一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统及方法

技术领域

本发明属于高压设备技术领域，尤其是涉及一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统及方法。

背景技术

绝缘拉杆是高压GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)断路器和隔离开关中实现电气连接通断的重要部件。在电气操作瞬间，绝缘拉杆要同时承担毫秒级的动态拉伸、压缩载荷与操作过电压。为了满足机械和绝缘需要，绝缘拉杆主要采用纤维增强环氧树脂复合材料。然而，高压GIS操作频繁，动态载荷的循环加载导致绝缘拉杆材料内部容易形成微小裂纹、分层等损伤。近年来，绝缘拉杆发生多起击穿失效故障，但是应力和电场联合作用下复合材料的绝缘状态尚不清楚。因此，亟需搭建绝缘拉杆用纤维增强复合材料的绝缘测试平台，评估在应力和电场联合作用下纤维增强复合材料绝缘状态。

目前关于纤维增强复合材料的绝缘劣化研究较少，主要原因在于因应力导致的微小损伤尺度在百微米左右，尺寸较小。同时，若在应力撤去后再进行绝缘劣化测试，裂纹和分层发生部分闭合，导致损伤体积进一步降低，更加不利于测量材料内部损伤的放电行为。此外，施加应力的金属夹具极易和高压电极发生电晕放电，对材料内部局部放电的测量产生干扰。所以，亟需一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统及方法，来提升劣化过程中局部放电的抗干扰性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统及方法，解决上述技术存在的现有测试平台只能在无应力或应力、电场测量分离的情况下测量及测量过程中金属夹具与高压电极发生放电的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统，包括机械应力施加与测量装置、电场施加与测量装置、局部放电采集装置、绝缘油盛放装置；所述机械应力施加与测量装置、所述电场施加与测量装置及所述局部放电采集装置为电连接，所述绝缘油盛放装置为油槽。

优选的，所述机械应力施加与测量装置包括电机、应力传感器、金属夹具和拉力机操作杆，所述电机和所述应力传感器均设置在所述拉力机操作杆的一端，所述金属夹具通过螺纹杆连接在所述拉力机操作杆的另一端，且所述拉力机操作杆设置为凸字型。

优选的，所述金属夹具和所述拉力机操作杆的数量均设置为两个，两个所述拉力机操作杆对称设置在所述油槽的两端，两个所述拉力机操作杆的相邻端均浸入在所述油槽内部，浸入在所述油槽内部的所述拉力机操作杆的端部设置有螺纹孔，且两个所述金属夹具上均开设有与所述拉力机操作杆的螺纹孔尺径相同的螺纹孔。

优选的，所述电场施加与测量装置包括交流电源、限流电阻、分压器和定制电极，所述交流电源的输出端与所述限流电阻的输入端电连接，所述交流电源的外壳接至地电位，所述分压器的输入端及所述定制电极的输入端均与所述限流电阻的输出端电连接；所述交流电源输出高电压，电压范围为0-50kV，所述定制电极采用柱板结构，所述定制电极的边缘为倒圆角设计，所述定制电极包括高压电极和设置在所述高压电极下方的接地电极，且在所述高压电极和所述接地电极之间设置有样品，所述样品均与所述高压电极和所述接地电极紧密贴合，所述样品为待测试的纤维增强复合材料。

优选的，所述局部放电采集装置包括局部放电传感器、采集器和计算机，所述局部放电传感器的输入端与所述接地电极的输出端电连接，所述局部放电传感器的输出端和分压器的输出端分别与所述采集器的输入端电连接，所述采集器的输出端与所述计算机电性连接，所述采集器的外壳接至地电位。

一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用螺纹杆将金属夹具固定在拉力机操作杆上，然后使用金属夹具将样品的两端夹紧；

步骤二、在样品中间部位，将高压电极和接地电极分别贴合在样品的上、下表面；

步骤三、将油槽放入拉力机操作杆“凸字型”结构的正下方，倒入绝缘油，使得绝缘油同时没过金属夹具和高压电极；

步骤四、启动机械应力施加与测量装置，打开拉力机电源，设置应力值，然后启动电机给样品施加应力，应力的范围为0-400MPa，当观察应力传感器的数值达到设定应力时，不再继续增加应力；

步骤五、保持上述应力下，启动电场施加与测量装置和局部放电采集装置；打开交流电源，将电场施加到样品上，然后逐级增加电场，当样品内部发生放电时，放电电流将从接地电极经过导线流入地电位，局部放电传感器会测量到来自接地电极导线内部的放电电流，局部放电传感器将放电信号传入至采集器，与此同时，分压器将此时的电压相位信号传入采集器，采集器将收集到的放电信号与此时的电压相位信号整理并传至电脑中；

步骤六、电脑获得局部放电相位图谱、局部放电起始电压、放电重复率，分析运行工况对样品的损伤程度。

因此，本发明采用上述一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统及方法，实现了机械应力及电场的联合控制，可在0至400MPa应力下纤维增强复合材料劣化过程中的内部损伤引起的介电参数、局部放电特性的测量与评价，解决了现有测试平台只能在无应力或应力、电场测量分离的情况下测量及测量过程中金属夹具与高压电极发生放电的问题，测试方法简单、准确可靠，符合电工装备与器件同时承受机械应力和电场的运行工况，可广泛用于GIS绝缘拉杆等设备绝缘状态的评估，为其材料选取及设计提供依据。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的不同应力下纤维增强复合材料的局部放电起始电压；

