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一、主要技术参数：
设备名称：计算机控制电压击穿测试仪-ZJC-50E
测量范围：1-50kV功率：5kVA漏电流：1-30mA升压速率：0.1kv/s-5kv/s
输入电压：ACV±10%
电源频率：50-60Hz
高压变压器功率：5kVA
输出电压：AC0～50kV,DC0～50kV
测量精度：±1%
测量范围：1kV～50kV
升压方式选择功能：1；连续升压；2；逐级升压；3；瞬时升压。
升压速率设定功能：0.kV/s～5.kV/s
外形尺寸：0mm*mm*mm(ZJC-50E产品)；
测试材料：绝缘材料类；
符合标准：GB/T.1-；IEC-1：；GB/T.2-；IEC-2：；ASTMD；GB/T-；
可选配：高温空气中测试；高温油中测试；
智德创新ZJC-50E绝缘纸电压击穿测试仪0引言
众所周知，套管设备的绝缘方式正在发生着重大变革，逐渐向轻量化、无油化方向不断发展。具有良好电气性能的干式套管逐渐有替代原有油浸纸绝缘套管的趋势，尤其是环氧树脂材料已被广泛应用于高压套管。目前，高压干式套管的内绝缘大多采用环氧/纸复合材料，它由环氧树脂和绝缘纸通过真空环氧浸渍技术复合而成。
环氧/纸复合材料属于分层结构，不能被看成一种非常均匀的材料，其老化规律非常复杂。因此，有必要对环氧/纸复合材料的绝缘性能和老化寿命模型进行研究。目前，国内外对环氧树脂及其微/纳米掺杂的复合材料的绝缘性能研究较多，得到了很多结论。对于环氧树脂及其复合材料老化性能的研究也很多。
环氧/纸复合材料的短时击穿特性较高，文献已经进行了研究。但是，在工作电压和热的长期作用下，由于材料老化等原因，会造成其绝缘劣化、电场强度逐步下降并引起击穿。在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成，也可能因介质劣化后电场强度下降以电击穿形式完成。因而，研究环氧/纸复合材料，不仅要注意其短时特性，还要注重它们在长期工作电压下的耐压性能。对于环氧/纸复合材料耐压性能的研究，至今鲜见报道。
智德创新ZJC-50E电压击穿测试仪而对于绝缘材料寿命模型，国内外学者也进行了大量的研究。国内外学者在绝缘老化寿命的数学模型方面，分析研究了单因子作用和多因子作用的多种寿命模型。如针对油纸绝缘基于Arrhenius模型来预测油纸绝缘的热老化寿命；针对电缆XLPE绝缘材料进行加速老化试验，研究了电、热单独应力作用下的电缆寿命模型，建立了XLPE电缆电热联合寿命Simoni模型；针对电力电子变压器的环氧树脂绝缘，参考工频电压下的电热联合老化寿命模型，研究者建立了基于Weibull统计多应力作用寿命模型[14]。但对于环氧/纸复合材料寿命模型的研究同样较少。
Weibull分布是可靠性分析和寿命检验的理论基础，在可靠性工程中广泛应用。它能很好地反映绝缘材料的耐压强度以及在一定电场强度下耐压时间的概率分布，因此，Weibull分布的统计规律适用于绝缘材料的耐压强度分析。耐压试验数据经常具有截尾特性，导致数据处理时产生问题。在截尾数据的处理中，常见的有两种截尾数据类型：定时截尾数据（也称为Ⅰ型截尾数据）和定数截尾数据（也称为Ⅱ型截尾数据）。对于完全数据和Ⅱ型截尾数据来说，尽管在数学和计算应用上都比较复杂，但其统计理论及各种估计方法都已经成熟，像极大似然估计（MaximumLikelihoodEstimation,MLE）法、最佳线性无偏估计（BestLinearUnbiasedPrediction,BLUE）法等。
