受变频高电压作用。变频绝缘系统中固体绝缘介质往往要承受高温高压高频的耦合作用，极易发生绝缘老化和失效。由于采用浇注工艺，固体绝缘介质中不可避免地存在气隙、界面失配、杂质、导体尖角等绝缘缺陷，在上述特殊工况下极易引发电树枝，极大威胁电力设备的安全稳定运行。

在固体绝缘材料电树枝老化研究中，国内外研究学者集中于交流电压、直流电压、变频正 弦、直流叠加低频谐波等电压形式的作用，着重于以下几方面研究：(1)电树枝引发和生长形 貌特征；(2)电树枝引发和生长过程中的局部放电特征；(3)电树枝引发和生长过程中的电致发 光特性。已有研究集中较低电压频率下，放电较弱，电树枝通道放电特性未受关注。在变频电 压波形下，电树枝往往伴随着通道内较强的局部放电和发光，然而现有装置和方法仅能够分别 获取电树枝形貌、局部放电或电致发光特性等单一参数，无法同时获取。更不能同时在线表征 电树枝不同生长阶段的结构和物理化学性能变化。由于固体绝缘电树枝生长的随机性，若采用 不同电树枝样品，分别获得的单一结构或性能参数之间难以相互关联，无法深入研究电树枝老 化机制。另外采用离线测试后又继续对原试样进行电树生长的实验方法是偏离实际工况的，因 为电树枝引发和生长过程中的疲劳效应及损伤累积效应是有时间特征的。一旦撤去电压，进行 参数的离线测试，疲劳效应和损伤累积效应将会减退，再次进行电树枝生长实验时和实际情况 下连续加压时电树枝生长是不一样的，不利于准确获取电树枝老化过程中多种原位参数。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种变频绝缘电热力耦合电树枝老化多 参量原位表征测试系统及方法，该系统适用于复杂变频电压作用下多物理场耦合的固体绝缘材 料电树枝引发和生长特征的高效测试，能够实时观测电树枝引发和生长过程中的多参数原位表 征。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统，包括复杂波形电压产生系统、 电树枝试样电极系统、泄漏电流测试系统、电致发光和数字成像系统、光谱测试系统、局部放 电测试系统、红外光谱测试系统和计算机；

电树枝试样电极系统设置在红外光谱测试系统的测试腔体内；

电树枝试样电极系统包括试样安装座、接地电极和加热器，试样安装座用于夹住待测试样 的两端并能为待测试样施加拉应力或压应力，接地电极设置在试样安装座的一侧，接地电极与 待测试样上针电极尖端相对的侧面相接触；加热器与待测试样接触，用于为待测试样施加不均 匀热应力；

复杂波形电压产生系统能够与针电极连接，接地电极还与泄漏电流测试系统连接，泄漏电 流测试系统与计算机连接，电致发光和数字成像系统用于对待测试样进行明场和暗场观测并与 计算机连接，光谱测试系统用于对待测试样进行光谱成像并与计算机连接，局部放电测试系统 的输入端和输出端分别与泄漏电流测试系统的接地端和计算机连接。

优选的，所述试样安装座包括试样夹持件和固定座，试样夹持件能够夹住待测试样的端部， 试样夹持件和固定座之间通过旋钮连接，旋钮的一端贯穿固定座并与试样夹持件螺纹连接，试 样夹持件上设有用于检测对待测试样上的施加拉应力或压应力大小的应力传感器。

优选的，待测试样上间隔、平行设有多个针电极，复杂波形电压产生系统与所有针电极并 联连接，电树枝试样电极系统还包括步进控制台，试样安装座和接地电极均设置在步进控制台 上，待测试样上在每个针电极针尖对应的位置设置一个加热器。

优选的，所述加热器采用弧形加热带，在待测试样厚度方向上，弧形加热带位于针电极针 尖部位的上侧或下侧，弧形加热带开口一侧朝向针电极的针尖部位，针电极的针尖位于弧形加 热带的内凹侧；

