CN103837753A - 一种绝缘子表面电荷在线测量探头及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘子表面电荷在线测量探头及其测量方法，所述探头包括SMA接头、屏蔽件、同轴电缆和静电计；所述SMA接头通过屏蔽件与同轴电缆相连接；所述同轴电缆连接静电计。所述方法包括：（1）探头安装与被测电荷形成电容C₂；（2）调节输入电压U₁并记录输出U₂；（3）记录U₁及U₂变化关系曲线；（4）通过C₁为113pF，由公式计算出C₂；（5）由C₂根据电容计算公式计算出电容等效面积A；（6）通过公式S=C₁/A，计算出灵敏度S；（7）通过公式σ＝SU₂计算出电荷密度。通过本发明测量绝缘子表面电荷的方法可以有效评估GIS的安全状态，对GIS安全运行至关重要。

Description

一种绝缘子表面电荷在线测量探头及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种带电检测器件，具体讲涉及一种绝缘子表面电荷在线测量探头及其测量方法。 

背景技术

X射线管、高功率速调管、中子束二极管、脉冲功率开关、粒子加速器等众多高功率器件和大型尖端设备上的绝缘子一般再在真空环境中使用，绝缘子的沿面闪络导致产品发生损坏的现象时有发生，而真空中绝缘子的沿面闪络现象又制约了上述器件和设备的电气绝缘性能，所以由于现有技术电磁干扰及真空密封等原因，在线测量真空中绝缘子的带电情况仍不准确。本发明人经长期观察、研究发现，由于以上原因需要一种方便、准确实时监测绝缘子中电荷分布情况的设备和方法以判断绝缘子沿面闪络现象的发生和确保上述产品安全运行。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种绝缘子表面电荷在线测量探头及其测量方法，由于X射线管、高功率速调管、中子束二极管、脉冲功率开关、粒子加速器等众多高功率器件和大型尖端设备上的绝缘子都应用在真空中，而真空中绝缘子的沿面闪络现象制约了上述器件和设备的电气绝缘性能。因此真空中绝缘子的表面电荷分布受到了高度关注，目前研究中不少学者提出，绝缘子沿面闪络现象与其表面表面电荷特性有关。以往产品中在线测量系统，它只能测量空气中绝缘子表面带电情况，而不能在真空中直接测量绝缘子表面电荷，否则就会影响真空度导致测量结果误差很大。本发明创造目的就是研究发明一种在真空中直接测量绝缘子表面电荷探头，并且测量准确度很高，从而能更方便的研究绝缘子沿面闪络特性。 

本发明的目的是采用下述技术方案实现的： 

一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其改进之处在于，所述探头包括SMA接头、屏蔽件、同轴电缆和静电计； 

所述SMA接头通过屏蔽件与同轴电缆相连接； 

所述屏蔽件包括圆桶型不锈钢板和方形不锈钢板； 

所述屏蔽件间通过镶嵌连接和螺纹孔固定连接； 

所述同轴电缆连接静电计。 

优选的，所述SMA接头位于所述屏蔽件上且一侧设置有固定件；所述SMA接头与同轴电缆与带电电容构成回路。 

优选的，所述SMA接头为天线接头，其包括内部有螺纹的，带触点的SMA反级性公头。 

优选的，所述屏蔽件采用不锈钢加工后制成，加工精确至1mm。 

优选的，所述同轴电缆采用型号为RG-58A/U，直径为5毫米，特征阻抗为50欧姆的细同轴电缆。 

优选的，所述同轴电缆一头焊接BNC连接器插头与静电计连接，另一头焊接SMA接头。 

优选的，所述静电计电压测量的量程范围为2V～200V，分辨率为10μV～10×10μV，可测电流为1×10^-16A～1×10^-15A。 

优选的，所述SMA接头与被测带电电容构成分压器的高压电容C₂；由同轴电缆传输电压信号及与静电计构成低压侧电容C₁；被测带电等效为已充电电容C₃。 

本发明基于另一目的提供的一种绝缘子表面电荷在线测量方法，其改进之处在于，所述方法包括： 

（1）探头安装与被测电荷形成电容C₂； 

（2）调节输入电压U₁并记录输出U₂； 

（3）记录U₁及U₂变化关系曲线； 

（4）通过C₁为113pF，由公式

计算出C₂； 

（5）由C₂根据电容计算公式计算出电容等效面积A； 

（6）通过公式S=C₁/A，计算出灵敏度S； 

（7）通过公式σ＝SU₂计算出电荷密度。 

优选的，所述方法中C₁为静电探头及测试线路的入口电容之和；C₂为静电探头感应面与被测表面电荷之间的等效电容；C₃为绝缘子表面相对于地的等效电容；U₁为绝缘子表面的电压；U₂为探头的测量电压。 

