CN104931803B - 一种绝缘材料表面电势变化实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘材料表面电势变化实时测量系统。所述系统包括底座，探头及电极固定支架，滑轨标尺，探头夹持器，支撑柱，高压电极，地电极，电容探头，探头保护罩，绝缘材料固定槽，静电电压表，数据采集系统，以及数据处理系统及显示界面。其中，探头及电极的固定支架通过支撑柱固定在底座上方，固定支架上设滑动导轨，高压电极、探头保护罩和探头夹持器依次竖直安装在固定支架上，电容探头上端与静电电压表相连；地电极固定在底座上，绝缘材料固定槽开设在底座上，静电电压表、数据采集模块、数据处理系统及显示界面依次相连。本发明可实现不同固体绝缘材料，以及同类固体绝缘材料经表面改性后，直流电压下及断电后表面电势在线实时测量。

Description

一种绝缘材料表面电势变化实时测量系统

技术领域

本发明属于固体绝缘材料表面电势特性测试领域，特别涉及一种绝缘材料表面电势变化实时测量系统。

背景技术

随着我国电力系统电压等级不断提高，高压直流输电作为实现高电压、远距离、大容量输电最为经济的能量传输方式，已成为我国电网发展的趋势。然而，直流电压下绝缘材料表面电荷积聚的问题，为高压直流设备绝缘器件的研发及应用带来了很大困难。研究发现，当在绝缘介质表面施加直流电压后，介质表面会有电荷累积现象，这种电荷的积聚，将畸变绝缘介质表面原有电场，从而导致绝缘介质在较低直流电压下发生闪络。

针对该问题，现有研究主要集中于研究特定外环境下，某一时刻绝缘材料表面电势整体分布特征。研究者在绝缘表面施加一段时间直流高压后，断开电压，通过电容探头对不同形状绝缘体表面进行扫描，进而得知某一时刻绝缘表面电势分布情况，然而这个过程忽略了从断开电压起到测量过程结束这一时间段内，表面电荷的迁移变化对试验结论的影响；通过现有研究数据也可以对绝缘材料表面电势分布在不同时刻进行纵向对比分析，然而，由于同一测量点不同时刻测量时间间隔常数较大，这样往往无法捕捉到局部区域电势连续变化特征；通过光学手段，借助普克尔斯效应，可以实现对透明绝缘材料表面电荷的带电测量，然而，该方法仅针对透明材料有效，电力系统中所用绝缘材料大部分为非透明绝缘介质，不同的材料表面属性，往往对表面电势迁移带来不同的影响，其最终实验结论也将有所不同。

研究直流电压下绝缘材料表面电荷积聚及消散特性，将有助于揭示直流电压下绝缘材料沿面闪络机理，进而针对性地设计绝缘表面结构，提高直流系统绝缘件闪络性能。为了获得表面电荷变化特性，很有必要对各类绝缘材料在带电情况下电荷积聚及断电后的电荷消散情况进行实时观察，这将为材料表面改性及研发抑制低电压下闪络的新型绝缘材料提供帮助，具有重要现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种绝缘材料表面电势变化实时测量系统。该系统可实现不同固体绝缘材料，以及同类固体绝缘材料经表面改性后，直流电压下及断电后表面电势在线实时测量。

本发明提出的一种绝缘材料表面电势变化实时测量系统，其特征在于，所述测量系统包括底座，探头及电极固定支架，滑轨标尺，探头夹持器，支撑柱，高压电极，地电极，电容探头，探头保护罩，试样固定槽，静电电压表，数据采集模块，以及数据处理系统及显示界面，以及高压电源发生器；其中，探头及电极的固定支架通过支撑柱固定在底座上方，固定支架上设滑动导轨，滑轨标尺设置在滑动导轨一侧边，高压电极、探头保护罩和探头夹持器依次竖直安装在固定支架上，电容探头由探头夹持器夹持能沿滑动导轨移动，电容探头上端与静电电压表相连，高压电极与高压电源发生器相连；地电极固定在底座上，绝缘材料固定槽开设在底座上，底座上的固定槽与固定支架的滑动导轨上下对应；静电电压表、数据采集模块、数据处理系统及显示界面依次相连。

