CN105259430A - 一种基于pea法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极 - Google Patents

Abstract

一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，属于高电压与绝缘领域。为解决PEA法测量交流叠加直流电压下平板状固体绝缘材料空间电荷分布的问题，本发明的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极包括上电极、下电极、电极紧固件、交流叠加直流电源、纳秒脉冲电源、试样及信号放大器；试样位于下电极的上表面中心位置，上电极位于试样的正上方，上电极与下电极之间无接触，上电极与下电极之间通过电极紧固件夹紧，交流叠加直流电源及纳秒脉冲电源与上电极电连接，信号放大器固定于下电极内部。本发明用于PEA法测量交流叠加直流电压下平板状固体绝缘材料空间电荷分布，本发明主要应用在高电压与绝缘领域。

Description

一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极

技术领域

本发明涉及一种空间电荷测量电极，具体涉及一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，属于高电压与绝缘领域。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展，负荷中心对电力需求的日益增加，带动了我国高压和特高压电网建设的快速发展。高压直流输电以其功率调节的快速灵活、不增加系统的短路容量、可协助系统的暂态稳定性、损耗低和占地少等优点，在远距离大容量输电、异步联网、海底电缆输电等方面获得了广泛的应用。但直流设备也经受着比传统交流设备更加严苛的考验，如：换流变压器由于运行工况的特殊性，其阀侧绕组的激励电压除承受交流电压、雷电冲击和操作过电压外，还承受直流、交流叠加直流和极性反转等电压作用。在直流电压的作用下介质中不可避免的会产生空间电荷，研究表明，油纸绝缘内部的空间电荷会对其内部电场分布产生极大的影响，从而影响材料的绝缘性能。在换流变压器运行过程中，油纸绝缘材料中容易形成空间电荷，空间电荷的积聚、运动和消散过程会直接影响电介质内部的电场分布，引起电场的畸变，进而影响材料的电导、击穿和老化等电气性能。因此，对介质中空间电荷的分布及运输过程进行分析是十分必要的。

PEA法是目前在空间电荷测量时应用比较普遍的方法，PEA法测量空间电荷时首先在试样上施加一个直流电场，使试样中产生空间电荷，而后对试样施加一个宽度极窄的脉冲电压，当脉冲电场作用在空间电荷上时，会使电荷产生轻微的扰动，进而产生振动波，通过传感器将振动波捕获并对信号进行处理还原，从而得到试样内的空间电荷分布。但现有的PEA法测量装置是在直流电压下测量介质中空间电荷的分布，无法对对交流叠加直流电压下的空间电荷分布进行测量。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，以至少解决现有的PEA法测量装置是在直流电压下测量介质中空间电荷的分布，无法对对交流叠加直流电压下的空间电荷分布进行测量的问题。

方案：本发明的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，能够有效对介质进行交流叠加直流电压下的空间电荷分布测量。

一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，它包括上电极、下电极、电极紧固件、交流叠加直流电源、纳秒脉冲电源、试样及信号放大器；

上电极、试样及下电极由上到下顺序布置，试样位于上电极和下电极的中心位置处，上电极与下电极之间无接触，电极紧固件将上电极、下电极以及试样的相对位置固定，并使上电极和下电极均与试样紧密接触，信号放大器安装于下电极上；

上电极，用于为试样上表面提供高电位，下电极用于为试样下表面提供地电位，上电极与下电极相配合使试样中产生空间电荷，上电极将测量空间电荷时所需高压脉冲引入试样上；下电极对PEA法所得到的空间电荷特征信息进行捕捉；

交流叠加直流电源和纳秒脉冲电源均与上电极电连接，信号放大器与下电极电连接；

交流叠加直流电源，用于产生交流叠加直流电压，使试样中产生空间电荷；纳秒脉冲电源，用于PEA法测量空间电荷时对试样注入高压脉冲；信号放大器，用于对PEA法测量到的空间电荷特征信号进行放大。

对方案进行具体设计：所述上电极包括金属外壳、中心电极柱、开孔以及套管；金属外壳顶部具有开孔，开孔处设置聚四氟乙烯制成的套管，中心电极柱设置在金属外壳内部，交流叠加直流电源的第一高压引线通过套管引入上电极内部，纳秒脉冲电源的第二高压引线亦通过套管引入上电极内部。

更具体地，金属外壳内部空隙由环氧树脂填充并固化。

其有益效果是将高电位引入上电极内，避免高压线与电极金属外壳之间击穿或沿面闪络。

对方案进行具体设计：所述交流叠加直流电源包括高压交流电源、高压直流电源、高压硅堆、两个限流电阻、隔直电容以及两根第一高压引线；所述纳秒脉冲电源包括第二高压引线、耦合电容、匹配电阻及高压纳秒脉冲发生器；

