CN107677896A - 基于本体隔直电容的同区分时电导空间电荷测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于本体隔直电容的同区分时电导空间电荷测量装置，包括：上电极模块、下电极模块、金属箱体和数据采集模块，其中：上电极模块和下电极模块上下相对设置，数据采集模块与下电极模块相连，下电极模块嵌设于金属箱体的箱体盖中部；所述的上电极模块包括：金属柱形管、高压导杆、高压电极以及半导电片，其中：柱形管上端和下端分别设有金属上盖板和绝缘下盖板，高压电极嵌设于下盖板中部，高压导杆一端穿过上盖板与高压电极上表面相连，半导电片设置于高压电极下表面，本发明实现了电导电流与空间电荷的同区分时测量，对信号的屏蔽作用好，测量结果可靠性高，体积小，耐压等级高，可满足对固体电介质小试样、厚试样的测量需求。

Description

基于本体隔直电容的同区分时电导空间电荷测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种电荷测量领域的技术，具体是一种基于本体隔直电容的同区分时电导空间电荷测量装置。

背景技术

固体电介质材料是在高电压输电工程、电力电子变电工程中常用到的绝缘材料。但固体绝缘中存在局部缺陷，在直流电场的作用下材料内部会聚集大量的空间电荷，这些电荷不但会造成电场畸变，而且还使材料内部积累机械应力，最终使电介质绝缘性能下降导致材料击穿。电声脉冲法是用来测量空间电荷的常用方法，主要用于研究固体材料内部空间电荷数量、迁移方式、分布规律等相关参数。

电导电流可以反映固体电介质材料内部载流子运输的微观特性，例如载流子的迁移、入陷、出陷等。材料内部聚集的空间电荷会对电导电流的产生造成影响，因此对电导电流与空间电荷的联合测量是探究材料内部微观特性的有效方法之一。

发明内容

本发明针对现有技术由于结构设计无法避免电压耦合、电极体积过大以及测量区域不同等问题，提出一种基于本体隔直电容的同区分时电导空间电荷测量装置，其避免了脉冲电压与直流高压耦合对电源造成的影响，实现了电导电流与空间电荷的同区分时测量，对信号的屏蔽作用好，测量结果可靠性高，体积小，耐压等级高，可满足对固体电介质小试样、厚试样的测量需求。

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、金属箱体和数据采集模块，其中：上电极模块和下电极模块上下相对设置，数据采集模块与下电极模块相连，下电极模块嵌设于金属箱体的箱体盖中部。

所述的数据采集模块包括：相互串联的示波器、计算单元和静电电流表，其中：示波器记录反映空间电荷在试样厚度方向上的分布状况与电荷量大小数据，经计算单元根据分布状况与电荷量大小数据以及静电电流表测得的电流处理得到试样的空间电荷特性。

考虑到固体电介质的松弛特性，所述的静电电流表测得的电流优选对试样施加电压后保持一段时间，再读取电流表示数。

所述的上电极模块包括：金属柱形管、高压导杆、高压电极以及半导电片，其中：柱形管上端和下端分别设有金属上盖板和绝缘下盖板，高压电极嵌设于下盖板中部，高压导杆与高压电极上表面相连，半导电片设置于高压电极下表面。

所述的下电极模块包括：柱形测量极、环形保护电极、绝缘外环和绝缘内环，其中：保护电极套设于测量极，绝缘内环设置于保护电极和测量极之间，绝缘外环套设于保护电极。

所述的高压导杆的露出端设有均压金属球。

所述的高压导杆外套有导杆绝缘柱套。

所述的柱形管内充填有环氧树脂。

所述的金属箱体内设有用于支撑下电极模块的金属固定罩，固定罩固定于箱体盖。

所述的固定罩与下电极模块之间设有绝缘垫块。

所述的固定罩内设有镀金有机玻璃柱，镀金有机玻璃柱上端通过压电传感器与测量极底部相连。

所述的保护电极与脉冲电压源相连，测量极和保护电极通过设置于金属箱体内的双刀双掷开关与数据采集模块和脉冲电压源相连。

所述的镀金有机玻璃柱通过设置于金属箱体内的放大器与数据采集模块相连。

所述的固定罩上设有三个分别与镀金有机玻璃柱、测量极和保护电极相连的SMA插座。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明上电极模块和下电极模块配合示意图；

