專利名稱：交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測試交聯聚乙烯性能的試驗裝置，尤其是比較和評定交聯
聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置。
背景技術：
電纜絕緣層"水樹化"是引起交聯聚乙烯電纜老化擊穿從而降低使用壽命
的重要原因。隨著我國工業規模日益擴大和城市用電量的急增，10kV交聯聚乙 烯(XLPE)電纜的用量越來越大，水樹引發電纜絕緣擊穿的事故越來越多。比 較、評定XLPE電纜料耐水樹性能的慣用的方法是采用工頻電壓，但是培養水 樹的時間很長，不能適應快速研究的需要。美國標準(ASTMD6097-97a)提出 了用高頻lkHz正弦波電壓加速培養水樹的方法和試樣的制作的方法試樣的制作 的方法。但是ASTMD 6097-97a提出試樣的制作的方法復雜，試樣體積龐大； 此外，目前國內尚無lkHz、 10kV高頻高壓電源的產品。
發明內容
本發明的目的在于提供一種比較、評定交聯聚乙烯電纜料的耐水樹性能的 試驗裝置，該裝置應能可靠地測定、比較不同配方XLPE料的耐水樹性能，并 且測試操作簡單方便、試樣結構簡單，試樣體積小。
本發明提出的技術方案是交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置，包
括水樹試驗用的試樣和可調高頻高壓電源及保護計時電路；所述試樣的底板是 制有一組水針孔的XLPE板，該XLPE板用待測電纜料制成，其中的水針孔在 制板時形成,XLPE板上粘接一段聚乙烯短管形成容器，以便在其中注入鹽溶液； 所述的可調高頻高壓電源的輸出分別與試樣底部電極和上部鹽溶液中電極相 連。
所述的XLPE板上有10個水針孔，XLPE板與聚乙烯短管之間采用硅膠粘接。 所述的可調高頻高壓電源采用兩只IGBT晶體管與兩只電容器，組成半橋式 開關電路，再用電感與電容組成混合諧振變頻電路，諧振電壓再經高頻高壓發
生器升壓為高頻高壓，以作為加速水樹引發和生長的電源。
所述的高頻高壓為lkHz、 0-10kV。
本發明提供的試驗裝置，試樣結構簡單，試樣體積小，制作工序也簡單。
采用提高電壓頻率的方法，可以在較低的電壓下用較短的時間內引發水樹，有
利于在電纜行業推廣應用；另外，該裝置也可測定水樹導致試樣擊穿的壽命。
圖l是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明中的可調直流電源的原理圖。
圖3是本發明中的可調直流電源的驅動電路原理圖。
圖4是本發明中的高頻高壓發生器的原理圖。
圖5是本發明中的保護和計時電路的原理圖。
圖6是壓制試樣模具的裝配示意圖。
具體實施例方式
本發明的交聯聚乙烯(XLPE)電纜料耐水樹性能的試驗裝置主要包括試樣 IO和試驗電路，試驗電路又包括可調直流電源40、可調直流電源的驅動電路30、 高頻高壓發生器20、保護電路60 (即試樣擊穿保護電路)及計時電路50五部 分。
一般來說電纜絕緣內的水樹生長在雜質和微孔等局部電場集中處，因此采 用針尖曲率為微米級的水針電極，模擬電場集中和加速水份的滲透。把XLPE 料放在帶硬金屬針的模具中，經熱壓、冷卻后在試樣表面上形成針孔。ASTMD 6097-97a標準提出的模具一次壓四個試塊，每一個試塊表面中央有一個針孔， 然后把多個試塊鑲嵌在有機玻璃容器的底部，在真空條件下向有機玻璃容器內 注入規定的鹽溶液，以便溶液充滿針尖，鹽溶液作為上電極。
ASTM D 6097-97a標準提出的模具制作比較復什，有機玻璃框架XLPE試
塊之間的密封靠緊配合，加工精度要求高，試樣體積較大。為了簡化試樣的制
作方法，本發明提出了一次壓制在直徑55ram的XLPE板上制造10個水針孔的模 具，在壓制的帶針孔的XLPE板上，用硅膠粘合一節高40mm、外徑50mm和內徑 40mm的聚乙烯管，作為盛放鹽溶液的容器。用本發明提出模具制作試樣，試樣 結構簡單，試樣體積小，工序簡單。
圖6顯示了壓制XLPE試樣IO-I的模具，模具有5部分組成，圖中有直徑 100mm、厚度5腿的鋼制圓盤1和4;外徑100mm、內徑55mm、厚度6. 4mm的鋼 制圓環2; 10個直徑2—mm貫穿孔的鋼制圓盤3，圓盤直徑lOOmm、厚度6. 4咖； 10個直徑2mm的白鋼針5，針尖曲率半徑5)tim;針插入圓盤3的孔中，針與孔是 緊配合，圓盤3與圓盤4用埋頭螺絲相互固定在一起稱為模具的蓋板，余下稱 為模具的底部。把帶針的鋼蓋板從模具中分開，模具的底部和鋼蓋板的背部放 在溫度120°C熱壓機上預熱，配好的XLPE粒和粉料在溫度110°C的密煉機中混 煉，稱出一定重量的混煉料放入模具的空腔6中預熱20分鐘，蓋上蓋板，針插 入熔融的配料中，加壓到10MPa，提高熱壓溫度到160°C，持續15分鐘；把高溫 模具搬到冷壓機上，在加壓狀態下冷卻到室溫，打開模具，取出帶針孔的XLPE 板，在有孔的一面用硅膠粘上一節高40mm、外徑50mm和內徑40mm的聚乙烯管，