本发明的特点及有益效果：

本发明的测量系统，能够可用于各类固体绝缘材料，以及同一绝缘材料在不同表面改性前后，一定范围直流电压及交流电压下表面电势分布特性及单点衰减规律测试，能够通过引入探头电势屏蔽罩，避免现有技术领域内无法实现非透明绝缘材料表面电势在线测试的问题。本发明可安装于壳体中，用于实现各类气体环境中绝缘材料表面电势分布特性及单点衰减规律测试，如真空、六氟化硫及氮气等正压力环境下。

附图说明

图1是本发明的系统实施结构示意图。

图中：底座1、探头及电极的固定支架2、滑轨标尺3、探头夹持器4、支撑柱5、高压电极6、地电极7、电容探头8、探头保护罩9、试样固定槽10、静电电压表11、数据采集模块12、数据处理系统及显示界面13、高压电源发生器14。

具体实施方式

本发明提出的绝缘材料表面电势变化特性测量系统结合附图及实施例说明如下：

本发明的绝缘材料表面电势变化特性测量系统实施例结构，如图1所示，包括底座1，探头及电极的固定支架2，设有标尺的滑动导轨3，探头夹持器4，支撑柱5，高压电极6，地电极7，电容探头8，探头保护罩9，绝缘材料固定槽10，静电电压表11，数据采集模块12，数据处理系统及显示界面13，以及高压电源发生器14；其中，探头及电极的固定支架2通过支撑柱5固定在底座1上方，固定支架2上设滑动导轨，滑轨标尺设置在滑动导轨3一侧边，高压电极6、探头保护罩9和探头夹持器4依次竖直安装在固定支架上，电容探头8由探头夹持器4夹持并能沿滑动导轨移动，电容探头8上端与静电电压表11相连，高压电极与高压电源发生器相连；地电极7固定在底座上，绝缘材料固定槽10开设在底座上，底座上的固定槽与固定支架2的滑动导轨上下对应；静电电压表11、数据采集模块12、数据处理系统及显示界面13依次相连。

本实施例的各部件的具体实现及功能分别说明如下：

底座1由尺寸为300mm×200mm×10mm环氧云母板及四个支撑圆柱组成，用于安装固定探头及电极的固定支架、地电极及待测绝缘材料样品。支撑圆柱为高40mm，直径20mm聚四氟乙烯圆柱，其中，聚四氟乙烯圆柱与底座用聚四氟乙烯螺栓固定。底座1中间开有40mm×120mm，深1mm的凹槽，作为待测绝缘材料固定槽10，其中，待测绝缘材料被制作成40mm×120mm×3mm的长方形板后嵌入槽中固定。

探头及电极的固定支架2为厚度10mm的T型有机玻璃板，顶边长140mm，竖直边长180mm，顶边正中开有直径10mm圆孔，用于固定高压电极6，竖直边中间开有垂直于顶边，宽度10mm，长度120mm的狭长缝隙，长狭缝与下方的底座的凹形固定槽位置相对应，用于固定探头夹持器，并作为探头夹持器的滑动导轨3，滑轨标尺通过刻刀，沿固定支架的长狭缝刻蚀于狭缝一侧，精度5mm每格。

T型固定支架的三个顶点处通过三个支撑柱5用螺栓固定在底座1上方，每根支撑柱为直径22mm，高100mm的有机玻璃圆柱，其两端分别通过聚四氟乙烯螺栓固定于底座及T型固定支架之间。

高压电极6，作为施加直流电压的电极，为直径10mm，长120mm铜圆柱电极，上端带有螺纹，被固定于T型有机玻璃板顶边正中的开孔，通过旋转来可调节高压电极6的高低，用于连接到高压电源发生器。

地电极7作为接地电极，为0.5mm厚，面积30mm×30mm铜板，通过螺钉固定于所述底座，位于T型有机玻璃竖直边下部。

探头夹持器4作为探头的夹持装置，由尺寸为30mm×20mm×10mm上盖和30mm×20mm×70mm下盖组成，二者位于长缝隙上下两侧，通过两个直径5mm聚四氟乙烯螺栓固定，并确保其能够在外界力驱动下沿所述长缝隙滑动，上下盖靠近地电极一侧开有5mm×5mm凹槽，用于嵌固电容探头8。

