專利名稱：：用于評價絕緣體中的擴散和泄漏電流的測試方法
技術領域：
：本發(fā)明一般涉及用于在復合材料中水分吸收和泄漏電流的測試方法。更加具體地，本發(fā)明公開了一種測試方法，其用于根據(jù)在潮濕環(huán)境下的短期暴露來預測GRP復合材料的長期電絕緣特性。發(fā)明背景玻璃增強的聚合物(GRP)復合材料廣泛地用于電絕緣體。當GRP復合材料放置在潮濕環(huán)境中時會在較長的時間中逐漸地吸收水分。導致的泄漏電流可能顯著地削弱作為電絕緣體的材料的性能。特別地，之前還沒有切實可行的方法來預測GRP復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性。過去，申請人按照ANSI標準C29.11第7.4.2部分利用受控的水分擴散實驗和電介質性能實驗的組合進行了高電壓擴散實驗，以評價各種玻璃增強的聚合物復合材料對水分的響應，以及其對泄漏電流的影響。例如，在實心復合棒料上進行測試，即通過將其浸沒在沸水和0.1%的NaCl溶液中100小時，然后測量泄漏電流。盡管在各種具有不同表面條件的單向GRP復合材料中獲得了與吸收水分和泄漏電流之間的關系有關的非常有用的信息，但是還沒有在復合材料中產(chǎn)生的質量增益和泄漏電流之間發(fā)現(xiàn)相關性。此外，沒有嘗試使水分吸收的速度和泄漏電流增加的速度相關。在ASTMD5229/D5229M-92的另一個標準中，可以使用平板測量材料的水分吸收。然后將不同材料的結杲與費克單相模型或非費克雙相或多相模型相比較。此外，Carter和Kibler提出了反常擴散的模型，其能夠用于處理非費克擴散(H.G.Carter和G.Kibler，"用于合成樹脂中的反常擴散的Lang肌ir模型"，復合材料雜志，第12巻，118-131頁，1978)。與該領域的現(xiàn)有技術相反，本發(fā)明示出了含水量和泄漏電流的變化之間的線性關系。此外，在本發(fā)明中使用的薄壁試樣的幾何形狀允許不同種類的電介質在較短的時間內吸收較大的水分濃度。該方法允許測量與不同種類的電介質所吸收的不同量的含水量相對應的泄漏電流。該方法還可以用于根據(jù)基于Carter和Kibler模型的雙相擴散來預測在不同種類的電介質吸濕中的最大含水量和最大泄漏電流。
發(fā)明內容本發(fā)明提供了一種方法，其用于根據(jù)在潮濕環(huán)境下的短期暴露后的測試來預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性。特別地，本發(fā)明使用各種模型如費克和非費克擴散模型，以在短期暴露之后從測量到的泄漏電流外推出長期電絕緣特性考慮到下面詳細的描述和附圖，將更容易理解本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點、特征以及目的。本發(fā)明的這些和其它目的可在下面公開的優(yōu)選實施例中實現(xiàn)，其中提供了一種方法，該方法用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性。該方法包括步驟提供試樣；以預定的時間間隔測試試樣以確定含水量值和泄漏電流值；從含水量值和泄漏電流值確定水分-泄漏電流因子，以;5U吏用該水分-泄漏電流因子確定試樣的電絕緣特性。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括確定試樣的水分吸收特性的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括使用反常擴散模型預測最大含水量、最大泄漏電流以及達到飽和的時間的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，從泄漏電流值的變化相對含水量值的曲線來確定水分-泄漏電流因子。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，泄漏電流值和含水量值之間存在線性關系。根椐本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括使試樣經(jīng)受可擴散材料的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括使試樣經(jīng)受高電壓的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，該電壓斜線上升到最大電壓，該最大電壓介于每毫米試樣長度大約5伏和每毫米試樣長度大約500伏之間。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，提供了一種用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性的方法，包括步驟提供形式為中空型芯圓筒的復合材料；使圓筒經(jīng)受可擴散材料；以及以預定的時間間隔測量圓筒的含水量。