其中，高压交流电源通过一根第一高压引线引入上电极内部与一个第一限流电阻的上端连接，该第一限流电阻的下端与隔直电容的上端连接，隔直电容的下端与中心电极柱连接；

其中，高压直流电源通过另一个第一高压引线引入上电极内部与高压硅堆的上端连接，高压硅堆的下端另一个限流电阻的上端连接，该限流电阻的下端与中心电极柱连接；

其中，高压纳秒脉冲发生器高压端通过第二高压引线与耦合电容的上端连接，耦合电容的上端同时与耦合电容的左端连接，耦合电容的右端与金属外壳连接，耦合电容的下端与中心电极柱连接。

其有益效果是产生将交流叠加直流电压，并将交流叠加直流电压以及脉冲电压连接至中心电极柱，通过与试样紧密接处的中心电极柱将测试所需电压施加在试样上。

对方案进行具体设计：所述下电极包括下电极板、下电极护套、压电传感器、吸波材料、绝缘套、金属外壳、SMA同轴插座以及支架；

其中，下电极板上表面中心位置具有第一凹槽，第一凹槽直径比上电极金属外壳直径大；下电极板下表面中心位置具有第二凹槽，在第二凹槽中由内向外依次装有压电传感器、吸波材料、绝缘套以及SMA同轴插座；SMA同轴插座与信号放大器输入端连接，信号放大器由支架固定在金属外壳内表面上；金属外壳与下电极板下表面连接形成密闭空间，金属外壳接地，压电传感器、吸波材料、绝缘套以及SMA同轴插座以及信号放大器位于密闭空间内；

更具体地，所述下电极板为铝合金制圆形平板；

更具体地，所述第一凹槽直径比上电极金属外壳直径大4mm、深度为2mm；

更具体地，所述第二凹槽深度为10mm、直径为30mm；

更具体地，所述下电极板在第一凹槽外具有通孔，通孔用于安装电极紧固件；

更具体地，所述金属外壳侧面装有BNC座，BNC座内端与信号放大器输出端连接。

对方案进行具体设计：所述的电极紧固件包括压板、绝缘螺柱以及绝缘螺母；压板压在上电极的上表面上，压板与下电极板通过绝缘螺柱以及绝缘螺母连接在一起；

更具体地，压板为环氧树脂玻璃丝板，压板上具有通孔，通孔的直径能够使绝缘螺柱穿过但绝缘螺母无法穿过。

本发明将交流叠加直流电路搭建于上电极内，通过聚四氟乙烯套管将高电压引入电极内；使用环氧树脂对电极内部进行填充、浇筑，起到固定器件、避免局部放电以及防止击穿的作用；从而达到将交流叠加直流电压施加在试样上的目的。

本发明带来的有益效果是，在使用PEA法测量空间电荷分布时，可成功的将交流叠加直流电压施加在试样两端，从而实现对材料进行交流叠加直流电压下空间电荷分布特性的测量。本发明可用于对材料的交流叠加直流电压下绝缘特性进行定量分析，从而指导改进材料的交流叠加直流电压下绝缘特性，进一步提升装备制造业的水平。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极的总体结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极的具体结构示意图；

图3为本发明所述的下电极的具体结构示意图。

图中：1上电极；2下电极；3电极紧固件；4交流叠加直流电源；5纳秒脉冲电源；6试样；7信号放大器；1-1中心电极柱；1-2环氧树脂；1-3金属外壳；1-4开孔；1-5套管；2-1支架；2-2下电极板；2-3下电极护套；2-4压电传感器；2-5吸波材料；2-6绝缘套；2-7金属外壳；2-8SMA同轴插座；2-9第一凹槽；2-10第二凹槽；2-11BNC座；2-12密闭空间；3-1压板；3-2绝缘螺柱；3-3绝缘螺母；4-1高压交流电源；4-2高压直流电源；4-3高压硅堆；4-4限流电阻；4-5隔直电容；4-6第一高压引线；5-1第二高压引线；5-2耦合电容；5-3匹配电阻；5-4高压纳秒脉冲发生器。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

参见图1及图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，它包括上电极1，下电极2，电极紧固件3，交流叠加直流电源4，纳秒脉冲电源5，试样6及信号放大器7；

如图1所示，所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极中由上到下顺序依次为上电极1、试样6及下电极2，上电极1与下电极2之间由电极紧固件3夹紧；

如图1及图2所示，所述的电极紧固件3包括压板3-1、绝缘螺柱3-2以及绝缘螺母3-3，夹紧电极时，将上电极1、试样6及下电极2由上到下顺序依次放好，将压板3-1至于上电极1上面，绝缘螺柱3-2分别穿过压板3-1上的通孔3-4和下电极板2-2的通孔2-13，并通过拧紧两端的绝缘螺母3-3使上电极1、试样6及下电极2夹紧；

