直流电压下固体绝缘中电树枝特性实时显微观测试验系统

摘要

直流电压下固体绝缘中电树枝特性实时显微观测试验系统，包括敞口容器，敞口容器内放置支撑座，支撑座上放置被测试样，试样的针电极通过高压铜柱与高压引线连接，试样的平板电极通过低压铜杆与低压引线连接，低压铜杆、弹簧、以及低压铜柱的设计配合有助于试样的取放以及位置固定，敞口容器被容器盖所覆盖，通过在容器盖上开孔处插入的显微观察柱可有效减弱试样上方区域内的硅油晃动，容器盖上的直接观察窗用于显微观察柱的位置观察及调整；本发明能够对被测试样进行有效的位置固定，试样取放方便，可应用于不同形状及尺寸的固体绝缘电树枝测试试样，能够在施加直流电压的同时对试样针尖区域进行实时观察及拍照记录，无需断电。

说明书

技术领域

本发明涉及电树枝特性的显微观测试验系统，具体涉及在外加直流电压下 对固体绝缘中的电树枝引发及生长特性进行实时显微观测的试验系统。

背景技术

由于具有结构紧凑、安装方便、易于维护、环境友好等优点，固体绝缘 电力设备在交、直流输、配电网络中获得了广泛应用，在许多场合取代了油 纸及气体绝缘结构。

研究发现，对高压/超高压固体绝缘，电树枝化是导致绝缘失效的主要原 因。针对固体绝缘材料在交流电压下电树枝特性的研究开展较广，主要涉及 温度、电压幅值、升压速率、频率、残余机械应力等对电树枝引发概率、生 长速度、结构形态等的影响，各种电树枝通道的痕量分析，以及电树枝劣化 状态与局部放电量的对应关系等。直流电压下固体绝缘的老化特性与交流下 显著不同。直流电树枝引发困难，生长速度慢，实时观测难以实现，这可能 是导致该领域研究报道不多的原因。

近年来，对固体绝缘材料，如低密度聚乙烯(LDPE)、交联聚乙烯(XLPE)、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅橡胶(SR)等中直流电树枝的研究内容也 开始见诸报导，包括直流树、直流接地树、直流电压极性反转树、直流叠加 冲击树以及直流预压冲击树等，主要针对电树枝的引发特性展开，而对生长 特性的研究成果还很少，除少数几篇涉及树枝形态以外，目前仅有一篇给出 了针对直流电树枝生长速率、通道特性的初步研究结果，而这个实验还是在 间断施加的直流电压下进行的。

在进行固体绝缘中的电树枝引发及生长特性研究时，通常采用块状试样， 在其中引入针-板电极系统，构成一个典型的极不均匀电场结构。试样的典型 结构如图1所示。针电极的尖端曲率半径、针-板电极之间的距离都是可调参 数，可以根据实验需要采用不同的值。

在试样制备完成后，将试样放置于测试容器内利用卡具进行固定，针电 极上施加高压，板电极接地；测试容器的四壁由聚四氟乙烯制成，不仅绝缘 良好，并且耐受高温；容器内注入硅油，将试样完全浸在硅油中，防止试样 表面在外加电压下发生沿面闪络，同时增加试样的透明度，便于对内部的电 极尖端和电树枝进行观察和拍照；容器底部由一片加厚的钢化玻璃制成，除 了保证容器的坚固性，还可以使得透射光源产生的光线从容器底部透过照亮 试样区域，满足对试样的观测需求；对试样的观察和拍照记录由位于容器上 部的CCD镜头和体式数字显微镜来完成，显微镜的放大倍数可调，可直接 在显微镜下对试样进行观察，也可通过专用数据线将计算机与数字显微镜连 接，通过显微镜配套软件在计算机上进行试样图像的实时显示，或者在设定 的时间间隔下利用软件自动进行图像的采集并将其保存在计算机上指定位 置，方便随时调用。电树枝试验的显微观察及拍照系统如图2所示。

在交流电压下进行试验时，该系统可以实现对试样的实时观察和连续记 录；但是在直流电压下，电泳效应极为显著，硅油分子沿电场方向运动并与 容器壁碰撞，导致液面剧烈晃动，无法对试样进行实时观察或清晰拍照；为 了解决这个问题，直流电树枝试验中都是采用周期性间断施加电压的方式， 在直流电压的施加时间达到预设值后，将电压下降为零，等到硅油液面平静 后再对试样进行观察和拍照；这种间断式施加电压的方式与电力设备在运行 时承受直流电压的方式不相同，从而导致得到的电树枝试验结果合理性存疑； 为了能够在持续施加直流电压的同时对试样中的电树枝进行实时观察和拍照 记录，需要建立新的试验及观测系统。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种直流电压下 固体绝缘中电树枝特性实时显微观测试验系统，能够对测试试样进行更加有 效的位置固定、在显微镜观察视窗内有效控制硅油的来回晃动，从而在外加 直流电压下，能够对试样中电树枝引发及生长特性进行实时显微观察和定时 拍照记录。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

