CN106771684A - 绝缘材料表面电荷测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绝缘材料表面电荷测量系统及其测量方法。该测量系统包括光源发生器、偏振器、相位调制器、电光晶体、高压电极和感光单元。偏振器、相位调制器、电光晶体和高压电极沿光源发生器的发射光的光路依次设置。高压电极与电光晶体之间存在间隔。感光单元用于接收通过偏振器的反射光、并记录反射光的光波强度。上述的绝缘材料表面电荷测量系统，待测的绝缘材料设置于高压电极与电光晶体之间的间隔中。高压电极对待测的绝缘材料施加高压，导致带电粒子积聚于待测的绝缘材料表面而形成电场。工作人员通过感光单元记录反射光的光波强度，进而依次计算得到相位差、电场强度和绝缘材料的表面电荷分布。
Description
技术领域
本发明涉及电荷测量技术领域，特别是涉及一种绝缘材料表面电荷测量系统及其测量方法。
背景技术
绝缘材料被广泛地应用于电力设备中，比如变压器、气体绝缘电气设备和电力电缆等等。在加工或者使用过程中，绝缘材料中会不可避免地产生气隙。在运行电压的长期作用下，气隙会导致设备内部发生局部放电，从而导致带电粒子逸出气隙，进而导致绝缘子表面产生电荷积聚。现有的关于在局部放电情况下，绝缘材料表面电荷分布的研究仅限于理论探讨阶段，尚无试验设备能够测量。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术存在的在局部放电情况下，绝缘材料表面电荷无法测量的问题，提供一种绝缘材料表面电荷测量系统及其测量方法，它能够在局部放电情况下，得到绝缘材料表面电荷分布。
一种绝缘材料表面电荷测量系统，包括光源发生器、偏振器、相位调制器、电光晶体、高压电极和感光单元，所述偏振器、相位调制器、电光晶体和高压电极沿所述光源发生器的发射光的光路依次设置，所述高压电极与所述电光晶体之间存在间隔，所述感光单元用于接收通过所述偏振器的反射光、并获取所述反射光的光波强度。
上述的绝缘材料表面电荷测量系统，待测的绝缘材料设置于高压电极与电光晶体之间的间隔中。高压电极对待测的绝缘材料施加高压，导致带电粒子逸出气隙、并积聚于待测的绝缘材料表面而形成电场。又因为电光晶体的折射率的变化正比于电场强度，因此，绝缘材料表面电荷形成的电场改变电光晶体的折射率，致使光波在电光晶体中传播一定距离后产生相位差。工作人员通过感光单元记录反射光的光波强度，进而根据光波强度依次计算得到相位差和电场强度。因此，上述的绝缘材料表面电荷测量系统能够在局部放电情况下，通过测量光波强度得到待测绝缘材料的表面电荷分布。
在其中一个实施例中，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括信号发生器和高压放大器，所述信号发生器用于产生低压信号，所述低压信号经所述高压放大器转换为高压信号后施加于所述高压电极。如此，工作人员通过信号发生器和高压放大器将高压信号施加于高压电极上，以使高压电极产生局部发电。
在其中一个实施例中，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括同步控制电路和示波器，所述示波器用于获取所述高压电极产生的局部放电信号，所述同步控制电路分别与所述信号发生器、感光单元和示波器电连接，以控制所述信号发生器、感光单元和示波器的工作时序。工作人员通过同步控制电路控制信号发生器的启停，从而控制高压电极是否产生局部放电，并同时控制感光单元和示波器，以获取反射光的光波强度和局部放电信号。由于根据光波强度能够计算得到绝缘材料的表面电荷，因此，工作人员能够得到绝缘材料表面电荷与局部放电信号，以及二者之间的时间关系，从而为研究表面电荷对局部放电特性的影响提供可能。
在其中一个实施例中，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括测量电极、地电极和两个以上测量电阻，所述测量电极与所述电光晶体电接触，所述地电极接地，所述测量电阻一端与所述地电极连接，所述测量电阻的另一端与所述测量电极连接，所述示波器与所述测量电阻电接触。局部放电电流与放电的物理机制直接相关，是局部放电特性的重要参数。为了准确地测量局部放电电流，两个以上测量电阻设置于测量电极上，且关于测量电极对称设置，以减小杂散电容、增大测量系统带宽。示波器与测量电阻电接触，以获取局部放电电流，从而为工作人员进一步研究局部放电的物理机制提供数据。