弧形加热带上设有热电偶，弧形加热带和热电偶均与加热控制器连接。

优选的，弧形加热带关于针电极对称布置。

优选的，复杂波形电压产生系统采用复杂波形电源，复杂波形电源的输出端与待测试样上 的针电极连接；光谱测试系统采用光纤光谱仪；红外光谱测试系统采用红外光谱测试仪器；接 地电极采用铜片电极，铜片电极的一侧表面与待测试样表面相接触，铜片电极的一侧固定连接 有铜杆。

优选的，泄漏电流测试系统包括电流表和保护电阻，电流表和保护电阻串联，保护电阻的 一端与接地电极连接，保护电阻的另一端接地，电流表设置于保护电阻的接地端；

局部放电测试系统的输入端接入保护电阻的接地线路上，计算机和电流表的接地端连接。

优选的，电致发光和数字成像系统包括光学聚焦成像系统以及CCD相机，光学聚焦成像 系统包括光源、聚焦透镜和分光器，光源位于待测试样的下方，聚焦透镜位于待测试样的上方， 聚焦透镜用于将针电极针尖附件的透射光进行聚焦，分光器设置于聚焦透镜上方的焦点处， CCD相机设置于分光器的一路出射光线上，光谱测试系统设置于分光器的另一路出射光线上；

红外光谱测试系统的测试腔体上开设有供光源出射光穿过的窗口。

优选的，本发明变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统还包括暗室，电 树枝试样电极系统、电致发光和数字成像系统、光谱测试系统和红外光谱测试系统均设置在暗 室内。

本发明还提供了一种变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试方法，该方法采 用本发明如上所述的变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统进行，包括如下 过程：

将待测试样安装在试样安装座上，通过试样安装座为待测试样施加预设的拉应力或压应 力；

调整电致发光和数字成像系统和光谱测试系统，使针电极的针尖及前方区域能够通过电致 发光和数字成像系统和光谱测试系统清晰成像；

利用加热器对待测试样进行加热，加热到预设温度后，通过复杂波形电压产生系统对针电 极施加目标变频电压；之后，通过电致发光和数字成像系统按照设定周期间隔拍照记录电树枝 通道发光分布情况和电树枝形貌特征，光谱测试系统、局部放电测试系统、泄漏电流测试系统 和红外光谱测试系统分别同时记录电树枝发展过程中的光谱特征、局部放电信号谱图、电流动 态变化曲线和红外光谱特征，提取电致发光位置空间分布云图、电致发光特征峰位强度变化、 局部放电强度和次数变化、回路电流最大值和电树枝区域特征官能团的演变。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过设置电树枝试样电极系统、泄漏电流测试系统、电致发光和数字成像系统、光 谱测试系统、局部放电测试系统、红外光谱测试系统，能够实现绝缘试样电应力、热应力和机 械应力的多物理场耦合测试，更加贴近实际工况，且多试样同时测试的策略大大提高了测试效 率。本发明可实现电树枝生长特征和泄漏电流的关联，获得电树枝不同生长阶段的回路电流特 征；光谱测试有助于电树枝引发过程中的机理探究。电树枝引发和生长过程中，由于不饱和基 团和局部放电的产生，其光谱特征会发生变化，光谱测试可以建立光谱特征和电树枝生长特性 的联系，实现机理研究；电致发光测试可实现电树枝导电性与非导电性的测量。电致发光测试 可以显示电树枝通道内局部放电位置，对于电树枝通道的导电性有标识作用；红外光谱测试可 以实现电树枝生长过程中电树枝区域绝缘电介质的基团变化，获得其老化规律和机理。本系统 可实现上述测量参数的在线实时测量，大大有别于传统的离线测试方法，避免了因为离线测试 而造成疲劳和损伤累积效应而消退导致电树枝老化测试脱离实际的问题，有效地获得电树枝老 化过程中的多种原位参数表征，提取多种参数之间的关联，有利于进一步更为准确地建立变频 绝缘中电树枝的生长特性规律和机制。

