CN106771683B - 一种高温抗干扰空间电荷测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高温抗干扰空间电荷测量装置及测量方法，该装置由脉冲耦合电路单元、电极测试单元以及声脉冲传感器单元构成；测试电极单元通过高温油浴将试样加热至不同温度；脉冲耦合电路单元通过常温油浴循环以隔离测试电极单元加热的影响；声脉冲传感器可采用聚偏氟乙烯‑三氟乙烯或铌酸锂晶体材料。方法包括步骤如下：1)根据测试温度需要，选择测试所需传感器材料；2)将试样置于测量装置中；3)调整常温及加热油浴循环系统；4)设置加热油浴循环系统的温度，待温度传感器达到设定值并稳定后，进行空间电荷测试。本发明能够有效排除电极测试单元加热对于脉冲耦合电路单元的影响，且屏蔽效果较好，实现了高温、高场强条件下的空间电荷的准确测量。

Description

一种高温抗干扰空间电荷测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及电气绝缘测试领域，具体涉及一种高温抗干扰空间电荷测量装置及测量方法。

背景技术

随着高压直流输电系统的快速发展，复合绝缘材料越来越广泛地应用于超、特高压直流输变电设备当中。然而超、特高压设备的运行电压高，载流量大，发热严重，复合绝缘材料在高温、高场强条件下的空间电荷输运与积聚特性的研究，对超、特高压直流输变电设备绝缘材料的选择、绝缘结构的设计与优化以及电网的安全、可靠运行有着重大意义。

目前常见复合绝缘材料的空间电荷测量装置大多是在较低温度(约为60℃)下进行测量；少数通过将R-C脉冲耦合电路置于测试腔体外部消除加热的影响，然而脉冲耦合电路的外置会导致其屏蔽效果不佳。一方面，随着超、特高压直流输电系统载流量的大幅提高，电力设备的运行温度也显著增高，部分电力设备(如套管)在运行时的热点温度能够达到130℃左右；另一方面，随着复合绝缘材料在超、特高压设备中的广泛应用，其空间电荷特性随温度的变化规律，尤其是在较高温度下的电荷输运与积聚特性亟待研究。

因此，有必要实现复合绝缘材料在高温下的空间电荷特性的准确测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种高温抗干扰空间电荷测量装置及测量方法，能够在高温、高场环境下测量固体复合绝缘材料的空间电荷特性，兼顾屏蔽性。

为了实现上述目的，本发明高温抗干扰空间电荷测量装置，包括脉冲耦合电路单元以及与脉冲耦合电路单元隔离连接的电极测试单元，脉冲耦合电路单元与电极测试单元组成用于设置上电极的腔体；所述的脉冲耦合电路单元侧壁上开孔连接常温油浴循环管路，电阻及电容设置于脉冲耦合电路单元内部的常温油浴当中；所述的电极测试单元侧壁上开孔连接高温油浴循环管路，上电极的顶部与脉冲耦合电路单元的内部连通，电极测试单元底部密封连接下电极，试样置于上电极与下电极之间的高温油浴之中进行加热；脉冲耦合电路单元的顶部密封设置上盖板，上盖板上开孔向上电极引入高压源及脉冲源导线，所述的下电极经过压电传感器、声波吸收材料以及放大器连接外部的示波器和计算机。

所述的上电极底部螺纹连接可更换电极，上电极经过可更换电极连接试样。

所述的下电极上安装有温度传感器。

所述的脉冲耦合电路单元与上盖板之间设置第一密封圈，电极测试单元与下电极之间设置第二密封圈；所述的下电极安装在底座上，上盖板、脉冲耦合电路单元、电极测试单元以及底座的材质均为铜。所述的下电极底面在底座形成的空间中设置传感器支座，压电传感器及声波吸收材料通过聚四氟环负公差配合固定于传感器支座当中。

