一种复合绝缘子老化程度的快速评估方法与流程

本发明涉及一种根据表面电荷密度对复合绝缘子材料的老化程度进行快速评估的方法，属于绝缘体技术领域。

背景技术：

目前，高压输电线路杆塔大都通过复合绝缘子与线路绝缘，复合绝缘子的伞裙和护套的材质一般为高温硫化硅橡胶。在长期挂网运行过程中，高温硫化硅橡胶受到高强度电场及环境中光、热、雨、污秽等的影响，会出现严重的老化问题。为确保高压输电线路的可靠运行，有必要对复合绝缘子的老化程度进行检测。

现有的硅橡胶复合绝缘子老化程度检测方法有多种，如根据材料的物理特性(如材料外观、憎水性、等值盐密、灰密、热重等)分析绝缘子的老化程度；根据材料的化学特性分析绝缘子的老化程度；根据材料的电特性(如闪络电压、泄露电流、热刺激电流等)分析绝缘子的老化程度。但这些方法均不能给出定量的判别结果，其准确性较差，而且现有的检测方法普遍存在操作和计算过程复杂，测量时间长的缺陷，大大降低了复合绝缘子的评估效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种复合绝缘子老化程度的快速评估方法，在保证评估结果准确性的同时，提高复合绝缘子的评估效率。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述方法首先利用高压加载装置对从待评估复合绝缘子伞裙表面切下的高温硫化硅橡胶试样施加直流电压；然后利用表面电荷测量装置测量试样的表面电荷，进而计算出试样的平均表面电荷密度；最后根据计算出的平均表面电荷密度的大小实现复合绝缘子老化程度的快速判断。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述方法包括以下步骤：

a.使用切片器从挂网运行过的待评估复合绝缘子伞裙表面切下圆片型高温硫化硅橡胶试样；

b.利用高压加载装置对试样施加直流电压，达到设定的加压时长后撤去直流电压；

c.利用表面电荷测量装置对均布于试样表面上设定扫描区域内的多个测量点的表面电荷进行测量，记录每个测量点的测量值；

d.计算试样表面设定扫描区域内的平均表面电荷密度，平均表面电荷密度按下式计算：

其中，为平均表面电荷密度，n为测量点总数，σ_i为第i个测量点的表面电荷；

e.根据计算出的平均表面电荷密度对复合绝缘子老化程度进行评估：平均表面电荷密度越大，老化程度越严重，当平均电荷密度超过设定的阈值时，认为复合绝缘子老化程度严重，需要进行更换。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述高压加载装置包括试样托板和两个指型电极，所述试样托板上设有试样凹槽，被测高温硫化硅橡胶试样放置在试样凹槽内；两个指型电极固定在试样托板上并分别与直流高压源的正负极连接，两个指型电极的端部对称压在被测高温硫化硅橡胶试样两侧边缘上。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述表面电荷测量装置包括静电计和静电探头，所述静电探头包括屏蔽盒和外部设有绝缘层的测量引线，所述屏蔽盒固定在位置调节机构上，所述测量引线的首端接静电计，尾端穿过屏蔽盒后与高温硫化硅橡胶试样相对应，在测量引线的尾端的绝缘层外部设有屏蔽套，所述屏蔽套与屏蔽盒固定连接，所述装置的测量方法如下：

①通过位置调节机构调节静电探头的位置，使测量引线的尾端对准被测高温硫化硅橡胶试样表面上设定扫描区域内的第一个测量点，记录静电计的读数U₁；

②调节静电探头的位置，依次对其它测量点进行测量，记录所有测量点的静电计读数U_i，i＝1,2，…，n，其中n为测量点总数；

③按下式计算各测量点的表面电荷；

σ_i＝M×(U_i+X)

其中，σ_i为第i个测量点的表面电荷，U_i为第i个测量点处的静电计读数，M为标定系数，X为U_i的校正参数。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述高温硫化硅橡胶试样的直径为20mm，厚度为3mm，每个指形电极与被测高温硫化硅橡胶试样的接触面为半圆形，半径为8mm，两指形电极之间的距离为10mm。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述高温硫化硅橡胶试样表面上的设定扫描区域位于两指形电极之间，相邻测量点之间的间距为1mm，所述静电探头与试样之间的距离为1-5mm。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述高压加载装置的两个指型电极之间的直流电压为7kV，每个高温硫化硅橡胶试样的加压时间为2分钟。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，根据平均表面电荷密度对复合绝缘子老化程度进行评估时，平均表面电荷密度的阈值为0.52μC/m²。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述高压加载装置还包括绝缘螺栓，所述绝缘螺栓旋在试样托板的试样凹槽底部的螺纹孔中，绝缘螺栓的端部顶在被测高温硫化硅橡胶试样上。

上述复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述静电探头与高温硫化硅橡胶试样之间设置有屏蔽挡板。

本发明根据加压后复合绝缘子平均表面电荷密度的大小来判断复合绝缘子的老化程度，不仅可以给出定量的判别结果，保证了评估结果的准确性，而且操作和计算过程非常简便，大大提高了复合绝缘子老化程度的评估效率。

本发明对不同老化程度试样的闪络电压进行试验，图11给出了-7kV下表面电荷密度与不同电晕老化时间试样的平均闪络电压的关系图，可以看出当电晕老化250h时硅橡胶试样的闪络电压值已经与老化1000h的试样相近，而闪络电压是衡量硅橡胶电气性能的重要指标之一，因而认为电晕老化250h的硅橡胶试样老化严重，此时硅橡胶试样的表面电荷密度为0.52μC/m²。