作為盛放鹽溶液的容器。
加速水樹的引發和生長有兩種方法，l.提高電壓，2.提高電壓頻率。在工頻 電壓下，為了加速試樣內引發水樹，外施電壓高達到15kV或以上，在這種情況， 水針尖端往往會引發電樹，而不是純粹的水樹，降低電壓必須延長試驗時間。 提高電壓頻率可以在較低的電壓下較短的時間內引發水樹，是值得推薦的方法。 本發明采用兩只IGBT晶體管與兩只電容器，組成半橋式開關電路，再用電 感與電容組成混合諧振變頻電路，諧振電壓經高頻高壓發生器升壓后，獲得
lkHz、 10kV高頻高壓，高電壓值在0-10kV范圍內連續可調，作為加速水樹引 發和生長的電源。
一般來說，培養水樹不希望試樣擊穿，但在個別情況下試驗過程中試樣可 能擊穿，當試樣擊穿時為了避免電源損壞、及時記錄試驗累積時間，本發明的 試驗裝置中配備了保護電路(即電源保護電路)和計時電路。
圖2是可調直流電源，電壓調節范圍0-300V，它提供高頻高壓發生器的電 能，該電路包括Dl、 D2 、 D3、 D4四個整流管(橋式)和濾波電容C0組成的工 頻整流電路，電容器C1、 C2和IGBT管QM1、 QM2 (型號為CM100DY-24H)組成 半橋開關電路，手動開關S1、 S2、接觸器ZK、觸頭K1、 K2、 K3和"合"、"分" 按鈕組成工頻電源的閉合、分開電路，J3與圖3中J3'相接組成零電壓合閘電 路，即只有當圖3中UD1沒有觸發脈沖輸出時，J3的腳l和2才能短接。高頻 變壓器T1初級二端分別接在電容器C1、 C2的連線上和QM1、 QM2的連線上，開 關管QM1、 QM2的交替導通在高頻變壓器Tl的次級感應高頻電壓，經高頻二極 管D7、 D8組成全波整流后，由電感L和C3進行濾波。另外，指示燈L1、 L2作 顯示用。
可調直流電源的驅動電路(圖3)由開關電源集成電控制器UD1 (T494)、三極 管(Q21、 Q31)、兩只光耦(P1、 P2)、兩只驅動組合電路(EXB841)及偏置電壓、 穩壓保護電路組成。圖3中J5和J6分別與兩組+ 20V直流電源相連，Jl'和 J2，分別與圖2中Jl和J2相連。
開關電源集成電控制器UD1交替產生二組占空比固定的方波電壓，分別由腳 9和10輸出，經與非門、倒相器和放大器放大后，輸入驅動組合模塊EXB841， EXB841輸出的方波通過保護電阻R30和R32，分別與插頭J1，和J2'的腳2相 連。EXB841輸出的方波由圖3中Jl，和圖2中Jl控制圖2中IGBT管子QM1的
導通和斷開。同理，EXB841輸出的方波控制IGBT管子QM2的導通和斷開。偏置 電壓由電阻R31、電容C21和穩壓管D34串、并聯電路組成。保護電路由穩壓管 D03和D04反接串聯組成。當模塊EXB841腳9與6之間電路測得開關管QM1 (見 圖2)的管壓降超過7V時，光耦P2導通，二極管D24導通，開關電源集成電控 制器UD1的腳15由高電位變成低電位，UD1停振，達到保護作用。調節電位器 R改變UD1腳4電位，改變方波寬度，調節直流電壓。
試驗時試驗電壓必須從零以一定速度升高到規定值，為了防止在接通工頻 電源時，發生器不會輸出高電壓，圖中增加了 J3零電壓合閘電路；開關電源集 成電控制器UD1腳10輸出的電壓接到比較器U2，如果電位器R不在高電位，也 就是UD1有方波電壓輸出時，U2輸出了高電位，經放大器U3、 U4和三極管Q6 放大后，由射極跟隨器Q5作低阻抗輸出，使繼電器RELAY動作，觸頭K7分開， 斷開了工頻電源合閘的控制回路；相反，如果電位器R在高電位，K7閉合，經 J3'接通圖2中J3所在的合閘電路，調節電位器R，試驗電壓(lkHz正弦波)從
零開始增加。