所述的压板3-1为环氧树脂玻璃丝板，压板3-1上具有通孔3-4，通孔3-4的直径能够使绝缘螺柱3-2穿过但绝缘螺母3-3无法穿过；

所述的绝缘螺柱3-2及绝缘螺母3-3均由环氧玻璃棒制成；

所述的绝缘螺柱3-2数量为2，压板3-1上通孔3-4数量与绝缘螺柱3-2数量相同，下电极板2-2的通孔2-13数量与绝缘螺柱3-2数量相同，绝缘螺母3-3的数量为绝缘螺柱3-2数量的2倍；

如图2所示，所述的上电极1包括金属外壳1-3、中心电极柱1-1、及填充环氧树脂1-2、开孔1-4及套管1-5；

所述的金属外壳1-3顶部具有开孔1-4，所述的开孔1-4由聚四氟乙烯制成的套管1-5穿过，高压交流电源4-1及高压直流电源4-2的高压引线4-6通过套管1-5引入电极1内部，纳秒脉冲电源5的高压引线5-1亦通过套管1-5引入电极1内部；

所述的高压交流电源4-1通过高压引线4-6引入电极1内部与限流电阻4-4的上端连接，限流电阻4-4的下端与隔直电容4-5的上端连接，隔直电容4-5的下端与中心电极柱1-1连接；

所述的高压直流电源4-2通过高压引线4-6引入电极1内部与限流电阻4-4的上端连接，限流电阻4-4的下端与中心电极柱1-1连接；

所述的高压纳秒脉冲发生器5-4高压端通过高压引线5-1与耦合电容5-2的上端连接，耦合电容5-2的上端连接同时与耦合电容5-2的左端连接，耦合电容5-2的右端与金属外壳1-3连接，耦合电容5-2的下端与中心电极柱1-1连接；

所述的金属外壳1-3内部空隙由环氧树脂1-2填充并固化；

所述的下电极板2-2为铝合金制平板；

所述的下电极板2-2俯视时为圆形且下电极板2-2上表面中心位置具有凹槽2-9，凹槽2-9直径比上电极金属外壳1-3直径大4mm、深度为2mm；

所述的下电极板2-2在凹槽2-9外具有通孔2-13，通孔2-13的直径能够使绝缘螺柱3-2穿过但绝缘螺母3-3无法穿过；

所述的下电极板2-2下表面中心位置亦有凹槽2-10，下表面凹槽2-10深度10mm、直径30mm；

所述的下表面凹槽2-10中由内向外依次装有压电传感器2-4、吸波材料2-5、绝缘套2-6以及SMA同轴插座2-8；

所述的SMA同轴插座2-8与信号放大器7输入端连接，信号放大器7由支架2-1固定在金属外壳2-7内表面上；

所述的金属外壳2-7侧面装有BNC座2-11，BNC座2-11内端与信号放大器7输出端连接，金属外壳2-7与下电极板2-2下表面连接形成密闭空间2-12，压电传感器2-4、吸波材料2-5、绝缘套2-6以及SMA同轴插座2-8以及信号放大器7位于密闭空间2-12内；

另外，根据一种实现方式，参见图1及图2说明本实现方式，本实现方式中所述绝缘螺柱3-2数量为4，压板3-1上通孔3-4数量与绝缘螺柱3-2数量相同，下电极板2-2的通孔2-13数量与绝缘螺柱3-2数量相同，绝缘螺母3-3的数量为绝缘螺柱3-2数量的2倍。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：它包括上电极(1)、下电极(2)、电极紧固件(3)、交流叠加直流电源(4)、纳秒脉冲电源(5)、试样(6)及信号放大器(7)；

上电极(1)、试样(6)及下电极(2)由上到下顺序布置，试样位于上电极和下电极的中心位置处，上电极与下电极之间无接触，电极紧固件(3)将上电极(1)、下电极(2)以及试样(6)的相对位置固定，并使上电极(1)和下电极(2)均与试样(6)紧密接触，信号放大器(7)安装于下电极(2)上；

上电极(1)，用于为试样(6)上表面提供高电位，下电极(2)用于为试样(6)下表面提供地电位，上电极(1)与下电极(2)相配合使试样(6)中产生空间电荷，上电极(1)将测量空间电荷时所需高压脉冲引入试样(6)上；下电极(2)对PEA法所得到的空间电荷特征信息进行捕捉；