在其中一个实施例中，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括绝缘套，所述高压电极装入所述绝缘套内。绝缘套包裹高压电极侧部，以避免高压电极在施加高压时发生边缘放电。
在其中一个实施例中，所述电光晶体为BSO晶体、LiNbO3晶体、GaAs晶体或CdTe晶体。
在其中一个实施例中，所述电光晶体为BSO晶体，所述BSO晶体上外加电场，所述外加电场的方向与所述BSO晶体的光轴方向平行。由于BSO晶体具有较高的灵敏度和较宽的测量范围，因此，采用BSO晶体能够提高测量的准确性和扩大测量的范围。并且，当外加电场的方向与BSO晶体的光轴方向平行时，BSO晶体处于纵向工作模式，能够实现电场分布的二维测量。
在其中一个实施例中，所述电光晶体具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面沿所述光路依次设置，所述第一表面与所述第二表面之间的夹角为0°～80°。假设第一表面和第二表面平行，则部分入射光会在电光晶体的第一表面和第二表面之间多次反射，从而引起光的干涉，影响测量的准确性。因此，当第一表面与第二表面之间具有较小的夹角时，测量结果的准确性高。
在其中一个实施例中，所述相位调制器采用玻片的组合或偏振控制器实现，所述玻片包括1/8玻片、1/4玻片、1/2玻片或相位延迟可调、主轴角度可调的玻片。光通过相位调制器后会产生相位差。比如，光通过1/8玻片后产生π/4的相位差。相位调制器造成光的偏振状态的变化与通过电光晶体产生的变化类似。通过相位调制器引起的相位差，工作人员根据感光单元测得的光强，能够判断电光晶体上施加电场的方向。当施加电场时的光强大于未施加电场时的光强，电场的方向与光路方向相同。当施加电场时的光强小于未施加电场时的光强，电场的方向与光路方向相反。
一种绝缘材料表面电荷的测量方法，使用权利要求1～9任意一项所述的绝缘材料表面电荷测量系统，所述测量方法包括如下步骤：
将待测绝缘材料放置于所述高压电极与所述电光晶体之间的间隔中；
所述高压电极未通电时，利用所述感光单元获取所述反射光的光波强度Iw；
所述高压电极对所述待测绝缘材料施加高压信号时，利用所述感光单元获取所述反射光的光波强度Iq；
利用式和式计算得到待测绝缘材料表面电场Ez，其中，z轴为光路方向；x轴、y轴和z轴之间两两垂直；d为所述电光晶体在z轴上的厚度；no为未加电场时，所述电光晶体在x轴和y轴上的折射率；γ为电光系数；Δθ为反射光到达所述感光单元时，反射光在x轴和y轴上的相位差。
上述的绝缘材料表面电荷的测量方法，工作人员通过感光单元测量反射光的光波强度，从而计算得到光的相位差，进而通过相位差计算得到电场强度，进而根据电场强度计算得到绝缘材料表面电荷分布。
附图说明
图1为本发明实施例中所述的绝缘材料表面电荷测量系统的示意图一；
图2为本发明实施例中所述的绝缘材料表面电荷测量系统的示意图一；
图3为图2中所述绝缘材料的安装示意图。
101、光源发生器，102、偏振器，103、相位调制器，104、电光晶体，105、感光单元，106、光束放大器，107、平凸镜，108、滤光器，109、滤光孔，201、高压电极，202、信号发生器，203、高压放大器，204、同步控制电路，205、示波器，206、测量电极，207、地电极，208、测量电阻，209、绝缘套，210、耦合电容，300、绝缘材料，401、绝缘支架，402、聚乙烯薄膜，403、绝缘黏胶。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
如图1所示，一种绝缘材料表面电荷测量系统，包括光源发生器101、偏振器102、相位调制器103、电光晶体104、高压电极201和感光单元105。偏振器102、相位调制器103、电光晶体104和高压电极201沿光源发生器101的发射光的光路依次设置。高压电极201与电光晶体104之间存在间隔。感光单元105用于接收通过偏振器102的反射光、并获取反射光的光波强度。
