一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电气工程高电压与绝缘技术领域，特别是涉及一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置及方法。

背景技术

高压直流输电具有线路成本较低、输电距离更远等优势，能够有效解决能源分布不均的问题，在推进构建以特高压为骨干的智能电网中发挥着重要的作用，是实现海上风电并网、新能源规模化利用的必要途径。

聚丙烯高压直流电缆在生产、运输、安装的过程中会受到不同程度的机械拉伸力和弯曲力，材料内部可能产生不同程度的微裂纹，导致PP电气绝缘性能严重下降。高压电缆的弯曲半径标准通常是电缆直径的20倍。如果弯曲半径过大，会增加电缆的敷设难度和材料消耗。如果弯曲半径太小，PP绝缘内部片晶会沿着拉伸力方向分离和滑移，界面缺陷加剧甚至可能出现晶球破碎的情况。因此在弯曲力的作用下，聚丙烯电缆内部极易产生更多的缺陷，在相同电压水平下更容易产生局部放电，其电气、机械性能均会受到较大影响。

高压电缆绝缘电树枝现象是绝缘劣化的主要形式，严重威胁聚丙烯绝缘电缆的安全稳定运行。局部放电会诱发产生树枝状放电通道，最终可导致电缆主绝缘发生击穿，同时机械应力导致电缆弯折的变化会对电树枝的发展产生较大影响。目前仍有较少文献报道高压电缆用绝缘材料在弯折状态下的电树枝劣化演变规律。因此本领域亟需开展模拟弯折条件下的电缆绝缘电树枝劣化实验，以确定不同的曲率和曲率半径对电缆绝缘性能造成的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置及方法，以准确模拟高压电缆在弯折状态下的电树枝劣化演变规律。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置，包括：电源发生装置、屏蔽壳体、机械弯折工作钳台、高压电缆试样、显微式摄像头以及视频采集模块；

所述机械弯折工作钳台设置在所述屏蔽壳体内部；所述机械弯折工作钳台包括：钳口固定部、钳口活动部、螺杆以及调节螺母；所述钳口固定部和所述钳口活动部底端均设置有试样安装凹槽；所述高压电缆试样的两侧分别安装到所述钳口固定部和所述钳口活动部底端的试样安装凹槽中；所述螺杆依次穿过所述钳口固定部上端和所述钳口活动部上端；所述调节螺母固定在所述钳口固定部上端外侧且旋在所述螺杆上；通过所述调节螺母带动所述螺杆进行传动，改变所述机械弯折工作钳台的钳口大小来控制高压电缆试样的曲率和曲率半径；

所述高压电缆试样中心埋置有钢针作为针电极；所述电源发生装置通过导线连接至针电极首端，通过针电极尾端对高压电缆试样施加电压；

所述显微式摄像头设置在所述屏蔽壳体内部；所述视频采集模块设置在所述屏蔽壳体外部；所述显微式摄像头与所述视频采集模块连接；所述显微式摄像头用于拍摄高压电缆试样的电树枝发展图像；所述视频采集模块用于录制并存储所述电树枝发展图像。

可选地，所述电源发生装置包括：电源和保护电阻；所述电源通过导线与所述保护电阻的一端连接；所述保护电阻的另一端通过导线连接至所述针电极的首端；所述电源包括直流电源、交流电源、直流叠加脉冲电源。

可选地，所述机械弯折工作钳台采用固体刚性绝缘材料制成。

一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试方法，基于所述的模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置；所述模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试方法包括：

将高压电缆试样两侧安装至钳口固定部和钳口活动部底端的试样安装凹槽处；

通过调节螺母改变机械弯折工作钳台的钳口宽度，从而带动高压电缆试样弯折；

计算弯折后高压电缆试样针电极处的曲率和曲率半径；

不断调整钳口宽度直至高压电缆试样弯折到预设的目标曲率半径；

启动电源发生装置对高压电缆试样施加电压，通过显微式摄像头和视频采集模块录制并存储电树枝发展图像；

根据电树枝发展图像分析高压电缆试样的针电极处在不同曲率和曲率半径下的电树枝特性劣化演变规律。

可选地，所述目标曲率半径大于等于Xmm；其中X为弯折后高压电缆试样发生断裂情况时的最大曲率半径。

可选地，所述计算弯折后高压电缆试样针电极处的曲率和曲率半径，具体包括：

弯折后高压电缆试样上针电极尾端(x，y)处曲率K通过公式

当d

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置及方法，以控制高压电缆在不同弯折条件下的电树枝老化为核心，通过调节机械弯折工作钳台的钳口宽度来调节高压电缆试样针电极处的曲率和曲率半径，可实现高压电缆在不同弯折条件下电树枝的加速老化实验，以准确模拟高压电缆在弯折状态下的电树枝劣化演变规律，从而快速、准确地确定弯折曲率半径对电缆绝缘性能造成的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置的结构示意图；

