CN104020361A - 一种有效减小电场边缘效应的电极模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于高电压与绝缘测量技术领域的一种有效减小电场边缘效应的电极模型，是一种用液体电介质光学电场测量的有效减小电场边缘效应的电极模型。电极模型包括高压电极、接地电极、绝缘包覆、高精度定位块、绝缘螺丝、绝缘螺母和固体平板试品；用绝缘螺丝、绝缘螺母固定成整体。所述高压电极和接地电极，端部采用直线段、1/4椭圆、抛物线和直线段连接的轮廓外形，用于在液体电介质两端施加电压；所述绝缘包覆嵌套在电极两端，起到削弱电极端部电场的作用；本电极模型能够有效减小电极端部电场的边缘效应，精确调节固体平板试品在电极之间的位置，所有元件连接成为一个整体，结构简单，操作方便。

Description

一种有效减小电场边缘效应的电极模型

技术领域

本发明属于高电压与绝缘测量技术领域，特别涉及一种有效减小电场边缘效应的电极模型。尤其是用于液体电介质光学电场测量的一种有效减小电场边缘效应的电极模型。

背景技术

在远距离大容量输电、跨海输电及电网联络等方面，高压直流输电与交流输电相比有许多独特的优越性而得到了快速发展。但直流设备的绝缘问题一直使困扰直流系统安全可靠运行的关键。目前，固液绝缘仍然是换流变压器等直流设备的主要绝缘形式，在直流电压作用下，电场分布取决于电介质的电阻率，由外施电压场和空间电荷场共同作用而形成，电场分布往往受到空间电荷积聚和分布状况的影响。实际测量直流电压作用下液体电介质中的电场分布状况十分有必要。

电光Kerr效应技术作为一种先进的在线非接触式光学电场测量方法，常用于液体电介质空间电场强度的测量。当电场作用于某些液体电介质上时，这些液体电介质在光学性质上会变得类似于单轴晶体，呈现具有双折射现象的各向异性特性，其光轴方向为沿电场方向。沿垂直于电场方向入射到液体电介质中的线偏光会产生两束折射光，寻常光(o光)和非寻常光(e光)，这两束光传播方向相同但振动方向相互垂直，且存在相位差θ，该相位差是由外施电场作用于液体电介质使得液体电介质在沿电场方向和垂直于电场方向的折射率不同导致的。该相位差与外施电场强度存在关系

$\mathrm{\θ}=2\mathrm{\πB}{\∫}_0^L{E}^2\mathrm{al}$

其中B为液体电介质的Kerr常数，由液体电介质自身属性决定；L为电场对光束作用的路径长度；E为外施电场强度。可见，o光与e光之间的相位差是电场在沿光路方向的积分效果，如果在沿光束方向存在电场作用的整个路径区间，电场是均匀的，则相位差与外施电场强度的关系可简化为θ＝2πBLE²。

事实上，由于液体电介质和固体试品的电阻率相差较大，造成待测区域边缘部分的直流电场发生很大畸变，场强约为均匀电场区域的5倍以上。这样，相位差变为由边缘区域电场和均匀区域电场在沿光路方向上共同作用的结果，如图1所示，实际情况下的相位差θ_m为

${\mathrm{\θ}}_m=2\mathrm{\πB}({\∫}_{L_1}{E}_1{\left(l\right)}^2\mathrm{dl}+{\∫}_{L_2}{E}^2\mathrm{dl}+{\∫}_{L_3}{E}_2{\left(l\right)}^2\mathrm{dl})$

其中，E₁(l)和E₃(l)是电极边缘区域的电场强度，由于电场不均匀，场强是关于积分路径的函数；E是均匀电场区域的电场强度，为一常数；L₁、L₃是电极边缘区域的积分长度；L₂是均匀电场区域的积分长度。引起的测量误差η可表示为

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_m-\mathrm{\θ}}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\∫}_{L_1}{E}_1{\left(l\right)}^2\mathrm{dl}+{\∫}_{L_2}{E}_2{\left(l\right)}^2\mathrm{dl}}{E^2{L}_2}$

可以看出，如果电极边缘区域场强与均匀电场区域场强相差越大，则边缘区域电场的积分在总积分效果中所占比重越大，由边缘效应导致的畸变场强将造成很大的测量误差，严重影响测量结果的精确度。

