CN104714113A - 一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于静电测量技术领域的一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法。首先将多个静电容探头的探针预埋入固体绝缘试品中构成分布式静电容探头阵列，每个静电容探头连接一个高阻抗信号放大器，每个高阻抗放大器分别连接到信号采集显示模块的各个接口，由此构成分布式静电容探头电荷测量系统，原始信号通过高阻抗信号放大器系统后，信号采集显示系统对高阻抗信号放大器系统输出的信号做最后的采集显示处理。每个放大器置于独立的金属屏蔽盒内，防止测量过程中的电荷泄露；由此可以实现固体绝缘表面电荷的实时测量，解决了传统测量的表面电荷积聚初期特别是加压时段的大量数据信息无从获得的缺陷。

Description

一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法

技术领域

本发明属于静电测量技术领域，特别涉及一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法。

背景技术

固体绝缘的沿面闪络故障是导致其绝缘失效的主要原因。各种形式的外加电压都可能导致绝缘表面电荷的积聚，绝缘表面电荷积聚不但会劣化绝缘系统的沿面耐压水平，而且闪络过程的发展也与表面电荷的分布变化直接相关。因此，从工程实践和理论研究角度，都有必要对表面电荷的产生和变化进行研究，故表面电荷的测量具有重要意义。

表面电荷的测量属于静电测量的范畴，因而不能使用常有的电工仪表进行测量。表面电荷的测量方法主要有：粉尘法、电声脉冲法、超声波法、Pockels效应法、电容探头法等。但现有方法都有明显不足，粉尘法不能进行定量测量，电声脉冲法的设备复杂昂贵，且只适用于两固体交界面的电荷测量，超声波法和Pockels效应法只适用于薄膜绝缘试品的测量。电容探头法分为动电容探头法和静电容探头法两种。为了保证测量分辨率，要求动电容探头法中探头本身的电容值以及测试线路的入口电容值极为稳定，而这很难实现。另外，此方法也不适用于复杂形状绝缘子的测量。因此目前对于气固界面或真空中固体表面的电荷测量，静电容探头法是最可行的实现方式。

但是与大多表面电荷测量方法一样，传统的静电容探头法只能在撤去外加电压后才能进行表面电荷的测量。由于表面电荷的分布是在不断变化发展的，而从开始加压到撤去电压直至传统电容探头法测量准备就绪一般需要数分钟至数十分钟的时间，这样表面电荷积聚初期特别是加压时段的大量数据信息就无从获得，这严重制约了对表面电荷产生和积聚机理的研究。所以至今还没有有一种能够对各种形状的固体绝缘表面电荷进行实时定量测量的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法；其特征在于，基于静电容探头电荷测量原理，通过预埋分布式探头于固体绝缘表面，实现固体绝缘表面电荷的实时测量，包括如下步骤：

将N个静电容探头的探针预埋入固体绝缘试品中构成分布式静电容探头阵列，每个静电容探头连接一个高阻抗信号放大器，组成的高阻抗信号放大器系统，每个高阻抗放大器分别连接到信号采集显示系统的各个接口，由此构成分布式静电容探头电荷测量系统，原始信号通过高阻抗信号放大器系统后，信号采集显示系统对高阻抗信号放大器系统输出的信号做最后的采集显示处理；其中，N个静电容探头、N个高阻抗信号放大器和信号采集显示系统的N个接口一一对应，N为大于1的正整数；每个接口接一路信号，即一个静电容探头、一个高阻抗放大器和信号采集显示系统的一个接口构成一个独立的表面电荷测量模块。

所述分布式静电容探头阵列，每个静电容探头均以铜丝作为探针，以聚四氟乙烯包裹探针作为绝缘支撑，以金属壁封装探针及绝缘支撑作为屏蔽外壳；探针分布预埋入固体绝缘试品中，探针后端接SMA插头，通过电缆与后级高阻抗信号放大器系统相连，将测得的原始信号传至高阻抗信号放大器系统；各个探针与被测绝缘表面距离应相等。

所述每个高输入阻抗信号放大器由放大器芯片及其外围电路组成，各个放大器功能电路相互独立，分别连接一个静电探头；信号放大器接线选择其工作在高阻输入电压跟随形式；芯片由双路直流稳压电源供电，且并联平波和滤波电容保证电源质量；每个放大器置于独立的金属屏蔽盒内，整个电路用聚四氟乙烯绝缘支撑，避免与周围金属接触产生电荷泄露；各个高阻抗信号放大器均通过SMA接口与前级分布式静电探头和后级信号采集显示系统对应的接口相连。

本发明的有益效果是采用多个静电容探头的探针预埋入固体绝缘试品中构成分布式静电容探头阵列，并以一个静电容探头、一个高阻抗放大器和信号采集显示系统的一个接口对应，构成一个独立的表面电荷测量模块，每个放大器置于独立的金属屏蔽盒内，防止测量过程中的电荷泄露；由此可以实现固体绝缘表面电荷的实时测量，解决了传统测量的表面电荷积聚初期特别是加压时段的大量数据信息无从获得的缺陷。