进一步的，本发明加热器采用弧形加热带，弧形加热带可施加温度梯度应力于试样上，更 加贴合变频绝缘温度分布不均的实际工况；具体的，弧形加热带可施加温度梯度应力于试样上， 加热带贴合在试样表面，位于针尖及其前方的位置。一方面，弧形加热带比现有的直线型加热 带能够提供更宽范围的不均匀温度分布；另一方面，实际使用的加热带因为毛刺等边缘效应会 对观测产生不利影响，弧形加热带也可最大限度地在提供不均匀温度分布的同时，避免对针尖 附近观测区域的遮挡，利于实验观测，更加贴合变频绝缘温度分布不均的实际工况。

附图说明

图1为本发明变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统的结构示意图；

图2(a)为本发明试样安装座夹持住待测试样后的主视图；图2(b)为本发明试样安装 座夹持住待测试样后的俯视图；图2(c)为图2(b)的侧视图；

图3为本发明实施例中加热带加热试样原理图；

图4为本发明实施例中在暗场下进行实时在线观测变频电压下的电致发光图。

图中，1-复杂波形电源、2-针电极、3-光源、4-待测试样、5-铜杆、6-电流表、7-接地、8- 局部放电测试系统、9-聚焦透镜、10-分光器、11-光纤光谱仪、12-计算机、13-CCD相机、14- 红外光谱仪腔体、15-步进控制台、16支架、17暗室、20试样夹持件、21固定座、22旋钮、 23压力显示器、24弧形加热带、25加热控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明的技术方案。

本发明的目标是实现绝缘介质电树枝老化中多参量原位表征测试。此外，本发明还考虑了 变频复杂电压波形作用下固体绝缘材料的电树枝劣化。同时，还耦合了电树枝引发和生长过程 中涉及到复杂的多场作用物理过程。

参照图1，本发明变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统包括复杂波形 电压产生系统、电树枝试样电极系统、泄漏电流测试系统、电致发光和数字成像系统、光谱测 试系统、局部放电测试系统、红外光谱测试系统以及电压、温度、机械力的多应力耦合测试系 统。

其中，复杂波形电压产生系统包括频率在1kHz以上的任意波形发生器和波形放大器，可 实现包括但不限于单/双极性方波、三角波、正弦波等电压波形输出；

电树枝试样电极系统包括试样安装座、接地电极和加热器，试样安装座固定住电树枝试样， 电树枝试样上设置多个针电极时，电树枝试样针电极并联接复杂波形电压产生系统的输出，接 地电极采用铜杆，电极铜杆接地。试样安装座夹持住电树枝试样两端，可施加拉/压应力于电 树枝试样上，通过压力传感器显示施加的应力大小。通过加热器为电树枝试样施加温度梯度。

泄漏电流测试系统包括电流计和保护电阻，可实时动态采集回路中电流变化，也可在电树 枝生长任一阶段，将高频电源切换为直流输出，获得不同电树枝生长阶段的直流电阻特征，传 输至计算机进行分析。

电致发光和数字成像系统包括高灵敏度CCD，其中，高灵敏度CCD可同时实现明场和暗 场观测，明场观测电树枝形貌，提取电树枝长度、宽度和分形维数等特征参数，暗场观测获得 电树枝通道内电致发光特性的分布特征。

光谱测试系统包括透镜组、光纤探头、光栅、光谱仪，可实现200～1000nm波段内光谱成 像，覆盖电树枝引发和生长过程中的光谱范围。电致发光和数字成像系统与光谱测试系统共用 一套透镜组(也即光学聚焦成像系统)。