直流电压下固体绝缘中电树枝特性实时显微观测试验系统，包括敞口容 器4，敞口容器4的底部为玻璃底座5，侧壁由聚四氟乙烯材料制成；敞口容器 4中放置支撑座6，支撑座6上放置试样13，试样13的针电极从左侧插入高压 铜柱10的中空部分，高压引线11一端从右侧插入高压铜柱10的中空部分与试 样13的针电极进行电气连接，高压引线11另一端沿敞口容器4的右侧壁上升 至开孔处穿出，与外部的高压电源连接；试样13的左侧平板电极与低压铜杆9 紧密接触，低压铜杆9穿入空心的低压铜柱8内并从左侧穿出低压铜柱8，弹簧 7套在低压铜杆9的左半段上并被限制在低压铜柱8内，低压引线12从左侧开 孔处进入敞口容器4并被焊接在低压铜杆9左端面上的中空圆柱形小孔内；敞 口容器4上覆盖容器盖1，容器盖1的中部开孔a处放置显微观察柱2，容器盖 1上另开设有孔b为直接观察窗3，所述显微观察柱2的下端位于试样13正上 方。

所述支撑座6的中间为矩形镂空区域，左侧壁中间位置具有一个贯通的低 压圆孔，低压圆孔左侧敞口容器4上开有低压凹槽；支撑座6右侧壁中部左侧 开有半圆形试样凹槽，右侧壁中部右侧开有矩形高压凹槽，半圆形试样凹槽与 矩形高压凹槽通过中间穿透支撑座右侧壁的高压圆孔连通；所述半圆形试样凹 槽中放置试样13，高压圆孔内放置高压铜柱10，高压引线11通过矩形高压凹 槽进行位置固定，低压圆孔内放置低压铜柱8，低压凹槽内固定低压引线12。

所述容器盖1的下表面接近外沿处开设有一圈凹槽。

所述显微观察柱2的上沿为宽边设计、之下为中空圆柱体，内径及长度可 调。

所述高压铜柱10为内径不同的中空圆柱。

所述低压铜杆9的右侧端面为与试样13的左侧面形状相适配的半球形， 低压铜杆9左右两段的直径不同，以方便套入弹簧7并将弹簧7限制在低压 铜杆9左半段上。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

低压铜杆、弹簧、以及低压铜柱的设计配合有助于试样的取放以及位置固 定，支撑座上的左右内部开孔设计有利于对高压铜柱、低压铜杆的位置固定， 敞口容器被容器盖所覆盖，通过在容器盖上开孔处插入的显微观察柱可有效减 弱试样上方区域内的硅油晃动，容器盖上的直接观察窗用于显微观察柱的位置 观察及调整；本发明能够对被测试样进行有效的位置固定，试样取放方便， 可应用于不同形状及尺寸的固体绝缘电树枝测试试样，能够在施加直流电压 的同时对试样针尖区域进行实时观察及拍照记录，无需断电，从而能够真正 实现对固体绝缘中直流电树枝的引发及生长特性的连续实时研究，加电压方 式与实际工程运行状况相吻合，真实反映了固体绝缘材料耐受长期直流电压 作用的老化性能，对目前大力发展的直流电力设备的绝缘材料选型、电老化 性能评估以及绝缘结构设计等都具有重要意义，此外，对于交流、冲击、以 及叠加电压下的固体绝缘电树枝试验，本发明同样适用。

附图说明

图1为试样的典型结构图。

图2为现有的电树枝试验的显微观察及拍照系统示意图。

图3是敞口容器及内部组件的结构示意图，其中图3a为俯视图，图3b 为主视图。

图4是容器盖及显微观察柱装配后的结构示意图，其中图4a为俯视图， 图4b为主视图。

图5是容器盖的结构示意图，其中图5a为俯视图，图5b为主视图。

图6是显微观察柱的结构示意图，其中图6a为俯视图，图6b为主视图。

图7是敞口容器的结构示意图，其中图7a为俯视图，图7b为主视图。

图8是支撑座的结构示意图，其中图8a为俯视图，图8b为主视图。

图9是高压铜柱的主视图。

图10是低压铜杆的主视图。

图11是低压铜杆、弹簧及低压铜柱装配后的主视图。

图12是试验系统整体的结构示意图，其中图12a为俯视图，图12b为主 视图。

图13是电树枝刚引发和生长到一定阶段的放大照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的内容作进一步详细说明。

