CN113324896A - 一种用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压电缆缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，包括密封腔体以及安装于密封腔体上的电极组件、调压组件和气体传感器，电极组件包括上电极和下电极，上电极包括一体成型的板电极Ⅰ和棒电极Ⅰ，下电极包括一体成型的板电极Ⅱ和棒电极Ⅱ，板电极Ⅰ和板电极Ⅱ位于密封腔体内且位置相对并平行设置，板电极Ⅰ和板电极Ⅱ的相对表面上均设置有铁质圆环，电缆样本放置于上电极和下电极的两个板电极之间；调压组件包括托盘以及配套使用的调压件，托盘安装于棒电极Ⅰ的顶端端部。本发明充分考虑了实际电缆运行中缓冲层所受压力以及电流密度对其产生电化学腐蚀的影响，在消除氢气传感器的测量误差基础上可进行多因素联合腐蚀研究。

Description

一种用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置

技术领域

本发明属于电力电缆技术领域，具体涉及一种用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置。

背景技术

电力电缆经过多年的发展，电缆能够承受的电压等级也在逐渐上升，并且在电力系统输配电网络中担任更加重要的角色。在我国110kV的高压电缆主要是皱纹铝护套的高压电缆，如图1所示，主要由内至外依次设置的导体1、内半导电层2、XLPE绝缘层3、外半导电层4、阻水缓冲层5、铝护套6以及外护套7组成；其中阻水缓冲层为具有纵向阻水、缓冲机械应力的半导电性质结构，用于维持外半导电层和铝护套电气接触。如图2所示，阻水缓冲层主要由缓冲棉层(含炭黑)8、阻水粉层(聚丙烯酸钠)9以及无纺布层(含炭黑)10组成。

近年来，根据国网公司的运行状况，由于高压电缆阻水缓冲层失效而导致的高压电缆本体击穿事故时有发生，严重地威胁到了电力系统运行的稳定性。根据现有的资料和研究发现，在失效的高压电缆阻水缓冲层中发现了大量的白斑以及烧蚀的痕迹；在某些严重的区域，外半导电层也受到了不同程度的腐蚀，更有甚者在交联聚乙烯主绝缘中也出现了烧蚀痕迹，这样的电缆绝缘状态将会使得电缆的运行处在极不稳定的状态，很容易就会产生击穿的事故。但现有研究鲜有对阻水缓冲层的电化学腐蚀进行更深入的研究，只有在单一电气变量或者单一变量下的研究。在实际的现场运行环境中，阻水缓冲层的失效往往伴随着各种因素的影响，目前却未有一种装置能够对阻水缓冲层电化学腐蚀进行多变量研究。

部分研究表明，失效阻水缓冲层表面析出白斑为内部阻水粉，但在与铝护套端接触面出现了氢氧化铝等物质，这表明白色粉末的出现不仅仅是阻水粉的析出，也伴随着电化学腐蚀，在腐蚀过程中产生了氢氧化铝。在电化学腐蚀过程中将会产生一种特征气体--氢气。在实验室中对特征气体进行检测时，氢气传感器存在着原理性的缺陷，即氢气传感器对CO 与H₂存在着能够同时检测的问题，导致检测结果不准确。此外，有相关文献指出，白色粉末的析出与环境因素相关，但并没有一个完整的体系对于阻水缓冲层可能出现的局部放电及环境因素对阻水缓冲层的电化学腐蚀进行实验性的研究。

综上所述，高压电缆作为电缆系统中的重要环节，对于电力系统有着举足轻重的作用，研究高压电缆阻水缓冲层失效的电化学腐蚀原理对于高压电缆的安全运行具有重要作用，而现有技术通常只能针对单一的变量进行实验研究，且无法消除CO的影响，由此，研发多因素联合腐蚀的实验装置对于电力电缆的发展具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，该实验装置充分考虑了实际电缆运行中阻水缓冲层所受压力、温度、湿度以及电流密度对其产生电化学腐蚀的影响，不仅可以进行单变量研究，还可以进行多因素联合腐蚀研究，通过改进电极结构进而在一定程度上消除了氢气传感器的测量误差，还可以结合紫外、红外检测技术对高压电缆阻水缓冲层进行进一步的深入研究。

为达到上述目的，本发明提供的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其包括密封腔体以及安装于密封腔体上的电极组件、调压组件和气体传感器；

