技术领域
[0001] 本
发明属于高
电压与绝缘技术领域，尤其指一种固体绝缘材料界面介电性能测试的装置及方法。
背景技术
[0002] 电
力工业是国家经济发展和工业化的
基础产业，随着我国城市化
进程的不断加快和经济的持续快速发展，电力消费需求日益剧增。为了有效减少化石
能源的消耗，降低环境污染，未来电力系统正在发生重大转变，
太阳能、
风能等
可再生能源以集中式和分布式两种途径将成为主要的电力来源，同时随着海上风电和海岛供电需求的日益增加，电力
电缆已成为建设城市地下能源综合通道，实现远距离大容量输电和新能源电力规模化利用的关键电力设备之一。近年来伴随着滩涂风
电场和离岸风电场的迅猛发展，大量海上风电项目的投资建设,海底电缆的敷设和投运数量快速增长。统计表明我国110kV以上电压等级的高压海底电缆长度已经超过2000km。在大长度的海底电缆输电线路中，电缆接头的可靠性是影响整个电缆系统安全稳定运行的关键。尤其是随着高压大容量直流输电系统的投入使用，直流电压下电缆接头技术已经成为大长度大容量高压电缆系统发展的
瓶颈,因此研究电缆的接头技术是发展大长度大容量高压直流电缆输电的关键。
[0003] 电缆接头的作用在于让线路连续，电缆保持密封，保证接头处的绝缘等级，使得各段电缆连接成一个整体，并保证其安全可靠运行。由于电缆接头处固体界面的存在，使得其成为了电缆系统中绝缘最为薄弱的环节。不同类别和不同介电性能的绝缘材料
接触形成了固-固界面，由于材料界面处电场分布不均匀，存在场强畸变，固体界面绝缘强度要远低于电缆
绝缘本体，而且现场接头的安装通常是在非净室和不可控的环境条件下进行，这使得接头界面处容易形成微小的
缺陷(如气隙、灰尘、污染物等杂质)，出现绝缘故障。
[0004] 目前对于电缆接头界面问题的研究，Emre Kantar等设计了一种平板
电极，由重物提供压力，电极整体浸入
变压器油中，研究了不同粗糙度及压力下界面的击穿特性，但无
温度的相关研究，而且测试装置体积较大，压力达到1.16MPa时，所需重物已达26kg，如再次增加压力，操作相对困难，并存在一定的安全风险。Zhu等改变了测试材料的形状，采用饼
型材料，在两个材料之间放入薄片环形电极，研究了不同粗糙度和压力下的界面特性，但也未涉及温度的相关研究，且该设计中饼型材料的体积较大，在界面处引入了一定厚度的电极材料，测试结果并非是真实有效的材料界面特性。因此，亟需一种简单实用，且可以在不同的温度和压力下，研究不同粗糙度固体绝缘材料界面介电性能的测试装置及方法。
发明内容
[0005] 本发明所需要解决的技术问题在于针对上述电缆接头存在的界面问题，提供了一种用于固体绝缘材料界面介电性能测试装置及方法，通过调整界面介电性能测试装置的压力与烘箱内温度，实现固体绝缘材料界面在不同条件下的介电性能研究。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 本发明首先公开了一种固体绝缘材料界面介电性能测试装置：包含压力调控调控装置、绝缘组件、待测材料界面和电极组件；
[0008] 所述电极组件包含正电极和负电极，所述待测材料界面由1号材料与2号材料上下紧贴形成；所述1号材料与2材料的形状完全相同，且中心处均设有用于容纳负电极并与负电极形状和尺寸相同的孔，负电极位于孔内并紧贴待测材料界面接缝处的内部；正电极紧贴并环绕待测材料界面接缝处的外部；
[0009] 所述的绝缘组件包括上绝缘屏蔽板、下绝缘屏蔽板、正电极绝缘垫板和负电极绝缘垫板；
[0010] 正电极绝缘垫板位于正电极的下部用于
支撑和调节正电极的高度；负电极绝缘垫板位于负电极的下部用于支撑和调节负电极的高度；
[0011] 待测材料界面、电极组件、正电极绝缘垫板和负电极绝缘垫板均位于上绝缘屏蔽板、下绝缘屏蔽板之间；
