专利名称：直流绝缘子离子迁移测试综合系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种绝缘子离子迁移测试系统，尤其是涉及直流绝缘子的离子迁移测 试系统，电气元件自动检测技术领域。
背景技术：
直流输电线路需要大量的绝缘子，绝缘子的使用寿命和质量问题是关系到系统可 靠运行的重要问题。直流电压与交流电压不同，直流电压下，绝缘材料内电场方向是固定不 变，因而材料内的Na+，K+等离子会向阴极侧移动(离子迁移)，引起材料变化，导致机电性能 劣化。另一种可能出现的是热破坏现象，这与绝缘体内流过的直流电流及其热效有关。所 以直流绝缘子所选用的材料配方、生产工艺、设计、质量保证体系等各个环节都很重要。任 何一个环节出问题都会降低绝缘子的使用寿命和质量，所以只有预期50年期间在参考大 气条件和施加电压下，通过绝缘子的全部电荷量和通过热破坏试验，来验证直流绝缘子的 使用寿命和确定直流绝缘子质量。根据IEC 61235 1995标准和国家标准GT/T 19443-2004规定，士500kV以上直流 输电用悬式绝缘子出厂前必须进行离子迁移老化试验和热电破坏试验。在绝缘子中流过根 据体电阻_温度关系计算出来的相应于连续运行50年的电荷量而不损坏。离子迁移老化 试验条件绝缘子试验电压为+65kV-+75kV，温度为90°C _120°C，热电破坏试验条件绝缘 子承受1正极性直流电压和温度80°C。目前还没有对直流绝缘子自动完成离子迁移老化试 验和热电破坏试验的设备。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可自动完成直流绝缘子离子迁移、体积电 阻测量和热电破坏试验的测试系统。为解决上述技术问题，本发明提供一种直流绝缘子离子迁移测试综合系统，包括 高压直流电源产生单元、试验控制台、可调恒温箱、现场数据采集传输处理单元，其特征在 于所述高压直流电源产生单元与可调恒温箱单元内的试品相连，高压直流电源产生单元 同时与现场数据采集传输处理单元相连，所述试验控制台与高压直流电源产生单元相连。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于还包括设置于可调恒温 箱外的箱外试品架底座。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述高压直流电源产生 单元包括依次相连的调压器TC、变压器T、高压整流硅堆G、高压电压值测量电阻R、电阻分 压器D、小电阻R2，电容C 一端连接于高压整流硅堆与电阻R之间，另一端接于变压器T的 输出侧一端并接地，从高压电压值测量电阻R与电阻分压器D之间引出高电压线路至试品， 小电阻R2两端关联接有氖管和尖端气隙。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述可调恒温箱外侧设 有操作键盘和温度显示液晶屏幕，恒温箱CPU单元留有与上位机通讯接口。
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前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述可调恒温箱内部共 有多个温度传感器分布在箱体内，同时可调恒温箱内部设有多个加热器，在恒温箱的正面， 有观察窗口，能够有效的观测到箱内情况。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于在所述可调恒温箱内部 设置有试品架，所述试品架设置于小车上，试品架共分4层，每层7组，采用双面挂接试品， 支柱绝缘子设置于试品架的内部上方。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于现场数据采集传输处理 单元包括高压电压值测量电阻R、数据传输电缆线、数据采集系统(下位单片机)、数据处理 控制系统(上位PC机软件系统)、数据显示打印系统(PC机显示器和打印机)，数据处理控 制系统电源稳压系统(稳压器和UPS)。