所述电极组件包括上电极和下电极，所述上电极包括一体成型且截面呈T型结构的板电极Ⅰ和棒电极Ⅰ，所述下电极包括一体成型且截面呈T型结构的板电极Ⅱ和棒电极Ⅱ，所述板电极Ⅰ和板电极Ⅱ位于密封腔体内且位置相对并平行设置，板电极Ⅰ和板电极Ⅱ的相对表面上均设置有铁质圆环，电缆样本放置于上电极和下电极的两个板电极之间，棒电极Ⅰ和棒电极Ⅱ的顶端端部分别从密封腔体的顶面和底面伸出至密封腔体外；

所述调压组件包括托盘以及配套使用的若干给定重量的调压件，所述托盘安装于棒电极Ⅰ的顶端端部。

上述用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，密封腔体的至少一个侧面为透明面板，以便于在实验进行中观测电气现象，比如使用手持式的紫外线观测仪或红外探测仪测量局部放电产生的紫外线或局部产热导致的温度升高等，以实现无接触检测。

上述用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，上电极和下电极分别接入与用于提供高压电的交流电压源。一般情况下，电极(包括上电极和下电极)均为铜质电极。板电极Ⅰ和板电极Ⅱ优选为圆形板电极，圆形板电极根据国际标准可以对电学实验中的电晕进行有效抑制，排除电学实验中额外的因素，在选择不同电缆样本大小进行测试的情况下可以对板电极的尺寸进行调整，以达到实现消除电晕的效果。通过在板电极上增设铁质圆环，利用CO的吸附特性，消除氢气传感器的测量误差。铁质圆环与板电极Ⅰ/板电极Ⅱ同圆心，铁质圆环的外径小于板电极Ⅰ和板电极Ⅱ直径，内径与电缆样本的外径相等。

上述用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，通过增减放置于托盘上的调压件的数量可以改变作用至电缆样本的压力，以便于不同压力条件下的电缆阻水缓冲层电化学腐蚀进行研究。

上述用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，气体传感器为氢气传感器。此外，在阻水缓冲层电化学腐蚀研究中，为了便于对密封腔体内的环境温度、湿度进行监测，该实验装置还可以进一步包括温湿度传感器。气体传感器、温湿度传感器在密封腔体中的安装位置可以根据实际实验环境进行调整。密封腔体的一个侧面开设有检测孔，气体传感器、温湿度传感器的传输线可以通过密封腔体上开设的检测孔与上位机和直流电源连接。上位机还与用于采集电缆样本电压信号和电流信号的电压表和电流表连接。上位机用于实时采集密封腔体内的温度、湿度和气体含量，并用于记录来自电缆样本的电压信号和电流信号，分析电缆样本的阻抗情况。直流电源用于为气体传感器、温湿度传感器供电。

为适应传感器的安装测试，优选地，棒电极Ⅰ或/和棒电极Ⅱ上还安装有调节旋钮，调节旋钮位于密封腔体的外侧，通过两个调节旋钮使板电极Ⅰ或/和板电极Ⅱ上下移动进而调节电缆样本在实验腔体内的高度，使得传感器能够更好的测量到腔体中的气体组分变化。

上述用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，通常密封腔体以及其它辅助部件采用绝缘材料制作而成，在进行电学实验中绝缘材质的材料能够防止实验人员在实验中触电。优选地，密封腔体整体采用环氧树脂制作而成，其中透明面板采用亚克力板。托盘和调压件采用环氧树脂制作而成。而且该密封腔体具有一定的恒温作用，可以保证高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究在恒温条件下进行。

本发明提供的实验装置通过在密闭腔体中加入改进的带有铁质圆环的电极，并在电极上安装调压组件，结合现代传感器技术可以对高压电缆缓冲的多变量电化学腐蚀进行系统的研究。利用铁环消除CO的影响原理如下：当CO活性吸附在某些物质的晶体表面上会进行分解，而这些物质中，铁居首位，有铁参与的CO分解机理可以表示为：

(Fe_n)_晶+CO_(气)→(Fe)_晶·(CO)_吸附

(Fe)_晶·(CO)_吸附→(Fe)_晶C_晶+CO_2(气)

CO_(气)+(Fe)_晶·(O)_吸附→CO_2(气)+(Fe_n)_晶

总的化学反应方程式为：

则通过在铜质电极上添加铁质圆环，利用CO的吸附特性，消除氢气传感器的测量误差，使检测结果更加准确可靠。

此外，为了研究不同湿度电缆样本的高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究，可以先对电缆样本进行预处理，得到不同湿度的电缆样本(即不同含水量的电缆样本)，再将不同湿度的电缆样本依次采用本发明提供的实验装置进行电化学腐蚀研究，探索不同湿度的高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀规律。