該方法還包括步驟使圓筒經(jīng)受高電壓，并以預定的時間間隔測量圓筒中的泄漏電流；從含水量和泄漏電流確定水分-泄漏電流因子；使該水分-泄漏電流因子與標準化數(shù)據(jù)相關，從而確定試樣的電絕緣特性。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括將圓筒放置在環(huán)境室中并使圓筒保持在恒定溫度和恒定濕度的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括稱量圓筒的重量來確定含水量的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括在使圓筒經(jīng)受可擴散材料之前測量圓筒的初始質量的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括在使圓筒經(jīng)受可擴散流體之前測量圓筒的初始泄漏電流的步驟根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，可擴散流體選自由水、液態(tài)金屬、液體溶液和水蒸氣構成的組。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，提供了一種用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性的方法，包括步驟提供形式為中空型芯圓筒的復合材料；記錄圓筒的初始質量；記錄圓筒的初始泄漏電流；以及將圓筒放置在環(huán)境室中。該方法還包括步驟使圓筒經(jīng)受可擴散流體；以預定的時間間隔從環(huán)境室取出圓筒，并記錄圓筒的質量和泄漏電流；從圓筒的質量確定圓筒的含水量；從含水量和泄漏電流確定水分-泄漏電流因子；以及使用水分-泄漏電流因子確定試樣的電絕緣特性。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括將圓筒放置在高電壓室中并使圓筒經(jīng)受高電壓的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括使圓筒經(jīng)受高電壓的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，溫度保持在大約50攝氏度，濕度保持在大約80%的相對濕度。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括使用方程式M(O使水分吸收速度和泄漏電流的增加速度相關聯(lián)的步膿根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，圓筒的長度為大約0.1毫米至大約50毫米。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，圓筒的外徑為大約2毫米至大約100毫米。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，圓筒的內徑為大約1毫米至大約99毫米。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，圓筒的長度為大約30毫米，外徑為大約15.9毫米。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，圓筒的壁厚選自由l毫米、2毫米和4亳米構成的組。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括將圓筒放置在兩個電極之間的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，還包括使圓筒經(jīng)受高電壓的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，電極是銅。結合附圖將更容易理解本發(fā)明，其中圖1是用于測量泄漏電流的高電壓測試裝置的視圖。圖2是示出了用于泄漏電流測試的典型電壓相對時間的曲線圖。圖3是示出了對于壁厚為lmm的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯和ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂的中空型芯圓筒來說，水分吸收相對時間平方才艮(實際的和預計的)的實例的曲線圖。