上述的绝缘材料表面电荷测量系统，待测的绝缘材料300设置于高压电极201与电光晶体104之间的间隔中。其中，待测的绝缘材料300具有气隙。高压电极201外接能够使高压电极201产生局部放电的高压信号，并与待测的绝缘材料300接触，导致带电粒子逸出气隙、并积聚于待测的绝缘材料300的表面而形成电场。电光晶体104外加电场。又因为电光晶体104的折射率的变化正比于电场强度，因此，绝缘材料300的面电荷形成的电场改变电光晶体104的折射率，致使光波在电光晶体104中传播一定距离后产生相位差。工作人员通过感光单元105记录反射光的光波强度，进而根据光波强度依次计算得到相位差和电场强度。因此，上述的绝缘材料表面电荷测量系统能够在局部放电情况下，通过测量光波强度得到绝缘材料300的表面电荷分布。
具体地，光源发生器101包括氦氖激光器，感光单元105包括高速摄像机。氦氖激光器产生红色光束，并入射到偏振器102中。偏振器102将入射光分成振动方向垂直的两束线性偏振光。其中，一束偏振光入射到相位调制器103中，另外一束偏振光被反射过滤掉。偏振光经相位调制器103入射到电光晶体104。在外加电场的作用下，入射光在电光晶体104中传播一定距离后会产生相应的相位差，从而致使其偏振态发生变化。入射光被电光晶体104反射后，经相位调制器103反射到偏振器102。偏振器102将包含相位差的反射光反射到高速摄像机，以获取反射光的光波强度，进而求出相位差和电场强度，从而得到绝缘材料300的表面电荷分布。
其中，相位调制器103采用玻片的组合或偏振控制器实现。具体地，玻片包括1/8玻片、1/4玻片、1/2玻片或相位延迟可调、主轴角度可调的玻片。光通过相位调制器103后会产生相位差。比如，光通过1/8玻片后产生π/4的相位差。通过相位调制器103引起光的相位差，工作人员能够根据感光单元105测得的光强，判断电光晶体104上施加电场的方向。当施加电场时的光强大于未施加电场时的光强，电场的方向与光路方向相同。当施加电场时的光强小于未施加电场时的光强，电场的方向与光路方向相反。
在前述实施例的基础上，如图2所示，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括信号发生器202和高压放大器203。信号发生器202用于产生低压信号。低压信号经高压放大器203放大1500倍至2500倍后施加于高压电极201。具体地，高压放大器203的输出端与耦合电容210并接后，与高压电极201串联。耦合电容210大小为5600pF。如此，工作人员通过信号发生器202和高压放大器203将高压信号施加于高压电极201上，以使高压电极201产生局部发电。
在前述实施例的基础上，如图2所示，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括同步控制电路204和示波器205。示波器205用于获取高压电极201产生的局部放电信号。同步控制电路204分别与控制信号发生器202、感光单元105和示波器205电连接，以控制信号发生器202、感光单元105和示波器205的工作时序。工作人员通过同步控制电路204控制信号发生器202的启停，从而控制高压电极201是否产生局部放电，并同时控制感光单元105和示波器205，以获取反射光的光波强度和局部放电信号。由于根据光波强度能够计算得到绝缘材料300的表面电荷，此外，示波器205还可与高压放大器203电压监测端口电连接，以获取高压信号。因此，工作人员能够得到绝缘材料300的表面电荷与局部放电信号，以及二者之间的时间关系，从而为研究表面电荷对局部放电特性的影响提供可能。