与现有技术相比，本发明提供的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置具有的有益效果是：

(1)本发明通过设置在腔体上的传感器及电极上安装的调压组件，将各个影响研究因素(包括压力、温度、湿度、电压、电流)通过实验腔体进行组合，使该实验装置具有较高的集成度，既可以对阻水缓冲层的电化学腐蚀进行单变量研究，又可以进行更加完整的多变量影响研究。

(2)本发明通过对电极结构进行改进，将实验中可能产生的CO通过外加铁质圆环，利用其物理化学特性，将其转换或者吸附，在一定程度上消除了CO对特征气体H₂的检测影响，从而消除了腔体内氢气的测量误差，保证实验结果的精确度。

(3)本发明具有良好的功能扩展性，在检测方式方面可以实现有线以及无线检测，需要检测不同的环境变量时，更换不同的传感器即可，同理也可以实现多变量的监测。

(4)本发明同时也可以增加外电路以实现连续的电压、电流以及阻抗特性的实时研究，这对电气实验至关重要。

(5)本发明易于使用，并可以对不同的实验要求做出相应的调整，且具有易于在此装置上进行功能扩充、实现在线监测控制的特点。

附图说明

图1为高压电缆结构示意图；

图2为高压电缆的阻水缓冲层结构图；

图3为本发明用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置的结构示意图；

图4为上电极的结构示意图；

图5是实施例中用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置的应用示意图。

附图标记说明：1-导体；2-内半导电层；3-XLPE绝缘层；4-外半导电层；5-阻水缓冲层； 6-铝护套；7-外护套；8-缓冲棉层；9-阻水粉层；10-无纺布层；11-密封腔体；1101-检测孔； 12-电极组件；1201-上电极；1201a-板电极I；1201b-棒电极I；1201c-铁质圆环；1202-下电极； 1203-调节旋钮；13-托盘；14-氢气传感器；15-温湿度传感器；16-STM32单片机；17-交流电压源；18-电流表；19-第一保护电阻；20-电压表；21-直流电源；22-第二保护电阻；23-上位机。

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

如图3所示，本实施例提供的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其包括密封腔体11、电极组件12、调压组件、氢气传感器14以及温湿度传感器15。

如图3所示，密封腔体11呈长方体型，其中一侧面为透明面板。密封腔体整体采用环氧树脂制作而成，其中透明面板采用亚克力板。透明面板的中心位置处开设有一检测孔1101。氢气传感器14和温湿度传感器15通过环氧树脂板安装在检测孔1101的位置附近。

电极组件12包括结构相同的上电极1201和下电极1202。上电极1201和下电极1202均为铜质电极。如图4所示，上电极1201包括一体成型且截面呈T型的板电极Ⅰ1201a和棒电极Ⅰ1201b；类似的，下电极1202包括一体成型且截面呈T型的板电极Ⅱ和棒电极Ⅱ。板电极Ⅰ和板电极Ⅱ位于密封腔体11内且位置相对并平行设置，板电极Ⅰ和板电极Ⅱ的相对表面上均设置有铁质圆环(如1201c)。板电极Ⅰ和板电极Ⅱ为圆形板电极，铁质圆环与板电极Ⅰ/板电极Ⅱ同圆心，铁质圆环的外径小于板电极Ⅰ和板电极Ⅱ直径，内径与电缆样本的外径相等。电缆样本放置于板电极I板电极Ⅱ之间。棒电极Ⅰ和棒电极Ⅱ的顶端端部分别从密封腔体的顶面和底面伸出至密封腔体外。棒电极Ⅰ和棒电极Ⅱ上均安装有调节旋钮 (1203)，调节旋钮(1203)位于密封腔体的外侧，通过调节旋钮使板电极Ⅰ和板电极Ⅱ上下移动进而调节电缆样本在密封腔体内的位置。

如图3所示，调压组件包括托盘13以及配套使用的若干给定重量的调压件。托盘13采用环氧树脂制作而成。调压件具体采用环氧树脂制作的砝码。托盘安装于棒电极Ⅰ1201a的顶端端部，通过增减放置于托盘上的调压件的数量而改变作用至电缆样本的压力。

