CN104166055A - 一种绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，包括内部设置有二维电控位移台的密闭腔体，待测试品通过竖直设置的背板电极固定在二维电控位移台上，待测试品的上下两端分别连接高压电极和接地电极；一维磁耦合直线旋转驱动器的运动端设置有绝缘夹具，Kelvin探头固定在绝缘夹具上，Kelvin探头的探测点垂直于待测试品，Kelvin探头的输出信号引线密闭腔体外部的静电电位计连接，静电电位计的信号输出端连接计算机的数据采集系统，密闭腔体的另一侧设置有连接管，连接管的末端设置有真空泵。本发明用于测量绝缘材料的表面电荷密度二维分布，丰富了绝缘材料的闪络特性研究内容和电荷分布测量的手段。

Description

一种绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统

技术领域

本发明涉及固体绝缘材料放电特性测试领域，尤其涉及一种绝缘材料表面电荷密度二维分布自动测量系统。

背景技术

目前,固体-间隙复合绝缘系统广泛应用于高压电力设备、高功率真空设备等领域，固体-间隙复合绝缘系统根据不同的应用场合选择不同的氛围，如输电线路用绝缘子则暴露于大气条件下，气体绝缘组合开关(GIS)采用SF6气体绝缘，高功率设备常采用真空-介质绝缘。固体-间隙的沿面因易发生沿面放电问题而成为固体-间隙复合绝缘系统的薄弱环节，成为制约高压设备绝缘的关键技术问题。

以真空沿面绝缘为例，固体绝缘材料真空沿面放电特性与其表面电荷积聚有着密切的联系。根据二次电子发射雪崩理论，一般认为在脉冲电压作用下阴极三结合处(阴极-真空-绝缘子)由于电场集中而发射一次电子，这些电子在外加电场作用下向阳极运动，在运动过程中与材料表面发生碰撞，从而产生二次电子；这些二次电子在电场作用下会继续向阳极运动，并与材料表面发生新的碰撞导致更多的二次电子发射；当二次电子发射达到一定程度时，会在材料表面形成电子崩通道，从而导致沿面闪络。一次和二次电子与材料表面的碰撞会导致材料表面带正电荷，这些正电荷会畸变材料表面的电场，并吸引更多的一次与二次电子与材料表面发生碰撞，从而影响沿面放电发展过程。在直流电压下固体绝缘沿面更易产生静电电荷积聚问题，静电电荷积聚造成电场畸变，导致某种条件下沿面绝缘强度异常下降，并引发沿面闪络。因此研究固体绝缘表面的电荷分布对真空中沿面放电发展机理具有重要意义。

由于技术限制问题，现有的绝缘材料表面电荷测量系统通常采用自制静电探头扫描材料表面电位分布，探头存在精度低，抗干扰性差，信噪比低等问题，扫描结果不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，能够精确有效地测量绝缘材料表面电荷密度二维分布，为研究绝缘材料的闪络提供帮助。

本发明采用下述技术方案：

一种绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，包括内部设置有二维电控位移台的密闭腔体，二维电控位移台的控制数据线与密闭腔体外的二维电控位移台控制箱连接，二维电控位移台控制箱与计算机连接，竖直设置的背板电极的一侧表面固定在二维电控位移台上，待测试品竖直固定在背板电极的另一侧表面，待测试品的上下两端分别连接高压电极和接地电极；密闭腔体的一侧设置有两个延伸腔体，第一延伸腔体末端外部密封设置有一维磁耦合直线旋转驱动器，位于密闭腔体内的一维磁耦合直线旋转驱动器的运动端设置有绝缘夹具，Kelvin探头固定在绝缘夹具上，Kelvin探头的探测点垂直于待测试品，Kelvin探头的输出信号引线通过设置在第二延伸腔体末端的探头输出信号引线法兰与密闭腔体外部的静电电位计连接，静电电位计的信号输出端连接计算机的数据采集系统，密闭腔体的另一侧设置有连接管，连接管的末端设置有真空泵。