与现有技术比，本发明的有益效果为： 

在工程应用领域，尤其在高压直流GIS运行中，盆式绝缘子上表面电荷积聚和导电颗粒存在会改变绝缘子表面电场分布，导致沿面闪络现象发生，严重危害GIS的安全运行，通过本发明测量绝缘子表面电荷的方法可以有效评估GIS的安全状态，对GIS安全运行至关重要。 

国外常增大探头身电容。但电容增大后，等量的静电荷产生的电压输出就会变小，即电容探头的分辨率降低。而且探头的输出电压减小使前置运放偏置电流引起的电压输出对测试结果的影响变得非常大，甚至使测量无法进行。本发明探头：1、感应探头与屏蔽罩之间的沿面泄漏距离大，且可按需要调整；2、与感应探头相接触的大部分为空气，可减小电容探头自身的电容，提高电容探头的分辨率，且可由沿面泄漏电阻的增大补偿电容减小引起的放电时间常数变小；3、结构紧凑，屏蔽性能好，而且容易拆卸和探头的安装，并且根据测量的需要可以使用不同直径的线规来测量。 

为保证静电电荷探头测量系统的特性以及防止静电电荷探头端部与被测表面之间发生静电击穿事故，本发明采用了以下方式对测量系统进行了校验。用一个金属导体代替被测表面，使金属导体带上不同大小的直流电压（U₁），将静电电荷探头定位在距离金属导体表面一定距离处，用静电计测量静电电荷测量系统的输出电压。通过比较在不同直流电压情况下探头输出电压的大小，就可以得到测量系统的实际测量灵敏度以及线性特性。 

附图说明

图1为本发明提供的一种绝缘子表面电荷在线测量探头示意图。 

图2为本发明提供的一种绝缘子表面电荷在线测量探头结构示意图。 

图3为本发明提供的一种绝缘子表面电荷在线测量探头等效电路图。 

图4为本发明提供的一种绝缘子表面电荷在线测量所测的静电电荷测量系统输入输出的关系曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。 

本发明采用静电容探头法，静电探头无需振动装置，所以整个探头结构简单，可以探测一些因绝缘子表面形状复杂而无法使用动电容探头的场合。 

如图1所示，为本发明电容探头的基本结构，1为SMA接头，2～5为屏蔽件，6为同轴电缆。 

具体部件介绍： 

1）采用标准SMA（Sub-Miniature-A）接头，这种接头一般在电路中用于输入和输出信号，同时也是一种典型的微波高频连接器，其使用最高频率是18GHz，本发明中使用的是SMA反级性公头，就是天线接头，是内部有螺纹的，里面是触点（截面积为0.42平方毫米），它与被试电荷形成电容C₂，便于测量。 

2）屏蔽件：图1中2-5为屏蔽件，采用不锈钢加工后制成，加工精确到1mm，部件5为一圆桶型不锈钢，图1中5与部件4通过螺纹孔固定连接，起到固定屏蔽同轴电缆作用；部件4为一方形不锈钢板，其右面有槽与部件3镶嵌连接；部件3为一圆桶型不锈钢，固定与部件4槽内；部件2为上部开螺纹孔的圆桶型不锈钢，使得SMA可以顺利通过连接。 

3）同轴电缆：由于本套装置体积比较小，如果用比较粗的同轴电缆的话，很难在内部空间弯曲，所以采用型号为RG-58A/U，直径为5毫米，特征阻抗为50欧姆的细同轴电缆，电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米(在20℃下测量)。同轴电缆一头焊接BNC连接器插头与静电计连接，另一头焊接SMA接头，起到传输电压信号的作用：安装在细缆段的两端。 

4）静电计：为了保证测量仪器的输入阻抗足够高，输出电压测量仪器选用美国Keithley公司的6514型静电计。该仪器测量电压时的输入阻抗大于2×10¹⁴Ω，电压测量的量程范围为2V～200V，，分辨率为10μV～10×10μV，最小可测电流为1×10^-16A～1×10^-15A。 

本发明的测量方法具体可通过如下实现： 

1）首先检查整个装置各个部件连接是否可靠，检查SMA探头是否在合适位置及同轴电缆是否完好。 

2）测试时将SMA探头移到被测物适当位置。 

3）通过改变试验电压U₁根据相关计算方法即可得出U₂，具体计算步骤为： 

1、测量探头与被测表面电荷构成分压器的高压电容C₂； 

2、调节输入电压U₁并记录输出U₂； 

3、计算机记录U₁及U₂变化关系曲线； 

4、通过C₁为113pF，由公式

计算出C₂； 

5、由C₂根据电容计算公式计算出电容等效面积A； 

6、通过公式S=C₁/A，计算出灵敏度S； 

7、通过公式σ＝SU₂计算出电荷密度。 

其中，SMA接头通过屏蔽件与同轴电缆相连，屏蔽件通过紧固件达到屏蔽作用，同轴电缆连接静电计，将输出电压可传到静电计方便读数。SMA接头与同轴电缆与带电电容构成电回路。 

