CN106771685A - 一种gil环氧树脂表面电荷的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GIL环氧树脂表面电荷的测量装置及方法，包括高压充电装置和电位测量装置，将不同类型的电压作用施加至待测GIL环氧树脂表面，加压过程为电晕放电；计算电荷入陷和出陷状态；绘出不同类型的电晕作用后的试样表面电位消散曲线、不同位置电位分布的曲线及试样陷阱能级密度分布曲线，获得GIL环氧树脂表面电荷的测量结果；分析电荷输运特性，并准确判断环氧树脂的老化状态及寿命。本发明利用表面电位测量技术及现有仪器，通过对不同电压类型作用下环氧树脂试样表面电荷进行测量，对测量数据进行数学处理，弄清楚电荷在环氧树脂内部的输运特性，为解决环氧绝缘子沿面闪络问题和老化状态评估提供重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。

Description

一种GIL环氧树脂表面电荷的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及GIL环氧树脂绝缘件表面的电荷测量技术领域，尤其涉及了一种基于直流脉冲联合作用下GIL环氧树脂表面电荷的测量方法。

背景技术

近年来，随着高压直流输电技术的发展，越来越多的国家开始关注和研究其在输电领域的优势，并建立了高压直流输电系统。气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)作为一种新型的输电方式，因其传输容量大、损耗小、可靠性高等优点，可以应用到大容量、长距离的高压直流输电系统中。环氧树脂制造成本低廉，具有优异的机械和电气性能，被用来制造GIL的主要绝缘部件，包括盆式绝缘子、支撑绝缘子、平板绝缘子等。GIL盆式绝缘子在运行过程中受外电场的影响，自由电荷会在其固气交界面累积形成表面电荷，而表面电荷的大量积累会使绝缘子表面电场发生畸变，降低绝缘子的耐受电压。研究表明，绝缘子的表面电荷积累对于沿面闪络的发生有着重要的影响。

GIL盆式绝缘子不同于其他绝缘系统的是在其实际运行过程中，不仅要承受正常的直流工作电压，还有可能承受因为操作过电压等原因引起的非正常脉冲过电压。GIL中绝缘子的特殊工作环境，使得对其工作状态和老化程度的研究比较复杂。因此，有必要对直流和脉冲电压联合作用下环氧树脂的表面电荷积聚和消散特性进行深入的研究以提高GIL的工作可靠性。这对于保证整个输电系统的安全运行都具有重要的学术价值和工程意义。

发明内容

基于现有技术，本发明提出了一种GIL环氧树脂表面电荷的测量方法，基于直流与脉冲联合作用下，通过对环氧树脂施加不同电压类型的电晕作用，再利用表面电位测量技术测量并记录树脂表面的电位分布和电荷消散过程，然后分析其内部的电荷输运特性，并能够准确判断环氧树脂的老化状态及寿命。

本发明的一种GIL环氧树脂表面电荷的测量装置，该装置包括高压充电装置和电位测量装置两部分，所述高压充电装置用于向被测环氧树脂表面注入电荷，所述电位测量装置用于进行被测环氧树脂表面的静电电位测量；其中，

所述高压充电装置中，针电极1位于被测环氧树脂表面中心的正上方，且针尖距离被测环氧树脂表面的高度是5mm，所述针电极1通过转换开关5分别与高压交流电源4和脉冲电源3相连接，在被测环氧树脂6的背面上紧贴有铝箔，作为背电极并接地；

所述电位测量装置中，静电电位计8与测量探头9连接，测量探头9距离被测环氧树脂表面的高度是3mm；所述静电电位计8的测量探头9与电机驱动的滑轨7连接，在电机的控制下精确地在被测环氧树脂表面上方横向移动，以测出被测环氧树脂表面不同位置的电位分布。

所述针电极1与转换开关5之间还连接一限流装置2。

本发明的一种GIL环氧树脂表面电荷的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将待测GIL环氧树脂表面用酒精擦拭，并晾干10分钟；

步骤二、在待测GIL环氧树脂表面的背面贴上铝箔，此背面作为背电极并接地；

步骤三、将不同类型的电压作用施加至待测GIL环氧树脂表面，加压过程为电晕放电，通过转换开关迅速地切换施加在待测GIL环氧树脂表面上的高压直流电压和脉冲电压；不同类型的电晕作用是指直流电压、脉冲电压、直流与脉冲复合电压作用；电晕放电处理后的待测GIL环氧树脂表面被注入电荷，再进行待测环氧树脂表面电位测量过程，迅速对待测GIL环氧树脂表面不同位置的电位分布及电位消散测量结果进行记录；