所述的密闭腔体上设置有微动进气阀和压力表，连接管上设置有真空规管。

所述的二维电控位移台由横轴X和纵轴Y两个电控位移台组成。

所述的密闭腔体采用不锈钢密闭腔体。

所述的待测试品的电极结构为平面型铜电极，铜电极厚度为0.2mm，采用导电双面胶贴合在被测试品表面。

所述的数据采集系统包括信号调理模块和数据采集卡，数据采集卡采用NI PCI-6220，信号调理部分实现静电电位计输出信号的1/2分压，分压后的信号输入数据采集卡进行采集，数据采集后的电位信号存储至与扫描点位置对应的矩阵内。

所述的二维电控位移台的控制数据线通过真空航空电源插头与密闭腔体外的二维电控位移台控制箱连接。

所述的Kelvin探头与待测试品表面的距离通过一维磁耦合直线旋转驱动器在0mm-170mm范围精确调节。

所述的高压电极连接高压电源，高压电源输出电压为0-100kV的直流、交流或冲击电压。

所述的Kelvin探头采用3455ET探头，静电电位计采用TREK-341B静电电位计。

本发明将待测试品和Kelvin探头放置于不锈钢密封腔体内，腔体内气体氛围可以为真空、大气或其他气体，且气体压力精确可控。Kelvin探头通过绝缘夹具固定在一个一维磁耦合直线旋转驱动器上，探头探测点垂直于被测试品，与被测试品表面距离可在0-170mm大范围精确可调并实现探头卡位。被测试品两端分别接平面型高压和接地电极，放置在二维电控位移台上，该位移平台装置的控制数据线通过真空航空电源插头与腔体外的电移台控制器连接，再通过计算机软件实现电位移台自动控制。当试品表面接高压(交直流，冲击)时，探头与试品距离调至50mm，当高压撤销后，探头移近至试品表面1mm处，对表面电位进行测量。通过计算机控制位移台装置蛇形运动，可以实现试品表面电位扫描，同时通过计算机数据采集系统将电位数据存储并输出，最后通过表面电位反演计算得到绝缘材料表面电荷密度二维分布特性。本发明采用的Kelvin探头采用自补偿技术以实现探头探测部位与被测试品表面之间的场强接近于零，从而可以测量很高的表面电位。另外本发明通过有效的绝缘法兰设计解决了探头引线在测量过程中的绝缘问题，同时在探头位置设计激光测距传感器，并配合计算机软件控制，实现在扫描电位过程中探头与被测试品表面的间距恒定，极大提高了扫描和测量精度。本发明用于测量绝缘材料的表面电荷密度二维分布，为研究绝缘材料的闪络提供帮助。

附图说明

图1为本发明的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，包括密闭腔体1，密闭腔体1可采用不锈钢密闭腔体1，不锈钢密闭腔体1内气体氛围可以是真空、大气或其他气体。

不锈钢密闭腔体1内部设置有二维电控位移台2，二维电控位移台2由横轴X和纵轴Y两个电控位移台组成。其中，横轴X电控位移台采用卓立汉光TSC30，移动范围为30mm，最小步进距离0.625μm；纵轴Y电控位移台采用卓立汉光TSA100，移动范围为100mm，最小步进距离1.25μm。扫描范围为30×100mm。二维电控位移台2的控制数据线通过真空航空电源插头与密闭腔体1外的二维电控位移台控制箱3连接，二维电控位移台控制箱3与计算机4连接，二维电控位移台控制箱3采用SC300-3B控制箱。SC300-3B控制箱能够配合LabVIEW控制软件，实现对二维电控位移台2多种方式的控制，控制方式包括对X、Y轴独立手动控制(步进加或减)，对平面二维蛇形自动扫描两种方式。

