专利名称：交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测试交联聚乙烯性能的试验装置，尤其是比较和评定交联
聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置。
背景技术：
电缆绝缘层"水树化"是引起交联聚乙烯电缆老化击穿从而降低使用寿命
的重要原因。随着我国工业规模日益扩大和城市用电量的急增，10kV交联聚乙 烯(XLPE)电缆的用量越来越大，水树引发电缆绝缘击穿的事故越来越多。比 较、评定XLPE电缆料耐水树性能的惯用的方法是采用工频电压，但是培养水 树的时间很长，不能适应快速研究的需要。美国标准(ASTMD6097-97a)提出 了用高频lkHz正弦波电压加速培养水树的方法和试样的制作的方法试样的制作 的方法。但是ASTMD 6097-97a提出试样的制作的方法复杂，试样体积庞大； 此外，目前国内尚无lkHz、 10kV高频高压电源的产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种比较、评定交联聚乙烯电缆料的耐水树性能的 试验装置，该装置应能可靠地测定、比较不同配方XLPE料的耐水树性能，并 且测试操作简单方便、试样结构简单，试样体积小。
本发明提出的技术方案是交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置，包
括水树试验用的试样和可调高频高压电源及保护计时电路；所述试样的底板是 制有一组水针孔的XLPE板，该XLPE板用待测电缆料制成，其中的水针孔在 制板时形成,XLPE板上粘接一段聚乙烯短管形成容器，以便在其中注入盐溶液； 所述的可调高频高压电源的输出分别与试样底部电极和上部盐溶液中电极相 连。
所述的XLPE板上有10个水针孔，XLPE板与聚乙烯短管之间采用硅胶粘接。 所述的可调高频高压电源采用两只IGBT晶体管与两只电容器，组成半桥式 开关电路，再用电感与电容组成混合谐振变频电路，谐振电压再经高频高压发
生器升压为高频高压，以作为加速水树引发和生长的电源。
所述的高频高压为lkHz、 0-10kV。
本发明提供的试验装置，试样结构简单，试样体积小，制作工序也简单。
采用提高电压频率的方法，可以在较低的电压下用较短的时间内引发水树，有
利于在电缆行业推广应用；另外，该装置也可测定水树导致试样击穿的寿命。
图l是本发明的结构示意图。
图2是本发明中的可调直流电源的原理图。
图3是本发明中的可调直流电源的驱动电路原理图。
图4是本发明中的高频高压发生器的原理图。
图5是本发明中的保护和计时电路的原理图。
图6是压制试样模具的装配示意图。
具体实施例方式
本发明的交联聚乙烯(XLPE)电缆料耐水树性能的试验装置主要包括试样 IO和试验电路，试验电路又包括可调直流电源40、可调直流电源的驱动电路30、 高频高压发生器20、保护电路60 (即试样击穿保护电路)及计时电路50五部 分。
一般来说电缆绝缘内的水树生长在杂质和微孔等局部电场集中处，因此采 用针尖曲率为微米级的水针电极，模拟电场集中和加速水份的渗透。把XLPE 料放在带硬金属针的模具中，经热压、冷却后在试样表面上形成针孔。ASTMD 6097-97a标准提出的模具一次压四个试块，每一个试块表面中央有一个针孔， 然后把多个试块镶嵌在有机玻璃容器的底部，在真空条件下向有机玻璃容器内 注入规定的盐溶液，以便溶液充满针尖，盐溶液作为上电极。
ASTM D 6097-97a标准提出的模具制作比较复什，有机玻璃框架XLPE试
块之间的密封靠紧配合，加工精度要求高，试样体积较大。为了简化试样的制
作方法，本发明提出了一次压制在直径55ram的XLPE板上制造10个水针孔的模 具，在压制的带针孔的XLPE板上，用硅胶粘合一节高40mm、外径50mm和内径 40mm的聚乙烯管，作为盛放盐溶液的容器。用本发明提出模具制作试样，试样 结构简单，试样体积小，工序简单。
图6显示了压制XLPE试样IO-I的模具，模具有5部分组成，图中有直径 100mm、厚度5腿的钢制圆盘1和4;外径100mm、内径55mm、厚度6. 4mm的钢 制圆环2; 10个直径2—mm贯穿孔的钢制圆盘3，圆盘直径lOOmm、厚度6. 4咖； 10个直径2mm的白钢针5，针尖曲率半径5)tim;针插入圆盘3的孔中，针与孔是 紧配合，圆盘3与圆盘4用埋头螺丝相互固定在一起称为模具的盖板，余下称 为模具的底部。把带针的钢盖板从模具中分开，模具的底部和钢盖板的背部放 在温度120°C热压机上预热，配好的XLPE粒和粉料在温度110°C的密炼机中混 炼，称出一定重量的混炼料放入模具的空腔6中预热20分钟，盖上盖板，针插 入熔融的配料中，加压到10MPa，提高热压温度到160°C，持续15分钟；把高温 模具搬到冷压机上，在加压状态下冷却到室温，打开模具，取出带针孔的XLPE 板，在有孔的一面用硅胶粘上一节高40mm、外径50mm和内径40mm的聚乙烯管，