目前在对基于Kerr效应的光学电场测量技术的研究中，尚未提出减小电场边缘效应对测量结果精确度影响的有效方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述电极模型为一种有效减小边缘效应的光学电场测量电极模型，包括高压电极、接地电极、绝缘包覆、高精度定位块、绝缘螺丝、绝缘螺母和固体平板试品；在高压电极1两端套上绝缘包覆2，固体平板试品6由支撑在高压电极1与接地电极7之间，绝缘螺丝4穿过绝缘包覆2两边通孔、高精度定位块3的通孔及接地电极7两边通孔，然后拧上绝缘螺母5压紧。

所述高压电极和接地电极，采用导电性能较好的金属材料，中间区域为平板形状，四边均做倒角，倒角的纵剖面轮廓为由直线段、1/4椭圆弧、抛物线和直线段连接起来形成的弧线型边缘轮廓；采用该轮廓外形能使电极范围内的电场强度分布均匀，电极边缘附近电场强度降低。

所述绝缘包覆，采用电阻率大于10¹⁴Ω·m、具有弹性模量大于2GPa的绝缘材料，由实体棒材按照高压电极和接地电极端部的外形掏空内部形成，绝缘包覆的外形与电极的外形相互匹配，保证绝缘包覆能将电极卡紧。该绝缘包覆设计有供绝缘螺丝穿过的孔位，方便将高压电极和接地电极连接成为一个整体；该绝缘包覆能够有效削弱电极端部电场，减小边缘效应。

所述高精度定位块，采用弹性模量大于5GPa的绝缘材料，包括一系列不同的厚度；在其上表面的中心位置设计有供绝缘螺丝穿过的通孔；用于准确定位固体平板试品在电极间的位置，精度小于0.1mm。

所述绝缘螺丝和绝缘螺母，采用与绝缘包覆相同的绝缘材料，用于将高压电极、接地电极、高精度定位块和固体平板试品串连成为一个整体。

所述固体平板试品，可以是任何固体绝缘材料制成的具有表面平整度小于0.2mm的平板，在其与绝缘包覆上的孔位对应的位置打孔，方便绝缘螺丝穿过。

本发明有益效果是采用了具有特殊端部轮廓外形的电极，并用电阻率较高的绝缘材料包覆电极端部，可在电极区域尤其是端部区域获得较为均匀的电场，同时，该模型能够精确调节固体平板试品在电极之间的位置，将高压电极、接地电极、高精度定位块和固体平板试品连接为一个整体，是一种能够有效减小电场边缘效应的电极模型，结构简单，操作方便。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是沿光路方向电场区域划分示意图；

图2是电极模型整体示意图；

图3是电极端部轮廓外形示意图；

图4是沿电极间中线电场强度平方的积分曲线。

具体实施方式

本发明提出一种有效减小电场边缘效应的电极模型，下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

如图2所示，紧卡在高压电极1两端的绝缘包覆2，固体平板试品6由支撑在高压电极1与接地电极7之间，绝缘螺丝4穿过绝缘包覆2两边通孔、高精度定位块3的通孔及接地电极7两边通孔，然后拧上绝缘螺母5压紧。其中绝缘包覆2采用电阻率较高、具有一定硬度的聚醚砜材料，由实体棒材按照高压电极1和接地电极7端部的外形掏空内部形成，绝缘包覆2的外形与电极的外形相互匹配，保证绝缘包覆2能将电极卡紧。特别的，该绝缘包覆设计有供绝缘螺丝穿过的孔位，方便将高压电极1和接地电极7连接成为一个整体。

高压电极1和接地电极7是用铝板切割成平板形状，然后用数控线切割机床将其端部轮廓车成如图3所示的外形。其中，AB段和DE段为直线段，BC段为1/4椭圆弧，CD段为抛物线的一半，a、b分别是椭圆的短半轴和长半轴，同时b也是抛物线的通半径，c是抛物线的焦距。椭圆的中心与抛物线的焦点重合，椭圆的短半轴和抛物线的焦距之和决定了电极的厚度。完成外形加工后，精磨电极表面，要求电极的表面粗糙度在Ra1.6以下。最后，用无水乙醇把电极表面的污垢和毛刺清洗掉。采用该轮廓外形能使电极范围内的电场强度分布均匀，电极边缘附近电场强度降低。