竖直设置的背板电极5的一侧表面固定在二维电控位移台2上，待测试品6竖直固定在背板电极5的另一侧表面，待测试品6的上下两端分别连接高压电极7和接地电极8。待测试品6的电极结构为平面型铜电极，铜电极厚度为0.2mm，采用导电双面胶贴合在待测试品6表面。这种平面型铜电极结构的优点在于撤掉电压后可立即对待测试品6进行扫描，不会对Kelvin探头9运动造成影响。高压电极7连接高压电源，高压电源输出电压为0-100kV的直流、交流或冲击电压。

密闭腔体1的一侧设置有两个延伸腔体，第一延伸腔体10末端外部密封设置有一维磁耦合直线旋转驱动器11，一维磁耦合直线旋转驱动器11的运动端12位于密闭腔体1内，且一维磁耦合直线旋转驱动器11的运动端12设置有绝缘夹具13，Kelvin探头9固定在绝缘夹具13上，同时Kelvin探头9的探测点垂直于待测试品6。Kelvin探头9的输出信号引线通过设置在第二延伸腔体14末端的探头输出信号引线法兰与密闭腔体1外部的静电电位计15连接，静电电位计15的信号输出端连接计算机4的数据采集系统。计算机4的数据采集系统包括信号调理模块和数据采集卡，数据采集卡采用NI PCI-6220，信号调理部分实现静电电位计15输出信号的1/2分压，分压后的信号输入数据采集卡进行采集，数据采集后的电位信号存储至与扫描点位置对应的矩阵内。

Kelvin探头9可采用3455ET探头，静电电位计15可采用TREK-341B静电电位计15。Kelvin探头9采用自补偿技术，探头微孔的设计可以获得表面电位测量很高的空间分辨率，通过内置电源及反馈控制系统能够获得很高的响应速度，进行表面电位跟踪。Kelvin探头9电位与待测试品6表面电位相同，探头探测部位与待测试品6表面之间的场强接近于零，可避免探头与材料表面发生放电，从而实现表面电位很高(最高可达±20kV)情况下的测量。由于使用Kelvin探头9和静电电位计15测量表面电位时对探头输出信号引线法兰9绝缘水平要求苛刻，要求测量时探头输出信号引线法兰9在空气侧和真空侧均不能出现局部微弱放电。本发明通过提高法兰陶瓷支柱绝缘设计水平，并在支柱空隙浇筑环氧树脂的方式，有效解决了这个问题。

Kelvin探头9与待测试品6表面的距离能够通过一维磁耦合直线旋转驱动器11在0mm-170mm范围精确调节并实现Kelvin探头9的定位，以便于实现Kelvin探头9保护和测量两种模式切换。当试品表面接高压(交直流，冲击)时，探头与试品距离调至50mm以防止高压对探头放电；当高压撤销后，探头移近至试品表面1mm处，对表面电位进行测量。使用者能够通过计算机4和二维电控位移台控制箱3，控制位二维电控位移台2进行蛇形运动，实现待测试品6表面电位扫描，同时通过计算机4的数据采集系统将电位数据存储并输出，最后通过表面电位反演计算得到绝缘材料表面电荷密度二维分布特性。

密闭腔体1的另一侧设置有连接管16，连接管16的末端设置有真空泵17，真空泵17由一个机械泵和一个分子泵组成。密闭腔体1上设置有微动进气阀和压力表18，连接管16上设置有真空规管19。密闭腔体1内的气压可以通过连接管16上设置的真空规管19进行测量，密闭腔体1内的真空度通过真空泵17实现，微动进气阀和压力表18，能够对密闭腔体1内的气压进行精确调节。

在利用本发明进行绝缘材料表面电荷密度二维分布的测量时，按照以下步骤进行：

(1)将待测试品6通过背板电极5固定在二维电控位移台2上，待测试品6两端分别连接接高压电极7和接地电极8，调整Kelvin探头9至扫描初始位置后，再通过一维磁耦合直线旋转驱动器11将Kelvin探头9移动至距离待测试品6表面50mm处，防止高压电极7对Kelvin探头9放电。Kelvin探头9的输出信号引线通过设置在第二延伸腔体14末端的探头输出信号引线法兰与密闭腔体1外部的静电电位计15连接，表面电位测量信号可由静电电位计15输出并接入计算机4的数据采样系统。