圖4a和4b是示出了對于壁厚為2mm的在圖4a中的ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂以及在圖4b中ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯的中空型芯圓筒來說，泄漏電流和水分吸收相對時間平方根(實際的和預計的)的實例的曲線圖。圖5a和5b是示出了對于厚度為lmiB的圖5a中的ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂試樣和圖5b中的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣來說，AC泄漏電流的變化相對含水量的曲線圖。圖6a和6b是示出了對于厚度為2mm的圖6a中的ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂試樣和圖6b中的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣來說，AC泄漏電流的變化現(xiàn)對含水量的曲線圖。圖7a和7b是示出了對于厚度為4咖的圖7a中的ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂試樣和圖7b中的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣來說，AC泄漏電流的變化相對含水量的曲線圖。圖8a和8b是示出了對于來自ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂和ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣中的圖8a的所有數(shù)據(jù)點和圖8b的所有非零數(shù)據(jù)點，利用線性趨勢擬合以線性(圖8a)和半對數(shù)(圖8b)比例繪制的AC泄漏電流的變化相對含水量的曲線圖。具體實施方式本發(fā)明涉及利用受控的擴散和電介質性能實驗的組合的高電壓擴散實驗，以評價電介質材料對流體(液體或水蒸氣)的擴散的響應和其對泄漏電流的影響。利用本發(fā)明，例如可以使以不同聚合物和放璃纖維為基礎的高電壓復合絕緣體中水分吸收的速度和泄漏電流增加的速度相關。擴散具有費克或非費克模型的特征。然而，本發(fā)明可以用于多種其它應用。水分擴散分析。假定大多數(shù)單向復合材料的水分擴散過程實際上是費克型的。這表示水分擴散到材料中遵循費克第二定律，其同樣也是控制導熱性的定律。費克第二定律為其中c是水分濃度，t是時間，x是通過試樣橫向的距離，D,是橫向的擴散系數(shù)。利用合適的邊界條件，任意時刻(M)的含水量、試樣的最大含水量(MMAX)、其厚度以及擴散常數(shù)(D,)之間的關系可以給出為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中M隨和Dx可以從含水量/重量增益相對時間平方根的曲線圖中獲得。其可以通過使用下面的方程式來實現(xiàn):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)假定表觀擴散率DA近似等于橫向擴散率Dx,在方程式3中，M^是曲線上的平均平衡值。項<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>等于含水量/重量增益的初始線性部分相對V7曲線的斜率。對于與費克擴散數(shù)值預測的應用有關的更詳細的信息，讀者可以參考C.-HShen和G.S,Springer的"復合材料的水分吸收和描述"(復合材料雜志，笫10巻，笫2-20頁，1976)。利用下式可以確定在任意時刻的百分比含水量的值^潮濕式樣的重量-干燥式樣的重量x麼Z。干燥式樣的重量、J材料在潮濕環(huán)境中的性能主要取決于該環(huán)境的條件。處于具有恒定濕度但溫度變化的環(huán)境中的材料具有相同水平的最大水分吸收，但是吸收速度不同。處于較冷環(huán)境中的試樣比處于較暖環(huán)境中的試樣需要更長的時間達到平衡。在恒定溫度但具有不同濕度值的條件下，水分吸收的速度相同，但是所吸收水分的總量隨環(huán)境濕度的增大而增大。不僅環(huán)境變化會影響水分吸收曲線，而且比如溶解、微觀裂縫、分子鍵聯(lián)或結構松弛都會影響水分吸收曲線。這些現(xiàn)象偏離了單相費克擴散，因此不能利用所提供的計算方案精確地進行分析。因此需要多相模型。反常擴散分析。前一個部分中提出的分析可處理單相擴散，在單相擴散中在平衡后僅存在單相的水分吸收。反常擴散表示導致最后平衡的多個不同相的水分吸收。在該研究中探究的一些復合材料的性能之前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)是反常的(非費克)。