本文主要对环氧/纸复合材料的长期耐压性能进行了研究。首先，利用Matlab软件采用蒙特卡洛方法仿真模拟了不同Weibull参数估计方法、样品数量等对耐压试验误差的影响结果，找出最合适的统计方法和试验方法进行耐压试验。然后，在不同温度下对环氧/纸复合材料试样进行耐压试验，采用仿真得到的最合适的参数估计方法对试验数据进行拟合，得出了不同温度下的材料老化速率，并建立了环氧/纸复合材料的Fallou寿命模型。
智德创新ZJC-50E电压击穿测试仪1耐压试验的二参数Weibull分布参数估计方法的仿真分析
在可靠性寿命试验中，Weibull分布是最常用的寿命分布之一，对于一般的二参数Weibull分布累积失效概率的函数表达式为
式中，x为测量的量值；F(x)为x对应的累积失效概率；α为Weibull分布的尺度参数；β为Weibull分布的形状参数。
本文对耐压数据进行Weibull分布的拟合计算，电压是稳定不变的，x表示耐压时间，F(x)表示x耐压时间上相应的累积失效概率。这和一般的击穿试验Weibull函数相似，不同的是击穿电压的形状参数值大于1，而耐压时间的形状参数值小于1[16]。本文选取时间Weibull函数的形状参数β的真值为0.3，为直观分析选取尺度参数的真值为1。
1.1参数估计方法
本文采用蒙特卡洛模拟仿真方法，分析了不同统计方法、不同样品数量对耐压试验结果的影响。仿真方法如下：首先，利用Matlab软件随机生成0组形状参数为β、尺度参数为α的Weibull随机数用来仿真模拟，每组产生随机数的个数代表试样个数，随机数的值代表试样的耐压时间，而试样性能的真实值符合形状参数为β、尺度参数为α的Weibull分布。然后，采用不同的参数估计方法，对产生的随机数进行参数估计，得出的形状参数为β?、尺度参数为α?，通过式（1）即可得到该估计方法下的累积失效概率，从而得到绝缘材料的寿命时长。最后，将拟合的结果和真值对比，分析不同参数估计方法的计算误差和不同样品数量对试验结果统计的影响。
随着对Weibull分布的深入研究，各种计算机技术被用来求解Weibull参数，本文选取了几种IEEE标准推荐的威布尔参数评估方法。
IEEE?标准中提到的极大似然估计法是一种非常有效且通用的参数估计方法。其基本思想是选择待定参数使样本出现在观测值领域内的概率最大，并以这个值作为未知参数的点估计值。最小二乘法是通过最小化误差的二次方和寻找数据的最佳函数匹配，从而估计函数中的未知参数，是Weibull分布参数估计的一种较好方法。
经验证发现对于大样本的数据，极大似然估计和普通最小二乘法都能满足计算要求。对于非常小的样本数据，特别是少于5个击穿点时，会因为样本太小，很难得到正确的参数估计。IEEE??标准给出了一种行之有效的方法，即加权最小二乘法，这种方法对于完全样本试验、单步截尾试验和逐次截尾试验都较理想[18]。极大似然估计基于极大似然原理，经过多次计算发现极大似然估计的算法得到的曲线较平滑，而且每次计算的结果总是一样的，因此可以考虑对极大似然估计得到的形状参数乘以一个系数来使其接近真值，即改进极大似然估计法。本文将极大似然估计法、最小二乘法、加权最小二乘法和改进极大似然估计法应用于试验参数的仿真研究，最后通过分析比较，研究不同Weibull参数统计方法、不同样品数量等因素对试验结果的影响。
1.2无截尾耐压试验参数的仿真研究
这里进行仿真研究的目的是方便后续试验中选择合适的参数和统计方法。首先，对无截尾情况进行仿真分析，即所有试样皆被击穿，具有完整的数据样本。分别采用上述四种参数估计方法进行0次重复计算，结果如图1和图2所示。
图1a为无截尾情况下直流耐压击穿时间的Weibull分布形状参数估计值β?随样品个数的变化曲线。可以看出，随着样品个数的增大，直流耐压
击穿时间的Weibull分布的形状参数真值逐渐增大，估计值与真值的差距逐渐减小。极大似然估计得到的估计值与真值差距较大。改进极大似然估计得到的估计值与真值差距很小。由此可以看出，改进极大似然估计的系数不随形状参数变化而变化。图1b为形状参数方差随样品个数的变化曲线，可以看出形状参数估计值方差的变化趋势，改进极大似然估计效果最好，加权最小二乘法次之，最小二乘法稍差。