附图标记：

1、交流电源；2、限流电阻；3、分压器；4、拉力机操作杆；5、金属夹具；6、定制电极；61、高压电极；62、接地电极；7、样品；8、油槽；9、应力传感器；10、电机；11、采集器；12、局部放电传感器；13、计算机。

具体实施方式

实施例

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统，包括机械应力施加与测量装置、电场施加与测量装置、局部放电采集装置、绝缘油盛放装置；机械应力施加与测量装置、电场施加与测量装置及局部放电采集装置为电连接，局部放电采集装置用于实现在机-电应力联合作用下对材料劣化过程中产生的局部放电信号进行采集、分析，进而评估绝缘状态，绝缘油盛放装置为油槽8，整个测量平台放置于盛满绝缘油的容器中，进而避免沿面放电对材料内部局放信号的干扰。机械应力施加与测量装置包括电机10、应力传感器9、金属夹具5和拉力机操作杆4，电机10和应力传感器9均设置在拉力机操作杆4的一端，金属夹具5通过螺纹杆连接在拉力机操作杆4的另一端，且拉力机操作杆4设置为凸字型，金属夹具5可实现对样品7的有力夹持，另外为了避免样品7和夹具在绝缘油中发生滑移，夹具齿槽增加了锯齿的面积和密度，可以实现在油中牢牢夹持样品7，不发生打滑。金属夹具5和拉力机操作杆4的数量均设置为两个，两个拉力机操作杆4对称设置在油槽8的两端，两个拉力机操作杆4的相邻端均浸入在油槽8内部，浸入在油槽8内部的拉力机操作杆4的端部设置有螺纹孔，且两个金属夹具5上均开设有与拉力机操作杆4的螺纹孔尺径相同的螺纹孔。电场施加与测量装置包括交流电源1、限流电阻2、分压器3和定制电极6，交流电源1的输出端与限流电阻2的输入端电连接，交流电源1的外壳接至地电位，分压器3的输入端及定制电极6的输入端均与限流电阻2的输出端电连接；交流电源1输出高电压，电压范围为0-50kV，定制电极6采用柱板结构，在纤维增强复合材料内部形成近似均匀的电场，定制电极6的边缘为倒圆角设计，来避免电极存在尖锐部分出现电场畸变，定制电极6包括高压电极61和设置在高压电极61下方的接地电极62，且在高压电极61和接地电极62之间设置有样品7，样品7均与高压电极61和接地电极62紧密贴合，样品7为待测试的纤维增强复合材料。局部放电采集装置包括局部放电传感器12、采集器11和计算机13，局部放电传感器12的输入端与接地电极62的输出端电连接，局部放电传感器12的输出端和分压器3的输出端分别与采集器11的输入端电连接，采集器11的输出端与计算机13电性连接，采集器11的外壳接至地电位，传感器负责检测来自样品7内部实时的放电信号，采集器11将放电信号与施加电压相位进行同步并将处理数据传入计算机13，获得局部放电相位图谱、局部放电起始电压等信息。本装置可以模拟GIS绝缘拉杆等高压电工装备与部件在实际运行中同时承担电场与机械应力的运行工况。

一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用螺纹杆将金属夹具5固定在拉力机操作杆4上，然后使用金属夹具5将样品7的两端夹紧；

步骤二、在样品7中间部位，将高压电极61和接地电极62分别贴合在样品7的上、下表面；

步骤三、将油槽8放入拉力机操作杆4“凸字型”结构的正下方，倒入绝缘油，使得绝缘油同时没过金属夹具5和高压电极61；

步骤四、启动机械应力施加与测量装置，打开拉力机电源，设置应力值，然后启动电机10给样品7施加应力，应力的范围为0-400MPa，当观察应力传感器9的数值达到设定应力时，不再继续增加应力；

步骤五、保持上述应力下，启动电场施加与测量装置和局部放电采集装置；打开交流电源1，将电场施加到样品7上，然后逐级增加电场，当样品7内部发生放电时，放电电流将从接地电极62经过导线流入地电位，局部放电传感器12会测量到来自接地电极62导线内部的放电电流，局部放电传感器12将放电信号传入至采集器11，与此同时，分压器3将此时的电压相位信号传入采集器11，采集器11将收集到的放电信号与此时的电压相位信号整理并传至电脑中；

步骤六、电脑获得局部放电相位图谱、局部放电起始电压、放电重复率，分析运行工况对样品7的损伤程度。

通过分析不同应力下的介电参数变化规律，局部放电起始电压和放电重复率，可以分析运行工况对纤维增强复合材料的损伤程度。局部放电起始电压越低，代表材料在某一应力下越容易形成内部机械损伤，越容易引发局部放电行为。放电重复率越高，代表空隙或者裂纹等机械损伤面积越大，进而导致局部放电越剧烈，加速复合材料绝缘劣化。同样的，材料损伤会引起介电参数与击穿强度等绝缘性能的变化，通过对比参考样品7与损伤样品7的介电谱与击穿强度值，可以结合局部放电参数共同提供纤维增强复合材料损伤状态的评估方法。

因此，本发明采用上述一种基于“机-电”联合测试的绝缘状态评估系统及方法，实现了机械应力及电场的联合控制，可在0至400MPa应力下纤维增强复合材料劣化过程中的内部损伤引起的介电参数、局部放电特性的测量与评价，解决了现有测试平台只能在无应力或应力、电场测量分离的情况下测量及测量过程中金属夹具与高压电极发生放电的问题，测试方法简单、准确可靠，符合电工装备与器件同时承受机械应力和电场的运行工况，可广泛用于GIS绝缘拉杆等设备绝缘状态的评估，为其材料选取及设计提供依据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。