其中，SMA用于与被测电荷形成电容C₂；屏蔽件用于达到屏蔽效果，减少外界电磁干扰；同轴电缆用于传输电压信号及与静电计形成电容C₁；静电计用于与同轴电缆形成电容C₁及测量输出电压信号。 

本发明实际测量静电电荷探头的探针直径为0.732mm，根据式本测量系统的最小可测电荷密度为0.269μC/（m2·mV），空间分辨率小于1.5mm2。 

静电电荷探头实际为一电容性分压器。探头的端部与被测带电表面之间的电容构成分压器的高压电容C₂，低压侧电容C₁由测量仪表的输入电容和引线电容构成。被测带电表面可以等效为一已经充电的电容C₃。 

如图2所示，如果C₁非常大(μF数量级)，则电容探头电位接近于零，相当于接地，此时静电容探头称为电荷探头； 

如果C₁很小(pF数量级)，则探头是悬浮的，此时的电容探头称为悬浮电位探头。 

如图3所示，图2中C₁为静电探头及测试线路的入口电容之和；C₂为静电探头感应面与被测表面电荷之间的等效电容；C₃为绝缘子表面相对于地的等效电容；U₁是绝缘子表面的电压；U₂是探头的测量电压。由等效电路图可得。 

其中A是探头的面积，由上式可得： $U_2-\frac{C_2}{C_1{C}_2+C_1{C}_3+C_2{C}_3}\mathrm{\σA}$

式中S为探头的灵敏度： 

$S=\frac{C_1}{A}\frac{C_1{C}_2+C_1{C}_3+C_2{C}_3}{C_1{C}_2},$ 因为 $\mathrm{\σ}=\frac{C_1{C}_2+C_1{C}_3+C_2{C}_3}{C_{2}A}{U}_2={\mathrm{SU}}_2,$

C₁＞＞C₂,C₂＞＞C₃，所以：

由图2可得输出电压U2与U1的关系为： 

$U_2=\frac{C_2}{C_1+C_2}{U}_1.$

实施例 

如图4所示，图4为在真空腔内真空度为1×10^-3Pa的情况下，静电电荷探头距离被测导体表面2.0mm处所测的静电电荷测量系统输入输出的关系曲线。 

从图4可以发现，本电荷测量系统的线性相应特性很好，其输入电压（表面电位U₁）与输出（静电电荷探头输出电压U₂）的关系为：U₂=65U₁－33； 

根据式

可以得C₂/(C₁+C₂)为65×10^-6，已知C₁为113pF，由此可以求出C₂为7.345×10-15F，从而进一步计算出(1)静电电荷探头的等效面积为1.66mm²，直径为1.454mm。其输出电压（单位为mV）与表面电荷密度之间的关系为： 

σ＝0.068（U₂＋33）（μC/m²）。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (10)

1.一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述探头包括SMA接头、屏蔽件、同轴电缆和静电计；

所述SMA接头通过屏蔽件与同轴电缆相连接；

所述屏蔽件包括圆桶型不锈钢板和方形不锈钢板；

所述屏蔽件间通过镶嵌连接和螺纹孔固定连接；

所述同轴电缆连接静电计。

2.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述SMA接头位于所述屏蔽件上且一侧设置有固定件；所述SMA接头与同轴电缆与带电电容构成回路。

3.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述SMA接头为天线接头，其包括内部有螺纹的，带触点的SMA反级性公头。

4.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述屏蔽件采用不锈钢加工后制成，加工精确至1mm。

5.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述同轴电缆采用型号为RG-58A/U，直径为5毫米，特征阻抗为50欧姆的细同轴电缆。

6.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述同轴电缆一头焊接BNC连接器插头与静电计连接，另一头焊接SMA接头。

7.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述静电计电压测量的量程范围为2V～200V，分辨率为10μV～10×10μV，可测电流为1×10^-16A～1×10^-15A。

8.如权利要求1所述的一种绝缘子表面电荷在线测量探头，其特征在于，所述SMA接头与被测带电电容构成分压器的高压电容C₂；由同轴电缆传输电压信号及与静电计构成低压侧电容C₁；被测带电等效为已充电电容C₃。

9.一种绝缘子表面电荷在线测量方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）探头安装与被测电荷形成电容C₂；

（2）调节输入电压U₁并记录输出U₂；

（3）记录U₁及U₂变化关系曲线；

（4）通过C₁为113pF，由公式

计算出C₂；

（5）由C₂根据电容计算公式计算出电容等效面积A；

（6）通过公式S=C₁/A，计算出灵敏度S；

（7）通过公式σ＝SU₂计算出电荷密度。

10.如权利要求9所述的一种绝缘子表面电荷在线测量方法，其特征在于，所述方法中C₁为静电探头及测试线路的入口电容之和；C₂为静电探头感应面与被测表面电荷之间的等效电容；C₃为绝缘子表面相对于地的等效电容；U₁为绝缘子表面的电压；U₂为探头的测量电压。

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