CN104833859A - 一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开提出了一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，包括高压直流电源（1）、高压引线（2）、信号屏蔽盒（6）、限流电阻（7）、隔直电容（8）、同轴电缆（9）、试样屏蔽盒（11）、电极测量单元（100）、放大器（20）、数字示波器（21）、金属支柱（22）、高温干燥箱（24）、激光器（25）；本发明能够准确测量电气绝缘材料中的空间电荷分布，有效消除外界干扰，并通过相应加热装置实现了不同温度下空间电荷测量，实现了直流高压下的平板试样绝缘材料中空间电荷分布测量；使用样品屏蔽盒放置电极系统，使用信号屏蔽盒放置高压引线等加压回路与隔直电容等测量回路，防止外界环境的电磁干扰。

Description

一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置

技术领域

本发明涉及一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，特别涉及一种基于压力波法的空间电荷测量系统。

背景技术

电气绝缘材料由于其分子结构的缺陷导致内部缺陷的形成。在电场的作用下，载流子沿电场方向进行运动，当这些载流子遇到所形成的缺陷，会被其进行捕获，形成了相应的空间电荷。这些空间电荷所形成的库仑场和外加电场将改变原有电场的分布，从而造成材料内电场的严重畸变，从而引发电树发展，导致绝缘的破坏。因此，空间电荷严重影响电气绝缘材料的性能，建立电气绝缘材料中的空间电荷测试系统具有重要意义。

现有测量技术中，基于电声脉冲法的空间电荷测量，其使用的系统仅能在均一温度下进行测量，存在局限性。基于压力波法的平板试样空间电荷测量，空间电荷分布信号容易受到干扰，测量不准确。

发明内容

本发明提出了一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，能够准确测量电气绝缘材料中的空间电荷分布，有效消除外界干扰，并通过相应加热装置实现了不同温度下空间电荷测量。

本发明技术方案如下：

一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，包括高压直流电源、高压引线、信号屏蔽盒、限流电阻、隔直电容、同轴电缆、试样屏蔽盒、电极测量单元、放大器、数字示波器、金属支柱、高温干燥箱、激光器。

限流电阻、隔直电容设置在信号屏蔽盒内。

电极测量单元设置在试样屏蔽盒内，试样屏蔽盒、金属支柱设置在高温干燥箱内，试样屏蔽盒设置在金属支柱上；金属支柱能够将产生的干扰信号接地，同时，方便调节试样屏蔽盒的高度。

试样屏蔽盒、高温干燥箱的箱壁上均设置有光孔，高温干燥箱的光孔外设置激光器，激光器的发射光能够通过光孔垂直照射到电极测量单元上。

高压直流电源、高压引线相连接，高压引线穿过信号屏蔽盒的侧壁后与限流电阻相连接，同轴电缆依次穿过信号屏蔽盒、高温干燥箱、试样屏蔽盒的侧壁，同轴电缆的一端连接限流电阻、隔直电容，另一端连接电极测量单元；隔直电容、放大器、数字示波器依次顺序连接。即高温干燥箱、试样屏蔽盒的箱体的两侧均有开孔，一侧开孔为光孔，作为激光入射通道，另一侧开孔作为电缆通道。隔直电容的一端连接限流电阻、同轴电缆，另一端连接放大器，放大器、数字示波器相连接。

在信号屏蔽盒内，高压引线与限流电阻之间，限流电阻与隔直电容、同轴电缆之间，隔直电容与放大器之间均通过铜环连接，铜环通过绝缘支撑杆固定在信号屏蔽盒内。

电极测量单元包括后电极、弹簧、接触电极、前电极。

同轴电缆连接后电极，电极、接触电极通过弹簧连接，。前电极固定设置在试样屏蔽盒的光孔处，前电极的中心设置有开孔，激光器的发射光能够通过开孔照射到被测绝缘材料平板试样外侧粘贴的半导电电极上。同轴电缆连接后电极，电极、接触电极通过弹簧连接。