高精度定位块3采用聚醚砜材料，根据需要由实体棒材切割成一系列厚度的方块形状，表面攻直径5mm的通孔，要求加工精度达到0.1mm。

绝缘螺丝4和绝缘螺母5采用聚醚砜材料，绝缘螺丝4的螺柱部分攻直径4.5mm的外螺纹，螺帽部分侧边滚花，方便上手操作；绝缘螺母5外围切割成正六边形，中心攻直径4.5mm内螺纹。

固体平板试品6是待测绝缘材料制成的平板(如电工绝缘纸板、聚四氟乙烯、尼龙等)，经塑性后其表面平整度小于0.2mm，在与绝缘包覆上的孔位对应的位置攻通孔，供绝缘螺丝4穿过。

本发明采用特殊轮廓外形的电极和绝缘包覆形式，能够有效地削弱端部电场强度，减小边缘效应。如图4所示，θ为无边缘效应的理想情况下Kerr效应产生的相位差，θ_m为有边缘效应情况下Kerr效应产生的相位差。可以明显看出，不同于无边缘效应时相位差随积分路径线性增长，存在边缘效应时，在电极端部区域相位差随积分路径呈非线性增长，导致相位差增大。经过实测，采用绝缘包覆电极可将相位误差减小至1.3％。使用本发明时，可按如下步骤进行操作：

1)分别将高压电极1和接地电极7的两端分别插入绝缘包覆2中，务必保证绝缘包覆2将电极完全卡紧；

2)将接地电极7放置在水平桌面上，在绝缘包覆2的4个孔位处分别放置4个高精度定位块3，把高精度定位块3的孔位中心与绝缘包覆2的孔位中心对准；

3)在高精度定位块3上面放置固体平板试品6，把平板固体试品6上的孔位中心与高精度定位块3的孔位中心对准；

4)在固体平板试品6上放置4个高精度定位块3，把高精度定位块3的孔位中心与固体平板试品6的孔位中心对准；

5)将高压电极1放置在步骤4)中的高精度定位块3上，把绝缘包覆2的孔位中心对准高精度定位块3的孔位中心；

6)用4个绝缘螺丝4依次穿过高压电极1、高精度定位块3、固体平板试品和接地电极7，绝缘螺丝4的末端用绝缘螺母5拧紧，至此电极模型组装完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述电极模型为一种有效减小边缘效应的光学电场测量电极模型，包括高压电极、接地电极、绝缘包覆、高精度定位块、绝缘螺丝、绝缘螺母和固体平板试品；其中，在高压电极1两端套上绝缘包覆2，固体平板试品6由支撑在高压电极1与接地电极7之间，绝缘螺丝4穿过绝缘包覆2两边通孔、高精度定位块3的通孔及接地电极7两边通孔，然后拧上绝缘螺母5压紧。

2.根据权利要求1所述一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述高压电极和接地电极，采用导电性能较好的金属材料，中间区域为平板形状，四边均做倒角，倒角的纵剖面轮廓为由直线段、1/4椭圆弧、抛物线和直线段连接起来形成的弧线型边缘轮廓；采用该轮廓外形能使电极范围内的电场强度分布均匀，电极边缘附近电场强度降低。

3.根据权利要求1所述一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述绝缘包覆，采用电阻率大于10¹⁴Ω·m、弹性模量大于2GPa的绝缘材料，由实体棒材按照高压电极和接地电极端部的外形掏空内部形成，绝缘包覆的外形与电极的外形相互匹配，保证绝缘包覆能将电极卡紧；该绝缘包覆设计有供绝缘螺丝穿过的孔位，方便将高压电极和接地电极连接成为一个整体；该绝缘包覆能够有效削弱电极端部电场，减小边缘效应。

4.根据权利要求1所述一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述高精度定位块，采用弹性模量大于5GPa的绝缘材料，包括一系列不同的厚度；在其上表面的中心位置设计有供绝缘螺丝穿过的通孔；用于准确定位固体平板试品在电极间的位置，精度小于0.1mm。

5.根据权利要求1所述一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述绝缘螺丝和绝缘螺母，采用与绝缘包覆相同的绝缘材料，用于将高压电极、接地电极、高精度定位块和固体平板试品串连成为一个整体。

6.根据权利要求1所述一种有效减小电场边缘效应的电极模型，其特征在于，所述固体平板试品，可以是任何固体绝缘材料制成的表面平整度小于0.2mm的平板，在其与绝缘包覆上的孔位对应的位置打孔，方便绝缘螺丝穿过。