這種類型的擴散不能利用上述的單相方法來容易地進行分析。需要一種描述了材料的物理性能的多相擴散模型。Carter和Kibler提供了一個這樣的模型。該模型使用這樣的假設，即具有反常(兩相)擴散的材料中的水分出現(xiàn)在兩個不同但有關的相中。第一個是流動相中的水分子吸收進入具有擴散系數(shù)Dr的材料。接著，這些分子以概率r結合成樹脂分子結構，并以概率B變成非結合的。利用這些假設，Carter和Kibler設計了一種模型，用于分析具有反常擴散特性的材料中的水分吸收。合適的模型近似給出如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中以及:2r,25■r=;r2Dr/(;i)2從方程式(3)中的簡單單相擴散假設Dr的值。假設用來計算Dr所需的MMAX值給出了在含水量相對時間平方根的曲線中的初始斜率和第一拐點的最可能擬合，直到第二擴散相。測試裝置。圖1示出了在本發(fā)明中使用的測試裝置的一個實施例。各種電介質材料的中空型芯圓筒11可從實心圓柱體機械加工或者制備成管。然后使測試試樣11經(jīng)受水分或其它可擴散材料(例如水、液態(tài)金屬、液體溶液或水蒸氣)，使得試樣ll包含不同量的擴散材料。接著，如圖l所示，將管狀試樣11放置在兩個電極12和13之間，測量試樣ll中的泄漏電流。隨后，使泄漏電流的變化與所吸收的擴散材料的量相關聯(lián)。例如，在以實心棒料為基礎的復合絕緣體的情況下，該實心棒料的直徑介于幾毫米至ioo毫米之間，可以在從濕空氣變化到液體浸沒的潮濕環(huán)境中和在溫度范圍從室溫到沸騰溫度下進行水分吸收實驗。電壓范圍為大約0至100kv,其等變率(ramprate)是大約0至15kv/秒。試樣11的幾何形狀的范圍可以是圓筒外徑介于大約2毫米和100毫米之間；內徑介于大約1毫米和99毫米之間；以及圓筒長度介于大約0和50毫米之間。如果材料的擴散是費克(單相擴散)的，可以直接測量所吸收材料的最大含量和最大泄漏電流。在雙相非費克擴散的情況下，其中完全飽和需要非常長的暴露時間(例如幾年)，可以使用基于Carter和Kibler才莫型的計算方案。這樣也就可以根據(jù)該計算方案估計最大泄漏電流。實驗研究。例如，下面討論的實驗數(shù)據(jù)是基于薄壁的空心復合圓筒11,其由經(jīng)受水分的ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂構成。優(yōu)選試樣11的幾何形狀是長度"L"為大約30±5毫米，外徑"D"為大約15.9±0，1毫米。下面提供的實驗數(shù)據(jù)中圓筒11的壁厚為1、2和4亳米。電極12和13的尺寸以及圖1中的間距為"W1"=64±0,l毫米，"W2"=50±0.1毫米，"L2"=25±0.1毫米，"a"=60。±1。。所有尺寸都遵循ANSI標準C29-11。利用該」技術，可以在遵循ASTM標準D5229/D5229M-92的受控水分擴散條件下，使水分吸收的速度和中空型芯圓筒11中泄漏電流增加的速度相關，該圓筒由ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂構成。由于ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂復合材料的水分吸收實際上是非費克的，并且不能使用單相模型來精確地描述，因此，可以將反常擴散(雙相)模型應用于實驗結果。例如，對于不同的試樣厚度來說，可以使用基于反常擴散模型的方法來處理絕緣體復合材料中的非費克擴散，該模型在H.G.Carter和G.Kibler的"用于合成樹脂中的水分反常擴散的Langmuir模型"(復合材料雜志，第12巻，118-131頁，1978)中公開。使用中空型芯復合圓筒11也可以研究水分對復合材料中測量到的泄漏電流的影響。盡管在實驗數(shù)據(jù)中觀察到某些分散，但還是可以注意到，在ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂復合材料中水分的量和AC泄漏電流的電平之間存在線性關系。AC泄漏電流中的變化相對含水量的曲線圖中的線性趨勢可獲得對電絕緣特性的精確預測。因此，使用CarteT和Kibler的模型，可以隨后預測復合材料最大含水量、最大泄漏電流以及達到飽和的時間。利用下面的方程式，我們可以使預測水分吸收的能力M(t)與泄漏電流中的變化lL"e)相關聯(lián)(6)其中F^c是水分/泄漏電流因子。單相費克和水分反常擴散模型可以用于該關系。更重要的是，可以根據(jù)相對短時間的水分數(shù)據(jù)來預測水分吸收和泄漏電流，即使復合材料中的擴散過程實際上是反常的，且達到完全飽所需較長時間。在受控的水分和高電壓的條件下，中空型芯圓筒測試可能變成標準的篩選測試，用于為絕緣體應用選擇合適的玻璃/聚合物復合材料。