后电极朝向弹簧的侧面设置有凹槽，接触电极朝向弹簧的侧面设置有凸面，弹簧被压缩时，凸面能够收容在凹槽内，弹簧被压缩时，凸面能够收容在凹槽内。使绝缘材料试样两侧的半导电电极与接触电极、前电极紧密接触，使用弹簧装置对试样进行夹持，使用方便。

试样屏蔽盒内设置有绝缘支柱、绝缘底座；电极测量单元通过绝缘支柱设置在绝缘底座上；使得电极测量单元放置在试样屏蔽盒内；试样屏蔽盒放置在金属支柱上，以保持接地；通过绝缘支柱、绝缘底座能够很好的绝缘电极测量单元的测量电流。

同轴电缆的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。

隔直电容通过信号屏蔽盒6上的BNC接头与放大器20相连接。

BNC接头与放大器之间通过电缆连接，电缆的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。

高压直流电源的输出直流为±120 kV，最大电流为2 mA，纹波系数≤0.2%。

信号屏蔽盒材质为铝合金。

隔直电容最高耐压值不低于150 kV、电容不小于0.8 nF、电感不大于32 nH；限流电阻为1 GΩ。

本发明平板试样空间电荷分布测量过程如下：

被测量的绝缘材料试样的左右两面均粘贴半导电电极，左右两面的半导电电极为第一半导电电极、第二半导电电极，启动高压直流电源，高压直流电源通过高压引线、限流电阻和同轴电缆连接后电极，将高压电场通过接触电极加到绝缘材料试样两端。激光器作用在第二半导电电极产生压力脉冲，并在绝缘材料试样中以声脉冲形式传播，并在第一半导电电极上感应电荷（即电信号），传送到电极接触电极，再通过后电极、同轴电缆、隔直电容传输到放大器，输入数字示波器，由数字示波器测量电流信号正比空间电荷的分布，就能测得试样中的空间电荷分布。

本发明为了防止外部电磁干扰对样品内空间电荷的电信号造成干扰，将绝缘材料试样及电极测量单元整体放置于具有电磁屏蔽作用的试样屏蔽盒中，并再将试样屏蔽盒放置于具有控温及电磁屏蔽作用的高温干燥箱中；将高压引线、限流电阻等加压回路与隔直电容等测量回路整体放置于具有电磁屏蔽作用的信号屏蔽盒中。

与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

（1）本发明实现了直流高压下的平板试样绝缘材料中空间电荷分布测量；使用样品屏蔽盒放置电极系统，使用信号屏蔽盒放置高压引线等加压回路与隔直电容等测量回路，防止外界环境的电磁干扰；

（2）本发明通过高温干燥箱24加热能够实现不同温度下平板试样绝缘材料中空间电荷分布测量。

（3）使用激光器产生压力脉冲，利用激光脉冲的能量稳定性保证压力脉冲宽度为20-50 ns，幅度为1-10 Mpa，确保平板试样的测量分辨率优于100μm；

（4）使用带弹簧装置的电极系统，降低加工难度，保证试样夹持牢固。

附图说明

图1为本发明一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置的结构示意图；

图2为本发明的试样屏蔽盒内组件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，包括高压直流电源1、高压引线2、信号屏蔽盒6、限流电阻7、隔直电容8、同轴电缆9、试样屏蔽盒11、电极测量单元100、放大器20、数字示波器21、金属支柱22、高温干燥箱24、激光器25。

