CN105425057A - 一种基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带环境参数及电极压力控制的基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置，属于固体电介质空间电荷测量技术领域。测试装置包括密封罩、智能控制显示单元、上电极系统、下电极系统等。通过在测试电极平台外加可拆卸式密封罩，加入智能温湿度控制系统，安装贴片式压力传感器以及贴片式电极温度传感器，在并将面板式智能控制显示单元集成于罩外，用于显示电极压力、电极温度，并智能控制、调节密封罩内温度及湿度。本测试装置可准确控制测试装置密封罩内温度及湿度，实现较高温度下的空间电荷测试，并确保每次试验中被测样品压紧程度的一致性，特别适用于工作在较高温度下、具有较强吸潮性、结构疏松的油纸绝缘材料的空间电荷测试。

Description

一种基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置

技术领域

本发明涉及电介质材料的空间电荷测量技术领域，尤其涉及一种基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置。

背景技术

自上世纪80年代电声脉冲法（PEA）问世以来，国际国内开展了大量基于PEA技术的电介质材料（聚合物材料、陶瓷材料、油纸材料等）空间电荷输运特性研究。

电声脉冲法的原理是利用高压脉冲和绝缘介质中的电荷层的相互作用产生与材料中的电荷成正比的声压力波，然后将这些声压力波通过压电传感器转化为电信号并放大从而被数字示波器获取并显示，通过对该电压信号分析即可得出电介质内部空间电荷密度分布。

电声脉冲法的硬件设备最初是针对聚合物材料而设计的，自上个世纪末开始有学者将其运用到油纸绝缘介质的空间电荷测试中，经过近十几年的研究，取得了较好的进展。然而，对于油纸混合绝缘介质而言，绝缘油和绝缘纸自身的特点决定了对其采用PEA法测量空间电荷时需要特别关注测试细节问题。

首先，目前国内大部分电声脉冲法的测试平台采用开放式，即在开放的环境下进行空间电荷特性测试，测试时间一般为半小时到数小时。对于绝缘油和绝缘纸的组成的混合绝缘介质而言，因其自身的吸潮性，特别对于Mideloil，Biotempoil等具有较高水饱和含量的绝缘油及其油纸混合介质而言，长时间的开放性试验，必将使得油纸介质中的含水量受环境湿度的影响而产生变化。而现有研究成果表明，水分含量的变化会极大地影响油纸介质内部的空间电荷运动。类似的，对于聚合物介质，其测试过程中的吸潮性对其空间电荷测试的影响也不容忽视。

此外，水分含量的变化亦会影响油纸介质空间电荷信号处理。在电声脉冲法测试过程中，声速及声阻抗是影响空间电荷信号获取的非常重要的参数，含水量的变化将会影响介质中的声速及声阻抗，进而带来空间电荷测试数据的误差。

同时，在长期性空间电荷试验中，环境温度的变化也会对空间电荷的运动规律以及电声信号的分析处理带来极大地影响。因此，必须严格、准确地控制测试环境参数。

特别的，由于油纸混合绝缘介质疏松、易压缩的特质，当其被放置于上下电极之间时，油纸样本的厚度会受到上电极自重及电极压紧螺栓带来的压力作用大小的影响，而样本厚度对于基于电声脉冲法的空间电荷测试来讲，直接影响着样本内部的空间电荷分布情况。因此，如何确保多次试验中，油纸样本所受到的电极压紧程度的一致性，进而确保被测样品厚度不受影响，也是需要特别关注的。

值的注意的是，根据现有文献资料显示，部分PEA试验的测试环境为大试验室条件下的温湿度控制，如此虽能够达到控制环境参数的效果，但明显不够经济、节能；此外，大部分绝缘材料通常是工作在高温、高压并伴随着各种高能射线的恶劣环境下，例如，电力变压器运行时其热点温度可能达到90℃甚至更高。因此，在分析油纸绝缘材料空间电荷特性时，只有结合实际运行过程中的热点温度，引入较高温度场下的空间电荷的测量和分析，才能更好地了解在实际运行过程中电介质材料的空间电荷特性。然而，现有的基于PEA技术的空间电荷的研究，最高温度仅为60℃，尚未见较高温度下的空间电荷试验的报道。