探头夹持器4夹持电容探头8将探头沿纵向嵌入凹槽10，并使探头8能够在纵向上下滑动，以便调节探头下端与绝缘材料表面的距离。探头下端距离绝缘材料距离控制在3mm，探头上端与静电电压表11连接。

探头保护罩9用于预期试验电压下电容探头安全区域的确定，位于探头夹持器4与高压电极6之间，并紧贴探头夹持器放置，由铜板材制成的连接成一体的顶端部、中间部和下端部组成，顶端部高度10mm，宽度和厚度分别为30mm和3mm，位于滑动导轨上，下端部为高度93mm，宽度和厚度分别为5mm和1mm位于滑动导轨下，中间部为高10mm宽10mm穿过滑动导轨连接上下端部，探头保护罩9上端部通过螺母固定在T型支架上，这样可确保其下端距待测绝缘板上表面距离为3mm，并通过其上方螺母接地。

电容探头及静电电压表，采用Trek model 347静电电压表，配有自带源电容探头，探头尺寸为80mm×5mm×5mm，由接地不锈钢外皮包裹；静电电压表可测量范围0-3000V，输出模拟电压幅值0-30V，测量电压精度1V。

数据采集模块由10欧姆滑动变阻器和数据采集卡组成，采集卡采用NI USB 5311数据采集卡，输入电压范围0-5V，为了匹配输出电压与采集卡输入电压范围，静电电压表输出端口与采集卡输入端口之间连接一支滑动变阻器，取输出电压的六分之一给数据采集卡进行采集，静电电压表、采集卡及滑动变阻器之间通过同轴电缆进行连接。采集卡与数据处理系统通过USB方式进行连接。

数据处理系统及显示界面，采用一台配有相应处理程序的台式计算机或笔记本电脑，处理程序使用LabVIEW编写，用来对采样率及采样时间的控制，实现对表面电势进行实时采集，并实现表面电势到表面电势量的推算，将数据进行显示存储，采用单点采样方式，采样时间间隔1ms。具体电势到电势量推算算法为成熟算法此处不再赘述。

本系统测量与背景技术传统方法的不同之处在于，能够通过引入探头电势屏蔽罩，保护电容探头在测试过程中不会与高压电极发生沿面闪络而引发探头故障，解决一定范围直流电压下非透明绝缘材料表面电势在线测试的问题。本发明可安装于壳体中，用于实现各类气体环境中绝缘材料表面电势分布特性及单点衰减规律测试，如真空、六氟化硫及氮气等正压力环境下。

下面结合附图1，对本系统的组装及测量操作方法说明如下：

(1)安装绝缘材料：将按照要求切割好的40mm×120mm×3mm的长方形板绝缘材料嵌入绝缘材料固定槽嵌，旋转高压电极，使其紧压在绝缘材料板上表面，绝缘板另一端上面覆盖地电极；

(2)安装调节探头保护罩位置，使其位于探头夹持器与高压电极之间，并紧贴探头夹持器放置，将其上端通过螺母接地，按照试验预期要求高压电源发生器施加直流电压并保持一定时间后，断开电压，如果过程中不发生高压电极对探头保护罩放电，那么既可以确定在相同电压施加方式下，探头在当前地点到地电极之间的任何位置移动都不会发生放电，此移动区域即为安全区域，如果发生放电，说明所施加的电压将可能对探头造成危害，建议降低电压，或者将探头保护罩到高压电极距离调大一些重复测试，直到没有放电发生为止；

(3)撤除探头保护罩，将探头安装到固定槽内，调节高度使下端距离待测绝缘材料表面3mm，按照预先制定的试验计划设置相应采集时间，开启采集系统后，以步骤(2)中所述方法施加电压并断开，待程序停止后，便得到施加电压前后探头下端部位电势积聚及衰减特性曲线；

(4)该过程结束后，可以通过滑动探头夹持器位置，测量绝缘表面不同位置下表面电势积聚及衰减特性。

Claims (10)

