CN106918748A - 用于零摄氏度以下固体介质空间电荷测量的电极系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于零摄氏度以下固体介质空间电荷测量的电极系统，包括：上电极模块、下电极模块以及分别与之相连的外围设备模块，其中：上电极模块通过外加的脉冲源和直流高压源在试样内产生空间电荷，并通过下电极模块进行空间电荷的测量；外围设备模块为上电极模块和下电极模块提供测量环境；本发明采用真空腔体和耐零下低温的压电传感器，克服了在零摄氏度以下固体介质的空间电荷测量中的相关难题，稳定可靠，准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种介质物理测量领域的技术，具体是一种用于零摄氏度以下固体介质空间电荷测量的电极系统。
背景技术
固体电介质材料在电力系统行业以及航天航空等领域得到广泛的应用，如聚合物绝缘电缆由于结构轻便，运行温度高及环境友好等优势被广泛应用于交直流系统的电力传输。然而在高压直流电场下，聚合物非常容易积累空间电荷，从而造成电场畸变，伴随着的热电子发射和电机械能存贮与释放等问题会加速绝缘劣化，大幅减少其使用寿命。因此固体介质的空间电荷测量对于保障设备正常运行一直是至关重要的。其次，受空间等离子体、高能电子和太阳辐射等影响，固体介质会在航天器表面积累一定的空间电荷，从而导致表面静电放电现象。静电放电会引起航天器表面材料的击穿、太阳能电池阵性能的下降，其产生的电磁脉冲干扰会使敏感电子设备出现误操作或者损坏。而太空中温度变化剧烈，一天中大部分时间处于-270℃的宇宙背景辐射。随着大量介质材料在航天器上的广泛应用，航天器因材料表面带电效应而发生故障的概率呈上升趋势，因此在极低温度下对介质的空间电荷进行测量对我国航空事业发展具有重要作用。再其次，随着高温超导技术的发展，超导直流输电系统可能是未来高效率输电的重点前进方向，而超导温度下聚合物绝缘的空间电荷特性也决定着系统的运行可靠性。
而现今空间电荷测试技术主要覆盖常温至90℃的测量范围，零摄氏度以下固体介质的空间电荷测量极少见于报道，并且没有稳定成型的测量装置，这对于上述条件下的空间电荷特性研究造成了相当的困难。零摄氏度以下空间电荷的测量技术需要克服诸多难题，诸如冷凝水可能导致试样表面的闪络，压电传感器的温度耐受性以及温度的控制等。因此零摄氏度以下空间电荷的测量装置的研制对于上述研究领域具有极为重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术多采用恒温循环浴控制温度，结构复杂，温控精度较低；并且循环浴使用的介质一般为水或者油，有效温度控制范围均在零摄氏度以上，无法形成零摄氏度以下的低温环境；其电极与大气直接接触，当测试温度为零摄氏度以下时电极装置内的被测绝缘材料试样的沿面闪络将不可避免，将无法正常进行空间电荷的测量等等缺陷，提出一种用于零摄氏度以下固体介质空间电荷测量的电极系统，采用真空腔体技术，液氮与电加热圈制衡控温，以及耐极低温的压电传感器进行空间电荷测量，稳定可靠。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：上电极模块、下电极模块以及分别与之相连的外围设备模块，其中：上电极模块通过外加的直流高压源产生空间电荷，脉冲源产生声脉冲，并通过下电极模块进行空间电荷的测量；外围设备模块为上电极模块和下电极模块提供测量环境。
所述的测量环境是指：上电极模块和下电极模块共同形成内部真空的密闭腔体，腔体内处于零摄氏度以下的恒定温度。
所述的上电极模块包括：耐低温O型圈、外金属罩、设置于金属罩内的上电极和半导电片，其中：耐低温O型圈沿外金属罩的底边设置，上电极的下表面与半导电片的上表面紧密接触。
所述的上电极为上圆柱下圆盘结构。
所述的圆柱伸出外金属罩与外加的脉冲源和直流高压源相连。
所述的外金属罩的顶部内侧与圆柱的伸出部分之间设有相配合的上电极绝缘盘。
所述的外金属罩的侧面设有真空抽气管。
所述的下电极模块包括：热电偶、宽频放大器、下电极板、开设于下电极板下方的液氮环形通道、位于环形结构内的压电传感器和电加热圈，其中：压电传感器紧贴下电极板的下表面，宽频放大器与压电传感器相连；热电偶埋设于下电极板上方，电加热圈环绕压电传感器设置，并与压电传感器通过下电极板的延伸部分隔开。