发明内容

本发明提供了一种基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置，用以实现测试环境参数（温度、湿度）可控，电极压力准确控制，电极温度准确控制，以及较高温度下的基于PEA技术的电介质材料空间电荷测试。由于在相对较小的封闭环境下测试，在提升测试结果准确性的同时，在一定程度上降低了试验测试所需能源成本。

所述测量装置包由密封罩、智能控制显示单元（罩内温度、罩内湿度、电极压力、电极温度）、上电极系统、下电极系统等部分组成。将用耐高温防静电透明PC工程塑料板制成的密封罩罩体28，利用尼龙材质的大六角固定螺栓3将其固定于铝制下电极12上（必要时也可以通过大六角固定螺栓3将密封罩罩体28拆卸掉），并利用丁腈橡胶材质的密封圈2垫在密封罩罩体28与铝制下电极12之间起到密封隔热作用。

所述密封罩罩体28一侧设有开启门，通过小六角固定螺栓15实现开启或密闭。

所述密封罩罩体28的一侧安装面板式智能控制显示单元13。该智能控制显示单元13由温湿度控制单元、电极压力测试单元和电极温度测试单元构成。温湿度控制单元主要由传感器、控制器、加热器（加热风扇）、温湿度显示等几部分组成。通过选择合适型号，可将其集成于智能控制显示单元13内部。

所述电极压力测试单元由电极压力传感器16、压力显示单元（集成于智能控制显示单元13）、SMA屏蔽线27构成。电极压力传感器16采用贴片式压力传感器，使用耐高温绝缘树脂将其安装在上电极压紧螺栓29上，压力量程为0.5Bar到15Bar，工作温度范围为-65°F到+250°F(-55℃到+120℃)，小管脚，高固有频率，抗振动和冲击。通过SMA屏蔽线27将电极压力传感器16的输出信号传送至压力显示单元，并将其集成在密封罩外的智能控制显示单元13上，可实时显示出电极压紧螺栓对于上电极的压力。

所述电极温度传感器19利用耐高温绝缘树脂将其安装在下电极上靠近上电极的位置，利用SMA屏蔽线27将传感器信号传输到智能控制显示单元13，并在显示界面显示出电极温度。

本发明的工作过程是：首先在智能控制显示单元设定试验环境温度及湿度，打开密封罩，打开上电极压紧螺栓，在样品槽放入待测试样之后，结合智能控制显示单元显示的上电极压力选择合适的压力数值，并于多次重复试验中保持此数值不变。关上密封罩后，温湿度控制单元开始自动调节罩内温湿度。同时，智能控制显示单元亦实时显示电极温度，作为试验参考数据之一。待环境温湿度达到设定数值之后，从上电极向试样施加高压直流电场，使试样中产生空间电荷，同时从上电极向试样施加高压窄脉冲，使得试样内部的空间电荷在高压窄脉冲作用下发生微小振动，并以声波的形式传递到下电极，通过紧贴在下电极下表面的压电传感器转化为电信号，再经过放大器放大，并通过示波器读取电压信号波形，根据电声脉冲法的原理，经过压电传感器转化之后的电压信号就是试样中空间电荷量的大小及位置的信号。示波器所读的波形通过GPIB采集卡读传输到电脑，电脑将所采集到的信号进行各种数学的分析和处理，最终输出试验内部空间电荷的波形。

本发明采取以下措施，实现空间电荷测试过程中环境参数及电极压力的控制：

采用耐高温防静电透明PC工程塑料板制成的密封罩罩体28，利用尼龙材质的大六角固定螺栓3将其固定于铝制下电极12上（必要时也可以通过大六角固定螺栓3将密封罩罩体28拆卸掉），并利用丁腈橡胶材质的密封圈2垫在密封罩罩体28与铝制下电极12之间起到密封隔热作用。于密封罩罩体28的一侧安装面板式智能控制显示单元13，主要由传感器、控制器、加热器（加热风扇）、温湿度显示等几部分组成，可智能控制罩内温度及湿度。可准确控制测试装置密封罩内的温度及湿度，不受外界环境温湿度的影响，并且测试温度范围较宽，可实现较高温度下的空间电荷测试。