图2为无截尾情况下直流耐压击穿时间的Weibull分布尺度参数估计值α?随样品个数的变化曲线。从图2a中可以看出，由四种方法得到的尺度参数估计值均比真值大，且随着样品个数的增加，与真值的差距均逐渐减小，逼近真值，但误差很大。由图2b可知，四种方法得到的尺度参数估计值的方差基本相同，均随样品个数的增大逐渐接近真值，误差仍然很大。
这是因为，形状参数β的真值小于1时，Weibull分布的分散性很大。这样对应在实际试验中就要花费相当长的时间。这种情况下，为了在一定程度上减少试验时间的花费，普遍采用的方法是截尾试验。第2节将研究截尾情况下不同的参数估计方法、样品个数、截尾程度对于试验准确度的影响。
1.3截尾耐压试验参数的仿真研究
在直流耐压试验中，逐个对样品进行试验，因此，根据试验的特点选取定数截尾来处理不完全样本数据。所谓定数截尾又叫做Ⅱ型截尾，与定时截尾相仿，试验不是在固定时刻结束，而是在第r个样品失效时终止（r为事先规定的正整数）。对于定数截尾的数据，仍可利用第1.1节中介绍的几种方法进行评估，需要注意的是，对于两种最小二乘法，这r个数据对应的中位秩应该按n个数据得到的中位秩来计算。
本节首先对定数截尾情况进行仿真，即当试样的破坏率占试样总数的80%时（四舍五入取整），即认为试验结束。接着采用几种不同的参数估计方法，对产生的随机数进行参数估计。此外，对应于仿真中随机产生的个别极短击穿时间的样品，由于在现实中很难测得，这类随机数可以被当作是试验中未达到预定电压便击穿的那些试样，故应将这些试样和数据截掉。
分别计算不同统计方法下，Weibull参数估计值随样品个数变化的情况，结果如图3和图4所示。
图3为定数截尾情况下直流耐压击穿时间的Weibull分布形状参数估计值β?随样品个数的变化曲线，其中图3a表示形状参数估计值的变化规律，图3b表示形状参数方差的变化规律。由图3a可以看出，两种最小二乘法得到的形状参数估计值均比两种极大似然估计法得到的形状参数估计值更加接近真值，且变化平滑。两种最小二乘法在样品个数大于10以后，估计值变化缓慢，接近真值。加权最小二乘法优于最小二乘法。由图3b可以看出，在样品数很少时，几种方法得到的形状参数估计值的方差相对于不考虑截尾情况时的方差变化更陡。这是因为样品数较少时，增加了其分散性，在截尾之后，得到参数的分散性也会随之增大。
图4为定数截尾情况下直流耐压击穿时间的Weibull分布尺度参数估计值α?随样品个数的变化曲线，图4a表示尺度参数估计值的变化规律，图4b表示尺度参数方差的变化规律。由图4a可以看出，在样品数特别少的时候定数截尾情况下由两种最小二乘法得到的尺度参数估计值会偏差很大，当样品个数为14以上的时候，两种最小二乘法得到的结果会逐渐优于极大似然估计得到的结果。但是得到的结果跟真值的差距依然很大，约为真值的1.4倍。由图4b可以看出，两种极大似然估计的方差在样本量很小的时候要优于其他两种方法，但是样本个数超过10之后，加权最小二乘法的优势逐渐显现，但这几种方法得到的方差都很大。
由此可知，在形状参数小于1的情况下，数据的分散性很大，得到的结果的分散性也很大。这也与实际的试验相符。因此结合以上仿真分析，得出样本总数为10，截尾数为80%，选取加权最小二乘法进行求解，是比较合理的选择。
2环氧/纸复合材料寿命模型
2.1试样的制备
采用仿真中得到的最合适的参数和统计方法进行试验。本文制备环氧/纸复合材料试样所使用的环氧树脂为脂环族环氧，固化剂为甲基四氢苯酐，采用苄胺类促进剂（BDMA），绝缘纸采用魏德曼生产的皱纹纸。采用真空环氧浸渍技术制备试样，首先将绝缘纸在真空度Pa，温度为℃条件下，进行真空干燥，对环氧树脂进行真空脱气的处理。然后，在Pa真空度和60℃的条件下，用环氧树脂浸渍绝缘纸。最后，加热固化，固化工艺和制备纯环氧树脂试样的相同，得到的试样厚度均为0.5mm。