图2为本发明提供的不同曲率半径设置及对应的高压电缆试样形态示意图；

图3为本发明提供的实施例1在不同曲率和曲率半径下的绝缘电树枝生长情况示意图；

图4为本发明提供的实施例2在不同曲率和曲率半径下的绝缘电树枝生长情况示意图；

图5为本发明提供的针电极所处坐标系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置及方法，以准确模拟高压电缆在弯折状态下的电树枝劣化演变规律。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明公开的一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置，包括：电源发生装置、屏蔽壳体3、机械弯折工作钳台4、高压电缆试样5、显微式摄像头7以及视频采集模块8，从而构建一个使得高压电缆试样弯折程度可调的电树枝老化模拟装置。

机械弯折工作钳台4设置在屏蔽壳体3内部，采用固体刚性绝缘材料制成。机械弯折工作钳台4包括：钳口固定部4.1、钳口活动部4.2、螺杆4.3以及调节螺母4.4。其中，钳口固定部4.1底端设置有第一试样安装凹槽4.5，钳口活动部4.2底端设置有第二试样安装凹槽4.6。高压电缆试样5的两侧分别安装到第一试样安装凹槽4.5和第二试样安装凹槽4.6中。螺杆4.3依次穿过钳口固定部4.1上端和钳口活动部4.2上端；调节螺母4.4固定在钳口固定部4.1上端外侧且旋在螺杆4.3上。通过调节螺母4.4带动螺杆4.3进行传动，可以改变机械弯折工作钳台4的钳口大小，进而控制高压电缆试样5的弯折程度。具体地，通过旋转调节螺母4.4，经与调节螺母4.4连接的螺杆4.3的传动，可带动钳口活动部4.2进行移动，缩短钳口间距。由于第一试样安装凹槽4.5与钳口固定部4.1是一体成型的，第二试样安装凹槽4.6与钳口活动部4.2是一体成型的，因此钳口的开合可以对高压电缆试样5施加压力，从而控制高压电缆试样5的弯曲程度，准确模拟高压电缆弯曲。

高压电缆试样5中心埋置有钢针作为针电极9。电源发生装置通过导线连接至针电极9首端，通过针电极9尾端对高压电缆试样5施加电压。其中，高压电缆试样5尺寸以长30mm、宽15mm、厚1mm为优。高压电缆试样5中埋置的钢针9针杆直径以300μm为优，针尖曲率半径以3μm为优，针尖距高压电缆试样5底边垂直距离以2mm为优。

具体地，电源发生装置包括电源1和保护电阻2。其中电源1通过导线与保护电阻2的一端连接。保护电阻2的另一端通过导线连接至针电极9的首端。电源1选取直流叠加脉冲电压源，输入为工频220V交流电，作用是输出直流和交流可靠耦合叠加的电压。保护电阻2的额定阻值为0～100MΩ，作用是限制电流和保护电源。

显微式摄像头7设置在屏蔽壳体3内部，视频采集模块8设置在屏蔽壳体3外部。显微式摄像头7与视频采集模块8连接。显微式摄像头7用于拍摄高压电缆试样的电树枝发展图像；视频采集模块8用于录制并存储所述电树枝发展图像。

作为一种优选地实施例，本发明模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置还包括：接地电极3。接地电极3与高压电缆试样5的一侧紧密贴合，用于为绝缘电树枝特性测试装置中的电路提供零电位参考点，同时保护人身和设备的安全。

基于所述的模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试装置，本发明还提供了一种模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试方法，包括：

S1，将高压电缆试样5两侧分别安装至钳口固定部4.1的第一试样安装凹槽4.5和钳口活动部底端4.2的第二试样安装凹槽4.6处。

S2，通过调节螺母4.4改变机械弯折工作钳台的钳口宽度，从而带动高压电缆试样5弯折。

S3，计算弯折后高压电缆试样5针电极9处的曲率和曲率半径。

具体地，取弯折后高压电缆试样底部弧线上的一个端点为原点，取两端点的连线方向为X轴，取与X轴垂直方向为Y轴，X、Y轴尺度与试样实际尺度相同，K为设定的钳口宽度，建立坐标系如图5所示。通过拟合得到弧线在此坐标系中的函数y(x)，此弧线的顶点即为针电极尾端位置(x，y)。