限流电阻7、隔直电容8设置在信号屏蔽盒6内。

电极测量单元100设置在试样屏蔽盒11内，试样屏蔽盒11、金属支柱22设置在高温干燥箱24内，试样屏蔽盒11设置在金属支柱22上。

试样屏蔽盒11、高温干燥箱24的箱壁上均设置有光孔，高温干燥箱24的光孔外设置激光器25，激光器25的发射光能够通过光孔垂直照射到电极测量单元100上。

高压直流电源1、高压引线2相连接，高压引线2穿过信号屏蔽盒6的侧壁后与限流电阻7相连接，同轴电缆9依次穿过信号屏蔽盒6、高温干燥箱24、试样屏蔽盒11的侧壁，同轴电缆9的一端连接限流电阻7、隔直电容8，另一端连接电极测量单元100；隔直电容8、放大器20、数字示波器21依次顺序连接。即高温干燥箱24、试样屏蔽盒11的箱体的两侧均有开孔，一侧开孔为光孔，作为激光入射通道，另一侧开孔作为电缆通道。

隔直电容8的一端连接限流电阻7、同轴电缆9，另一端连接放大器20，放大器20、数字示波器21相连接。

在信号屏蔽盒6内，高压引线2与限流电阻7，限流电阻7、隔直电容8、同轴电缆9，隔直电容8与放大器20均通过铜环30连接，铜环30通过绝缘支撑杆固定在信号屏蔽盒6内。即在高压引线2与限流电阻7的连接点，限流电阻7、隔直电容8、同轴电缆9三者的连接点，隔直电容8与放大器20的连接点处均设置铜环30.

如图2所示，电极测量单元100包括后电极13、弹簧14、接触电极15、前电极19。被测绝缘材料平板试样17的左右两面分别粘贴半导电电极，即第一半导电电极16、第二半导电电极18。

同轴电缆9连接后电极13，电极13、接触电极15通过弹簧14连接，如图1所示，接触电极15、前电极19之间设置被测绝缘材料平板试样17，被测绝缘材料平板试样17两侧分别粘贴第一半导电电极16、第二半导电电极18；第一半导电电极16与接触电极15接触，第二半导电电极18与接触电极19接触。

前电极19固定设置在试样屏蔽盒11的光孔处，前电极19的中心设置有开孔，激光器25的发射光能够通过开孔照射到第二导电电极18上（被测绝缘材料平板试样17外侧粘贴的半导电电极上）。

后电极13与弹簧14的接触侧设置有凹槽，接触电极15与弹簧14的接触侧的接触侧设置有凸面，弹簧14被压缩时，凸面能够收容在凹槽内。使绝缘材料试样17两侧的半导电电极与接触电极15、前电极19紧密接触，使用弹簧装置对试样进行夹持，夹持使用方便。

试样屏蔽盒11内设置有绝缘支柱12、绝缘底座23。电极测量单元100通过绝缘支柱12设置在绝缘底座23上。绝缘底座放置在试样屏蔽盒11内。试样屏蔽盒11放置在金属支柱22上，并放置于试样屏蔽盒11内，以保持接地。

同轴电缆9的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。

隔直电容8通过信号屏蔽盒6上的BNC接头与放大器20相连接。

BNC接头与放大器20之间通过电缆连接，电缆的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。

高压直流电源1的输出直流为±120 kV，最大电流为2 mA，纹波系数≤0.2%。

试样屏蔽盒11、信号屏蔽盒6材质均为铝合金。

隔直电容8最高耐压值不低于150 kV、电容不小于0.8 nF、电感不大于32 nH；限流电阻为1 GΩ。

本发明平板试样空间电荷分布测量过程如下：

被测量的绝缘材料试样17粘贴第一半导电电极16、第二半导电电极18，启动高压直流电源1，高压直流电源1通过高压引线2、限流电阻7和同轴电缆9达到后电极13，将高压电场通过接触电极15加到绝缘材料试样17两端。激光器25作用在第二半导电电极18产生压力脉冲，并在绝缘材料试样17中以声脉冲形式传播，并在第一半导电电极16上感应电荷（即电信号），传送到电极接触电极15，再通过后电极13、同轴电缆9、隔直电容8和放大器20，这些电信号输入数字示波器21，就能测得试样中的空间电荷分布。