通过安装在下电极上靠近上电极的位置的电极温度传感器19，可在智能控制显示单元13的显示界面显示出电极温度，作为试验时的参考数据。

通过在测试电极压紧螺栓29处安装贴片式电极压力传感器16，其压力数值可在智能控制显示单元13的显示界面上显示，从而在试验样品放置好之后，在固定上电极的过程中，结合智能控制显示单元上显示的电极压力数值，使得空间电荷测试试验的环境参数、样品实际被测厚度保持一致。

本发明的有益效果为，本发明提供了一种带环境参数控制的基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置，本发明的实施可实现空间电荷测试过程中，测试环境参数（温度、湿度）可控，电极压力准确控制，电极温度准确控制，以及较高温度下的基于PEA技术的电介质材料空间电荷测试。同时，由于在相对较小的封闭环境下测试，在提升测试结果准确性的同时，在一定程度上降低了控制试验测试环境参数所需的能源成本。

附图说明

图1为本发明提出的测试装置的示意图；

图2为本发明提出的测试装置中密封罩及智能控制显示单元的示意图；

图3为本发明提出的测试装置中上电极、压紧螺栓及压力传感器的示意图；

图4为本发明提出的测试装置中智能控制显示单元的参数显示面板的示意图。

图1-4中，1--直流电压源，2--密封圈，3--大六角固定螺栓，4--铜屏蔽层，5--压电传感器，6--冷却风扇，7--放大器，8--吸收层，9--聚四氟乙烯外壳，10--示波器，11--电脑，12--铝制下电极，13--智能控制显示单元（参数显示面板），14--脉冲发生器，15--固定螺栓，16--电极压力传感器，17--活动转轴，18--小六角固定螺栓，19--电极温度传感器，20--上电极外壳，21--保护电阻，22--上电极，23--半导电膜层，24--样品槽，25--隔直电容器，26--匹配电阻，27--SMA屏蔽线，28--密封罩罩体，29--电极压紧螺栓。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的说明。图1为实施例的测试装置示意图，所述测量装置包由密封罩、智能控制显示单元（罩内温度、罩内湿度、电极压力、电极温度）、上电极系统、下电极系统等部分组成。

直流电压源1可以在样本上提供恒定的直流电压。

密封罩由密封罩罩体28、大六角固定螺栓3以及密封圈2组成。密封罩罩体28为耐高温防静电透明PC工程塑料板，具有较好阻燃性、透光率、耐热性、绝缘性，坚固耐用；大六角固定螺栓3采用尼龙螺栓，无磁性、防干扰、不生锈、耐腐蚀、耐酸碱；密封圈2采用丁腈橡胶密封圈，耐酸碱腐蚀，耐高温，耐老化，能起到良好的密封隔热作用。

智能控制显示单元13由温湿度控制单元、电极压力测试单元和电极温度测试单元构成。温湿度控制单元主要由传感器、控制器、加热器（加热风扇）、温湿度显示（集成于智能控制显示单元13）等几部分组成。传感器检测密封罩内温湿度信息，并传递到控制器由控制器分析处理：当罩内的温度、湿度未达到预先设定的值时，控制器中的继电器触点闭合，加热器（或风扇）接通电源开始工作，对罩内进行加热或鼓风等；一段时间后，罩内温度或湿度达到设定值，控制器中的继电器触点断开，加热或鼓风停止。通过设备良好选型，可使得温湿度控制范围为：温度（20℃～99℃），湿度15%RH～95%RH。控制精度为：温度±1℃，湿度±3%RH。