[0012] 所述压力调控调控装置用于调节1号材料与2号材料之间的压力。
[0013] 作为本发明的优选方案，所述压力调控调控装置包括受力平板、受力
螺栓、螺栓柱、压力
传感器、压力显示器、传感器托板、
弹簧、弹簧托板和底座；受力螺栓通过
螺母固定在受力平板中部；螺栓柱分别贯穿受力平板、传感器托板、弹簧、弹簧托板和底座；
压力传感器与压力显示器相连；弹簧两端分别与传感器托板和弹簧托板相接触；贯穿底座的螺栓柱的尾端采用螺母与底座固定；受力螺栓底部与压力传感器相接触；压力传感器固定在传感器托板上。
[0014] 作为本发明的优选方案，所述的弹簧托板的下表面上设有凸起；底座的上表面设有凸起；上绝缘屏蔽板中心设有孔，并通过孔与弹簧托板下表面凸起配合连接；下绝缘屏蔽板中心设有孔，通过孔与底座上表面凸起配合连接；正电极绝缘垫板设置在下绝缘屏蔽板与正电极之间，负电极绝缘垫板位于底座凸起上端。
[0015] 作为本发明的优选方案，所述的弹簧托板下表面的凸起高度大于上绝缘屏蔽板的厚度，凸起端部与负电极顶部紧贴；底座上表面的凸起高度大于下绝缘屏蔽板的厚度，其顶部与负电极绝缘垫板的底部紧贴，负电极绝缘垫板的顶部与负电极紧贴。
[0016] 作为本发明的优选方案，所述正电极紧贴并围绕待测材料界面的外部，由两部分组成，两部分之间通过螺栓连接使其匹配待测材料界面外部，其紧固程度可调。
[0017] 作为本发明的优选方案，所述的1号材料与2号材料的形状为圆环形薄片；所述的正电极呈环形，包围在圆环形薄片外围；所述的负电极呈圆形，负电极直径与圆环形薄片内部圆孔直径相同；所述弹簧托板和底座上的凸起呈空心圆柱，空心圆柱外径与圆环形薄片内部圆孔直径相同，上绝缘屏蔽板和下绝缘屏蔽板上的孔为圆孔，孔径与圆环形薄片内部圆孔直径相同。
[0018] 本发明还公开了一种所述固体绝缘材料界面介电性能测试装置的测试方法，包含以下步骤
[0019] 步骤1：根据实际测试需要，准备待测1号材料和待测2号材料，尺寸大小相同；
[0020] 步骤2：根据材料界面的几何结构，计算材料界面接触面积；
[0021] 步骤3：根据实际测试压强需求，计算出界面介电性能测试装置需提供的压力，计算公式如下：
[0022] N＝P*S-G
[0023] 式中，P为测试压强，S为材料界面接触面积，G为受力平板、压力传感器、传感器托板、高强度
压缩弹簧、弹簧平板和上绝缘屏蔽板的自身重力之和；
[0024] 步骤4：安装绝缘组件
[0025] 将上、下绝缘屏蔽板分别与弹簧托板和底座凸起配合连接；通过增减正、负电极绝缘垫板数量，调整正电极和负电极的高度
位置；
[0026] 步骤5：安装试样
[0027] 将待测1号和2号材料安装在底座中部，使其内部孔嵌套在底座凸起上，1号材料与2号材料接触，形成待测界面；
[0028] 步骤6：安装电极组件
[0029] 正电极安装于待测1号材料与2号材料界面外部，调整正电极位置，使其与材料接缝处贴合，负电极安装于待测1号材料与2号材料界面的内部，调整负电极位置，使其与材料接缝处贴合；
[0030] 步骤7：安装压力调控装置；
[0031] 步骤8：设置压力
[0032] 调整受力螺栓和螺栓柱上螺母的紧固程度，使得压力传感器示数为N；
[0034] 将界面测试装置置于烘箱内部，压力显示器位于烘箱外部；通过线缆将正电极、负电极与外部测试设备相连，闭合好箱
门，设置测试温度，开启烘箱使温度达到设定值；
[0035] 步骤10：测试
[0036] 弹簧托板与底座通过预留
接口接地；根据测试需求，设置外部测试设备参数，开始测试，获取测试的数据结果。
[0037] 本发明所述的测试设备为介电损耗测试仪、电导率测试仪、局部放电测试仪、击穿测试仪、雷电
冲击电压发生器、操作冲击电压发生器。