局部放电测试系统包括高频天线探测器和数据分析处理软件(现有成熟软件)，可获得电 树枝生长过程中的局部放电中的高频信号，建立和电树枝生长特征的关联性规律。

红外光谱测试系统为红外光谱测试仪器，将红外光谱测试仪器的测试腔体改装成可放置电 树枝测试电极系统即可。同时做好高压接入的绝缘处理。

多场耦合测试系统除上述介绍的电场和力场外，还包括由数字式温控器、弧形加热带组成 的电加热系统。

本发明的具体的使用方法是：首先，将制备好的待测试样夹持在试样安装座上，通过试样 安装座为待测试样施加目标拉/压应力，调整好显微镜焦面和试样位置使得电脑端软件界面的 针尖及前方区域视野清晰；其次，加热装置(即加热器)开启预设时长，待温度分布稳定后， 施加目标变频电压于高压针电极；然后，通过高灵敏度荧光CCD按照设定周期间隔拍照记录 电树枝通道发光分布情况和电树枝形貌特征，光纤光谱仪、局部放电测试系统、回路电流测试 系统和红外光谱测试系统分别同时记录电树枝发展过程中的光谱特征、局部放电信号谱图、电 流动态变化曲线和红外光谱特征，提取电致发光位置空间分布云图、电致发光特征峰位强度变 化、局部放电强度和次数变化、回路电流最大值和电树枝区域特征官能团的演变；最后，建立 电树枝特征参数和以上同步实时获取的物理和化学参量关联数据库，获得电树枝生长过程中的 原位参数演变规律，提出电热力多场耦合条件下的电树枝老化机理。电树枝全寿命周期主要包 括引发期、生长初期、生长中期、生长后期和击穿五个阶段，其中，高频电压作用下击穿发生 很快，这里不做考虑。电树枝引发期的局部放电信号很低，回路中电流很小，可通过电致发光 强度和光谱特征峰获得样品的性能演变；电树枝生长初期局部放电信号增强，但回路中电流较 小，可通过局部放电谱图、电致发光位置分布和光谱特征峰位建立与电树枝生长长度、宽度等 参数的关联；电树枝生长中期，局部放电、回路电流和电致发光变化均比较明显，可通过局部 放电谱图、回路电流值、电致发光位置分布和光谱特征峰建立与电树枝生长长度、宽度等参数 的关联；电树枝生长后期生长速度明显加快，为保护电流表，此时不能进行回路电流测试，可 通过局部放电谱图、电致发光位置分布和光谱特征峰建立与电树枝长度、宽度的关联。此外， 红外光谱测试由于不受电参数干扰，可在电树枝引发、生长到击穿的全寿命周期内进行测试， 获得物理化学结构参数的变化。

通过本发明获取的数据库，①结合荧光CCD拍摄和光纤光谱仪的实时光谱可获得变频电 压下电树枝通道内电致发光的位置和强度；②通过电流变化获得电树枝通道导电性和样品的剩 余绝缘强度与电树枝形貌的关联；③实时获得电树枝形貌和电压波形耦合作用下的局部放电谱 图特征；④实时获得电树枝形貌和电压波形耦合作用下的样品特征官能团变化规律。最终实现 实时原位地进行电热力多应力耦合条件下的电树枝生长规律和机理的研究。

实施例

如图1所示，本实施例变频绝缘电热力耦合电树枝老化多参量原位表征测试系统，包括复 杂波形电压产生系统、电树枝试样电极系统、泄漏电流测试系统、电致发光和数字成像系统、 光谱测试系统、局部放电测试系统8、红外光谱测试系统、计算机12和暗室17；参照图2(a) -图2(c)，电树枝试样电极系统包括试样安装座、接地电极和加热器，试样安装座包括试样夹 持件20和固定座21，试样夹持件20能够夹住待测试样4的端部，试样夹持件20和固定座21 之间通过旋钮22连接，旋钮22的一端贯穿固定座21并与试样夹持件20螺纹连接，试样夹持 件20上设有用于检测对待测试样4上的施加拉应力或压应力大小的应力传感器；试样夹持件 20和固定座21能够夹住待测试样4的两端并能为待测试样4施加拉应力或压应力，参照图2 (a)，通过旋转两侧的旋钮22能够使两侧的试样夹持件20和固定座21之间相互靠近或者远 离，从而实现为待测试样4施加压应力或拉应力；接地电极采用铜片电极，以图1所示方位为 例，铜片电极的右侧表面与待测试样4的左侧表面相接触，铜片电极的一侧固定连接有铜杆5； 本实施例中，参照图2(b)，待测试样4上间隔、平行设有多个针电极2，复杂波形电压产生 系统与所有针电极2并联连接，电树枝试样电极系统还包括步进控制台15，试样安装座和接 地电极均设置在步进控制台15上，通过控制步进台可实现多个试样(测试样4上每个针电极 2对应一个测试部位，本发明的测试样4上设置多个针电极2，相当于多个试样)依次观测； 待测试样4上在每个针电极2针尖对应的位置设置一个加热器。加热器与待测试样4接触，用 于为待测试样4施加不均匀热应力；具体的，参照图3，加热器采用弧形加热带24，在待测试 样4厚度方向上(图3所示垂直于纸面的方向)，弧形加热带24位于针电极2针尖部位的上侧 或下侧，弧形加热带24开口(如图3所示，弧形加热带24朝下一侧为其开口侧)一侧朝向针 电极2的针尖部位，针电极2的针尖位于弧形加热带24的内凹侧(即针电极2的针尖向下露 出于弧形加热带24的顶部)；弧形加热带24上设有热电偶，弧形加热带24和热电偶均与加热 控制器25连接。一般的，弧形加热带24关于针电极2对称布置。通过弧形加热带24可实现 对待测试样4施加不均匀热应力。