图3为下电极模块处的结构示意图；

图中：1均压金属球、2高压导杆、3导杆绝缘柱套、4上盖板、5柱形管、6环氧树脂、7下盖板、8半导电片、9待测试样、10测量极、11绝缘内环、12第一SMA插座、13绝缘外环、14压电传感器、15镀金有机玻璃柱、16绝缘垫块、17固定罩、18第二SMA插座、19保护电极、20放大器、21第三SMA插座、22双刀双掷开关、23第一BNC插座、24第四SMA插座、25螺丝、26数据采集模块、27金属箱体、28平行金属板、29箱体盖、30第二BNC插座、31高压电极、32限流电阻、33高压直流源、34脉冲电压源、35示波器、36计算单元、37静电电流表、38信号线、39铜导线、40扼流圈。

具体实施方式

如图1～2所示，本实施例包括：上电极模块、下电极模块、金属箱体27和数据采集模块26，其中：上电极模块和下电极模块上下相对设置，数据采集模块26与下电极模块相连，下电极模块嵌设于金属箱体27的箱体盖29中部。

所述的数据采集模块26包括相互串联的示波器35、计算单元36和静电电流表37。

所述的上电极模块包括：金属柱形管5、高压导杆2、高压电极31以及半导电片8，其中：柱形管5上端和下端分别设有金属上盖板4和绝缘下盖板7，高压电极31嵌设于下盖板7中部，高压导杆2与高压电极31上表面相连，半导电片8设置于高压电极31下表面。高压导杆2的露出端设有均压金属球1。高压导杆2外套有导杆绝缘柱套3。柱形管5内充填有环氧树脂6。半导电片8的材料为聚乙烯和炭黑共混物。

所述的均压金属球1连有高压直流源33，高压直流源33的电压为0～20kV，高压直流源33所连接的限流电阻32为10MΩ。

所述的下盖板7与柱形管5的下部凸起相配合，高压电极31上部的凸起与下盖板7相配合，以此保证高压电极31的稳定性，并在柱形管5内填充环氧树脂6，环氧树脂6的固化作用会使柱形管5内各部件紧密粘合而成为整体，同时提高了耐压水平。为了使得环氧树脂6有更好的固化效果，可利用真空恒温箱对环氧树脂6进行真空加热，这样不但可以增加固化速度，还可有效减少环氧树脂6内的气泡。

如图3所示，所述的下电极模块包括：柱形测量极10、环形保护电极19、绝缘外环13、绝缘内环11，其中：保护电极19套设于测量极10，绝缘内环11设置于保护电极19和测量极10之间，绝缘外环13套设于保护电极19。

所述的金属箱体27内设有用于支撑下电极模块的金属固定罩17，固定罩17固定于箱体盖29。固定罩17与下电极模块之间设有绝缘垫块16。固定罩17内设有镀金有机玻璃柱15，镀金有机玻璃柱15上端通过压电传感器14与测量极10底部相连。

所述的测量极10下部设有凸起且与绝缘内环11相配合，通过绝缘垫块16将测量极10紧压于内绝缘内环11上，内绝缘内环11通过绝缘尼龙螺丝与绝缘垫块16相连。保护电极19下部设有凸起且与绝缘外环13相配合，保护电极19被绝缘垫块16紧压于绝缘外环13上，其中绝缘外环13通过绝缘尼龙螺丝与绝缘垫块16相连。绝缘垫块16中开一定深度的凹槽，可放置压电传感器14与镀金有机玻璃柱15，并使之紧贴于测量极10，这有利于声波向下传递。固定罩17将绝缘垫块16紧压于箱体盖29上，使上述结构良好固定，同时固定罩17作为屏蔽壳，可排除外界环境中的电磁干扰，提高信噪比。

所述的均压金属球1为抛光的金属铜球。高压导杆2的材料为铁。上盖板4、柱形管5、高压电极31、测量极10、保护电极19、箱体盖29、固定罩17、平行金属板28和金属箱体27的材料均为铝。

所述的测量极10底部连有信号线38，穿过绝缘垫块16并通过设置于固定罩17的第一SMA插座12与设置于金属箱体27内的双刀双掷开关22的a路相连。当双刀双掷开关22拨向c端，测量极10通过扼流圈40与设置于金属箱体27的第四SMA插座24相连；当双刀双掷开关22拨向s端，测量极10通过螺丝25与金属箱体27相连并接地。

所述的保护电极19底部连有铜导线39，该铜导线39穿过绝缘垫块16并通过设置于固定罩17的第二BNC插座30与双刀双掷开关22的b路相接。当双刀双掷开关22拨向s端，保护电极19与设置于金属箱体27的第一BNC插座23相连，脉冲电压源34将脉冲信号施加在保护电极19上；当双刀双掷开关22拨向c端，保护电极19通过螺丝25与金属箱体27相连并接地。