作为盛放盐溶液的容器。
加速水树的引发和生长有两种方法，l.提高电压，2.提高电压频率。在工频 电压下，为了加速试样内引发水树，外施电压高达到15kV或以上，在这种情况， 水针尖端往往会引发电树，而不是纯粹的水树，降低电压必须延长试验时间。 提高电压频率可以在较低的电压下较短的时间内引发水树，是值得推荐的方法。 本发明采用两只IGBT晶体管与两只电容器，组成半桥式开关电路，再用电 感与电容组成混合谐振变频电路，谐振电压经高频高压发生器升压后，获得
lkHz、 10kV高频高压，高电压值在0-10kV范围内连续可调，作为加速水树引 发和生长的电源。
一般来说，培养水树不希望试样击穿，但在个别情况下试验过程中试样可 能击穿，当试样击穿时为了避免电源损坏、及时记录试验累积时间，本发明的 试验装置中配备了保护电路(即电源保护电路)和计时电路。
图2是可调直流电源，电压调节范围0-300V，它提供高频高压发生器的电 能，该电路包括Dl、 D2 、 D3、 D4四个整流管(桥式)和滤波电容C0组成的工 频整流电路，电容器C1、 C2和IGBT管QM1、 QM2 (型号为CM100DY-24H)组成 半桥开关电路，手动开关S1、 S2、接触器ZK、触头K1、 K2、 K3和"合"、"分" 按钮组成工频电源的闭合、分开电路，J3与图3中J3'相接组成零电压合闸电 路，即只有当图3中UD1没有触发脉冲输出时，J3的脚l和2才能短接。高频 变压器T1初级二端分别接在电容器C1、 C2的连线上和QM1、 QM2的连线上，开 关管QM1、 QM2的交替导通在高频变压器Tl的次级感应高频电压，经高频二极 管D7、 D8组成全波整流后，由电感L和C3进行滤波。另外，指示灯L1、 L2作 显示用。
可调直流电源的驱动电路(图3)由开关电源集成电控制器UD1 (T494)、三极 管(Q21、 Q31)、两只光耦(P1、 P2)、两只驱动组合电路(EXB841)及偏置电压、 稳压保护电路组成。图3中J5和J6分别与两组+ 20V直流电源相连，Jl'和 J2，分别与图2中Jl和J2相连。
开关电源集成电控制器UD1交替产生二组占空比固定的方波电压，分别由脚 9和10输出，经与非门、倒相器和放大器放大后，输入驱动组合模块EXB841， EXB841输出的方波通过保护电阻R30和R32，分别与插头J1，和J2'的脚2相 连。EXB841输出的方波由图3中Jl，和图2中Jl控制图2中IGBT管子QM1的
导通和断开。同理，EXB841输出的方波控制IGBT管子QM2的导通和断开。偏置 电压由电阻R31、电容C21和稳压管D34串、并联电路组成。保护电路由稳压管 D03和D04反接串联组成。当模块EXB841脚9与6之间电路测得开关管QM1 (见 图2)的管压降超过7V时，光耦P2导通，二极管D24导通，开关电源集成电控 制器UD1的脚15由高电位变成低电位，UD1停振，达到保护作用。调节电位器 R改变UD1脚4电位，改变方波宽度，调节直流电压。
试验时试验电压必须从零以一定速度升高到规定值，为了防止在接通工频 电源时，发生器不会输出高电压，图中增加了 J3零电压合闸电路；开关电源集 成电控制器UD1脚10输出的电压接到比较器U2，如果电位器R不在高电位，也 就是UD1有方波电压输出时，U2输出了高电位，经放大器U3、 U4和三极管Q6 放大后，由射极跟随器Q5作低阻抗输出，使继电器RELAY动作，触头K7分开， 断开了工频电源合闸的控制回路；相反，如果电位器R在高电位，K7闭合，经 J3'接通图2中J3所在的合闸电路，调节电位器R，试验电压(lkHz正弦波)从
零开始增加。