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述数据采集系统包括 单片机，从小电阻R2与电阻分压器D之间引出电流采样值经数据传输线至单片机，单片机 与升降压继电器相连，升降压继电器分别与操作控制台、变压器输入侧相连。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述电流采样值经数据 依次经过52路电子开关、测量档位转换系统、阻抗变换、1 1隔离放大器、12位串行A/D 转换进入单片机，所述单片机包括以下功能模块电子开关的选择模块用于对52路电子开关的控制，经由编码器给各个开关编地 址，从而通过地址控制电子开关的动作；测量档位的自动切换根据现场来的信号的大小，自动控制调整测量绝缘子电阻 的大小，进而进行测量档位的选择以使测量电阻恰好与测量信号相配；现场信号的锁存预处理与存储模块；与上位机的通讯模块。前述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统的测试方法，其特征在于包括以下步 骤1)测量体积电阻；2)计算温度系数A ；R01/R02 = e(A/273+01)/e(A/273+02)Al(f (90°C>120°C ))A2(f(120°C、150°C ))A = (Al+A2)/2 ；(其中R01、R02、-分别为θ1、θ 2温度下的体积电阻(Ω) ；Α1、Α2_温度系数；θ 1、 θ 2-温度为 90°C、120°C或 120°C、150°C )3)计算预期电荷Q50+65 °CQ50 = V Σ t( θ )/R( θ )-15°CV-对绝缘子元件施加电压(kV)；t(9)-试验持续时间(s);R( θ )-试验某一温度的体电阻
4)进行试验a)施加持续一定时间的直流电流和温度的联合负荷，此持续时间应与需要通过的 离子总量相适应，试验时将50只绝缘子元件并连接置可调恒温室内，紧靠铁帽附近的绝缘 子外表面安装一个保护电极以消除表面泄露电流的影响；b)施加 +65kV ( Vtest < +75kV 试验电压；90°C ^ Ttest ( 130°C试验温度，在恒温 室达到规定Ttest温度并保持2h后，开始施加Vtest，温度和电压应维持在+5 %内，应每4h测 量通过每个绝缘子的电流；c)热破坏试验产品10只，烘箱温度80°C，钢脚施加的电压，SFL彡300kN时施加 +IlOkV直流电压；SFL彡300kN时施加+125kV直流电压，相对误差+5% ；预热时间最少预 热8h ；施加电压在80°C在施加电压8h ；等待期时间去掉试验电压并切断烘箱电源，保留 30min ；击穿检验在等待期时间后，应对绝缘子施加规定的试验电压并保持lmin，检验 其是否击穿。前述的测试方法，其特征在于在所述步骤1)中，电阻测量应在10只绝缘子上进 行，分别在90°c、120°c、15(rc (允许士2°C偏差)的温度下测量相应的绝缘子体积电阻尺9(1、 R120> R15C1,在铁帽达到规定温度值至少2h后进行，施加电压至少15min后测量。本发明的直流绝缘子离子迁移测试综合系统及其测试方法简洁耐用，稳定性好， 可靠性高，控制精确无误动，数据采集屏蔽性好分散性低，测量精确，数据处理采用中值平 均算法，数据可靠。


图1为本发明的离子迁移试验原理图2为高压电源产生回路和相关的控制回路总体原理结构图
图3为高压电源自稳压单片机处理系统图4为可调恒温箱内部前视图5为可调恒温箱外部后视图6为试品架结构图7为试品架各试品现场数据采集线内部走线分布图8为试品架挂钩结构图
图9为高压电压值测量原理
图10为单片机采集系统原理框图11为单片机采集系统档位转换单元；