电极压力测试单元由压力传感器16、压力显示单元（集成于智能控制显示单元13）、SMA屏蔽线27构成。压力传感器16采用贴片式压力传感器，使用耐高温绝缘树脂将传感器安装在上电极压紧螺栓29上，压力量程为0.5-15Bar，工作温度范围为-65°F到+250°F(-55℃到+120℃)小管脚，高固有频率，抗振动和冲击。补偿温度范围(+20℃到+80℃)可定制温度补偿范围。压力显示单元集成在密封罩外的智能控制显示单元13上，可实时显示出电极压紧螺栓对于上电极的压力。

电极温度测试单元由贴在下电极的紧靠上电极位置的贴片式电极温度传感器19、SMA屏蔽线27）、温湿度显示（集成于智能控制显示单元13）等几部分组成。

铜屏蔽层4以铜层作为良好的电磁波和噪声屏蔽层，保证屏蔽层内信号传输处理不受外界影响。压电传感器5将声波信号转换成电信号。电荷密度的大小与电信号成正比。冷却风扇6起到对铜屏蔽层4及其内部电子元件的降温功能。放大器7，由于压电传感器的输出信号非常弱，故采用放大器7放大原始输出信号。吸收层8可吸收由不同材料界面引起的反射声波,防止其对原始声波信号的干扰。聚四氟乙烯外壳9用于放入相应的压电传感层和吸收层，同时具有良好的电绝缘作用。示波器10，输出的电信号可以输入进示波器10中，从而在示波器10上显示空间电荷密度的分布。电脑11，通过电脑11中的Labview软件进行相应空间电荷信号进行分析处理，从而获得相应空间电荷密度、电场强度数据。铝制下电极12为铝材料下电极。脉冲发生器14可提供脉冲波，通过选择不同的脉冲来控制空间电荷输出波形的质量和分辨率。小六角固定螺栓15，起到开启或关闭密封罩罩体28的作用。活动转轴17，可通过打开或拧紧小六角螺栓固定螺栓18控制电极压紧螺栓29，实现上电极压紧程度控制。上电极外壳20为铜质，对内部元器件起到包裹作用。保护电阻21可保护高压源设备，以防短路带来的影响。上电极22为铜电极。半导电层23，可提供良好的声阻抗匹配。样品槽24可放盛放固体或液体待测样品。隔直电容器25，从脉冲发生器产生的信号包括交流和直流的成分，隔直电容器可以阻隔脉冲中的直流分量,导致交流信号通过电容器。匹配电阻26终端电阻值大小相同，以减少传输电信号的振动和反射。SMA屏蔽线27用以连接电极压力测试单元16和智能控制显示单元13，也用以连接电极温度传感器19和智能控制显示单元13，起到信号传输的作用。

如图2所示，首先在智能控制显示单元13设定试验环境温度及湿度，通过调节固定螺栓15打开密封罩28，调节小六角固定螺栓18打开电极压紧螺栓29，取出上电极外壳20，在样品槽24内放入待测样品。然后，放上上电极外壳20，压紧电极压紧螺栓29，通过调节小六角固定螺栓18，结合图3中智能控制显示单元13中的电极压力显示控制电极压紧螺栓29的压紧程度。

然后，通过调节固定螺栓15关上密封罩28，中智能控制显示单元13中的温湿度控制单元开始自动调节罩内温湿度。传感器检测密封罩内温湿度信息，并传递到控制器由控制器分析处理。当罩内的温度、湿度未达到预先设定的值时，控制器中的继电器触点闭合，加热器（或风扇）接通电源开始工作，对罩内进行加热或鼓风等；一段时间后，罩内温度或湿度达到设定值，控制器中的继电器触点断开，加热或鼓风停止。然后，从上电极22向试样施加高压直流电场，使试样中产生空间电荷，同时从上电极22向试样施加高压窄脉冲，使得试样内部的空间电荷在高压窄脉冲作用下发生微小振动，并以声波的形式传递到铝制下电极12，通过紧贴在铝制下电极12下表面的压电传感器5转化为电信号，再经过放大器7放大，并通过示波器10读取电压信号波形，根据电声脉冲法的原理，经过压电传感器5转化之后的电压信号就是试样中空间电荷量的大小及位置的信号。示波器10所读的波形通过GPIB采集卡读传输到电脑11，电脑11将所采集到的信号进行各种数学的分析和处理，最终输出试验内部空间电荷的波形。