参照图3所示，本发明直流电压下固体绝缘中电树枝特性实时显微观测 试验系统，采用了敞口容器4，敞口容器4的底部为玻璃底座5，其余部分由聚 四氟乙烯材料制成；敞口容器4中放置支撑座6，支撑座6上放置试样13，试 样13的针电极从左侧插入高压铜柱10的中空部分，高压引线11一端从右侧插 入高压铜柱10的中空部分与试样13的针电极进行电气连接，高压引线11另一 端沿敞口容器4的右侧壁上升至开孔处穿出，与外部的高压电源连接；试样13 的左侧平板电极与低压铜杆9紧密接触，低压铜杆9穿入空心的低压铜柱8内 并从左侧穿出低压铜柱8，弹簧7套在低压铜杆9的左半段上并被限制在低压铜 柱8内，低压引线12从左侧开孔处进入敞口容器4并被焊接在低压铜杆9左端 面上的中空圆柱形小孔内。

参照图4所示，本发明中敞口容器4上覆盖容器盖1，容器盖1的中部开孔 处放置显微观察柱2，容器盖1上另开设直接观察窗3。

图5为容器盖1的结构示意图，容器盖1采用聚四氟乙烯材料制作，下表 面接近外沿上有一圈凹槽，当容器盖1覆盖在敞口容器4上时，该凹槽可以卡 住容器壁，防止容器盖1滑落或移位。容器盖1上的中部开孔a位置插入显微 观察柱2，孔b为直接观察窗3，供实验人员检查显微观察柱2与试样13的相 对位置是否合适，需要时帮助进行有效的相对位置调整。

图6为显微观察柱2的结构示意图，显微观察柱2插入容器盖1上的对应 开孔，即图3中的中部开孔a处，显微观察柱2的下端刚好位于试样13的正上 方，削弱了试样13上方硅油的晃动，则利用显微镜通过显微观察柱2在上端进 行观察时，可以获得清晰的图像。显微观察柱2采用上沿宽边设计，使其可以 卡在容器盖1上并保持竖直。显微观察柱2的内径及长度可在一定范围内调节， 以适用于不同宽度及厚度的试样13。

图7为敞口容器4的结构示意图，除底座外，其余部分采用聚四氟乙烯 材料制成；采用钢化玻璃制成敞口容器4的玻璃底座5，除了保证容器的坚 固性外，还可以使得透射光源产生的光线从容器底部透过玻璃底座5后照亮 试样13所在的区域，满足对试样13的观测需求；敞口容器4上方的左右两 侧壁上各开左透孔c和右透孔d，左透孔c为低压引线12的进出孔，右透孔 d为高压引线11的进出孔；e为在敞口容器4底部左侧的聚四氟乙烯内环上 开设的矩形低压凹槽，可为低压铜杆9在弹簧7的作用下取放试样提供足够 的伸缩空间，同时也可适当限制低压引线12的自由移动。

图8为支撑座6的结构示意图。支撑座6采用聚四氟乙烯材料制成，整体 形状接近于一个长方体，上下两端面为平面，左右两端面为弧面，四个角hijk 作恰当的倒角处理，支撑座6的外部尺寸与圆形敞口容器4的底部聚四氟乙烯 圆环内径相对应，以使支撑座的四个角hijk卡在敞口容器4的内壁上，对支撑 座6进行有效固定。支撑座6中间的矩形区域f是镂空的，方便透过玻璃底座5 的光线照射到试样13上。支撑座6左侧壁中间位置具有一个贯通的低压圆孔l， 孔中放置低压铜柱8；g是在支撑座6右侧挖出的一个半圆形试样凹槽，用来放 置试样13；m是一个贯通支撑座6右侧壁的高压圆孔，连通左侧的半圆形试样 凹槽g和右侧的高压凹槽n，高压圆孔m中放置高压铜柱10。高压凹槽n是在 支撑座6上挖出的一个矩形凹槽，方便高压引线11由此进入高压圆孔m中的高 压铜柱10的中空部分。

图9为高压铜柱10的透视图，高压铜柱10的内部中空，左边p端中空圆 柱直径小，略大于试样13所带的针电极直径；右边q端中空圆柱的直径较大， 高压引线11进入高压铜柱10的q端孔内并进行牢固焊接。