图4是lkHz、 10kV正弦波发生器(高频高压发生器)的电路图，图中开关 电源集成电控制器UD1产生lkHz固定频率、占空比45%的方波电压，UD1脚 IO输出的方波为高电位时，经Q1、 Q2两级放大(并倒相)后使光耦P1中发光 二极管中电流为零，电阻R15左端处于高电位，NPN三极管Q3导通，PNP三极 管Q4截止，相反，当UD1脚10输出方波为低电位时，NPN三极管Q3截止，PNP 三极管Q4导通，因此，Q3-Q4串联三极管输出的方波与UD1脚10输出的方波相 位相同。Q3-Q4串联三极管输出的方波通过电阻R24驱动IGBT管Q7;同理， Q5-Q6串联三极管输出的方波通过电阻R25驱动IGBT管Q8。 D01和D02分别是 10V和5V稳压管，两者反相串联，把Q7的栅极电压限制在规定的范围内。Q7、 Q8与电容C4、 C5组成半桥开关电路，桥的A，与B，点与图2中的A 与B点相连；当Q7、 Q8交替导通、开断时，桥中P、 D两点间获得正负交替的 方波输出。为了获得正弦波电压，图4中使用了混合谐振电路，电容C与负载 变压器T并联，电容C4 (C4=C5)与电感L又组成串联谐振。用l: 1000泰克探 头与示波器在高频变压器T高压边测得的电压波形，可测得输出电压波形为正 弦波。
保护电路和计时电路表示于图5中；保护电路由放大器、自举电路、倒相器、 单稳多谐振荡器组成。把图4插座J8' 、 J7，分别与图5插头J8、 J7相连；当 试样发生击穿时，图4中R19上得到一微小的短路信号，该短路信号经图5中 三极管OP37放大后，根据击穿发生在电压正弦波的正半波或负半波，也就是根 据短路信号的正或负极性，分别从正极性自举电路(图5中上面LM311)或负极性 自举电路(图5中下面LM311)，不管信号走那一路自举电路，都得到一个正极性 稳定电压，经过倒相器4011-l后变成负极性电压，负极性电压触发单稳多谐振 荡器(由两只4011组成)翻转，单稳多谐振荡器脚4由高电位变成低电位，插头 J7的脚2也由高电位变成低电位；由于图4中UD1的脚15突然变成低电位，UD1 停振，高频高压发生器不再输出电压，避免了试样短路引起发生器的损坏。
图5中计时电路由放大器、接触器和电子钟Z组成。插件J9和J9，相连， 插头J9，脚1和2相接，电子钟终止记时；脚3和2相接，电子钟开始记时； 高频高压发生器正常工作时，图5单稳多谐器4011脚4输出高电位，三极管Q52 基极位于高电位，接触器Z8动作，触头K4打开，K5闭合，电子钟开始计时， 相反，当试样击穿时，如前所述，单稳多谐器4011脚4变成低电位，三极管Q52 基极位于低电位，接触器Z8线巻中无电流，触头K4闭合，K5打开，电子钟终 止计时，按下复位按钮K7，清除记录的时间读数。
权利要求
1、交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置，其特征在于该装置包括水树试验用的试样(10)和可调高频高压电源及保护计时电路；所述试样的底板是制有一组水针孔的XLPE板，该XLPE板用待测电缆料制成，其中的水针孔在制板时形成，XLPE板上粘接一段聚乙烯短管形成容器，以便在其中注入盐溶液；所述的可调高频高压电源的输出分别与试样底部电极和上部盐溶液中电极相连。
2、 根据权利要求1所述的交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置，其 特征在于所述的XLPE板上有10个水针孔，XLPE板与聚乙烯短管之间采用硅 胶粘接。
3、 根据权利要求1或2所述的交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置， 其特征在于所述的可调高频高压电源采用两只IGBT晶体管与两只电容器，组 成半桥式开关电路，再用电感与电容组成混合谐振变频电路，谐振电压再经高 频高压发生器升压为高频高压，以作为加速水树引发和生长的电源。
4、根据权利要求3所述的交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置，其特 征在于所述的高频高压为lkHz、 0-10kV。
全文摘要
本发明涉及一种测试交联聚乙烯性能的试验装置。目的是提供的试验装置应能可靠地测定、比较不同配方XLPE料的耐水树性能，并且测试操作简单方便、试样结构简单，试样体积小。技术方案是交联聚乙烯电缆料耐水树性能的试验装置，包括水树试验用的试样和可调高频高压电源及保护计时电路；所述试样的底板是制有一组水针孔的XLPE板，该XLPE板用待测电缆料制成，其中的水针孔在制板时形成，XLPE板上粘接一段聚乙烯短管形成容器，以便在其中注入盐溶液；所述的可调高频高压电源的输出分别与试样底部电极和上部盐溶液中电极相连。
文档编号G01R31/12GK101354425SQ20081012073
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月2日 优先权日2008年9月2日
发明者军 何, 冯本青, 屠德民 申请人:浙江万马高分子材料股份有限公司