所述的扼流圈40有较宽的工作频带，可有效抑制高频信号。在双刀双掷开关22由s端拨向c端时，由于施加于保护电极19上的纳秒脉冲电压不会立刻消失，而此时静电电流表37与测量极10接通，残余的脉冲电压可能对电导电流的测量造成干扰甚至对静电电流表37造成破坏，因此在双刀双掷开关22与第四SMA插座24之间串联扼流圈40，可有效抑制脉冲电压对静电电流表37造成的干扰。

所述的镀金有机玻璃柱15吸收穿过压电传感器14的声波，以防止反射对压电传感器14干扰。空间电荷信号经第二SMA插座18传递给设置于金属箱体27内的并平行金属板28固定的放大器20，而后再经金属箱体27上的第三SMA插座21传递给示波器35。

所述的测量极10中心处放置待测试样9。待测试样9被上下压紧，上端与半导电片8紧密接触，可涂抹硅油。

所述的纳秒脉冲电压源34的脉冲宽度为10ns，输出电压为0～2kV，脉冲重复频率100Hz。示波器35记录的数据可以反映空间电荷在试样厚度方向上的分布状况与电荷量大小，再经过计算单元36的处理，可得到试样的空间电荷特性；静电电流表37为pA级电流表，考虑到固体电介质的松弛特性，对试样施加电压后保持一段时间，再读取电流表示数。

装置进行空间电荷测试时，将待测试样9紧压于电极之间，金属箱体27可靠接地。双刀双掷开关22拨到s端，从高压导杆2接入直流高压，第一BNC插座23接入脉冲电压，第三SMA插座21连接示波器35，对空间电荷信号进行采样。空间电荷测量结束，可快速将双刀双掷开关22拨到c端，保护电极19与脉冲电压源34分离而接地，测量极10将电导电流信号输出到静电电流表37，实现电导电流信号的测量。在电导电流测量结束时，可快速将双刀双掷开关22拨到s端，静电电流表37与测量极10断开，脉冲电压源34与保护电极19相连，可实现空间电荷测量。

与现有技术相比，本发明基于试样本体隔直电容，避免了脉冲电压与直流高压耦合对电源造成的影响，并利用双刀双掷开关与测量极、保护电极的配合，实现了电导电流与空间电荷的同区分时测量。同时对电导电流测量与空间电荷测量的顺序没有要求，装置对信号的屏蔽作用好，测量结果可靠性高。此外本装置体积小，耐压等级高，可满足对固体电介质小试样、厚试样的测量需求。

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 (4)

1.一种同区分时三电极电导空间电荷测量装置，其特征在于，包括：上电极模块、下电极模块、金属箱体和数据采集模块，其中：上电极模块和下电极模块上下相对设置，数据采集模块与下电极模块相连，下电极模块嵌设于金属箱体的箱体盖中部；

所述的上电极模块包括：金属柱形管、高压导杆、高压电极以及半导电片，其中：柱形管上端和下端分别设有金属上盖板和绝缘下盖板，高压电极嵌设于下盖板中部，高压导杆一端与高压电极上表面相连，半导电片设置于高压电极下表面；

所述的下电极模块包括：柱形测量极、环形保护电极、绝缘外环和绝缘内环，其中：保护电极套设于测量极，绝缘内环设置于保护电极和测量极之间，绝缘外环套设于保护电极；

所述的数据采集模块包括：相互串联的示波器、计算单元和静电电流表，其中：示波器记录反映空间电荷在试样厚度方向上的分布状况与电荷量大小数据，经计算单元根据分布状况与电荷量大小数据以及静电电流表测得的电流处理得到试样的空间电荷特性。

2.根据权利要求1所述的基于本体隔直电容的同区分时测量装置，其特征是，所述的本体隔值电容由半导电片、试样、保护电极组成，可完成高压直流模块与脉冲模块的隔离；保护电极是脉冲信号和接地屏蔽的接入端，通过双刀双掷开关的拨动完成空间电荷和电导测量回路的切换。

3.根据权利要求1所述的基于本体隔直电容的同区分时测量装置，其特征是，所述的测量极引出信号线与双刀双掷开关的通路a连接，在双刀双掷开关拨向s端时，与金属外壳相连，当双刀双掷开关拨向c端时，其通过扼流圈与静电电流表相连；保护电极引出导线与双刀双掷开关的通路b相连，在双刀双掷开关拨向s端时，与脉冲电源相连，当双刀双掷开关拨向c端时，其与金属外壳相连；双刀双掷开关固定于金属外壳上，双刀双掷开关的切换会使其a、b通路的输出同时改变。

4.根据权利要求1所述的基于本体隔直电容的同区分时测量装置，其特征是，所述的扼流圈串联于电导电流测量回路中。