通過測量水分-泄漏電流因子，可以按照使用中(in-service)條件來對不同絕緣體型芯復合材料在水分中的電響應分級。本發(fā)明試圖通過將ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂系統(tǒng)與基于嵌入在改性聚酯樹脂的ECR(高晶種)-玻璃纖維的另一種系統(tǒng)相比較來對此進行展示。對于在該工作中進行的電測試，選擇兩種材料。選擇ECR(低晶種)-環(huán)氧樹脂是由于其對ECR-玻璃纖維提供的應力腐蝕開裂具有良好的抵抗，以及其在存在水分時的可接受行為。當在改性聚酯材料的情況下時，環(huán)氧樹脂不會過快地吸收水分，但是它傾向于象乙烯基酯和改性聚酯材料那樣不會立刻與其環(huán)境完全平衡。另一方面，選擇ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯是由于其較差的水分吸收特性。關于該材料以前還沒有發(fā)現(xiàn)反常擴散的跡象。中空型芯圓筒11由15.9毫米直徑的單向拉擠的不同長度棒料機械加工而成，該棒料可從Glasforms公司獲得。接著，將這些棒料切割成30±0.5毫米長的分段，并在中心鉆出7.9毫米的導向孔。這樣就形成了十八個壁厚為4毫米的中空圓筒。清潔其中的6個并放置在一旁，然后將其它的十二個放置在車床中，將中心鉆成期望的直徑。在車床上按照兩個步驟執(zhí)行切削。首先切削一側，貫穿試樣的一半，然后切削另一側以和第一步驟匹配。這是為了使復合材料的開裂最小，特別是在壁厚為1毫米的試樣中。這樣，就制造出十八個試樣(每個材料9個)，其具有l(wèi)、2和4毫米的壁厚，每種壁厚有三個試樣。機械加工之后，徹底清潔試樣11并在6(TC下干燥。隨后，在干燥后就記錄試樣11的初始質量和初始泄漏電流。接著，將試樣ll放置在環(huán)境室中，并保持在20'C至IOO'C的溫度和10%至100%的相對濕度。在這種情況下，試樣11保持在50'C和80%的相對濕度。使用可讀度為0.1毫克的分析天平以遞增的時間間隔測量試樣11的質量。為了確保試樣11不會處于環(huán)境室外超過30分鐘而影響水分數(shù)據(jù)，一次稱量三個試樣。由于要經(jīng)過大約4個月的時間水分吸收才會很快地減緩，因此在變化的時間間隔稱量試樣11。在每次稱量之后，如在下文中描述的那樣對試樣11測試其電特性。在高電壓測試期間，復合圓筒11如圖1所示地放置在高電壓室中的兩個銅電極12和13之間。ANSI標準要求電壓的等變率為大約lkV/s至12kV/s。該電壓可斜線上升到介于每毫米試樣長度大約5伏和每毫米試樣長度大約500伏之間的最大電壓。其單位設定在最大電壓等變率和i殳定成在12kV停止，從而形成如圖2所示的初始電壓時間曲線?？梢允褂迷?毫安刻度上具有0.lpA分辨率的Protek608數(shù)字萬用表來記錄所有最大的AC泄漏電流值。在測試過程中，干燥標準的試樣保持在高電壓室內，并在每個測試期的開始和結尾對所述式樣測試其AC泄漏電流，從而為我們給出一些對于每個測試期的環(huán)境條件的變化的指示。然后從下面提供的數(shù)據(jù)分析減去在標準試樣中顯示的這些環(huán)境條件的變化。表la和lb中示出了對于在壁厚分別為1、2、4毫米的圓筒11中測試的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯和ECR(低晶種)玻璃/環(huán)氧樹脂的復合材料來說從水分和泄漏電流實驗獲得的最重要的結果。此外，作為實例，對于一個l毫米厚的ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂試樣和一個1毫米厚的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯來說，圖3示出了l毫米厚的試樣的水分吸收相對時間平方根變化的曲線圖。除了實驗數(shù)據(jù)，圖3中還示出了根據(jù)單相模型和非費克擴散的擬合。在該圖中可以看到，基于改性聚酯的試樣在大約4天的水分暴露后達到飽和。然而，在基于環(huán)氧樹脂的系統(tǒng)的情況下，差不多經(jīng)過3個月的測試也不會達到飽和。在其它的厚度為1毫米、2毫米和4毫米的試樣中觀察到，兩個復合系統(tǒng)的行為非常相似，同時所有環(huán)氧基試樣穩(wěn)定地吸收了水分但沒有飽和，而所有基于改性聚酯的圓筒在相對短的時間內達到了飽和。分別地作為實例，圖4a和4b示出了對于一個2亳米厚的ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂圓筒和一個2毫米厚的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯來說的泄漏電流相對時間平方根的曲線。