CN107870295B - 高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法及装置，属于发射电荷测试领域。所述方法包括：S1来自电源端的电压加载于第一电极上，然后依次传递至半导电层、试品和第二电极，上述过程形成一个电路回路；所述第一电极内形成空心区；S2：持续给装置加载电压，直至达到测试要求时间，断开电源；S3：移走装置，保留试品；S4：测量所述试品第一区的电荷。所述装置包括电源端和与其相连的第一电极，所述第一电极内形成空心区，所述第一电极与半导电层相接触，所述半导电层与待测试品相接触，所述试品放置在第二电极上。本申请可测试半导电层是否对试品发射电荷，以便改进或合理利用材料。

Description

高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法及装置

技术领域

本申请涉及一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法及装置，用于实现半导电层的电荷发射测试，属于发射电荷测试领域。

背景技术

半导电层作为高压直流电缆中不可或缺的部分，不仅可以均匀电场，对于电荷向绝缘层的注入也起到了决定性作用，并且对空间电荷在绝缘层的积累产生了间接影响。因此研究半导电层，尤其是高压直流电缆中半导电层的空间电荷的发射问题，尤其是对绝缘层材料的发射问题，对开发新型材料、以及抑制电荷发射方法的提出均具有重要意义。

但是目前并没有高压直流电缆用半导电层电荷发射的测试方法和装置，更没有类似的发射测试方法和装置可供借鉴。目前，研究半导电层的发射，多是将半导电层与金属电极作为整体，近似研究半导电层的电子发射特性等，而将半导电层作为单独的高压电极研究其电子发射特性的报道尚未发现。

发明内容

针对上述问题，本申请主要提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法及装置，可测试高压直流电缆用半导电层电荷的发射情况。

本申请的第一种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法，所述方法包括以下步骤：

S1：来自电源端的电压加载于第一电极上，然后依次传递至与所述第一电极相接触的半导电层、与所述半导电层相接触的试品、与所述试品相接触的第二电极，上述过程形成一个电路回路；

所述第一电极内形成空心区；

所述半导电层分为半导电层第一区和与其相邻的半导电层第二区；所述半导电层第一区与空心区相对应，所述半导电层第二区与第一电极相接触；

所述空心区内、半导电层第一区上放置有压块；

所述试品分为试品第一区和与其相邻的试品第二区；所述试品第一区与所述半导电层第一区相接触，所述试品第二区与所述半导电层第二区相接触；

S2：持续给装置加载电压，直至达到测试规定的时间，断开电源；

S3：移走装置，保留试品；

S4：测量所述试品第一区的电荷，以确定所述半导电层是否对试品发射电荷；如果所述试品第一区具有电荷，则确定半导电层对试品发射了电荷；反之，则没有发射电荷。

本申请的第二种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，包括电源端和与其相连的第一电极；

所述第一电极内形成空心区，所述第一电极的下表面与半导电层的上表面相接触；

所述半导电层的下表面与待测试品的上表面相接触；

所述试品放置在第二电极上；

所述半导电层分为半导电层第一区和与其相邻的半导电层第二区；所述半导电层第一区与空心区相对应，所述半导电层第二区与电极下表面相接触；

所述空心区内、半导电层第一区上放置有压块；

所述试品)分为试品第一区和与其相邻的试品第二区；所述试品第一区与所述半导电层第一区相接触，所述试品第二区与所述半导电层第二区相接触。

本申请的第三种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法在电缆材料测试领域的运用。所述高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法为前文所述的测试方法。

本申请的第四种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置在电缆材料测试领域的运用。所述高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置为前文所述的测试装置。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

1.本申请提供的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法和装置，使得判断半导电层是否对试品发射电荷变得可行，解决了试验条件下测试半导电层和试品间关系的难题。

2.第一电极的空心区与半导电层直接接触，而非半导电层全部与第一电极接触，从而使得测量半导电层是否向试品发射电荷成为可能。

3.本申请中，从对试品的电荷的测量(空心区对应区域)，来反推半导电层是否对试品发射电荷，从而判断半导电层是否具有对试品发射电荷的行为。

4.本申请研究的高压直流电缆用半导电层电荷发射问题，可以解决无法直接测量半导体是否发射电荷的难题；本申请提出的方法和装置对于研究其他材料的发射具有很高的参考性，且对研究半导电层的电荷发射及提高材料特性具有重要的意义。