试样制作过程必须进行干燥处理，受潮对环氧/纸复合材料的击穿电压和绝缘特性都有显著影响。因此有必要对试样的介质损耗进行检测，并参考IEC及其他试验测试标准制定了试样的介质损耗检测标准见表1，判断试样是否受潮。
为保证试样的真空浇注过程无气泡混入，通过检测试样的局部放电来判断试样的真空浇注过程是否合格。一般而言，常温下，交流4kV/mm的电场强度下就会发生放电，本文的检测电场强度规定为6kV/mm。
2.2试样的耐压试验研究及试验数据
对试样进行耐压试验时，因为绝缘材料一般在出现故障前可以运行很长时间，如果进行实时的跟踪测量将非常繁琐且耗时。因此，在实验室通过加速老化试验可以使绝缘寿命显著减少。加速老化试验既要满足不改变老化机理，又不过分延长加速老化试验的时间，其最关键的步骤是选择合适的应力因子水平。对于交流电老化，加速电老化试验有提高电源频率和提高外加电场强度幅值两种方法，而直流电老化只有提高外加电场强度一种方法。
耐压试验都在恒温烘箱内进行。将箱内温度升温至稳定所需温度后对试样加压，外施电压为直流电压。为防止一个试样击穿时，对其他试样产生过电压的影响，在电源两端并联一个电容，起稳压的作用，耐压试验电路如图5所示。
根据IEC?1推荐的试验电压最少应选择3点，选定的最高电压点和最低电压点的平均寿命之比应为0∶1，按最低试验电压下的中值试验寿命不低于5h的原则考虑，为提高试验结果的准确性，本文选择了4个老化试验电压，可根据上述原则确定最低老化试验电压u1为特征击穿电压的63%。其他3个试验电压u2、u3和u4可按经验公式（2）确定。
本文的老化试验电压选取分别为90%、81%、72%、63%的特征击穿电压。假设试样的特征击穿电压为30℃时的击穿电压，取值为1，具体数值参见
表2。表2纯环氧树脂和环氧/纸复合材料击穿性能
为了得到环氧/纸复合材料在不同温度下寿命模型的参数，分别在四组不同老化试验电压（90%、81%、72%、63%的特征击穿电压）和三组不同温度（30℃、80℃、℃）下进行材料绝缘耐压试验。根据第1节结论，本文采用定数截尾试验，即当10个试样中有8个试样击穿时，试验结束。结果如图6所示（在加压过程中就发生击穿的样品未在图中描出）。从图6中可以看出，在高电压等级下，试样未达到预定电压就被击穿的概率较大。根据1.3节的仿真结果，耐压试验数据利用加权最小二乘法进行分析处理，可回避未达到预定电压就被击穿的数据处理问题。
3结论
本文以直流干式套管所用环氧/纸复合材料为研究对象，对其直流耐压寿命模型的估计方法进行了研究，得出以下结论：
1）分析了不同方法与情况下评估结果的变化规律，为试验选取了合理的参数，使试验过程得到合理优化，保证了试验数据和结果处理的可靠性。利用蒙特卡洛方法仿真生成符合Weibull分布特征的耐压试验数据，分别采用极大似然估计法、最小二乘法、加权最小二乘法和改进极大似然估计法对随机数进行Weibull分布的参数估计，对比真值，对拟合结果进行误差分析，研究不同参数估计方法、不同样品数量等因素对试验结果影响；同时，对比了无截尾耐压试验和定数截尾耐压试验下不同参数估计方法带来的试验误差。研究表明，不考虑截尾的情况下，改进极大似然估计估计算得的形状参数很理想；而在定数截尾情况下，综合分析样本个数和截尾程度，加权最小二乘法得到的结果最优。因此，在样本个数为10且截尾程度为80%的前提下，建议选取定数截尾耐压方法进行试验，采用加权最小二乘法进行参数估计。
2）根据选定的试验方法对环氧/纸试样进行加速老化下的耐压试验，通过对试验结果的计算分析，建立了环氧/纸复合材料电热联合老化的Fallou模型，将在后续为提高直流干式套管绝缘寿命而进行绝缘结构设计时提供了理论依据和技术支持。