本发明为了防止外部电磁干扰对样品内空间电荷的电信号造成干扰，将绝缘材料试样17及电极测量单元整体放置于具有电磁屏蔽作用的试样屏蔽盒11中，并再将试样屏蔽盒11放置于具有控温及电磁屏蔽作用的高温干燥箱24中；将高压引线、限流电阻等加压回路与隔直电容等测量回路整体放置于具有电磁屏蔽作用的信号屏蔽盒6中。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，包括高压直流电源（1）、高压引线（2）、信号屏蔽盒（6）、限流电阻（7）、隔直电容（8）、同轴电缆（9）、试样屏蔽盒（11）、电极测量单元（100）、放大器（20）、数字示波器（21）、金属支柱（22）、高温干燥箱（24）、激光器（25）；

所述限流电阻（7）、隔直电容（8）设置在信号屏蔽盒（6）内；

电极测量单元（100）设置在试样屏蔽盒（11）内，试样屏蔽盒（11）、金属支柱（22）设置在高温干燥箱（24）内，试样屏蔽盒（11）设置在金属支柱（22）上；

所述试样屏蔽盒（11）、高温干燥箱（24）的箱壁上均设置有光孔，所述高温干燥箱（24）的光孔外设置激光器（25），激光器（25）的发射光能够通过光孔垂直照射到所述电极测量单元（100）上；

所述高压直流电源（1）、高压引线（2）相连接，所述高压引线（2）穿过信号屏蔽盒（6）的侧壁后与限流电阻（7）相连接，所述同轴电缆（9）依次穿过信号屏蔽盒（6）、高温干燥箱（24）、试样屏蔽盒（11）的侧壁，同轴电缆（9）的一端连接限流电阻（7）、隔直电容（8），另一端连接电极测量单元（100）；所述隔直电容（8）、放大器（20）、数字示波器（21）依次顺序连接。

2.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述电极测量单元（100）包括后电极（13）、弹簧（14）、接触电极（15）和前电极（19）；

同轴电缆（9）连接所述后电极（13），电极（13）、接触电极（15）通过弹簧（14）连接，

前电极（19）固定设置在试样屏蔽盒（1）的光孔处，前电极（19）的中心设置有开孔，激光器（25）的发射光能够通过所述开孔垂直照射到被测绝缘材料平板试样（17）外侧粘贴的半导电电极上。

3.根据权利要求2所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述后电极（13）朝向弹簧（14）的侧面设置有凹槽，所述接触电极（15）朝向弹簧（14）的侧面设置有凸面，所述弹簧（14）被压缩时，所述凸面能够收容在所述凹槽内。

4.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述试样屏蔽盒（11）内设置有绝缘支柱（12）、绝缘底座（23）；电极测量单元（100）通过绝缘支柱（12）设置在绝缘底座（23）上；使得电极测量单元（100放置在试样屏蔽盒（11）内；试样屏蔽盒（11）放置在金属支柱（22）上。

5.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述同轴电缆（9）的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。

6.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述隔直电容（8）通过信号屏蔽盒（6）上的BNC接头与放大器（20）相连接。

7.根据权利要求6所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述BNC接头与放大器（20）之间通过电缆连接，所述电缆的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。

8.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

所述高压直流电源（1）的输出直流为±120 kV，最大电流为2 mA，纹波系数≤0.2%；

所述隔直电容（8）最高耐压值不低于150 kV、电容不小于0.8 nF、电感不大于32 nH；限流电阻为1 GΩ。

9.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，

试样屏蔽盒（11）、信号屏蔽盒（6）材质均为铝合金。

10.根据权利要求1所述的一种平板试样空间电荷分布压力波法测量装置，其特征在于，在信号屏蔽盒（6）内，高压引线（2）与限流电阻（7）之间，限流电阻（7）与隔直电容（8）、同轴电缆（9）之间，隔直电容（8）与放大器（20）之间均通过铜环（30）连接，铜环（30）通过绝缘支撑杆固定在信号屏蔽盒（6）内。