這些圖中還示出了相應的水分吸收曲線。除了實驗水分和泄漏電流數(shù)據(jù)，圖4a和4b中還示出了對于水分和泄漏電流的結果來說的根據(jù)費克和反常擴散模型的相應擬合。對于使用厚度為1和4毫米的試樣進行測試的兩個復合系統(tǒng)，可以觀察到非常相似的關系。對于基于環(huán)氧樹脂的復合材料，可以從含水量相對時間平方根的曲線的初始部分通過實驗方法確定在表la中列出的水分吸收速度Km和擴散系數(shù)D"然而，利用根據(jù)Carter和Kibler的非費克擴散模型的方法可以估計最大含水量、達到飽和的時間以及最大泄漏電流。由于基于改性聚酯的試樣達到了飽和，因此可以從水分和高電壓實驗直接確定最大含水量和最大泄漏電流。此外，可以從含水量隨時間平方根的曲線直接確定在表lb中示出的水分吸收速度(Km)和擴散系數(shù)(DA)。下面的表la示出了對于ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧復合試樣來說的水分吸收初始速度(km)和擴散系數(shù)(DA)的值，以及對最大含水量(MMAX)、水分-泄漏電流因子(Fm-u:)、最大泄漏電流(I"AO—MAX)和達到99%飽和的時間(tm)的預測值。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>*對第一擴散相計算^值。**MMAX、IL(AC)-MAX和tsAT的值是基于反常擴散的Carter-Kibler模型的預測值。下面的表lb示出了對于ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯復合試樣來說的水分吸收初始速度(km)和擴散系數(shù)(DA)的值，以及對最大含水量(MMAX)、水分-泄漏電流因子(FM-LC)、最大泄漏電流(I"wX)和達到99%飽和的時間(tSAT)的預測值。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>從對于每個試樣獲得的AC泄漏電流的變化相對含水量的曲線可以確定在表la和lb中列出的水分/泄漏電流因子FM-u:。對于為每種墻厚和材料單獨隨機選擇的試樣示出這些曲線中的一些。圖5a和5b中示出了對于厚度為1毫米的ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂和厚度為1毫米的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣的曲線，而圖6a和6b分別示出了對于厚度為2毫米的試樣的曲線。最后，圖7a和b分別示出了對于厚度為4毫米的ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂和厚度為4毫米的ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣的曲線。通過分析這些曲線可以看到幾個重要之處。首先，這些曲線示出了AC泄漏電流的變化和所吸收水分之間的不同線性趨勢。第二，較薄的試樣11顯示出更大的分散，這是因為這些試樣11達到平衡較快，因此不能提供測試開始和完全水分飽和之間的足夠數(shù)據(jù)。此外，ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂試樣11顯示出比ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯材料更大的分散，因為它們的泄漏電流值小得多。從圖5-7中還可以看出，對于非常接近量的總吸收水分(大約0.20%),ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯試樣顯示出的泄漏電流變化在50-70nA的范圍中，而ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂材料從不超過0."7^iA。在ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂和ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯材料之間AC泄漏電流的變化相對含水量的曲線的斜率差異近似為150-200倍。這是為什么對于環(huán)氧基和改性聚酯基的試樣11來說，在表la和lb中列出的水分/泄漏電流因子Fm-u;如此不同的原因。明顯地，兩種復合系統(tǒng)對水分和高電壓的響應差異^L大。圖8a和8b中在兩種復合系統(tǒng)之間作了最終的比較。在圖8a中，示出了每種材料所有數(shù)據(jù)點的AC泄漏電流的變化相對含水量的曲線。圖8b中示出了以半對數(shù)比例繪制的相同數(shù)據(jù)。