所述的液氮环形通道开设有液氮入口和液氮出口。
所述的耐低温O型圈与下电极板紧密接触。
所述的外金属罩内放置试样，试样的上表面与半导电片紧密接触，下表面与下电极板的上表面紧密接触。
所述的压电传感器位于试样的正下方。
所述的外围设备模块包括：真空泵、液氮杜瓦罐和温度控制器。
所述的真空泵与真空抽气管相连。
所述的液氮杜瓦罐与液氮入口相连。
所述的温度控制器与设置与下电极板上且正对试样的测温热电偶相连。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用真空腔体技术，液氮与电加热圈制衡控温，以及耐零摄氏度以下的压电传感器，实现零摄氏度以下固体介质的空间电荷测量，克服了冷凝水可能导致的试样表面的闪络以及温度控制的技术问题，为低温空间电荷测试领域提供了技术支持。
附图说明
图1为测量装置结构示意图；
图2为实施例1在-40℃下分别施加10、20、30、40、50kV/mm直流电场后的空间电荷分布示意图；
图中：1为外金属罩、2为上电极绝缘盘、3为上电极、4为半导电片、5为试样、6为耐低温O型圈、7为真空抽气管、8为下电极板、9为液氮环形通道、10为电加热圈、11为压电传感器、12为宽频放大器、13为液氮入口、14为液氮出口、15为测温热电偶、16为真空泵、17为液氮杜瓦罐、18为温度控制器。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：上电极模块、下电极模块以及分别与之相连的外围设备模块，其中：上电极模块通过外加的脉冲源和直流高压源产生空间电荷，并通过下电极模块进行空间电荷的测量；外围设备模块为上电极模块和下电极模块提供测量环境。
所述的测量环境是指：上电极模块和下电极模块共同形成内部真空的密闭腔体，腔体内处于零摄氏度以下的恒定温度。
所述的上电极模块包括：耐低温O型圈6、外金属罩1、设置于金属罩内的上电极3和半导电片4，其中：耐低温O型圈6沿外金属罩1的底边设置，上电极3的下表面与半导电片4的上表面紧密接触。
所述的上电极3为上圆柱下圆盘结构。
所述的圆柱伸出外金属罩1与外加的脉冲源和直流高压源相连。
所述的外金属罩1的顶部内侧与圆柱的伸出部分之间设有相配合的上电极绝缘盘2。
所述的外金属罩1的侧面设有真空抽气管7。
所述的下电极模块包括：热电偶、宽频放大器12、下电极板8、开设于下电极板8下方的液氮环形通道9、位于环形结构内的压电传感器11和电加热圈10，其中：压电传感器11紧贴下电极板8的下表面，宽频放大器12与压电传感器11通过同轴信号线相连，放大压电传感器11传来的微弱的空间电荷信号并输出；热电偶埋设于下电极板8上方，电加热圈10环绕压电传感器11设置，并与压电传感器11通过下电极板8的延伸部分隔开。
所述的液氮环形通道9开设有液氮入口13和液氮出口14。
所述的耐低温O型圈6与下电极板8紧密接触。
所述的外金属罩1内放置试样5，试样5的上表面与半导电片4紧密接触，下表面与下电极板8的上表面紧密接触。
所述的压电传感器11位于试样5的正下方。
所述的外围设备模块包括：真空泵16、液氮杜瓦罐17和温度控制器18。
所述的真空泵16与真空抽气管7相连。
所述的液氮杜瓦罐17具有自增压功能，并与液氮入口13相连。
所述的温度控制器18与设置与下电极板上且正对试样的测温热电偶15相连，以实时监测试样5的温度。
所述的外金属罩1的材料为不锈钢。
所述的上电极3和下电极板8的材料为铝。
所述的上电极绝缘盘2的材料为聚四氟乙烯。
所述的压电传感器11的材料为铌酸锂晶体，能够耐受零下低温。
所述的上电极模块采用真空腔体，避免试样5表面闪络的发生，并将直流高压和脉冲激励耦合到试样5上。
所述的试样5与下电极板8紧密接触，能够保证空间电荷引起的振动声波能够传递至压电传感器11。
所述的下电极模块采用铌酸锂压电传感器11，耐受零下低温，并使用液氮和电加热圈10相制衡以控制试样5温度。
所述的真空泵16通过真空抽气管7抽出外金属罩1内空气，外金属罩1通过耐低温O型圈6保证密封，构造外金属罩1内的真空状态并防止漏气，避免试样5附近沿面闪络的发生。