复杂波形电压产生系统采用复杂波形电源1，复杂波形电源1的输出端与待测试样4上的 针电极2连接；红外光谱测试系统采用红外光谱测试仪器；光谱测试系统采用光纤光谱仪11。 泄漏电流测试系统包括电流表6和保护电阻，电流表6和保护电阻串联，保护电阻的一端与接 地电极连接，保护电阻的另一端接地，电流表6设置于保护电阻的接地端；局部放电测试系统 8的输入端接入保护电阻的接地线路上，计算机12和电流表6的接地端连接，局部放电测试 系统8可以实时测量电树枝生长过程中的高频脉冲放电信号，并可进行存储和分析。电致发光 和数字成像系统包括光学聚焦成像系统以及CCD相机13，光学聚焦成像系统包括光源3、聚 焦透镜9和分光器10，光源3位于待测试样4的下方，聚焦透镜9位于待测试样4的上方， 聚焦透镜9用于将针电极2针尖附件的透射光进行聚焦，分光器10设置于聚焦透镜9上方的 焦点处，CCD相机13设置于分光器10的一路出射光线上，光谱测试系统设置于分光器10的 另一路出射光线上；红外光谱测试系统的测试腔体上开设有供光源3出射光穿过的窗口。聚焦 透镜9将电树枝引发和生长过程中的光信号汇聚，经分光器10分成两路，一路进入CCD相机， 可实现明场下的电树枝形貌记录和分析以及暗场下的电致发光分布测试。另一路进入光纤光谱 仪，实现电树枝生长过程中的光谱动态实时记录。本实施例中，电树枝试样电极系统、电致发 光和数字成像系统、光谱测试系统和红外光谱测试系统均设置在暗室17内。在暗室17中进行， 以避免环境光源的干扰。同时，所有测量数据都传输至计算机中保存分析。

电树枝形貌记录可以实现电树枝生长特征参数(电树枝长度、宽度、分形维数、累计损伤 等)的表征和分析。电致发光在树枝通道内的空间分布，可以显示出电树枝不同生长阶段和电 树枝通道不同部位的导电性分布。光谱数据可以反映出电树枝引发和生长过程中的光谱特征， 由于不饱和基团和局部放电的产生，其光谱特征会发生变化，光谱测试可以建立光谱特征和电 树枝生长特性的联系。

将电树枝电极系统置于红外光谱测试仪腔体14中，可以获得电树枝生长过程中的红外光 谱数据，提取电树枝生长过程中化学官能团的变化。

依据上述方案，本发明在暗场下进行实时在线观测，采用变频电压，得到如图4所示的电 致发光图，图4中，发光部分为发生局部放电的树枝通道，说明其为非导电性。从针尖开始至 发光位置还有不可见的电树枝通道，说明其为导电性。

这样，通过以上测试系统就可以进行电树枝生长过程中电树枝生长动态数据、电致发光位 置分布、光谱数据、电流数据、局部放电数据和红外光谱数据的同步测量，实现电树枝引发和 生长不同阶段的原位参数实时获取，获得不同特征参数之间的关联性特征，解决了传统表征方 法之间相互独立的问题，建立多种参数和电树枝生长动态的实时特性规律和机理。

本发明的上述系统能够通过电应力、机械应力和热应力的施加，实现多物理场作用下的电 树枝生长测试。