图12为下位机采集系统程序流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。图2为高压电源产生回路和相关的控制回路总体原理结构图，进线段220V经过 0 400V调压器调压，再经过0. 4kV/100kV升压试验变压器升压，经过高压硅堆整流，大电 容稳压处理，再经过大电阻限流得到所要产生多高压。采用试验控制台直接操作电源的开断，电压的升降，过流保护等，采用单片机进行电源自稳压控制。图3为高压电源自稳压单片机处理系统图，单片机内部处理自动稳压的原理算法 也很简洁，由于本系统要求不要长时间偏离电压值，因此我们先测试出控制台内电机每升 降压IkV所需要的时间，每30分钟一次将采样值和标定值比对得出电压差值再转换成控制 升降压继电器开断时间，就可以不停的进行电压稳恒控制。可调恒温箱单元可调恒温箱就是根据试验要求升温降温，在可调恒温箱外侧有 专门的操作键盘和温度显示液晶屏幕，基本功能使用手可以操作，同时恒温箱CPU单元留 有与上位机通讯接口，可以直接在上位机上实现升降温、温度显示功能。恒温箱内部共有8个温度传感器16分布在箱体内八个部位，温度传感器将所采集 的温度参数中值平均最后显示恒温箱内平均温度，同时还可以分别察看各个部位的温度。恒温箱内有6个加热器18，调节加热器的开关从而进行温度调节，同时内部有6个 风扇17，工作时根据需要开启风扇，以期能够最大限度的将箱内温度采用风流的方式调勻。 在恒温箱的正面，有观察窗口 11，能够有效的观测到箱内情况。图5标示从箱外后面观看恒温箱的前侧的视图，简要标示高压套管13、操作键盘 和显示屏14、观察窗口 11、箱内轻轨12、防撞支架15等方位图。试品架是用来装载索要试验的绝缘子试片，我们考虑最大负荷，直径400mm的绝 缘子来计算，每只自重20kg左右，50只就要1000kg，高压支架26与低压支架21之间隔离 支柱绝缘子31有6只，每只IOkg左右，再加上试品架本身自重，共有1500kg左右，因此试 品架全部采用不锈钢材料制造，保证足够的支撑强度；为了节省空间和占地面积，同时保证 各试验绝缘子之间的电气距离，防止相互电磁干扰，架子结构每0. 5m为一个单元距离，采 用双面挂接试品，共分4层，每层7组，双面共有56个，在高压引线端去掉4个以留有相应 空间接高压电源，所以共有52组，实验要求50组，余下两组作备用；高压部分被接地钢架包 围，其上下各有3只支柱绝缘子隔离，保证足够的安全范围。图6简要标示了单侧试品架结构，标志了支柱绝缘子31、悬挂件、小车27的方位， 实际情况应该有两侧，另一侧也是同样放置。图7简要标示了各试品的现场试验数据采集线在试品架内部的走线情况，同时也 标示了支柱绝缘子、每个试品数据线252在与试品连接处的屏蔽筒253、小车27和数据线接 头251的大概情况。图8简要标示了试品架放置试品的挂钩处的结构图，同时标示了低压支架21、高 压支架26、测试线绝缘筒22、接地夹23、数据电缆线25、钢脚挂钩24、小车27、支柱绝缘子 31、绝缘片30、挂钩内置拉力弹簧29、刚帽挂钩28等的简要方位图和结构图，该试品架一共 有7组这样结构的挂钩，第一组(靠近高压接线侧)由于要接高压套管，故将中间4个去除， 因此一共52个。箱外试品架底座单元由于可调恒温箱内部空间有限，箱外试品架底座就是为了 装卸试品时的方便，在箱外放置试品架时为其提供一个底座，底座上面的轻轨和恒温箱内 部轻轨吻合，二者接口处紧密结合，有利于试品架进出恒温箱。底座实际高度高于恒温箱箱 门(恒温箱密封造成)，开箱门前先要把底座拉开，以能够使得箱门打开，然后再对接底座 的轻轨和箱内轻轨，装卸完成，试品架进箱后，再拉开底座保证恒温箱能够关上。现场数据采集传输处理单元现场数据采集传输处理单元，从试验现场的数据采