进一步地，如图2和图3所示，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括测量电极206、地电极207和两个以上测量电阻208。测量电极206与电光晶体104电接触。地电极207接地。测量电阻208一端与地电极207连接，测量电阻208的另一端与测量电极206连接。示波器205与测量电阻208电接触。局部放电电流与放电的物理机制直接相关，是局部放电特性的重要参数。为了准确地测量局部放电电流，两个以上测量电阻208设置于测量电极206上，且关于测量电极206对称设置，以减小杂散电容、增大测量系统带宽。示波器205与测量电阻208电接触，以获取局部放电电流，从而为工作人员进一步研究局部放电的物理机制提供数据。
具体地，如图3所示，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括绝缘支架401、聚乙烯薄膜402和绝缘黏胶403。绝缘支架401中部设有方孔。电光晶体104被固定在绝缘支架401的方孔内。测量电极206与地电极207呈同心圆放置。测量电极206与地电极207之间用绝缘黏胶403隔开。测量电极206远离地电极207的一侧与电光晶体104电连接。测量电极206与地电极207中间设有用于光线通过的圆孔。
具体地，如图2所示，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括光束放大器106。光束放大器106沿光路设置于光源发生器101和偏振器102之间。光束放大器106使入射光获取极高的输出能量和功率，保持光束质量，降低入射光对光学元件的破坏和损伤。
在前述实施例的基础上，如图2所示，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括绝缘套209。高压电极201装入绝缘套209内。绝缘套209包裹高压电极201侧部，以避免高压电极201在施加高压时发生边缘放电。具体地，绝缘套209的材料为环氧树脂。环氧树脂浇筑于高压电极201的四周，并在高压电极201下方保留高度为0.15mm的圆柱形扁平气隙。
在前述实施例的基础上，如图2所示，电光晶体104为BSO晶体、LiNbO3晶体、GaAs晶体或CdTe晶体。具体地，电光晶体104为BSO晶体。BSO晶体上外加电场。外加电场的方向与BSO晶体的光轴方向平行。由于BSO晶体具有较高的灵敏度和较宽的测量范围，因此，采用BSO晶体能够提高测量的准确性和扩大测量的范围。并且，当外加电场的方向与BSO晶体的光轴方向平行时，BSO晶体处于纵向工作模式，能够实现电场分布的二维测量。
进一步地，电光晶体104具有第一表面和第二表面。第一表面和第二表面沿光路依次设置。第一表面与第二表面之间的夹角为0°～80°。假设第一表面和第二表面平行，则部分入射光会在电光晶体104的第一表面和第二表面之间多次反射，从而引起光的干涉，影响测量的准确性。因此，当第一表面与第二表面之间具有较小的夹角时，测量结果的准确性高。
为保证测量效果，电光晶体104的第二表面与厚度为0～50μm的聚乙烯薄膜402粘接。电光晶体104的第一表面与BK7光学玻璃的一侧粘接。BK7光学玻璃的另一侧镀有氧化锡铟透明导电电极。
如图2所示，在前述实施例的基础上，上述的绝缘材料表面电荷测量系统还包括平凸镜107和滤光器108。滤光器108设有滤光孔109。平凸镜107和滤光器108依次设置于反射光经偏振器102至感光单元105的光路上。反射光的平行光线经平凸镜107将其汇聚后，经滤光孔109过滤掉其中的干涉光，并照射到感光单元105上。
一种绝缘材料表面电荷的测量方法，如图1和图2所示，使用权利要求1～9任意一项的绝缘材料表面电荷测量系统，测量方法包括如下步骤：
将待测绝缘材料300放置于高压电极201与电光晶体104之间的间隔中；
高压电极201未通电时，利用感光单元105获取反射光的光波强度Iw；
高压电极201对待测绝缘材料300施加高压信号时，利用感光单元105获取反射光的光波强度Iq；
利用式和式计算得到待测绝缘材料300表面电场Ez，其中，z轴为光路方向；x轴、y轴和z轴之间两两垂直；d为电光晶体104在z轴上的厚度；no为未加电场时，电光晶体104在x轴和y轴上的折射率；γ为电光系数；Δθ为反射光到达感光单元105时，反射光在x轴和y轴上的相位差。