附图说明

图1为预埋分布式探头固体绝缘表面电荷测量装置示意图。

图2为预埋分布式探头固体绝缘表面电荷测量装置用信号放大器的电路原理图。

具体实施方式

本发明提供一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法，下面结合附图予以说明。

图1所示为预埋分布式探头固体绝缘表面电荷测量装置示意图。图中将3-10个静电容探头2的探针预埋入固体绝缘表面1中构成分布式静电容探头阵列，每个静电容探头连接一个高阻抗信号放大器3，组成的高阻抗信号放大器系统，每个高阻抗放大器分别连接到信号采集显示系统4的各个接口，由此构成分布式静电容探头电荷测量系统，原始信号通过高阻抗信号放大器系统后，信号采集显示系统对高阻抗信号放大器系统输出的信号做最后的采集显示处理；其中，静电容探头2和高阻抗信号放大器3和信号采集显示系统4的接口一一对应；每个接口接一路信号，即一个静电容探头、一个高阻抗放大器和信号采集显示系统的一个接口构成一个独立的表面电荷测量模块。具体说明如下：

首先是分布式探针的埋入：将3-10个静电容探头2的探针埋入固体绝缘表面1中，探针端部与被测固体绝缘表面有适当距离以感应表面电荷产生的电压，且保证各探针端部与被测固体绝缘表面的距离相等，探针的数量、布置、间距等依被测固体绝缘试品的大小形状而定。

其次，由分布式静电容探头阵列测得原始信号：探针以被测绝缘材料为介质与表面电荷形成一次电容，以聚四氟乙烯绝缘支撑为介质与探头的金属屏蔽外壳形成二次电容的一部分，后端的测量线缆电容等构成了二次电容的其他部分，根据电容分压原理，即可测得绝缘表面的电位；各多个探头分布排列，即可获得整个绝缘表面电荷分布的信息；由于探针预先埋入，且分布排列无需移动，所以可在加压过程中实时监测固体绝缘表面电荷的产生和变化过程。

然后，信号经过高阻抗信号放大器放大，由于其高阻抗特性和电压跟随的工作状态，电荷可无泄地在测量系统中传输；各路信号通过分别独立的高阻抗信号放大器，相互之间无干扰，且同步工作，将分布式探头的信号完好的传输到后级信号采集显示系统。

最后，信号采集显示系统将各路信号分别接入不同的通道，保证各路信号的独立性和同步性，再将获得的信号做进一步分析处理即可获得整个固体绝缘表面的电荷分布趋势及其随电压和时间变化的发展趋势。

图2所示为预埋分布式探头固体绝缘表面电荷测量装置用信号放大器的电路原理图。放大器芯片接线选择其工作在高阻输入电压跟随形式，由双路直流稳压电源供电，电容C₁和C₂为并联的平波和滤波电容，保证放大器供电电源的质量。图中芯片管脚7为正极性直流电源输入端，管脚4为负极性直流电源输入端，管脚3与对应静电容探头的信号输出端连接，管脚6为信号输出端，将分布式探头的信号完好的传输到后级信号采集显示系统。

Claims (3)

1.一种实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法；其特征在于，基于静电容探头电荷测量原理，通过预埋分布式探头于固体绝缘表面，实现固体绝缘表面电荷的实时测量，包括如下步骤：

将N个静电容探头的探针预埋入固体绝缘试品中构成分布式静电容探头阵列，每个静电容探头连接一个高阻抗信号放大器，组成的高阻抗信号放大器系统，每个高阻抗放大器分别连接到信号采集显示模块的各个接口，由此构成分布式静电容探头电荷测量系统，原始信号通过高阻抗信号放大器系统后，信号采集显示系统对高阻抗信号放大器系统输出的信号做最后的采集显示处理；其中，N个静电容探头、N个高阻抗信号放大器和信号采集显示模块的N个接口一一对应，N为大于1的正整数；每个接口接一路信号，即一个静电容探头、一个高阻抗放大器和信号采集显示系统的一个接口构成一个独立的表面电荷测量模块。

2.根据权利要求1所述实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法；其特征在于，所述分布式静电容探头阵列，每个静电容探头均以铜丝作为探针，以聚四氟乙烯包裹探针作为绝缘支撑，以金属壁封装探针及绝缘支撑作为屏蔽外壳；探针分布预埋入固体绝缘试品中，探针后端接SMA插头，通过电缆与后级高阻抗信号放大器系统相连，将测得的原始信号传至高阻抗信号放大器系统；各个探针与被测绝缘表面距离应相等。

3.根据权利要求1所述实现固体绝缘表面电荷的实时测量方法；其特征在于，所述每个高输入阻抗信号放大器由放大器芯片及其外围电路组成，各个放大器功能电路相互独立，分别连接一个静电探头；信号放大器接线选择其工作在高阻输入电压跟随形式；芯片由双路直流稳压电源供电，且并联平波和滤波电容保证电源质量；每个放大器置于独立的金属屏蔽盒内，整个电路用聚四氟乙烯绝缘支撑，避免与周围金属接触产生电荷泄露；各个高阻抗信号放大器均通过SMA接口与前级分布式静电探头和后级信号采集显示系统对应的接口相连。