所述的脉冲耦合电路单元与电极测试单元通过聚四氟隔板进行隔离，聚四氟隔板包括用于分隔上下两侧腔体的挡板以及设置在挡板中部用于固定上电极的筒体，所述的筒体上下两端开口并且内壁上设有能够固定上电极的台阶面。

本发明高温抗干扰空间电荷测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、打开脉冲耦合电路单元与电极测试单元，安装上电极并将试样紧密放置于上电极与下电极之间，调整位置确保试样几何中心与电极中心重合；

步骤二、打开与脉冲耦合电路单元相连接的常温油浴循环管路，调整管路流速，设置其温度为室温，使绝缘油将脉冲耦合电路单元内部充满并达到稳定循环状态；

步骤三、打开与电极测试单元相连的高温油浴循环管路，调整管路流速，使绝缘油刚好没过试样并达到稳定循环状态；

步骤四、连接好外部电路，然后设定高温油浴循环管路的温度对试样进行加热，当到达设定温度并稳定后，设置好脉冲源中波形的幅值，打开放大器及脉冲源，通过示波器和计算机测量该温度下试样的空间电荷特性。

若温度测试范围为100℃以下，则采用聚偏氟乙烯-三氟乙烯作为压电传感器的材料；若测试范围为100～250℃，则采用铌酸锂晶体作为压电传感器的材料。

与现有技术相比，本发明能够应用于室温到250℃的空间电荷测试，精度为±0.5℃，通过50kV耐压导线将高压源引入脉冲耦合电路单元内部腔体，通过BNC接头将脉冲源引入腔体，脉冲耦合电路单元连接常温油浴循环管路，电阻及电容设置于脉冲耦合电路单元内部的常温油浴当中，隔离了电极测试单元的加热对于电阻及电容的影响，填充绝缘油也保证了绝缘强度，消除了局部放电，相比以往环氧浇注的方式，便于更换，维护成本低。电极测试单元侧壁上开孔连接高温油浴循环管路，试样置于上电极与下电极之间的高温油浴之中进行加热，相比以往使用加热带的方式，缩小了加热面积，提高了加热效率。此外，压电传感器及声波吸收材料根据测试温度范围进行更换，大大提高了适用范围。本发明能够有效地屏蔽外部电磁干扰对测试腔体内部的影响，屏蔽效果较好，并且排除了电极测试单元加热时对于脉冲耦合电路单元的影响，实现了高温、高场强条件下的空间电荷的准确测量，本发明为研究固体绝缘材料中空间电荷的输运及积聚特性提供了实验平台及测试方法。

附图说明

图1本发明空间电荷测量装置的结构示意图；

附图中：1.上盖板；2.第一密封圈；3.脉冲耦合电路单元；4.常温油浴进油管；5.电极测试单元；6.第二密封圈；7.高温油浴进油管；8.下电极；9.压电传感器；10.放大器；11.聚四氟环；12.底座；13.高温油浴出油管；14.传感器支座；15.声波吸收材料；16.可更换电极；17.聚四氟隔板；18.上电极；19.常温油浴出油管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明高温抗干扰空间电荷测量装置包括脉冲耦合电路单元3以及与脉冲耦合电路单元3隔离连接的电极测试单元5，脉冲耦合电路单元3与电极测试单元5组成用于设置上电极18的腔体。脉冲耦合电路单元3与电极测试单元5通过聚四氟隔板17进行隔离，聚四氟隔板17包括用于分隔上下两侧腔体的挡板以及设置在挡板中部用于固定上电极18的筒体，筒体上下两端开口并且内壁上设有能够固定上电极18的台阶面。脉冲耦合电路单元3侧壁上开孔连接常温油浴循环管路，电阻及电容设置于脉冲耦合电路单元3内部的常温油浴当中；电极测试单元5侧壁上开孔连接高温油浴循环管路，上电极18的顶部与脉冲耦合电路单元3的内部连通，电极测试单元5底部密封连接下电极8，试样置于上电极18与下电极8之间的高温油浴之中进行加热，上电极18底部螺纹连接可更换电极16，上电极18经过可更换电极16连接试样，下电极8上安装有温度传感器。脉冲耦合电路单元3的顶部密封设置上盖板1，上盖板1上开孔向上电极18引入高压源及脉冲源导线，下电极8经过压电传感器9、声波吸收材料15以及放大器10连接外部的示波器和计算机。该测量装置的下电极8安装在底座12上，且下电极8底面在底座12形成的空间中设置传感器支座14，压电传感器9及声波吸收材料15通过聚四氟环11负公差配合固定于传感器支座14当中。脉冲耦合电路单元3与上盖板1之间设置第一密封圈2，电极测试单元5与下电极8之间设置第二密封圈6，上盖板1、脉冲耦合电路单元3、电极测试单元5以及底座12的材质均为铜。聚四氟隔板17与脉冲耦合电路单元3通过六方螺母连接，传感器支座14通过六方螺母紧固于下电极8底部。