交流叠加直流电源(4)和纳秒脉冲电源(5)均与上电极(1)电连接，信号放大器(7)与下电极(2)电连接；

交流叠加直流电源(4)，用于产生交流叠加直流电压，使试样(6)中产生空间电荷；纳秒脉冲电源(5)，用于PEA法测量空间电荷时对试样(6)注入高压脉冲；信号放大器(7)，用于对PEA法测量到的空间电荷特征信号进行放大。

2.根据权利要求1所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述上电极(1)包括金属外壳(1-3)、中心电极柱(1-1)、开孔(1-4)以及套管(1-5)；金属外壳(1-3)顶部具有开孔(1-4)，开孔(1-4)处设置聚四氟乙烯制成的套管(1-5)，中心电极柱(1-1)设置在金属外壳(1-3)内部，交流叠加直流电源(4)的第一高压引线(4-6)通过套管(1-5)引入上电极(1)内部，纳秒脉冲电源(5)的第二高压引线(5-1)亦通过套管(1-5)引入上电极(1)内部。

3.根据权利要求2所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述交流叠加直流电源(4)包括高压交流电源(4-1)、高压直流电源(4-2)、高压硅堆(4-3)、两个限流电阻(4-4)、隔直电容(4-5)以及两根第一高压引线(4-6)；所述纳秒脉冲电源(5)包括第二高压引线(5-1)、耦合电容(5-2)、匹配电阻(5-3)及高压纳秒脉冲发生器(5-4)；

其中，高压交流电源(4-1)通过一根第一高压引线(4-6)引入上电极(1)内部与一个第一限流电阻(4-4)的上端连接，该第一限流电阻(4-4)的下端与隔直电容(4-5)的上端连接，隔直电容(4-5)的下端与中心电极柱(1-1)连接；

其中，高压直流电源(4-2)通过另一个第一高压引线(4-6)引入上电极(1)内部与高压硅堆(4-3)的上端连接，高压硅堆(4-3)的下端另一个限流电阻(4-4)的上端连接，该限流电阻(4-4)的下端与中心电极柱(1-1)连接；

其中，高压纳秒脉冲发生器(5-4)高压端通过第二高压引线(5-1)与耦合电容(5-2)的上端连接，耦合电容(5-2)的上端同时与耦合电容(5-2)的左端连接，耦合电容(5-2)的右端与金属外壳(1-3)连接，耦合电容(5-2)的下端与中心电极柱(1-1)连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述下电极(2)包括下电极板(2-2)、下电极护套(2-3)、压电传感器(2-4)、吸波材料(2-5)、绝缘套(2-6)、金属外壳(2-7)、SMA同轴插座(2-8)以及支架(2-1)；

其中，下电极板(2-2)上表面中心位置具有第一凹槽(2-9)，第一凹槽(2-9)直径比上电极金属外壳(1-3)直径大；下电极板(2-2)下表面中心位置具有第二凹槽(2-10)，在第二凹槽(2-10)中由内向外依次装有压电传感器(2-4)、吸波材料(2-5)、绝缘套(2-6)以及SMA同轴插座(2-8)；SMA同轴插座(2-8)与信号放大器(7)输入端连接，信号放大器(7)由支架(2-1)固定在金属外壳(2-7)内表面上；金属外壳(2-7)与下电极板(2-2)下表面连接形成密闭空间(2-12)，金属外壳(2-7)接地，压电传感器(2-4)、吸波材料(2-5)、绝缘套(2-6)以及SMA同轴插座(2-8)以及信号放大器(7)位于密闭空间(2-12)内。

5.根据权利要求4所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述下电极板(2-2)为铝合金制圆形平板。

6.根据权利要求4所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述第一凹槽(2-9)直径比上电极金属外壳(1-3)直径大4mm、深度为2mm；所述第二凹槽(2-10)深度为10mm、直径为30mm。

7.根据权利要求4所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述下电极板(2-2)在第一凹槽(2-9)外具有通孔(2-13)，通孔(2-13)用于安装电极紧固件(3)。

8.根据权利要求4所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述金属外壳(2-7)侧面装有BNC座(2-11)，BNC座(2-11)内端与信号放大器(7)输出端连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：所述的电极紧固件(3)包括压板(3-1)、绝缘螺柱(3-2)以及绝缘螺母(3-3)；压板(3-1)压在上电极(1)的上表面上，压板(3-1)与下电极板(2-2)通过绝缘螺柱(3-2)以及绝缘螺母(3-3)连接在一起。

10.根据权利要求9所述的一种基于PEA法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极，其特征在于：压板(3-1)为环氧树脂玻璃丝板，压板(3-1)上具有通孔(3-4)，通孔(3-4)的直径能够使绝缘螺柱(3-2)穿过但绝缘螺母(3-3)无法穿过。