附图说明

图1为高压加载装置和表面电荷测量装置的主视图；

图2为图1中高压加载装置的俯视图；

图3为静电探头扫描区域；

图4为静电探头的结构示意图；

图5为复合绝缘子老化100h的表面电荷分布；

图6为复合绝缘子老化250h的表面电荷分布；

图7为复合绝缘子老化450h的表面电荷分布；

图8为复合绝缘子老化650h的表面电荷分布；

图9为复合绝缘子老化1000h的表面电荷分布；

图10是加压-7kV时，平均表面电荷密度随电晕老化时间的变化情况；

图11是加压-7kV下表面电荷平均分布密度与不同电晕老化时间试样的平均闪络电压的关系图。

图中各标号清单为：1、试样托板；2、试样；3、指型电极；4、静电探头；5、绝缘螺栓；6、固定螺栓；7、扫描区域；8、测量引线；9、绝缘层；10、屏蔽套；11、屏蔽盒；12、静电计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明提供了一种复合绝缘子老化程度的快速评估方法，所述方法根据随着复合绝缘子老化程度的加深，其陷阱能级加深，陷阱密度增加的特性，以及陷阱可以俘获载流子形成电荷中心的特性，通过试样的平均表面电荷密度快速判断复合绝缘子的老化程度，具体步骤如下：

a.采集试样：使用切片器从挂网运行过的复合绝缘子伞裙表面切下直径为20mm的圆片形高温硫化硅橡胶试样；

b.试样加压：利用高压加载装置对试样进行加压，2min后撤去电压；

c.表面电荷检测：利用表面电荷测量装置测量试样的表面电荷，将试样表面一定范围内测得的表面电荷σ绘制成x-y-σ三维图。

d.计算试样表面设定扫描区域内的平均表面电荷密度，其中为平均表面电荷密度，n为测量点总数，σ_i为第i个测量点的表面电荷；

d.老化程度评估：x-y-σ三维图中平均表面电荷密度越高，说明高温硫化硅橡胶试样的陷阱捕获的电荷越多，陷阱能级越深，陷阱密度越高。x-y-σ三维图中某处表面电荷越多，说明此处捕获更的电荷越多，陷阱能级越深。随着高温硫化硅橡胶老化程度的增加，其陷阱能级加深，陷阱密度增加，在相同电压下高温硫化硅橡胶可以捕获的电荷增多，平均表面电荷密度增加。当平均电荷密度超过0.52μC/m²时，认为复合绝缘子老化程度严重，需要进行更换。

本发明所采用的高压加载装置主要包括直流高压源(图中未画出)、试样托板1、指形电极3和绝缘螺栓5，表面电荷测量装置主要包括静电计12和可以调节位置的静电探头4，所述静电探头4的测量引线8采用同轴电缆，外绝缘层9采用聚四氟乙烯材料制成，同轴电缆固定在铝合金外屏蔽盒11中，测量端包裹铜材料的屏蔽套10进行屏蔽。同轴电缆的信号输出端安装BNC接头，用来与静电计12连接。两个指形电极3分别与直流高压源的正负极相连，圆片形高温硫化硅橡胶试样2的表面电荷测量面放置于两指形电极3之间，试样背面使用绝缘螺栓5固定，使试样2紧贴指形电极3。采用指形形状的电极3，可以避免不必要的干扰，提高测量精度。

高压加载装置和表面电荷测量装置的使用方法如下：

试样放置在指形电极3之间后，直流高压源的输出电压调节到设定的测试电压，待稳定后撤去电压，使用静电探头4测量表面电荷，并记录静电计读数；

在扫描区域内均匀移动静电探头，依次记录各个测量点静电计的读数，按下式依次计算试样各测量点的表面电荷；

σ_i＝M×(U_i+X)

其中，σ_i为第i个测量点的表面电荷，U_i为第i个测量点处的静电计读数，M为标定系数，X为U_i的校正参数。

直流高压源的输出电压为-7kV，扫描区域(测量范围)大小为6mm×9mm，沿x方向(图3中的水平方向)取7个测量点，沿y方向取10个测量点，相邻测量点的间距均为1mm，共测量70个测量点，对试样加压2min后撤去直流电压，将静电探头4移动到扫描区域(测量范围)内并距离试样1mm处进行测量，记录静电计的读数。

静电探头4距离试样1mm主要是考虑电荷分辨率的问题，距离越近表面电荷分辨率会越高，考虑到电晕老化表面会有析出物，为了不使析出物在表面碰到静电探头4，影响测量结果，选择了一个适中的测量距离1mm。为了消除探头移动过程中对表面电荷的影响，未测量之前使用屏蔽挡板(图中未画出)对静电探头进行屏蔽，当测量时再打开。

圆片形高温硫化硅橡胶试样的直径为20mm，厚度为3mm。为了使电极间电场尽可能的均匀，指型电极端部的半径应尽可能大，电极间距也不能过小。本发明指型电极端部半径选取8mm，两指形电极间距离为10mm。

表面电荷测量过程中，在设备周围设置挡风板(图中未画出)，防止空气流动对测量结果的影响。

在实验室对不同老化时间的硅橡胶试样进行测量，测量结果如图5～图9所示。

图10是加压-7kV时，平均表面电荷密度随电晕老化时间的变化情况。从图10中可以看出，对于不同老化时间的硅橡胶试样，随着电晕老化时间的增加，硅橡胶的平均表面电荷密度逐渐增加，老化250h试样的平均表面电荷密度相较新试样的平均表面电荷密度增加不明显，而老化450h试样的平均表面电荷密度相较老化250h试样的平均表面电荷密度出现较大程度的增加，可见此时硅橡胶试样的陷阱能级较深，陷阱密度较大，说明此时硅橡胶试样的老化已很严重。