工作时，本实施例包括以下步骤：
步骤1、依次放置试样5和外金属罩1，通过紧固螺丝施加压力使试样5与下电极板8紧密接触；启动真空泵16，等待3min以使外金属罩1的内部基本处于真空状态。
所述的试样5为商用低密度聚乙烯(LDPE)薄膜，厚度为300μm。
步骤2、打开液氮杜瓦罐17和温度控制器18，将温度控制器18的温度设置为-40℃，液氮杜瓦罐17与电加热圈10共同作用，使试样5的温度从室温逐渐稳定在-40℃，并等待3min使试样5温度彻底稳定。
所述的共同作用是指：液氮杜瓦罐17通过液氮入口13向液氮环形通道9内注入液氮对试样5降温，随后从液氮出口14流出；电加热圈10通电对试样5加热升温。
步骤3、接通宽频放大器12，打开外加的脉冲源激励，设置外加的直流高压源的输出依次为3000V、6000V、9000V、12000V和15000V，各采集空间电荷波形10min，结果如图2所示。
从图2可以看出，随着施加电压的提高，图中左半边表示负电极感应的负电荷的波谷和右半边表示正电极感应出的正电荷的波峰均增大，并且波峰、波谷的位置没有明显移动，表明测量稳定；同时试样5内部有负极性空间电荷积累，并且积累的量随着施加电压的升高而增多，符合理论的预期，表明测量的准确性；本实施例可准确检测的最低温度为-196℃。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种用于零摄氏度以下固体介质空间电荷测量的电极系统，其特征在于，包括：上电极模块、下电极模块以及分别与之相连的外围设备模块，其中：上电极模块通过外加的脉冲源和直流高压源产生空间电荷，并通过下电极模块进行空间电荷的测量；外围设备模块为上电极模块和下电极模块提供测量环境；
所述的测量环境是指：上电极模块和下电极模块共同形成内部真空的密闭腔体，腔体内处于零摄氏度以下的恒定温度；
所述的上电极模块包括：耐低温O型圈、外金属罩、设置于金属罩内的半导电片和上圆柱下圆盘结构的上电极，其中：耐低温O型圈沿外金属罩的底边设置，上电极的下表面与半导电片的上表面紧密接触；
所述的下电极模块包括：热电偶、宽频放大器、下电极板、开设于下电极板下方的液氮环形通道、位于环形结构内的压电传感器和电加热圈，其中：压电传感器紧贴下电极板的下表面，宽频放大器与压电传感器相连；热电偶埋设于下电极板上方，电加热圈环绕压电传感器设置，并与压电传感器通过下电极板的延伸部分隔开；
所述的外围设备模块包括：真空泵、液氮杜瓦罐和温度控制器。
2.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的圆柱伸出外金属罩与外加的脉冲源和直流高压源相连。
3.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的外金属罩的顶部内侧与圆柱的伸出部分之间设有相配合的上电极绝缘盘。
4.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的外金属罩的侧面设有真空抽气管。
5.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的液氮环形通道开设有液氮入口和液氮出口。
6.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的耐低温O型圈与下电极板紧密接触。
7.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的外金属罩内放置试样，试样的上表面与半导电片紧密接触，下表面与下电极板的上表面紧密接触。
8.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的真空泵与真空抽气管相连。
9.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的液氮杜瓦罐与液氮入口相连。
10.根据权利要求1所述的电极系统，其特征是，所述的温度控制器与设置与下电极板上且正对试样的测温热电偶相连。
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