本实施例适用的直流高压范围为：0到50kV；环境温度控制范围：20℃到90℃；环境湿度控制范围：15%RH到95%RH；电极压力范围：0.5Bar到15Bar；高压窄脉冲的参数范围为：脉冲幅度：200到600V；脉冲宽度：几ns到几十ns；重复频率：50Hz到500Hz。

Claims (3)

1.一种带环境参数及电极压力控制的基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置，测试装置由密封罩、智能控制显示单元（环境温度、环境湿度、电极温度、电极压力）、上电极系统、下电极系统等部分组成；通过在测试电极平台外加可拆卸式密封罩使得罩内测试环境封闭可控，加入智能温湿度控制系统，在上电极压紧螺栓处安装贴片式压力传感器，在下电极平台紧靠上电极的位置安装贴片式电极温度传感器，在并将面板式智能控制显示单元集成于罩外，用于显示电极压力、电极温度，并智能控制、调节密封罩内温度及湿度。

2.根据权利要求1所述的一种带环境参数及电极压力控制的基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置，其特征在于：

测试装置密封罩由密封罩罩体（28）、大六角固定螺栓（3）以及密封圈（2）组成；密封罩罩体（28）采用耐高温防静电透明PC工程塑料板，具有较好阻燃性、透光率、耐热性和绝缘性；大六角固定螺栓（3）采用尼龙螺栓，无磁性、防干扰、不生锈、耐腐蚀且耐酸碱；

密封圈（2）采用丁腈橡胶密封圈，耐酸碱腐蚀，耐高温，耐老化，能起到良好的密封隔热作用；通过大六角固定螺栓（3）将密封罩罩体（28）固定在铝制下电极（12）上，并利用密封圈（2）起到密闭隔热的作用；在有需要时也通过调节大六角固定螺栓（3）撤除密封罩；密封罩一侧有开启门，由小六角固定螺栓（15）控制其打开或密闭。

3.根据权利要求1所述的一种带环境参数及电极压力控制的基于电声脉冲法的电介质材料空间电荷测试装置，其特征在于：

测试装置智能控制显示单元（13）由温湿度控制单元、电极压力测试单元和电极温度测试单元构成；温湿度控制单元主要由传感器、控制器、加热器（加热风扇）、温湿度显示（集成于智能控制显示单元（13））等几部分组成；传感器检测密封罩内温湿度信息，并传递到控制器由控制器分析处理：当罩内的温度、湿度未达到预先设定的值时，控制器中的继电器触点闭合，加热器（或风扇）接通电源开始工作，对罩内进行加热或鼓风等；一段时间后，罩内温度或湿度达到设定值，控制器中的继电器触点断开，加热或鼓风停止；温湿度控制范围为：温度20℃到90℃，湿度15%RH到95%RH；电极压力测试单元由压力传感器（16）、压力显示单元（集成于智能控制显示单元（13））、SMA屏蔽线（27）构成;压力传感器（16）采用贴片式压力传感器，使用耐高温绝缘树脂将传感器安装在上电极压紧螺栓（29）上，压力量程为0.5Bar到15Bar，工作温度范围为-65°F到+250°F(-55℃到+120℃)，小管脚，高固有频率，抗振动和冲击;补偿温度范围（+25℃到+80℃）内可定制温度补偿范围;压力显示单元集成在密封罩外的智能控制显示单元（13）上，可实时显示出电极压紧螺栓对于上电极的压力;电极温度测试单元由贴在下电极的紧靠上电极位置的贴片式电极温度传感器（19）、SMA屏蔽线（27）、温湿度显示（集成于智能控制显示单元（13））等几部分组成;

利用耐高温绝缘树脂将电极温度传感器19安装在下电极上靠近上电极的位置，利用SMA屏蔽线27将传感器信号传输到智能控制显示单元13，并在显示界面显示出电极温度。