任意波形发生器的地线、功率放大器的地线、脉冲源的地线及示波器的地线需单点接地，防止地电位浮动引起放电，进而影响测试结果的准确性。为了测量高电场强度下固体绝缘材料的空间电荷特性，测量装置需要施加高达数十千伏的直流或交流电压，为此，该测量装置外部配有任意波形发生器及3000倍功率放大器，输出电压可达60kV。为了测量结果更加准确，本测量装置采用的脉冲源最高输出电压达2kV，重复频率10kHz，脉宽20ns。

由于空间电荷测量中，压电传感器的感应信号十分微弱，所以高压源、示波器及脉冲源均使用隔离变压器供电，防止干扰信号经地线与实验信号耦合，且压电传感器9及声波吸收材料15通过一根高温同轴电缆引出，实现微弱信号的抗干扰。

实施1：

本发明高温空间电荷测试方法，包括如下步骤：

1)若温度测试范围为100℃以下，则采用聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))声传感器；通过与聚四氟乙烯环11的负公差配合，将其固定于传感器支座14上；

2)将固定脉冲耦合电路单元3腔体与电极测试单元5腔体的螺丝拧开，握住脉冲耦合电路单元3的腔体底座，向上抬起装置上部及与其相连接的聚四氟隔板17和上电极18；将试样放在下电极8的上表面上，调整位置确保试样几何中心与低压电极中心重合；放下脉冲耦合电路单元3的腔体及上电极18，使上电极18紧压在试样上；

3)打开与脉冲耦合电路单元3相连接的常温油浴系统，调整系统流速，设置其温度为室温，使绝缘油将腔体充满并达到稳定循环状态；

4)打开与电极测试单元5相连的高温油浴系统，调整系统流速，绝缘油刚好没过试样并达到稳定循环状态；

5)将腔体外部螺丝紧固，连接好外电路；

6)设定高温油浴系统的温度，加热试样；

7)待温度传感器达到设定值并稳定后，设置好波形发生器中波形的幅值，打开放大器10及脉冲源，通过示波器及显示系统测量该温度下的试样的空间电荷特性。

8)重复步骤S6～S7，可以实现试样在不同温度下的同一场强下的空间电荷测试。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

在测量过程中，若测试范围为100～250℃，则需改变步骤1)中声脉冲传感器的材料为铌酸锂(LiNbO3)晶体，实现更高温度下，不同高场强下的空间电荷测试。

实施例3：

在测量过程中，保持温度不变，通过改变步骤6)中的波形的幅值，可实现同一温度下，不同高场强下的空间电荷测试。

实施例4：

本实施例与实施例3的区别仅在于：

在测量过程中，步骤4)和5)中的温度和高压电源输出值同时改变，实现不同温度、不同高场强下的空间电荷特性测试。

实施例5：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

在测量过程中，若需研究不同电极材料对空间电荷注入的影响，则在步骤2)中将原铝电极拧下，再将所需的电极(如金电极、银电极)拧上，测试不同电极材料对空间电荷的影响。

Claims (6)