本实施例中，采用的氢气传感器为MQ-8氢气传感器，并通过连接STM32单片机对氢气传感器进行控制以及数据读取。传感器的预热等操作按照常规手册进行即可。

本实施例提供的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置原理，如图5所示。交流电压源17正极依次经电流表18和第一保护电阻19接入上电极的棒电极I，负极与下电极的棒电极II接地；电压表20一端与上电极的棒电极I连接，另一端与交流电压源负极连接；电流表和电压表分别与上位机23通信连接；氢气传感器14的信号输入端和信号输出端、以及温湿度传感器15的信号输入端和信号输出端分别接入STM32单片机16相应信号输出端或信号输入端，用于对氢气传感器和温湿度传感器进行控制以及数据读取； STM32单片机16的另一信号输出端接入上位机23；直流电源21串联第二保护电阻22后并联接入STM32单片机16、氢气传感器14和温湿度传感器15的电源接口，为STM32单片机16、氢气传感器和温湿度传感器供电。本实施例中以PC机作为上位机。本实施例对电缆样本的电测试使用交流电供电的方式，交流电压源选择单相调压器对电路中的电流电压进行控制。电压表和电流表通过通信的方式将实时数据传回上位机，上位机中对实时数据进行记录，以便后续数据分析以及处理。第一保护电阻能够防止电缆样本阻水缓冲层在发生烧蚀击穿后回路中的大电流对实验装置造成损伤。第二保护电阻能够使直流电源满足单片机正常工作条件需求。

以下以研究水分含量对高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀的影响为例，对本发明的实际应用进行说明。电缆样本选择不同的水分含量的阻水缓冲层样片(含水量通过等面积滴水进行处理)，利用“铝片-阻水缓冲层-半导电层”的三明治结构还原实际运行环境，铝片、阻水缓冲层样片以及外半导电层均采用圆片形状以适应板电极。

采用本实施例提供的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置对电缆样本进行测试的方法为：将电缆样本置于上电极和下电极的两板电极之间，并将若干给定重量的调压件置于托盘上，以保证受试样本的压力条件；通过调节旋钮调整上电极和下电极的位置，让电缆样本处于密封腔体中的下半部分，之后旋紧调节旋钮，固定好电缆样本；在密封腔体内偏上的位置安装氢气传感器和温湿度传感器并用密封胶封闭整个腔体，使得氢气传感器可以测量到密封腔体内的氢气含量的变化；对氢气传感器进行预热，然后利用交流电压源向电缆样本施加给定频率和幅值的高压电，由氢气传感器测量的氢气浓度值发送给STM32单片机，STM32单片机与上位机连接并进行实时的通信，通过串口的方式将实时数据发送到上位机中，上位机在记录电流和电压数据的同时，利用欧姆定律对样本的阻抗特性进行计算，获取电缆样本阻抗变化情况。

在实验中，还可以利用红外探测仪观测电缆样本中的局部温升情况，了解更多的实验现象。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：包括密封腔体以及安装于密封腔体上的电极组件、调压组件和气体传感器；

所述电极组件包括上电极和下电极，所述上电极包括一体成型且截面呈T型结构的板电极Ⅰ和棒电极Ⅰ，所述下电极包括一体成型且截面呈T型结构的板电极Ⅱ和棒电极Ⅱ，所述板电极Ⅰ和板电极Ⅱ位于密封腔体内且位置相对并平行设置，板电极Ⅰ和板电极Ⅱ的相对表面上均设置有铁质圆环，电缆样本放置于上电极和下电极的两个板电极之间，棒电极Ⅰ和棒电极Ⅱ的顶端端部分别从密封腔体的顶面和底面伸出至密封腔体外；

所述调压组件包括托盘以及配套使用的若干给定重量的调压件，所述托盘安装于棒电极Ⅰ的顶端端部。

2.根据权利要求1所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述密封腔体的至少一个侧面为透明面板。

3.根据权利要求1所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述棒电极Ⅰ和棒电极Ⅱ上均安装有用于调节电缆样本在密封腔体内上下位置的调节旋钮，所述调节旋钮位于密封腔体的外侧。

4.根据权利要求1或3所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述板电极Ⅰ和板电极Ⅱ为圆形板电极，铁质圆环与板电极Ⅰ/板电极Ⅱ同圆心，铁质圆环的外径小于板电极Ⅰ和板电极Ⅱ直径，内径等于电缆样本的外径。

5.根据权利要求4所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述上电极和下电极分别接入交流电压源。

6.根据权利要求1所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述气体传感器为氢气传感器。

7.根据权利要求1或6所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：进一步包括温湿度传感器。

8.根据权利要求7所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述气体传感器和温度传感器与单片机连接，所述单片机接入上位机。

9.根据权利要求7所述的用于高压电缆阻水缓冲层电化学腐蚀研究的实验装置，其特征在于：所述上位机还与用于采集电缆样本电压信号和电流信号的电压表和电流表连接。

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