5.本申请一方面开辟了测试半导电层(或其他材料)是否向被测试品直接发射电荷的方法和装置，不仅可以验证高压直流电缆用半导电层电荷发射的问题，还可采取后续方法对发射的电荷进行测量；另一方面也为其他领域需要解决相同或相似的问题提供了借鉴。

6.本申请由于压块的作用，使得半导电层与试品的贴合更紧密，使得测试结果更准确。

附图说明

图1是本申请一种实施方式的立体示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是本申请另一种实施方式的立体图；

图4是图3的剖视图；

图5是本申请再一种实施方式的立体图；

图6是图5的剖视图；

图7为第一电极截面图；

图中编号：1电源端，2第一电极，21电极上表面，22电极下表面，23电极内表面，24电极外表面，25空心区，3半导电层，31半导电层第一区，32半导电层第二区，33半导电层第三区，4试品，41试品第一区，42试品第二区，43试品第三区，5第二电极，6压块，7外罩。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本申请的技术方案进行详实的阐述，然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中，并不限于单一的累加。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“内侧”或“外周”都是相对于图中的方向，而非对其位置的绝对限制。值得注意的是，本申请中所指的高压主要是指电压高于等于1kV的情况；但是并不排除低于该电压下仍然可以使用本方法和本装置的情况。所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

1.高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法

本申请的第一种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法，包括以下步骤：

S1：来自电源端1的电压加载于第一电极2上，然后依次传递至与所述第一电极2相接触的半导电层3、与所述半导电层3相接触的试品4、与所述试品4相接触的第二电极5，上述过程形成一个电路回路；

所述第一电极2内形成空心区25；

所述半导电层3分为半导电层第一区31和与其相邻的半导电层第二区32；所述半导电层第一区31与空心区25相对应，所述半导电层第二区32与第一电极2相接触；

所述试品4分为试品第一区41和与其相邻的试品第二区42；所述试品第一区41与所述半导电层第一区31相接触，所述试品第二区42与所述半导电层第二区32相接触；

S2：持续给装置加载电压，直至达到测试规定的时间，断开电源；

S3：移走装置，保留试品4；

S4：测量所述试品第一区41的电荷，以确定所述半导电层3是否对试品4发射电荷；如果所述试品第一区41具有电荷，则确定半导电层3对试品4发射了电荷；反之，则没有发射电荷。

1.1关于S1：

所述S1中，整个过程在高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置中进行。可理解为所述的各个部件均属于测试装置。

所述S1中，可通过控制第一电极2上的施加电压，来调节半导电层3对试品4的加载电压的幅值；从而可模拟不同电压下半导电层3发射电荷的情况。

作为一种优选的实施方式，所述S1中，所述半导电层3还可包括半导电层第三区33，所述半导电层第三区33环绕所述半导电层第二区32；所述试品4还可包括试品第三区43，所述试品第三区43环绕所述试品第二区42，且所述试品第三区43与所述半导电层第三区33相接触。

进一步地，所述试品第三区43的径向宽度大于所述半导电层第三区33的径向宽度。

作为一种优选的实施方式，如图3和4所示，所述空心区25内、半导电层第一区31上放置有压块6；所述压块6压在半导电层上，由于压块6具有一定重量，因此可使得半导电层3和试品4之间更好地接触。

作为一种优选的实施方式，所述压块6的材质为绝缘材料，优选聚四氟乙烯，尤其优选高纯度的聚四氟乙烯，其纯度≥90％；即压块6中聚四氟乙烯的质量含量≥90％；尤其优选其纯度为99.9％左右。

作为一种优选的实施方式，如图5和6所示，所述压块6外表面设置有外罩7，所述外罩7为绝缘材料。当所述压块6选用导电材料，如密度更高的金属块时，可以通过外罩7的设置防止第一电极2对压块6放电。

1.2关于S2：

所述S2中，第一电极2、半导电层第一区31和半导电层第二区32在加载电压后形成等电位电场。电压加载过程需要保持电压稳定。

所述S2中的测试规定的时间是指：加载电压的时间可以根据不同的测试要求、不同的测试目的而人为设置不同的时间；比如可以为10min，15min，30min，45min，1h，5h等等。例如需要测试1h内，在某一电压下，半导电层3是否对试品4发射电荷，那么需要将加载电压的时间控制在1h左右即可。

1.3关于S3：

所述S3中，当从装置中分离出试品4时，需要小心操作，避免试品4与其他材料或物体接触，如操作人员，防止电荷量发生变化；保持试品4不弯折以及不受损，以免测量结果不准确。