這兩幅圖很好地示出了當這兩種復合材料暴露在同水平的吸收水分下時的電性能的極端差異。很明顯，ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂更加適合于在潮濕環(huán)境中的電絕緣應用，而應該避免ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯，特別是在如果環(huán)境水分的濃度比實驗中存在的大得多時。在ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯系統(tǒng)中形成的高泄漏電流是由ECR-玻璃纖維中存在的晶種(seed)引起的。與基于E-玻璃或低晶種ECR-玻璃的復合材料相比，該晶種的存在將在基于高晶種的ECR-玻璃纖維中產(chǎn)生更大的泄漏電流，即使被這些復合材料吸收的水分量非常接近。由于ECR-玻璃纖維復合材料因其對脆性斷裂的極高抵抗而被認為適合高電壓絕緣體應用，因此晶種的存在將顯著地降低絕緣體的絕緣特性，從而由于飛弧而導致電氣故障。因此，對于水分和泄露電流及其它們針對一些標準數(shù)據(jù)所確定和比較的水分/泄漏電流因子F^c來篩選所有的新復合材料。考慮到圖8a和8b所示的數(shù)據(jù)，這里所描述的測試方法的顯得適合于這個目的。重要的是，在用于高電壓復合絕緣體的所有可能材料上實現(xiàn)實施該系統(tǒng)測試方法的好處。通過實施這些實驗，我們可以為高電壓的復料^高質量指南。然而:J存在聚、:樹脂、與E-玻璃二二ECR-玻璃纖維的多種可能組合，這些組合應當被測試以確定這些不同的復合材料在存在水分時在電氣上如何表現(xiàn)。前述的實驗研究已經(jīng)探究了可用于高電壓絕緣體應用的一個最佳復合系統(tǒng),(ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂)以及最可能的一個最差復合體系(ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在所吸收的水分量和泄漏電流之間存在直接的線性關系。ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂反應非常確定-具有微小增加的低泄漏電流-而ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯是以最不期望的形式反應，其顯示出泄漏電流按照所吸收水分而增加很大。然而，最重要的是，由于在所吸收水分和泄漏電流的變化之間的線性關系，我們能夠根據(jù)我們對復合材料的水分吸收特性的知識精確地預測電絕緣特性。還顯示出的是，兩種復合材料的水分/泄漏電流因子FM-LC相差大約150-200倍，從而清楚地指出，與ECR(高晶種)-玻璃/改性聚酯系統(tǒng)相比，ECR(低晶種)-玻璃/環(huán)氧樹脂系統(tǒng)表現(xiàn)出對泄漏電流的形成的極高抵抗。最重要的是，這里提出的測試方法已經(jīng)顯示出在費克和反常擴散的條件下確定水分和泄漏電流方面極其有用。本發(fā)明例如可以用作一種篩選方法，該方法可指出在一些電介質中與水分吸收相關的潛在問題?？梢詫Σ煌娊橘|(例如，聚合物，陶瓷，木材，混凝土，生物材料和其基于多種纖維和基質的復合材料，所述基質例如是玻璃，氮化硅和碳化硅，聚合物，以及木材)的對水分和泄漏電流的幾乎同時的抵抗對它們進行分級。特別地，本發(fā)明允許不同的絕緣體制造商和用戶對經(jīng)受不同環(huán)境條件的不同電氣應用選擇最佳的絕緣材料(純凈的或復合的)。還可以允許這些材料的制造商和用戶監(jiān)控水分/泄漏電流隨時間(時間，損傷，降級等等)響應的變化。目前還不能使用其它可獲得的技術成功地用于這些目的。例如，可以對復合套管測試水分和泄漏電流。這些套管是基于由纖維纏繞成形而不是拉擠成型所獲得的多軸玻璃/聚合復合材料，拉擠通常應用于懸置和配電絕緣體的復合棒料的生產(chǎn)過程。該套管直徑較大，壁厚較小，復合結構較大。套管的直徑可以大到l米，其長度可以為10米，壁厚為幾毫米?？梢允固坠艿妮^短部分經(jīng)受水分，然后使用本發(fā)明測量泄漏電流。必須改變在圖1中示出的電極12和13的尺寸、電壓電平和等變率以及其它尺寸以容納大很多的試樣11水分擴散和泄漏電流的計算方案通常仍然保持相同。類似地，可以測試在分配系統(tǒng)中用作支撐結構的木柱在水分存在時對泄漏電流的抵抗。還應該理解，本發(fā)明還可以應用于經(jīng)受其它相(不同于水分)擴散的電介質材料，這種相擴散可能影響其電特性。例如，人們可以估計液態(tài)金屬被陶瓷吸收的影響，從而改變其絕緣特性?？梢栽O想多種這樣的實例。權利要求1.