(2)通过微动进气阀、真空规管19以及连接管16的末端设置有的机械泵和分子泵控制密闭腔体1内的气体氛围和压力。然后通过高压电极7引入高压，实验中高压可以是0-100kV的直流、交流和冲击电压。在高压作用下会导致放电，待测试品6的表面会积聚电荷。

(3)撤去高压后，将Kelvin探头9移动至距离待测试品6表面1mm处进行测量。待测试品6可以通过二维电控位移台2在垂直于Kelvin探头9的平面内进行二维运动，从而实现对待测试品6表面电荷密度分布的测量。

(4)静电电位计15输出的表面电位测量信号经信号调理后接入计算机4的数据采集系统，采集的电位信号存储至与扫描点位置对应的矩阵内，由此得到待测试品6表面电位二维分布矩阵数据。通过公式1即可利用表面电位二维分布数据计算得到待测试品6的表面电荷密度分布。

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}{V}_i---\left(1\right)$

其中σi为表面电荷密度，单位为C/m2；Vi为表面电位，单位为V；ε0为真空介电常数；εr为绝缘材料的相对介电常数；d为材料厚度/m。

Claims (10)

1.一种绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：包括内部设置有二维电控位移台的密闭腔体，二维电控位移台的控制数据线与密闭腔体外的二维电控位移台控制箱连接，二维电控位移台控制箱与计算机连接，竖直设置的背板电极的一侧表面固定在二维电控位移台上，待测试品竖直固定在背板电极的另一侧表面，待测试品的上下两端分别连接高压电极和接地电极；密闭腔体的一侧设置有两个延伸腔体，第一延伸腔体末端外部密封设置有一维磁耦合直线旋转驱动器，位于密闭腔体内的一维磁耦合直线旋转驱动器的运动端设置有绝缘夹具，Kelvin探头固定在绝缘夹具上，Kelvin探头的探测点垂直于待测试品，Kelvin探头的输出信号引线通过设置在第二延伸腔体末端的探头输出信号引线法兰与密闭腔体外部的静电电位计连接，静电电位计的信号输出端连接计算机的数据采集系统，密闭腔体的另一侧设置有连接管，连接管的末端设置有真空泵。

2.根据权利要求1所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的密闭腔体上设置有微动进气阀和压力表，连接管上设置有真空规管。

3.根据权利要求2所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的二维电控位移台由横轴X和纵轴Y两个电控位移台组成。

4.根据权利要求3所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的密闭腔体采用不锈钢密闭腔体。

5.根据权利要求4所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的待测试品的电极结构为平面型铜电极，铜电极厚度为0.2mm，采用导电双面胶贴合在被测试品表面。

6.根据权利要求5所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的数据采集系统包括信号调理模块和数据采集卡，数据采集卡采用NI PCI-6220，信号调理部分实现静电电位计输出信号的1/2分压，分压后的信号输入数据采集卡进行采集，数据采集后的电位信号存储至与扫描点位置对应的矩阵内。

7.根据权利要求6所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的二维电控位移台的控制数据线通过真空航空电源插头与密闭腔体外的二维电控位移台控制箱连接。

8.根据权利要求7所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的Kelvin探头与待测试品表面的距离通过一维磁耦合直线旋转驱动器在0mm-170mm范围精确调节。

9.根据权利要求8所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的高压电极连接高压电源，高压电源输出电压为0-100kV的直流、交流或冲击电压。

10.根据权利要求9所述的绝缘材料表面电荷二维分布自动测量系统，其特征在于：所述的Kelvin探头采用3455ET探头，静电电位计采用TREK-341B静电电位计。