弯折后高压电缆试样上针电极尾端(x，y)处曲率K通过公式

当d

S4，不断调整钳口宽度直至高压电缆试样弯折到预设的目标曲率半径。

具体地，所述目标曲率半径大于等于Xmm；X为弯折后高压电缆试样发生断裂情况时的最大曲率半径。例如，等规聚丙烯试样的最大曲率半径X为7～9mm。

S5，启动电源发生装置对高压电缆试样5施加电压，通过显微式摄像头7和视频采集模块8录制并存储电树枝发展图像。

S6，根据电树枝发展图像分析高压电缆试样5的针电极9处在不同曲率和曲率半径下的电树枝特性劣化演变规律，进而确定曲率半径对电缆绝缘性能造成的影响。

具体地，取针电极9尾端(尖端)到树枝尖端的长度为电树枝的生长长度L，垂直于针电极9方向的最大长度为电树枝的宽度N，定义电树枝宽度与电树枝长度的比值

实施例1

本实施例基于提供的模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试方法，选取等规聚丙烯iPP作为高压电缆绝缘材料。由于iPP具有硬度大，脆性高，断裂伸长率低等机械特性，限制了其在电缆中的应用。本实施例设置的A、B、C和D四种不同绝缘试样上针电极9尾端处的目标曲率半径R和曲率如表1所示，此外具体设置及对应的高压电缆试样形态如图2所示。随后观察在40min内绝缘电树枝生长情况，得到图3中的四幅电树枝生长情况示意图，计算得到的电树枝特性表征参数扩展系数与累计损伤面积如表1所示，获得模拟电缆弯折条件下的绝缘劣化特征。由表1可见，随着曲率半径的减小，扩展系数减小，累计损伤面积增大，弯折条件加剧了电树针电极方向的生长和劣化程度。由图3可见，随着弯曲程度的增大，iPP的电树枝形态逐渐单一，主要呈现为一根主干通道向前发展的藤枝状电树，并且电树发展速度加快。曲率半径为11mm试样的电树生长时间未达到40min就发生了击穿。由此可得出高压电缆绝缘试样在机械应力导致弯折条件下，弯曲程度越大，电树枝分枝越少，电树枝生长发展过程越快的结论。

表1不同曲率半径下iPP的电树枝特性表征参数

实施例2

本实施例基于提供的模拟高压电缆绝缘弯折的电树枝特性测试方法，选取嵌段共聚聚丙烯PPB作为高压电缆绝缘材料。其中乙烯共聚物增加了聚丙烯的韧性，改善了其机械性能。本实施例设置的A、B、C和D四种不同绝缘试样上针电极9尾端处的目标曲率半径R和曲率如表2所示。随后观察在40min内绝缘电树枝生长情况，得到图4中的四幅电树枝生长情况示意图，计算电树枝特性表征参数扩展系数与累计损伤面积如表2所示，获得模拟电缆弯折条件下的绝缘劣化特征。由表2可见，随着曲率半径的减小，扩展系数和累计损伤的变化趋势与实施例1相同，但扩散系数PPB高于iPP，累计损伤面积PPB低于iPP。由图4可见，随着曲率半径的增大，PPB的发展形态趋于树枝-藤曼状。与实施例1相比，PPB显著抑制了电树的发展速率和损伤程度。

表2不同曲率半径下PPB的电树枝特性表征参数

由实施例1和实施例2可得出高压电缆绝缘试样在机械应力导致弯折条件下，曲率半径越大，电树枝分枝越少，电树枝生长发展过程越快。嵌段共聚聚丙烯能有效抑制电树枝的发展速率和累计损伤程度，改善了聚丙烯的电树特性。

与现有技术相比，本发明提供的高压电缆的绝缘电树枝特性测试装置及方法考虑了高压电缆实际运行过程中由于受到外界机械应力发生弯折的现象，模拟了电缆机械应力导致弯折条件下的绝缘电树枝劣化行为，设计了模拟电缆机械应力导致弯折条件下的绝缘电树枝特性测试装置，能够准确模拟高压电缆在弯折状态下的电树枝劣化演变规律，从而快速精准确定弯折拉伸率对电缆绝缘性能造成的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。