步骤四、计算出电荷的入陷和出陷状态和试样的陷阱能级分布特性：

表面电荷的消散过程往往与试样表面的陷阱能级和陷阱密度有关系，陷阱能级E_m可以由下面的式子计算出来

E_m＝kTln(νt) (1)

其中，k为玻尔兹曼常数，且k＝1.38×10^-23J(单位：K)，T为实验温度(单位：K)，ν为被陷阱俘获的电荷的逃逸频率因子(单位：s^-1)，t为电荷消散的某个时间。

在某个时刻t，流过试样的电流密度J可表示为

其中，e为电子的电量(单位：C)，L为试样的厚度(单位：m)，t为表面电荷消散的某个时刻(单位：s)，N_t为陷阱能级密度分布函数。同时，t时刻的电流密度J也可由试样表面电位的衰减速率表示为

其中，ε₀为真空中的介电常数(单位：F·m^-1)，且ε₀＝8.854187817×10^-12(F·m^-1)，ε_r为试样的相对介电常数，Vs为t时刻试样的表面电位(单位：V)。

联立式(2)和式(3)即可得到

步骤五、待测GIL环氧树脂表面静置半小时后，再次进行步骤三、四的操作；

步骤六、将步骤五的操作重复数组，然后绘出不同类型的电晕作用后的表面电位消散曲线、试样不同位置电位分布的曲线及试样陷阱能级密度分布曲线，获得GIL环氧树脂表面电荷的测量结果。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是，利用表面电位测量技术以及现有仪器，通过对不同电压类型作用下环氧树脂试样表面电荷进行测量，并对测量数据进行数学处理，弄清楚电荷在环氧树脂内部的输运特性，为解决环氧绝缘子沿面闪络问题和其老化状态的评估提供了重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。

附图说明

图1为本发明的一种基于直流与脉冲联合作用下GIL环氧树脂表面电荷的测量方法整体流程示意图；

图2为本发明实施例的试验装置图；附图标记：1、针电极，2、限流装置；3、脉冲电源，4、高压直流电源HVDC，5、转换开关，6、试样，7、电机驱动的滑轨，8、静电电位计，9、测量探头；

图3为本发明实施例的-3kV直流电压与不同幅值的负脉冲联合作用下的试验结果图，其中(3-1)为电压联合作用后试样表面电位随消散时间的变化曲线；(3-2)为电压联合作用后试样的起始表面电位分布图；(3-3)为试样的陷阱能级密度分布图，从陷阱分布的角度来研究了表面电荷的特性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2所示，为本发明实施例的试验装置。分为高压充电装置和电位测量装置两部分。高压充电装置的作用是向试样表面注入电荷，电位测量装置用于进行试样表面的静电电位测量。高压充电装置中，选取直径1mm、尖端曲率半径约13μm的不锈钢针作为高压充电装置的针电极1，针尖距离试样的高度是5mm，位于试样6中心的正上方。针电极1通过转换开关5分别与高压直流电源4和脉冲电源2相连接，将铝箔紧贴在试样6背面，作为背电极并接地。电位测量装置中，所采用的静电电位计8的型号是Trek347-3hce，其连接测量探头9选择开尔文探头的型号是6000b-5c，测量精度是±3V，分辨率是3mm。在试验中测量探头9距离试样6的高度是3mm。静电电位计8的测量探头6与电机驱动的滑轨7相连，在电机的控制下精确地在试样6上方横向移动，以测出试样6表面不同位置的电位分布，而在测量电荷消散过程中，测量探头9位于试样6中心的正上方。其中试样6采用片状环氧树脂试样。

本发明在试验开始前先将试样用酒精擦拭干净，并晾干10min。在试验开始时，将试样放置在充电装置下方，使用针-板电极对试样进行电晕放电处理。首先施加不同幅值、不同极性直流电压至针电极，持续放电20min后，立即关闭直流电压源，并利用转换开关快速地切换至脉冲电源，继续对试样施加不同极性或者不同幅值的脉冲电压。本试验所施加的正直流电压分布为+2.5kV、+3kV、+3.5kV，负直流电压为-2.5kV、-3kV、-3.5kV；所使用的脉冲电压上升沿为50μs，频率为500Hz，脉冲个数为1000，正脉冲幅值分别为+2kV、+3kV、+4kV，负脉冲幅值分别为-2kV、-3kV、-4kV。施加脉冲电压结束后迅速将电压降至0。试样在高压充电装置注入电荷后迅速移动到电位测量装置下进行测量和记录，并用测得的表面电位分布及消散情况推算出电荷的入陷和出陷状态。