上述的绝缘材料表面电荷的测量方法，工作人员通过感光单元105测量反射光的光波强度，从而计算得到光的相位差，进而通过相位差计算得到电场强度，进而根据电场强度计算得到绝缘材料300的表面电荷分布。
具体地，在施加高压信号之前，感光单元105率先工作并采集30帧图像数据，获取反射光的光波强度Iw。紧接着，同步控制电路204触发信号发生器202和高压放大器203，对高压电极201施加高压电压。此时，示波器205开始记录局部放电信息。感光单元105继续采集相应的含有表面电荷分布信息的图像，以获取反射光的光波强度Iq。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，包括光源发生器、偏振器、相位调制器、电光晶体、高压电极和感光单元，所述偏振器、相位调制器、电光晶体和高压电极沿所述光源发生器的发射光的光路依次设置，所述高压电极与所述电光晶体之间存在间隔，所述感光单元用于接收通过所述偏振器的反射光、并获取所述反射光的光波强度。
2.根据权利要求1所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，还包括信号发生器和高压放大器，所述信号发生器用于产生低压信号，所述低压信号经所述高压放大器转换为高压信号后施加于所述高压电极。
3.根据权利要求2所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，还包括同步控制电路和示波器，所述示波器用于获取所述高压电极产生的局部放电信号，所述同步控制电路分别与所述信号发生器、感光单元和示波器电连接，以控制所述信号发生器、感光单元和示波器的工作时序。
4.根据权利要求3所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，还包括测量电极、地电极和一个以上测量电阻，所述测量电极与所述电光晶体电接触，所述地电极接地，所述测量电阻一端与所述地电极连接，所述测量电阻的另一端与所述测量电极连接，所述示波器与所述测量电阻电接触。
5.根据权利要求1所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，还包括绝缘套，所述高压电极装入所述绝缘套内。
6.根据权利要求1所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，所述电光晶体为BSO晶体、LiNbO3晶体、GaAs晶体或CdTe晶体。
7.根据权利要求6所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，所述电光晶体为BSO晶体，所述BSO晶体上外加电场，所述外加电场的方向与所述BSO晶体的光轴方向平行。
8.根据权利要求1所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，所述电光晶体具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面沿所述光路依次设置，所述第一表面与所述第二表面之间的夹角为0°～80°。
9.根据权利要求1所述的绝缘材料表面电荷测量系统，其特征在于，所述相位调制器采用玻片的组合或偏振控制器实现，所述玻片包括1/8玻片、1/4玻片、1/2玻片或相位延迟可调、主轴角度可调的玻片。
10.一种绝缘材料表面电荷的测量方法，其特征在于，使用权利要求1～9任意一项所述的绝缘材料表面电荷测量系统，所述测量方法包括如下步骤：
将待测绝缘材料放置于所述高压电极与所述电光晶体之间的间隔中；
所述高压电极未通电时，利用所述感光单元获取所述反射光的光波强度Iw；
所述高压电极对所述待测绝缘材料施加高压信号时，利用所述感光单元获取所述反射光的光波强度Iq；
利用式和式计算得到待测绝缘材料表面电场Ez，其中，z轴为光路方向；x轴、y轴和z轴之间两两垂直；d为所述电光晶体在z轴上的长度；no为未加电场时，所述电光晶体在x轴和y轴上的折射率；γ为电光系数；Δθ为反射光到达所述感光单元时，反射光在x轴和y轴上的相位差。
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