一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树枝观测装置

本发明属于固-固绝缘材料绝缘性能评估与监测，具体为一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置。

背景技术：

1、高频电力变压器是实现电能灵活互联的关键装备——电能路由器的核心能量转换模块，其绝缘材料除承受一般的交、直流应力外，还要经受瞬态pwm开关(ns～μs级)、高频方波与高频类正弦波(1khz～50khz)等强场特殊电应力和高损耗密度导致的高温热应力(局部达150℃以上)的耦合作用，相较于传统工频变压器，高频变压器存在主绝缘承压介质少、场强峰值高，匝间、层间以及相间等部位电场分布畸变严重等问题，高频高场强工况下，短时间内大量载流子注入绝缘材料内部，高频工况下电场方向迅速变化，介质内部电荷行为更为复杂，其载流子动态过程伴随能量的吸收与释放，这一过程轰击聚合物分子链致使其断裂、加速绝缘材料的劣化，对其绝缘材料的绝缘性能提出了更高的要求。

2、高频电力变压器常选用聚酰亚胺(polyimide,pi)作为匝间绝缘，pi薄膜通过多层包裹的形式布置在电极表面。环氧树脂(epoxy resin,ep)作为其浇筑绝缘，与绕组包覆绝缘聚酰亚胺构成聚酰亚胺-环氧树脂复合绝缘结构，其结构中材料本征特性的差异与使得界面电场畸变、电荷大量积聚以及热膨胀解离，导致绝缘失效，威胁装备的长期稳定运行。

3、聚合物在长期电应力的冲击下会产生电树枝老化现象，随电压等级的提高，聚合物内部的绝缘缺陷更易引发电树枝，其产生与发展过程伴随局部放电现象，且随电树发展阶段不同，局放现象实时变化，这一过程会加速绝缘的劣化与失效，严重影响设备的服役寿命，威胁系统的运行与可靠性。聚酰亚胺-环氧树脂复合绝缘结构界面是高频变压器绝缘中的薄弱环节，其绝缘电气性能依赖于聚酰亚胺和环氧树脂在热力学以及介电性能的过盈配合，在长期复杂的电热耦合应力冲击下，其界面出现空腔、分层等缺陷，更易引发电树枝。

4、现有的装置多数只针对单层介质开展测试，无法实现电-热联合作用下复合绝缘结构电树枝发展过程的精确表征与局放检测，界面劣化过程机理尚不清晰，制约聚酰亚胺-环氧树脂复合绝缘结构绝缘性能的提升与高频变压器向大容量、高功率密度发展的进程。

技术实现思路

1、为解决电-热联合作用下复合绝缘结构电树枝发展过程的精确表征与局放检测的问题，本发明提出了一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置，本方法可以实现电-热耦合应力下固-固绝缘结构电树发展的测试，通过调整温控装置与数字摄像机，可以实现恒温条件下电树生长的全过程观察，通过局方信号采集与处理系统，可实现电树生长全过程局部放电信号的采集。

2、为实现上述目的，本方法采用如下技术方案：

3、一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置，其特征在于：包括温度控制系统，高频高压实验系统，光学显微观测系统，局放信号采集与处理系统；

4、所述具有温控功能的隔热腔体(15)通过带孔绝缘塞(16)接入高压引线，腔体外壁通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗(17)，腔体内部含前视窗均涂有隔热层，四壁装有加热装置，高压引线一端经保护电阻(18)与高频电压源(11)连接，另一端经高压探头(2)与示波器(13)相连接，腔体(15)内部接地板电极(7)经脉冲电流传感器(12)接地，同时脉冲电流传感器(12)将局部放电产生的暂态地电流信号传输至数字示波器(13)，再经数字示波器传输至计算机(14)的局放信号处理系统进行处理；所述腔体(15)内置温度传感器(4)，温度传感器(4)将温度信号传输至温度控制系统(3)，面光源(19)、实验试样(6)、腔体视窗(8)与长焦镜头(9)位于同一轴线，通过调节台(11)可精准调节数字摄像机(10)的位置，长焦镜头(9)与数字摄像机(10)位于同一轴线，数字摄像机(10)将图像信号传输至计算机(14)的图像处理系统。所述腔体(15)主体采用不锈钢材质制成，可耐受50kv交直流电压。

5、所述温度控制系统由温度传感器(4)、温度控制系统(3)、隔热腔体(15)与腔体内部的加热装置组成。

6、所述高频高压实验系统由高频正弦电源(1)与接地保护电阻(18)构成，高频正弦电源(1)电压输出为0～30kv，频率范围0～50khz，并经保护电阻(11)与高压电极(5)相连；

7、所述光学显微观测系统由面光源(19)、腔体视窗(8)、长焦镜头(9)、数字摄像机(10)、调节台(11)与图像处理系统组成。；

8、所述局放信号采集与处理系统由高压探头(2)、脉冲电流传感器(12)、数字示波器(13)与局放信号处理系统(14)组成；

9、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

10、1.本装置可模拟固态变压器典型绝缘结构在实际运行过程中所承受的强电-热耦合应力，可用于模拟复合绝缘结构界面处承受的不同运行工况；

11、2.本装置可以通过观察环氧树脂-聚酰亚胺复合绝缘结构在长期电热耦合老化的作用下界面处劣化过程，同时对其劣化过程不同发展阶段的局部放电信号进行采集，有助于掌握复合绝缘结构在长期劣化过程中特征参量的变化情况；

12、3.本装置在固固绝缘材料复合绝缘界面局部放电领域的相关研究中具有通用性，不仅可以支撑实验室研究，对复合绝缘结构绝缘状态实时监测系统的开发与标准制定具有重要工程意义。

技术特征：

1.一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置，其特征在于：包括温度控制系统，高频高压实验系统，光学显微观测系统，局放信号采集与处理系统；

2.根据权利要求1所述的一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置，其特征在于，所述可拆卸石英玻璃观察窗(17)通过法兰盖板和0型密封圈安装于所述腔体(15)外壁上，所述石英玻璃窗正对电极与试样中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置，其特征在于，所述腔体(15)中高压电极(5)采用不锈钢针，针尖打磨尖锐，板电极(7)采用紫铜材质，其表面进行打磨处理至表面光滑，棱角进行打磨、钝化处理。

技术总结本发明公开了一种具有温度可控及局放监测功能的高频高压电树观测装置，属于电气绝缘状态监测领域。本发明装置包括温度控制系统，高频高压实验系统，光学显微观测系统，局放信号采集与处理系统，其内部设置针板电极，示波器通过高频电流传感器与地电极连接；腔体内部通过温度传感器与温控系统连接；数字摄像机与图像处理系统组成光学显微观测系统，所述局部放电检测系统的数字示波器经高压探头接入高压引线，电极地线经高频电流互感器接入示波器采集局部放电信号。本发明的优点在于，该装置可对高频工况下影响环氧树脂‑聚酰亚胺多层绝缘结构绝缘界面绝缘性能的影响因素进行探究，为高频脉冲应力下多层绝缘失效的理论分析提供实验数据。技术研发人员：李庆民,韩耀萱,邱豪,洪若晴,任瀚文受保护的技术使用者：华北电力大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17