一種用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性的方法，包括步驟(a)提供試樣；(b)以預定的時間間隔測試試樣以確定含水量值和泄漏電流值；(c)從含水量值和泄漏電流值確定水分-泄漏電流因子；以及(d)使用該水分-泄漏電流因子確定試樣的電絕緣特性。2.如權利要求1所述的方法，還包括確定試樣的水分吸收特性的步驟。3.如權利要求2所述的方法，還包括預測最大含水量、最大泄漏電流以及達到飽和的時間的步驟。4.如權利要求l所述的方法，其中從泄漏電流值的變化相對含水量值的曲線來確定水分-泄漏電流因子。5.如權利要求4所述的方法，其中泄漏電流值和含水量值之間存在線性關系。6.如權利要求l所述的方法，還包括使試樣經(jīng)受可擴散材料的步膽7.如權利要求l所述的方法，還包括使試樣經(jīng)受高電壓的步驟。8.如權利要求7所述的方法，其中該電壓嵙線上升到最大電壓，該最大電壓介于每毫米試樣長度大約5伏和每毫米試樣長度大約500伏之間。9.一種用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性的方法，包括步驟(a)提供形式為中空型芯圓筒的復合材料；(b)使圓筒經(jīng)受可擴散材料；(c)以預定的時間間隔測量圓筒的含水量；(d)使圓筒經(jīng)受高電壓，并以預定的時間間隔測量圓筒中的泄漏電流；(e)從含水量和泄漏電流確定水分-泄漏電流因子；以及(f)使該水分-泄漏電流因子與標準化數(shù)據(jù)相關，從而確定試樣的電絕緣特性。10.如權利要求9所迷的方法，還包括將圓筒放置在環(huán)境室中并使圓筒保持在恒定溫度和恒定濕度的步驟。11.如權利要求9所述的方法，還包括稱量圓筒的重量來確定含水量的步驟。12.如權利要求9所述的方法，還包括在使圓筒經(jīng)受可擴散材料之前測量圓筒的初始質量的步驟。13.如權利要求9所述的方法，還包括在使圓筒經(jīng)受擴散流體之前測量圓筒的初始泄漏電流的步驟。14.如權利要求9所述的方法，還包括使用反常擴散模型來預測最大含水量、最大泄漏電流以及達到飽和的時間。15.如權利要求9所述的方法，其中從泄漏電流的變化相對含水量曲線來確定水分-泄漏電流因子。16.如權利要求15所述的方法，其中泄漏電流和含水量之間存在線性關系。17.如權利要求9所述的方法，其中可擴散流體選自由水、液態(tài)金屬、液體溶液和水蒸氣構成的組。18.—種用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性的方法，包括步驟(a)提供形式為中空型芯圓筒的復合材料；(b)記錄圓筒的初始質量；(c)^己錄圓筒的初始泄漏電流；(d)將圓筒放置在環(huán)境室中；(e)使圓筒經(jīng)受可擴散流體；(f)以預定的時間間隔從環(huán)境室取出圓筒，并記錄圓筒的質量和泄漏電流；(g)從圓筒的質量確定圓筒的含水量；(h)從含水量和泄漏電流確定水分-泄漏電流因子；以及(i)使用水分-泄漏電流因子確定試樣的電絕緣特性。19.如權利要求18所述的方法，還包括將圓筒放置在高電壓室中并使圓筒經(jīng)受高電壓的步驟。20.如權利要求18所述的方法，還包括使圓筒經(jīng)受高電壓的步驟。21.如權利要求18所述的方法，其中環(huán)境室使圓筒保持在恒定溫度和恒定濕度。22.如權利要求21所述的方法，其中該溫度保持在大約20攝氏度和大約100攝氏度之間，并且該濕度保持在大約10%和大約100%的相對濕度之間。23.如權利要求18所述的方法，還包括使用方程式/"^)(/)=i^_ieM(/)使水分吸收速度和泄漏電流的增加速度相關的步驟。24.如權利要求18所述的方法，其中圓筒的長度為大約0.1毫米至大約50毫米。25.如權利要求18所述的方法，其中圓筒的外徑為大約2毫米至大約100毫米。26，如權利要求18所述的方法，其中圓筒的內徑為大約1毫米至大約99毫米。27.如權利要求18所述的方法，還包括將圓筒放置在兩個電極之間的步驟。28.如權利要求27所述的方法，還包括使圓筒經(jīng)受高電壓的步驟。29.如權利要求28所述的方法，其中該電壓斜線上升到最大電壓，該最大電壓介于每毫米試樣長度大約5伏和每亳米試樣長度大約500伏之間。30.如權利要求27所述的方法，其中電極是銅。全文摘要公開了一種方法，其用于預測復合材料在潮濕環(huán)境中的長期電絕緣特性。該方法包括步驟提供試樣，以預定的時間間隔測試試樣以確定含水量值和泄漏電流值。該方法還包括步驟從含水量值和泄漏電流值確定水分-泄漏電流因子，并使用該水分-泄漏電流因子確定試樣的電絕緣特性。文檔編號H04B3/46GK101243615SQ200680029672公開日2008年8月13日申請日期2006年8月14日優(yōu)先權日2005年8月15日發(fā)明者D·阿門特羅特,L·庫莫薩,M·庫莫薩申請人:丹佛大學