6集到最终结果的显示打印，主要有高压电压值测量电阻、数据传输电缆线、数据采集系统 (下位单片机)、数据处理控制系统(上位PC机软件系统)、数据显示打印系统(PC机显示 器和打印机)，上位PC机电源稳压系统(稳压器和UPS)及装放上位系统的箱体，以下依次 介绍该单元各个部分。高压电压值测量电阻在本测量系统，我们要测量绝缘子试品的电阻值，由于绝缘 子电阻很大，所加的电压也为恒压直流电压，因此采用测量电流的方式进行测量；测出体电 流值(加屏蔽消除体表电流)，再测出绝缘子试片所加电压值，便可计算出绝缘子体电阻； 要精确测量高压电压值，为了能和测量绝缘子试片体电流配合，采用统一单片机处理系统， 因此也选用高欧姆电阻测量法，即直接从高压接一个大电阻，测量其流过的电流。如图9所示高压电压值测量原理。其中20ΚΩ电阻、氖管和尖端气隙作保护用，以 防高压侵入低压测量回路。750ΜΩ就是所选的高压大电阻，电阻外面采用密封绝缘筒封包， 将其浸入绝缘油之中，同时在接高压的端子处有一个金属屏蔽环以防外界电磁干扰。数据传输电缆线所有现场电流数据都经过电缆线传输，高压电压值测量1路，试 品有52路统一封装。数据传输电缆线采用RVVP同轴电缆屏蔽线，该产品是市面上较好的 数据传输线，内导体采用0. F. C镀锡铜线绞合(TC)，缆芯采用绝缘芯线绞合成缆，绕包聚酯 薄膜带(PP带)，二者之间绝缘用PVC，全色谱识别，外层护套是黑色/白色PVC，有较好的屏 蔽，信号衰减少，传输效率高。52路绝缘子传输线包扎后外面用蛇皮金属软管包裹，作保护 和屏蔽作用，外加1路电压测量线，共53路直接进入采集系统。数据采集系统经过数据传输线，现场的数据进入采集系统，采集系统主要以单片 机处理为主，采用80C52Micro处理器，绝缘子试品电流数据经过52路电子开关，进入测量 档位转换系统，转换成电压信号，再经过1 1隔离放大器隔离，信号再通过12位串行A/D 转换进入单片机系统，单片机负责电子开关的选择、测量档位的自动切换、现场信号的锁存 预处理与存储、与上位机的通信等，其原理框图如下图10。单片机处理系统，对于绝缘子体电流信号的采集，是根据上位机采集指令进行，当 上位机有采集指令送下来，下位机即可采集，电源自稳压系统，单片机每30min检测一次高 压电压，然后与标定电压比对，适时校正；由于现场来的数据均有可能高压侵入，因此控制 电子开关和进入放大器之前均有隔离；单片机对52路电子开关的控制，经由编码器然后给 各个开关编地址，从而通过地址控制电子开关的动作，测量档位转换单元，主要是根据现场 来的信号的大小，单片机自动控制调整测量电阻的大小，进而进行测量档位的选择以期测 量电阻恰好能与测量信号相配，档位选择如下图11 图11给出了 4个不同采样电阻，单片机根据现场传来的数据信号经过判断算法自 动调整档位，转换单元后面接A/D转换器，其有效范围是0. 2-4. IV，根据A/D转换器的测量 范围和转换单元电阻值，可以估算出本套系统所测电阻的范围各档位所测电流计算满量程 值如下转换单元最大电阻20M，A/D最小可测电压0. 2V左右(实际为0. 4V，但是相关屏 蔽和防干扰做好，测量次数足够大，就可以剔出0. 2V是的分散性)则嘴刁电流为0. 2V/20M =ΙΟηΑ，假设此时所加电压为80kV，即可测电阻值为80kV/10nA = 8*1012，即8T，同理可算 出最小电阻160M ；若改变试品上所加电压，还可以扩大所测电阻的范围。由于绝缘子离子迁移试验不要求很高的采集速率，相关标准规定4小时测量一次，因此本套系统采用单片机进行数据循环采集，即每次通过切换电子开关和相关的测量 档位，依次测量52路试品的体电流和高压电流信号，而体电阻的测量，也主要通过上位机 的指令进行，所以采集系统完全满足测量和速率要求。数据处理控制系统离子迁移测量主要测量试品的体电阻和累加通过的电荷量， 通过测量体电流就可以完成主要任务，上位机的数据处理系统主要是对下位机采集来的数 据进行处理，本系统下位机单片机每次测量2000个数据，上位机采用中值平均算法取得最 优值，然后通过各组所得的电流值计算绝缘子体电阻值，同时计算各试品的累积电荷量。