图10和图11分别是低压铜杆9和低压铜杆9、弹簧7及低压铜柱8装 配后的主视图。低压铜杆9的右侧s端面为半球形，有利于和试样13的平板 电极面良好接触；低压铜杆9的左侧o端挖出一个中空圆柱形小孔，低压引 线12焊接在孔内；低压铜杆9的左右两段具有不同外径，or段外径小于弹 簧7的内径，使弹簧7能够套在低压铜杆9的or段上；低压铜杆9的rs段外径 大于弹簧7的内径，将弹簧7限制在or段上。低压铜柱8为内部中空设计，左 侧的孔径小于弹簧7的外径，但大于低压铜杆9的or段的外径；低压铜柱8右 侧孔径大于弹簧7的外径以及低压铜杆9右半段rs段的外径。这样，低压铜杆 9套上弹簧7后从低压铜柱8的右侧进入内部圆孔，弹簧7被限制在低压铜柱8 内，而低压铜杆9可从低压铜柱8的左侧穿出。以上设计使得低压铜杆9可以 前后伸缩，方便试样13的取放。在试样13放置完成后，弹簧7的弹力作用在 低压铜杆9上，使低压铜杆9的s端面对试样13产生一定压力，可有效固定试 样13，防止移位。

为了显示将所有组件装配完成后本发明的全貌，图12给出了本发明的整 体结构示意图。

下面结合具体操作步骤对本发明作更详细的说明。

利用本发明所设计的试验系统对交联聚乙烯电缆绝缘试样进行电树枝引 发及生长试验，在外加直流电压下，实时显微观察试样中针电极尖端区域， 以确定是否有电树枝被引发，观察电树枝形态及生长特性，并进行拍照记录， 包括如下步骤：

步骤1：将高压引线11牢固焊接在高压铜柱10的右侧孔内之后，将高压铜 柱10插入支撑座6右侧的高压圆孔m内；将低压铜杆9套上弹簧7后，穿入低 压铜柱8内，将三者一起放入支撑座6左侧的低压圆孔l内，并让低压铜杆9左 侧端面从低压铜柱8及低压圆孔l中穿出，将低压引线12牢固焊接在低压铜杆 9左端面的小孔内。将支撑座6放入敞口容器4中并恰当固定，将高压引线11 经支撑座上的高压凹槽n后从敞口容器4右侧壁面的右透孔d孔处穿出，与外 部的高压直流电源连接；将低压引线12经敞口容器4上的低压凹槽e后从左侧 壁面的左透孔c处穿出，与外部地线连接。

步骤2：一手用尖嘴钳夹住低压铜杆9向左拉开一定距离，一手用镊子拿着 试样13，将其针电极露出的一端插入高压铜柱10左端的中空部分中。待将试 样13的针电极插入后，轻轻放开低压铜杆9，使其右端弧面自然抵住试样13的 平板电极面。

步骤3：将甲基硅油倒入敞口容器4中，硅油应完全浸没试样13，但液面 应低于高、低压引线进出孔即右透孔d和左透孔c，避免加直流电压时硅油晃 动，从引线进出孔中溢出。

步骤4：将显微观察柱2插入容器盖1的中部开孔a中，将容器盖1覆盖到 敞口容器4上，在旋转容器盖1的同时通过直接观察窗3检查显微观察柱2的 位置，当显微观察柱2正好卡在支撑座6的半圆形试样凹槽g的边缘并轻抵试 样13的上表面时为最佳。

步骤5：利用图2中所示的电树枝试验显微观察及拍照系统，用本发明中的 已装配完成的容器整体代替图2中的容器整体进行后续试验。

将装配完成的容器整体放置在显微镜的载物台上，将显微镜的镜头对准显 微观察窗2的正上方，打开透射光源，对容器的位置、光源的亮度和显微镜物 镜的高度进行微调，直到试样13中的针电极尖端出现在显微观察软件系统屏幕 的中心位置。需要注意，为了采集到清晰图像，在电树枝生长的不同阶段，应 对显微观察软件系统的参数进行调整，使得电树枝通道与交联聚乙烯绝缘对比 度高，易于观察和测量。

仔细检查试样与高压电源、地线的连接是否正确牢固，检查显微镜外壳是 否与地线连接。连线无误后，即可开始加压进行试验。在外加直流电压下，可 直接利用显微镜对试样进行放大观察，也可通过专用数据线将计算机与数字 显微镜连接，通过显微镜配套软件在计算机上进行试样图像的实时显示，或 者在设定的时间间隔(如1秒)下利用软件自动进行图像的采集并将其保存 在计算机上指定位置，随时调用。图13中给出了电树枝刚引发和生长到一定 阶段后的照片。