为了保证试验结果的准确性，所用过的试样将需要静置半小时才能再次使用，每次实验重复五组，然后绘出不同类型的电晕作用后的表面电位消散曲线、试样不同位置电位分布的曲线及试样陷阱能级密度分布曲线，从而能够横向对比出不同因素对试样表面电荷积累和消散的情况的影响及试样老化的程度。

如图3所示，为本发明实施例的-3kV直流电压与不同幅值的负脉冲联合作用下的试验结果图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种GIL环氧树脂表面电荷的测量装置，其特征在于，该装置包括高压充电装置和电位测量装置两部分，所述高压充电装置用于向被测环氧树脂表面注入电荷，所述电位测量装置用于进行被测环氧树脂表面的静电电位测量；其中，

所述高压充电装置中，针电极(1)位于被测环氧树脂表面中心的正上方，且针尖距离被测环氧树脂表面的高度是5mm，所述针电极1通过转换开关(5)分别与高压交流电源(4)和脉冲电源(3)相连接，在被测环氧树脂(6)的背面上紧贴有铝箔，作为背电极并接地；

所述电位测量装置中，静电电位计(8)与测量探头(9)连接，测量探头(9)距离被测环氧树脂表面的高度是3mm；所述静电电位计(8)的测量探头(9)与电机驱动的滑轨(7)连接，在电机的控制下精确地在被测环氧树脂表面上方横向移动，以测出被测环氧树脂表面不同位置的电位分布。

2.如权利要求1所述的一种GIL环氧树脂表面电荷的测量装置，其特征在于，所述针电极(1)与转换开关(5)之间还连接一限流装置(2)。

3.一种GIL环氧树脂表面电荷的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将待测GIL环氧树脂表面用酒精擦拭，并晾干10分钟；

步骤二、在待测GIL环氧树脂表面的背面贴上铝箔，此背面作为背电极并接地；

步骤三、将不同类型的电压作用施加至待测GIL环氧树脂表面，加压过程为电晕放电，通过转换开关迅速地切换施加在待测GIL环氧树脂表面上的高压直流电压和脉冲电压；不同类型的电晕作用是指直流电压、脉冲电压、直流与脉冲复合电压作用；电晕放电处理后的待测GIL环氧树脂表面被注入电荷，再进行待测环氧树脂表面电位测量过程，迅速对待测GIL环氧树脂表面不同位置的电位分布及电位消散测量结果进行记录；

步骤四、计算电荷的入陷和出陷状态和试样的陷阱能级分布特性：

表面电荷的消散过程与试样表面的陷阱能级和陷阱密度有关系，陷阱能级E_m由下面的式子计算：

E_m＝kT ln(νt) (1)

其中k为玻尔兹曼常数，且k＝1.38×10^-23J，T为实验温度，ν为被陷阱俘获的电荷的逃逸频率因子，t为电荷消散的某个时间；

在某个时刻t，流过试样的电流密度J表示为：

$J=\frac{eLkT}{4t}{N}_t---\left(2\right)$

其中，e为电子的电量，L为试样的厚度，t为表面电荷消散的某个时刻，N_t为陷阱能级密度分布函数；

同时，t时刻的电流密度J表示为：

$J=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{L}\left|\frac{dVs}{dt}\right|---\left(3\right)$

其中，ε₀为真空中的介电常数，且ε₀＝8.854187817×10^-12，ε_r为试样的相对介电常数，Vs为t时刻试样的表面电位；

联立式(2)和式(3)得到：

$N_t=\frac{4{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{eL}}^{2}kT}\left|t\frac{{\mathrm{dV}}_s\left(t\right)}{dt}\right|---\left(4\right)$

步骤五、待测GIL环氧树脂表面静置半小时后，再次进行步骤三、四的操作；

步骤六、将步骤五的操作重复数组，然后绘出不同类型的电晕作用后的表面电位消散曲线、试样不同位置电位分布的曲线及试样陷阱能级密度分布曲线，获得GIL环氧树脂表面电荷的测量结果。