本发明主要可完成3项试验，体电阻测试、离子迁移测试和热电破坏测试，根据不 同测试需求进行相关的试验。打印系统在上位机软件数据显示界面上，均有“打印”和“存盘”按钮，进行数据 的保存和打印，本系统自带打印机，将所需要的数据打印出来。上位PC机电源稳压系统为了保证上位机和下位机采集系统的可靠运行，系统自 带了不间断电源UPS和稳压电源，防止测量系统和上位机操作系统由于电源的波动造成不 必要的误差，不间断电源为上位机提供稳恒电源，以防掉电等不必要因素影响测量精度，稳 压电源为下位机单片机提供电源，由于下位机在隔离前和隔离后是两个不同电源系统，因 此采用4个稳压电源，分别提供两套士9V，其中为CPU供电的稳压电压输出电流为3A，其它 3个位IA的输出电流。试验目的和原理离子迁移试验原理绝缘子在直流线路的运行期间内，某些元件可能会遭受到由 于不均勻的电压分布所引起的很高的电压的作用并持续很长时间，还会受到周围空气温度 和太阳照射引起的作用。由于绝缘子绝缘介质的电阻_规律会使经绝缘子通过的电流随温 度而指数地升高，并且此电流可能会很高并存在很长时间。离子迁移试验就是模拟这种在 高电压、高温条件下，检验由于电荷的流动而引起的介质中的离子迁移对绝缘材料劣化的 影响。其目的是在试验期间，让绝缘子通过等价于最恶劣的条件下50年寿命的电荷量，检 验它们是否损坏。热破坏试验原理热破坏通常在直流盘型绝缘子元件上出现，它是在介质温度比 周围温度高得多或是当离子电流在介质内的结构上的中断层(如杂质、气隙)上流动时产 生的。伴随有局部发热的温度升高，可以使绝缘体的电导率增大，产生沟槽，并且也使在 裂缝区流动的电流增大，如此很大的热应力的发展就促进了介质的局部的裂化，并且随着 时间的进展导致介质热击穿。其目的是在试验其间，让绝缘子在恶劣的条件下，考核绝缘子 热稳定性，其决定了热击性能。直流绝缘子离子迁移测试综合系统的测试方法，包括以下步骤1.测量体积电阻；电阻测量应在10只绝缘子上进行，分别在90°C、120°C、 150°C (允许士2°C偏差)的温度下测量相应的绝缘子体积电阻R9(1、R12(1、R15(1，在铁帽达到规 定温度值至少2h后进行，施加电压至少15min后测量。2.计算温度系数A ；计算温度系数A ；R01/R02 = e(A/273+01)/e(A/273+02)Al(f (90°C>120°C ))A2(f (120°C>150°C ))
A = (Al+A2)/23.计算预期电荷Q50+65 "CQ50 = V Σ t( θ )/R( θ )-15°CV-对绝缘子元件施加电压(kV)；t(9)-试验持续时间(s);R( θ )-试验某一温度的体电阻(Ω )4.进行试验a)施加持续一定时间的直流电流和温度的联合负荷，此持续时间应与需要通过的 离子总量相适应；试验时将50只绝缘子元件并连接置可调恒温室内，紧靠铁帽附近的绝缘子外表 面安装一个保护电极以消除表面泄露电流的影响；b)施加 +65kV ( Vtest < +75kV 试验电压；90°C ^ Ttest ( 130°C试验温度，在恒温 室达到规定Ttest温度并保持2h后，开始施加Vtest，温度和电压应维持在+5 %内，应每4h测 量通过每个绝缘子的电流；c)热破坏试验产品10只，烘箱温度80°C，钢脚施加的电压，SFL彡300kN时施加 +IlOkV直流电压；SFL彡300kN时施加+125kV直流电压，相对误差+5% ；预热时间最少预 热8h ；施加电压在80°C在施加电压8h ；等待期时间去掉试验电压并切断烘箱电源，保留 30min ；击穿检验在等待期时间后，应对绝缘子施加规定的试验电压并保持lmin，检验 其是否击穿。以上两项试验过程中，不允许任一绝缘子击穿或破碎。试验结果及分析1)离子迁移试验试验温度110°C试验电压+70kV试品数量50片试验结果具体数据见表1表1离子迁移试验结果