[0038] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供的装置整体采用全新的结构设计，通过与测试设备共地，能够有效抑制绝缘材料非界面侧的
泄漏电流，无需浸入变压器油中来提高绝缘。通过螺母与受力平板紧固的方式为材料界面提供所需压力，无需重物施压，压力示数实时显示，更加直观可靠。测试装置整体置于烘箱内，温度稳定可调。固体材料界面测试装置体积小，绝缘屏蔽效果好，测试方法简单，操作方便，为研究材料界面在不同压力和不同温度下的介电性能提供了有效的手段。
附图说明
[0039] 图1是本发明界面测试装置的结构示意图。
[0040] 图2是本发明绝缘组件和电极组件结构与压力调控装置配合示意图；
[0041] 图3是本发明绝缘组件和电极组件结构示意图
[0042] 图4是本发明
实施例中电极组件结构俯视示意图。
[0043] 图5是本发明界面测试装置的测试
流程图。
[0044] 图6是本发明测试界面电导率试验
波形图。
[0045] 图7是本发明测试界面局部放电试验波形图。
具体实施方式
[0046] 请参阅图1-4所示，本发明为固体绝缘材料界面介电性能测试装置，包含压力调控装置、绝缘组件和电极组件。工作时，压力调控装置、绝缘组件和电极组件位于烘箱内部，压力显示器、电源设备和测量设备位于烘箱外部，外部设备通过线缆与烘箱内部装置相连。
[0047] 压力调控装置由受力平板1、受力螺栓2、螺栓柱3、压力传感器4、压力显示器5、传感器托板6、高强度弹簧7、弹簧托板8和底座9构成。装置通过控制受力平板1上的螺母的紧固程度，配合高强度弹簧7，为材料界面处提供一定压力。
[0048] 具体地，压力调控装置中，4根螺栓柱3分别贯穿受力平板1、传感器托板6，高强度弹簧7、弹簧托板8以及底座9，穿孔位置均匀分布在各个平板的边缘处，底座9采用
六角螺母与螺栓柱紧固，螺栓柱长250mm，直径10mm。其中受力平板1、传感器托板6、弹簧托板8及底座9均采用圆形设计，直径150mm。
[0049] 具体地，压力调控装置中，压力由受力平板上的六角螺母的紧固程度提供，受力平板1将压力集中在受力螺栓2上，受力螺栓2通过六角螺母固定在受力平板1中部，其直径10mm，长80mm。受力螺栓2底部位于压力传感器4平面中部，并将压力调控给压力传感器4。压力传感器4位于传感器托盘6中间的卡槽处，其与烘箱外部压力显示器5相连，并通过传感器托板6将压力调控给4根高强度弹簧7，其中压力传感器4为类圆柱体，高30mm，直径56mm。高强度弹簧7被压缩后，将弹力通过弹簧托板6传给绝缘组件，进而调控到材料界面处,高强度弹簧7直径40mm，高100mm，其中心与螺栓柱3的中心位于同一垂直线上。弹簧托板8底部与底座9的端部分别凸出高2.5mm，壁厚1mm的空心圆柱，用于与绝缘组件的配合。底座9内部设有通孔与中部的空心圆柱相连，为负电极提供线缆回路，直径3mm。弹簧托板8与底座9边缘处预留2mm通孔，用于连接香蕉插头，便于接地。界面处所承担的最低压力为受力平板1、压力传感器4、传感器托板6、高强度压缩弹簧1、弹簧托板8和上绝缘屏蔽板10的自身重力之和。
[0050] 绝缘组件由上绝缘屏蔽板10、下绝缘屏蔽板11、正电极绝缘垫板12和负电极绝缘垫板13构成。绝缘组件通过自身材料的绝缘特性，为弹簧托板8、底座9与待测材料之间提供绝缘屏蔽。
[0051] 具体地，绝缘组件中，上绝缘屏蔽板10为内径10mm，外径100mm，厚度2mm的聚四氟乙烯制成的圆环，与弹簧托板8底部凸出的空心圆柱配合连接。下绝缘屏蔽板11与底座9凸出的空心圆柱配合连接，尺寸与上绝缘屏蔽板10一致。上绝缘屏蔽板10和下绝缘屏蔽板11分别用于绝缘弹簧托板8和底座9。弹簧托板8底部与底座9凸出的空心圆柱高于上绝缘垫板和下绝缘垫板0.5mm，可有效抑制测试过程中非界面侧的泄