1.4关于S4：

作为一种优选的实施方式，所述S4中，为了使得测量结果更加准确，在测量过程中，测量所述试品第一区41的中间部位是否有电荷；边缘部位由于存在边缘放电等可能性，因此测量边缘部位可能使得测量结果不准确。

作为一种优选的实施方式，在S4进行测量前，还可以包括对试品4的切割步骤，将所述试品第一区41切割出来进行电荷测量；可以减少或免除与半导电层第二区32直接接触的试品第二区42的干扰，从而得到的测量电荷数据更加可靠。

进一步地，优选在切割后的所述试品第一区41的中间部位进行电荷测量。

所述S4中，在测量试品4中是否有电荷时，可以采用常规的电荷测量方法，例如电声脉冲法(PEA法)等等。

2.高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置

本申请的第二种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，如图1-6所示，

包括电源端1和与其相连的第一电极2；

所述第一电极2内形成空心区25，所述第一电极2的下表面22与半导电层3的上表面相接触；

所述半导电层3的下表面与待测试品4的上表面相接触；

所述试品4放置在第二电极5上。

所述测试装置在通电后可以形成一个电流回路。

2.1关于电源端1

所述电源端1可为第一电极2提供加载的电压，例如可为第一电极2提供高压电、超高压电。

作为一种优选的实施方式，所述电源端1可选具有光滑面的结构，如球形等；可减少电荷聚集的可能性，避免局部空间放电。

2.2关于第一电极2

作为一种优选的实施方式，如图1-7所示，具体地，所述第一电极2可包括电极上表面21、电极下表面22、电极内表面23和电极外表面24，其中，所述电极上表面21和电极下表面22均分别与电极内表面23和电极外表面24相邻；所述电极内表面23形成空心区25；所述电极下表面22与所述半导电层3的上表面相接触。

作为一种优选的实施方式，所述第一电极2的各个表面之间的接触处均为光滑过渡面，如可采用圆角、圆弧面或者球面等方式过渡，由此可防止在进行测试时，电荷通过突出的结构产生电荷聚集，进而产生空间放电等。

作为一种优选的实施方式，所述第一电极2可选择圆环体(其截面如图7中间图所示)或中空圆柱体(其截面如图7左侧图所示)，所述第一电极2的电极下表面22为平滑过渡而得的平面(如图7所示)。

所述的第一电极2的纵向截面的轮廓可为圆形、椭圆形或其他由曲线或曲线和直线组合构成的封闭图形，但值得理解的是，由于所述电极下表面22为平面，因此，上述轮廓的底部往往是直线与上述轮廓图形的平滑结合。图7中示出了三种第一电极2的截面图，包括圆角处理后的矩形，圆形和直线的结合图形(过渡处圆滑处理)，以及椭圆形和直线的结合图形(过渡处圆滑处理)；但是值得理解的是，本申请所保护的第一电极2的形状并不局限于此。

2.3关于半导电层3

本申请中，所述半导电层3是一种半导电材料，例如可以选择高压电缆中用于均匀电场的半导体材料，或者其他半导体材料。

作为一种优选的实施方式，所述半导电层3为结构均匀、厚度均匀的半导电材料。测试中，所述半导电层3的厚度可为0.1-1mm，优选0.2-0.7mm；可以理解的是，根据测试的实际需求可选用0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm等等。

作为一种优选的实施方式，所述半导电层3可分为半导电层第一区31和与其相邻的半导电层第二区32；所述半导电层第一区31与空心区25相对应，所述半导电层第二区32与电极下表面22相接触。

本实施方式中，可看做所述半导电层第二区32环绕所述半导电层第一区31。尤其是当第一电极2为中空圆柱体或圆环体时，所述半导电层第一区31的俯视图即为圆形，所述半导电层第二区32的俯视图即为位于其外围的圆环。

作为一种优选的实施方式，所述半导电层3还可包括半导电层第三区33，所述半导电层第三区33环绕所述半导电层第二区32，可看做位于半导电层3的最外围。

显然，当第一电极2为中空圆柱体时，所述半导电层第三区33的俯视图即为半导电层3中最外围的圆环。

值得注意的是，以上分区只是将同一个半导电层3按其与第一电极2接触面的不同而划分为不同的区域，而非将其进行切割分离。

作为一种优选的实施方式，如图3和4所示，所述空心区25内、半导电层第一区31上放置有压块6，所述压块6压在半导电层上，以便半导电层3和试品4之间更好地接触。

作为一种优选的实施方式，所述压块6的材质为绝缘材料，优选聚四氟乙烯，尤其优选高纯度的聚四氟乙烯，其纯度≥90％；即压块6中聚四氟乙烯的质量含量≥90％。

作为一种优选的实施方式，如图5和6所示，所述压块6外表面设置有外罩7，所述外罩7为绝缘材料。当所述压块6为导电材料，如金属块时，可以通过外罩7的设置防止第一电极2对压块6放电。