圖4是lkHz、 10kV正弦波發生器(高頻高壓發生器)的電路圖，圖中開關 電源集成電控制器UD1產生lkHz固定頻率、占空比45%的方波電壓，UD1腳 IO輸出的方波為高電位時，經Q1、 Q2兩級放大(并倒相)后使光耦P1中發光 二極管中電流為零，電阻R15左端處于高電位，NPN三極管Q3導通，PNP三極 管Q4截止，相反，當UD1腳10輸出方波為低電位時，NPN三極管Q3截止，PNP 三極管Q4導通，因此，Q3-Q4串聯三極管輸出的方波與UD1腳10輸出的方波相 位相同。Q3-Q4串聯三極管輸出的方波通過電阻R24驅動IGBT管Q7;同理， Q5-Q6串聯三極管輸出的方波通過電阻R25驅動IGBT管Q8。 D01和D02分別是 10V和5V穩壓管，兩者反相串聯，把Q7的柵極電壓限制在規定的范圍內。Q7、 Q8與電容C4、 C5組成半橋開關電路，橋的A，與B，點與圖2中的A 與B點相連；當Q7、 Q8交替導通、開斷時，橋中P、 D兩點間獲得正負交替的 方波輸出。為了獲得正弦波電壓，圖4中使用了混合諧振電路，電容C與負載 變壓器T并聯，電容C4 (C4=C5)與電感L又組成串聯諧振。用l: 1000泰克探 頭與示波器在高頻變壓器T高壓邊測得的電壓波形，可測得輸出電壓波形為正 弦波。
保護電路和計時電路表示于圖5中；保護電路由放大器、自舉電路、倒相器、 單穩多諧振蕩器組成。把圖4插座J8' 、 J7，分別與圖5插頭J8、 J7相連；當 試樣發生擊穿時，圖4中R19上得到一微小的短路信號，該短路信號經圖5中 三極管OP37放大后，根據擊穿發生在電壓正弦波的正半波或負半波，也就是根 據短路信號的正或負極性，分別從正極性自舉電路(圖5中上面LM311)或負極性 自舉電路(圖5中下面LM311)，不管信號走那一路自舉電路，都得到一個正極性 穩定電壓，經過倒相器4011-l后變成負極性電壓，負極性電壓觸發單穩多諧振 蕩器(由兩只4011組成)翻轉，單穩多諧振蕩器腳4由高電位變成低電位，插頭 J7的腳2也由高電位變成低電位；由于圖4中UD1的腳15突然變成低電位，UD1 停振，高頻高壓發生器不再輸出電壓，避免了試樣短路引起發生器的損壞。
圖5中計時電路由放大器、接觸器和電子鐘Z組成。插件J9和J9，相連， 插頭J9，腳1和2相接，電子鐘終止記時；腳3和2相接，電子鐘開始記時； 高頻高壓發生器正常工作時，圖5單穩多諧器4011腳4輸出高電位，三極管Q52 基極位于高電位，接觸器Z8動作，觸頭K4打開，K5閉合，電子鐘開始計時， 相反，當試樣擊穿時，如前所述，單穩多諧器4011腳4變成低電位，三極管Q52 基極位于低電位，接觸器Z8線巻中無電流，觸頭K4閉合，K5打開，電子鐘終 止計時，按下復位按鈕K7，清除記錄的時間讀數。
權利要求
1、交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置，其特征在于該裝置包括水樹試驗用的試樣(10)和可調高頻高壓電源及保護計時電路；所述試樣的底板是制有一組水針孔的XLPE板，該XLPE板用待測電纜料制成，其中的水針孔在制板時形成，XLPE板上粘接一段聚乙烯短管形成容器，以便在其中注入鹽溶液；所述的可調高頻高壓電源的輸出分別與試樣底部電極和上部鹽溶液中電極相連。
2、 根據權利要求1所述的交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置，其 特征在于所述的XLPE板上有10個水針孔，XLPE板與聚乙烯短管之間采用硅 膠粘接。
3、 根據權利要求1或2所述的交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置， 其特征在于所述的可調高頻高壓電源采用兩只IGBT晶體管與兩只電容器，組 成半橋式開關電路，再用電感與電容組成混合諧振變頻電路，諧振電壓再經高 頻高壓發生器升壓為高頻高壓，以作為加速水樹引發和生長的電源。
4、根據權利要求3所述的交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置，其特 征在于所述的高頻高壓為lkHz、 0-10kV。
全文摘要
本發明涉及一種測試交聯聚乙烯性能的試驗裝置。目的是提供的試驗裝置應能可靠地測定、比較不同配方XLPE料的耐水樹性能，并且測試操作簡單方便、試樣結構簡單，試樣體積小。技術方案是交聯聚乙烯電纜料耐水樹性能的試驗裝置，包括水樹試驗用的試樣和可調高頻高壓電源及保護計時電路；所述試樣的底板是制有一組水針孔的XLPE板，該XLPE板用待測電纜料制成，其中的水針孔在制板時形成，XLPE板上粘接一段聚乙烯短管形成容器，以便在其中注入鹽溶液；所述的可調高頻高壓電源的輸出分別與試樣底部電極和上部鹽溶液中電極相連。
文檔編號G01R31/12GK101354425SQ20081012073
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月2日 優先權日2008年9月2日
發明者軍 何, 馮本青, 屠德民 申請人:浙江萬馬高分子材料股份有限公司