漏电流。正电极绝缘垫板12为内径14mm，外径20mm，厚度1mm的聚四氟乙烯圆环，位于下绝缘屏蔽板11中部，通过增减垫板数量，可调整正电极的位置高度。负电极绝缘垫板13为内径2mm，外径10mm，厚度1mm的聚四氟乙烯圆环，位于底座9凸出的空心圆柱上，通过增减垫板数量，可调整负电极位置高度。
[0052] 进一步地，电极组件包含双半圆环形正电极14和圆环形负电极15。双半圆环形正电极位于待测1号材料与2号材料界面外部贴合，下面垫有正电极绝缘垫板12，并通过螺栓将双半圆环形正电极14连接紧固，紧密贴合在材料接缝外部，其内径与1号和2号材料外径相同，厚度和宽度均匀3mm。圆环形负电极15位于待测1号材料与2号材料界面内部，与材料接缝处贴合，下面垫有负电极绝缘垫板13，其内径2mm，外径10mm，厚3mm。圆环形负电极15中间圆孔通过2mm香蕉插头与外部测量回路相连，双半圆环形正电极14的预留接口通过2mm的香蕉插头与外部电源设备相连。
[0053] 针对本发明提出的材料界面的测试方法，其工作流程如图5所示。以下从两个实例具体说明。在实例中，1号材料与2号材料的形状为圆环形薄片，其内径为10mm，外径14mm，厚度3mm；所述的正电极(14)呈环形，内径为14mm，包围在圆形薄片外围；所述的负电极(14)呈圆形，直径为10mm。上绝缘屏蔽板10、下绝缘屏蔽板11的孔为圆孔，孔直径为10mm；弹簧托板8与底座9凸起为空心圆柱，其高度高于上绝缘垫板或下绝缘垫板0.5mm，凸起的外径为
10mm。
[0054] 实例1、界面电导率测试，包括以下步骤：
[0055] 步骤1：制备试样。
[0056] 以交联聚乙烯(XLPE)为材料制备1号试样与2号试样，1号与2号试样为同等大小的圆环形，其内径为10mm，外径14mm，厚度3mm，采用80目的
砂纸打磨材料表面，界面由2个材料接触形成。
[0057] 步骤2：根据材料界面的几何结构，计算材料界面面积，公式如下：
[0058]
[0059] 式中，π为圆周率，R2为待测圆环材料外半径，R1为待测圆环材料内半径。材料界面面积为0.75cm2。
[0060] 步骤3：选取1MPa作为材料界面测试压力，计算压力调控装置施加的压力，计算公式如下：
[0061] N＝P*S-G
[0062] 式中，P为测试压强，S为材料界面面积，G为受力平板、压力传感器、传感器托板、高强度压缩弹簧、弹簧平板和上绝缘屏蔽板的自身重力之和，G＝0.3kG。压力调控装置施加压力为N＝7.2kG。
[0063] 步骤4：安装绝缘组件。
[0064] 将上、下绝缘屏蔽板分别与弹簧托板和底座凸出的空心圆柱配合连接。通过增减正、负电极绝缘垫板数量，调整双半圆环形正电极和圆环形负电极的高度位置；
[0065] 步骤5：安装试样。
[0066] 将待测1号和2号材料安装在底座中部，使其内部圆孔嵌套在底座凸出的空心圆柱上，1号与2号材料接触，形成待测界面；
[0067] 步骤6：安装电极组件。
[0068] 双半圆环型正电极安装于待测1号材料与2号材料界面外部，调整双半圆环形正电极位置，使其与材料接缝处贴合，圆环形负电极安装于待测1号材料与2号材料界面的内部，调整圆环形负电极位置，使其与材料内部接缝处贴合，通过螺栓将两个半圆环型正电极紧固；
[0069] 步骤7：安装压力调控装置。
[0070] 4根螺栓柱贯穿底座，且螺栓柱的端部与底座采用螺母固定。受力螺栓通过六角螺母固定在受力平板中部。弹簧托板、高强度弹簧、传感器托板和受力平板按顺序依次穿过螺栓柱，压力传感器放置于传感器托板卡槽处，并与烘箱外部的压力显示器相连。
[0071] 步骤8：设置压力。
[0072] 安装受力平板的螺母，调整受力平板与六角螺母之间的紧固程度，使得压力传感器示数为N。