9 2)热破坏试验试验温度80°C试品数量10片试验结果具体数据见表2表2热破坏试验结果
权利要求
一种直流绝缘子离子迁移测试综合系统，包括高压直流电源产生单元、试验控制台、可调恒温箱、现场数据采集传输处理单元，其特征在于所述高压直流电源产生单元与可调恒温箱单元内的试品相连，高压直流电源产生单元同时与现场数据采集传输处理单元、试验控制台相连。
2.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于还包括设 置于可调恒温箱外的箱外试品架底座。
3.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述高压 直流电源产生单元包括依次相连的调压器Tc、变压器T、高压整流硅堆G、高压电压值测量 电阻R、电阻分压器D、小电阻R2，电容C 一端连接于高压整流硅堆与电阻R之间，另一端接 于变压器T的输出侧一端并接地，从高压电压值测量电阻R与电阻分压器D之间引出高电 压线路至试品，小电阻R2两端关联接有氖管和尖端气隙。
4.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述可调 恒温箱外侧设有操作键盘和温度显示液晶屏幕，恒温箱CPU单元留有与上位机通讯接口。
5.根据权利要求1或4所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述 可调恒温箱内部共有多个温度传感器分布在箱体内，同时可调恒温箱内部设有多个加热 器，在恒温箱的正面有观察窗口。
6.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于在所述可 调恒温箱内部设置有试品架，所述试品架设置于小车上，试品架共分4层，每层7组，采用双 面挂接试品，支柱绝缘子设置于试品架的内部上方。
7.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于现场数据 采集传输处理单元包括高压电压值测量电阻R、数据传输电缆线、数据采集系统、数据处理 控制系统、数据显示打印系统，数据处理控制系统电源稳压系统。
8.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述数据 采集系统包括单片机，从小电阻R2与电阻分压器D之间引出电流采样值经数据传输线至单 片机，单片机与升降压继电器相连，升降压继电器分别与操作控制台、变压器输入侧相连。
9.根据权利要求1所述的直流绝缘子离子迁移测试综合系统，其特征在于所述电流 采样值经数据依次经过52路电子开关、测量档位转换系统、阻抗变换、1 1隔离放大器、12 位串行A/D转换接入单片机，所述单片机包括以下功能模块电子开关的选择模块，用于对52路电子开关的控制，经由编码器给各个开关编地址， 从而通过地址控制电子开关的动作；测量档位的自动切换根据现场来的信号的大小，自动控制调整测量绝缘子电阻的大 小，进而进行测量档位的选择以使测量电阻恰好与测量信号相配；现场信号的锁存预处理与存储模块；与上位机的通讯模块。
全文摘要
本发明公开了一种直流绝缘子离子迁移测试综合系统，包括高压直流电源产生单元、试验控制台、可调恒温箱、现场数据采集传输处理单元，其特征在于所述高压直流电源产生单元与可调恒温箱单元内的试品相连，高压直流电源产生单元同时与现场数据采集传输处理单元、试验控制台相连。本发明的直流绝缘子离子迁移测试综合系统及其测试方法简洁耐用，稳定性好，可靠性高，控制精确无误动，数据采集屏蔽性好分散性低，测量精确，数据处理采用中值平均算法，数据可靠。
文档编号G01R31/12GK101915880SQ20101023672
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者张源斌, 范建二 申请人:南京电气(集团)有限责任公司