1.一种高温抗干扰空间电荷测量装置，其特征在于：包括脉冲耦合电路单元(3)以及与脉冲耦合电路单元(3)隔离连接的电极测试单元(5)，脉冲耦合电路单元(3)与电极测试单元(5)组成用于设置上电极(18)的腔体；所述的脉冲耦合电路单元(3)侧壁上开孔连接常温油浴循环管路，绝缘油将脉冲耦合电路单元(3)内部充满并达到稳定循环状态，电阻及电容设置于脉冲耦合电路单元(3)内部的常温油浴当中；所述的电极测试单元(5)侧壁上开孔连接高温油浴循环管路，上电极(18)的顶部与脉冲耦合电路单元(3)的内部连通，电极测试单元(5)底部密封连接下电极(8)，试样置于上电极(18)与下电极(8)之间的高温油浴之中进行加热，绝缘油没过试样并达到稳定循环状态，调节高温油浴循环管路的绝缘油温度对试样进行加热；脉冲耦合电路单元(3)的顶部密封设置上盖板(1)，上盖板(1)上开孔向上电极(18)引入高压源及脉冲源导线，所述的下电极(8)经过压电传感器(9)、声波吸收材料(15)以及放大器(10)连接外部的示波器和计算机；下电极(8)上安装有温度传感器，下电极(8)安装在底座(12)上，脉冲耦合电路单元(3)与上盖板(1)之间设置第一密封圈(2)，电极测试单元(5)与下电极(8)之间设置第二密封圈(6)；下电极(8)的底面在底座(12)形成的空间中设置传感器支座(14)，压电传感器(9)及声波吸收材料(15)通过聚四氟环(11)负公差配合固定于传感器支座(14)当中。

2.根据权利要求1所述的高温抗干扰空间电荷测量装置，其特征在于：所述的上电极(18)底部螺纹连接可更换电极(16)，上电极(18)经过可更换电极(16)连接试样。

3.根据权利要求1所述的高温抗干扰空间电荷测量装置，其特征在于：所述的上盖板(1)、脉冲耦合电路单元(3)、电极测试单元(5)以及底座(12)的材质均为铜。

4.根据权利要求1所述的高温抗干扰空间电荷测量装置，其特征在于：所述的脉冲耦合电路单元(3)与电极测试单元(5)通过聚四氟隔板(17)进行隔离，聚四氟隔板(17)包括用于分隔上下两侧腔体的挡板以及设置在挡板中部用于固定上电极(18)的筒体，所述的筒体上下两端开口并且内壁上设有能够固定上电极(18)的台阶面。

5.一种使用权利要求1所述高温抗干扰空间电荷测量装置的测量方法，其特征在于：

步骤一、打开脉冲耦合电路单元(3)与电极测试单元(5)，安装上电极(18)并将试样紧密放置于上电极(18)与下电极(8)之间，调整位置确保试样几何中心与电极中心重合；

步骤二、打开与脉冲耦合电路单元(3)相连接的常温油浴循环管路，调整管路流速，设置其温度为室温，使绝缘油将脉冲耦合电路单元(3)内部充满并达到稳定循环状态；

步骤三、打开与电极测试单元(5)相连的高温油浴循环管路，调整管路流速，使绝缘油刚好没过试样并达到稳定循环状态；

步骤四、连接好外部电路，然后设定高温油浴循环管路的温度对试样进行加热，当到达设定温度并稳定后，设置好脉冲源中波形的幅值，打开放大器(10)及脉冲源，通过示波器和计算机测量该温度下试样的空间电荷特性。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：若温度测试范围为100℃以下，则采用聚偏氟乙烯-三氟乙烯作为压电传感器(9)的材料；若测试范围为100～250℃，则采用铌酸锂晶体作为压电传感器(9)的材料。

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