[0073] 步骤9：设置烘箱温度，连接外部电路。
[0074] 将界面测试装置置于烘箱内部，压力显示器位于烘箱外部；通过线缆将正电极与负电极与外部的电导率测试仪相连，闭合好箱门，设置测试温度为30℃，恒温15分钟。
[0075] 步骤10：测试。
[0076] 弹簧托板与底座通过预留接口接地；通过程序设置电压为1kV，测试的数据结果保存于计算机中。
[0077] 步骤11：计算电导率。
[0078] 选取3000秒后稳定电流作为界面的泄露电流，根据公式，计算界面处电导率。
[0079]
[0080] 式中I为稳定后的界面测试电流，U为施加电压，L为内圆周长，d为圆环厚度。计算-15获得P为8.15×10 S/m。最终实现对固体绝缘材料界面电导率的测试研究工作。
[0081] 实例2、界面局部放电试验，包括以下步骤：
[0082] 步骤1：制备试样。
[0083] 以交联聚乙烯(XLPE)为材料制备1号试样与2号试样，1号与2号试样为同等大小的圆环形，其内径为10mm，外径14mm，厚度3mm，采用400目的砂纸打磨材料表面，界面由2个材料接触形成。
[0084] 步骤2：根据材料界面的几何结构，计算材料界面面积，公式如下：
[0085]
[0086] 式中，π为圆周率，R2为待测圆环材料外半径，R1为待测圆环材料内半径。材料界面面积为0.75cm2。
[0087] 步骤3：选取1MPa作为材料界面测试压力，计算压力调控装置施加的压力，计算公式如下：
[0088] N＝P*S-G
[0089] 式中，P为测试压强，S为材料界面面积，G为受力平板、压力传感器、传感器托板、高强度压缩弹簧、弹簧平板和上绝缘屏蔽板的自身重力之和，G＝0.3kG。压力调控装置施加压力为N＝7.2kG。步骤4：安装绝缘组件。
[0090] 将上、下绝缘屏蔽板分别与弹簧托板和底座凸出的空心圆柱配合连接。通过增减正、负电极绝缘垫板数量，调整双半圆环形正电极和圆环形负电极的高度位置；
[0091] 步骤5：安装试样。
[0092] 将待测1号和2号材料安装在底座中部，使其内部圆孔嵌套在底座凸出的空心圆柱上，1号与2号材料接触，形成待测界面；
[0093] 步骤6：安装电极组件。
[0094] 双半圆环型正电极安装于待测1号材料与2号材料界面外部，调整双半圆环形正电极位置，使其与材料接缝处贴合，圆环形负电极安装于待测1号材料与2号材料界面的内部，调整圆环形负电极位置，使其与材料内部接缝处贴合，通过螺栓将两个半圆环型正电极紧固；
[0095] 步骤7：安装压力调控装置。
[0096] 4根螺栓柱贯穿底座，且螺栓柱的端部与底座采用螺母固定。受力螺栓通过六角螺母固定在受力平板中部。弹簧托板、高强度弹簧、传感器托板和受力平板按顺序依次穿过螺栓柱，压力传感器放置于传感器托板卡槽处，并与压力显示器相连。
[0097] 步骤8：设置压力。
[0098] 安装受力平板的螺母，调整受力平板与六角螺母之间的紧固程度，使得压力传感器示数为N。
[0099] 步骤9：连接外部电路。
[0100] 通过线缆将正电极与负电极与外部的局部放电测试仪相连，界面测试装置位于室温环境下。
[0101] 步骤10：测试。
[0102] 弹簧托板与底座通过预留接口接地；采用电荷校准器对测试装置进行校准，通过程序控制变压器按照80V/s的速率升压，当局部放电量达到100pC时，快速降压回零，结束实验，记录实验过程中局部放电数据，结果保存于计算机中。最终实现对固体绝缘材料界面局部放电试验的测试研究工作。
[0103] 本发明的测试装置可适用于介电损耗测试仪、电导率测试仪、局部放电测试仪、击穿测试仪、雷电冲击电压发生器、操作冲击电压发生器、或各类波形发生器对固体材料界面介电性能的测试研究工作。