1.一种绝缘材料表面电势变化特性测量系统，其特征在于，所述测量系统包括底座，探头及电极固定支架，带有标尺的滑动导轨，探头夹持器，支撑柱，高压电极，地电极，电容探头，探头保护罩，绝缘材料固定槽，静电电压表，数据采集模块，以及数据处理系统及显示界面；其中，探头及电极固定支架通过支撑柱固定在底座上方，电极固定支架上设滑动导轨，滑轨标尺设置在滑动导轨一侧边，高压电极、探头保护罩和探头夹持器依次竖直安装在电极固定支架上，电容探头由探头夹持器夹持能沿滑动导轨移动，电容探头上端与静电电压表相连，高压电极与高压电源发生器相连；地电极固定在底座上，绝缘材料固定槽开设在底座上，底座上的固定槽与电极固定支架的滑动导轨上下位置对应；静电电压表、数据采集模块、数据处理系统及显示界面依次相连。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底座采用尺寸为300mm×200mm×10mm环氧云母板，并由设置在底座下面的四个高为40mm，直径为20mm聚四氟乙烯圆柱支撑，其中，所述聚四氟乙烯圆柱与所述底座用聚四氟乙烯螺栓固定。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，探头及电极固定支架采用厚度为10mm的T型有机玻璃板，T型有机玻璃板的顶边长140mm，竖直边长180mm，顶边正中开有直径10mm圆孔，用于固定所述高压电极，竖直边中间开有垂直于顶边的宽度10mm，长度120mm长缝隙作为其滑动导轨，用于固定所述探头夹持器；沿所述长缝隙刻蚀于狭缝一侧通过刻刀有滑轨标尺，精度5mm每格。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述探头夹持器由尺寸为30mm×20mm×10mm上盖和30mm×20mm×70mm下盖组成，上盖和下盖所述长缝隙上下两侧，通过两个直径5mm聚四氟乙烯螺栓固定，并确保能够手动沿所述长缝隙滑动，其中，上盖和下盖位于所述地电极一侧边开有5mm×5mm凹槽，用于放置所述电容探头。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的高压电极作为施加直流电压的电极，为直径10mm，长120mm铜圆柱电极，上端带有螺纹，被固定于所述T型有机玻璃顶边正中开孔，可通过旋转调节高低。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述地电极作为接地电极，为0.5mm厚，面积30mm×30mm铜板，通过螺钉固定于所述底座，位置靠近T型有机玻璃竖直边下部。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的探头保护罩用于预期试验电压下探头安全区域的确定，由顶端和下端两部分组成，二者为一整体，顶端高度10mm，宽度和厚度分别为30mm和3mm，下端为高度93mm，宽度和厚度分别为5mm和1mm的铜板，中间有一高10mm区域穿过探头夹持器导轨，安装时紧贴探头夹持器背面。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的绝缘材料固定槽用于试验过程中绝缘试样的固定，为所述底座中间40mm×120mm，深1mm的凹槽。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的数据处理系统及显示界面为一台配有使用LabVIEW编写的相应处理程序的台式计算机或笔记本电脑，用来对采样率及采样时间的控制，实现对表面电势进行实时采集，并实现表面电势到表面电势的转换，将数据进行显示存储，采用单点采样方式，时间间隔1ms。

10.一种采用如权利要求1所述测量系统在正压力环境下的各类气体环境中绝缘材料表面电势转移进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤；

(1)安装绝缘材料：将按照要求切割好的绝缘材料嵌入绝缘材料固定槽，旋转高压电极，使其紧压在绝缘材料板上表面，绝缘板另一端上面覆盖地电极；

(2)安装调节探头保护罩位置，使其位于探头夹持器与高压电极之间，并紧贴探头夹持器放置，将其上端接地，按照试验预期要求高压电源发生器施加直流电压并保持一定时间后，断开电压，如果过程中不发生高压电极对探头保护罩放电，则确定在相同电压施加方式下，探头在当前地点到地电极之间的任何位置移动都不会发生放电，此移动区域即为安全区域，如果发生放电，降低电压，或者将探头保护罩到高压电极距离调大重复测试，直到没有放电发生为止；

(3)撤除探头保护罩，将探头安装到绝缘材料固定槽内，调节高度使下端距离待测绝缘材料表面3mm，按照预先制定的试验计划设置相应采集时间，开启采集系统后，以步骤(2)中所述方法施加电压并断开，便得到施加电压前后探头下端部位电势积聚及衰减特性曲线；

(4)该过程结束后，通过滑动探头夹持器位置，测量绝缘表面不同位置下表面电势积聚及衰减特性。