2.4关于试品4：

本申请中，所述试品4为绝缘材料，可选用聚乙烯类、聚氯乙烯类、交联聚乙烯类、橡胶类等绝缘材料。

作为一种优选的实施方式，在测试中，选择试品4为结构均匀、厚度均匀的绝缘材料。所述试品4的厚度可为0.1-1mm，优选0.2-0.7mm；可以理解的是，根据测试的实际需求可选用0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm等等。

作为一种优选的实施方式，所述试品4分为试品第一区41和与其相邻的试品第二区42；所述试品第一区41与所述半导电层第一区31相接触，所述试品第二区42与所述半导电层第二区32相接触。

本实施方式中，可看做所述试品第二区42环绕所述试品第一区41。尤其是当第一电极2为中空圆柱体时，所述试品第一区41的俯视图即为圆形，所述试品第二区42的俯视图即为位于其外围的圆环。

作为一种优选的实施方式，所述试品4还可包括试品第三区43，所述试品第三区43环绕所述试品第二区42，可看做试品4的最外围；且所述试品第三区43与所述半导电层第三区33相接触。

显然，当第一电极2为中空圆柱体时，所述试品第三区43的俯视图即为试品4中最外围的圆环。

作为一种优选的实施方式，所述试品第三区43的径向宽度大于所述半导电层第三区33的径向宽度，如此半导电层第三区33可以完全放置在试品第三区43上，且外围还有剩余空间。

在测试中，所述试品第三区43可能也会有电荷，但是实际操作中一般不采用该区作为电荷测量区，其原因是：相比于试品第一区41，试品第三区43可能产生边缘放电、有电荷发散行为。

在测试中，加载的电压等级越高，所需的半导电层第三区33和试品第三区43的面积越大，减少边缘放电发生的可能性。

值得注意的是，以上分区只是将同一个试品4按其与半导电层3接触面的不同而划分为不同的区域，而非将其进行切割分离。当然根据测量的实际需要，也可以对其进行相应的切割分析，例如前文步骤S4进行时的切割。

3.高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法的运用

本申请的第三种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法在电缆材料测试领域中的运用，尤其是电缆半导电层和绝缘层测试中的运用。所述高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法为前文所述的测试方法。

4.高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置的运用

本申请的第四种实施方式提供了一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置在电缆材料测试领域中的运用，尤其是电缆半导电层和绝缘层测试中的运用。所述高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置为前文所述的测试装置。

在实际的电缆运用中，可以通过测试半导电层3是否对试品4发射电荷，来确定试品4的材质是否可以作为电缆中的绝缘层材料加以利用；或者通过施加不同等级的电压测试绝缘层材料适合运用的电压等级等等。具体地，至少可以做以下两种判断：

(1)对于现有的试品4(绝缘层材料)，经过测量，如果发现试品4中没有电荷，即半导电层3没有对试品4放电，那么在实际中就不会由于所述试品材料的使用而导致电荷泄露或者泄露量很低，进而不会降低电力传输效率，那么这样的试品材料就是可选的绝缘层材料；反之，则可能需要采用其他合适的材料代替，从而促使新材料的开发。或者，取而代之的，可以通过改进半导电层3的材质，使得半导电层3与试品4之间的发射电荷的几率减小。

(2)测试中，对同一种试品4(绝缘层材料)，通过测试多组加载不同等级的高压电的情况，可以判断该试品材料适合的电压等级，从而选择更好地运用该材料，避免大材小用，或者小材弃用。

本申请的方法和装置并不局限于电缆材料的测试，其他具有相同测试需求的领域也可以运用。

Claims (11)

1.一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：来自电源端(1)的电压加载于第一电极(2)上，然后依次传递至与所述第一电极(2)相接触的半导电层(3)、与所述半导电层(3)相接触的试品(4)、与所述试品(4)相接触的第二电极(5)，从而形成一个电路回路；

所述第一电极(2)内形成空心区(25)；

所述半导电层(3)分为半导电层第一区(31)和与其相邻的半导电层第二区(32)；所述半导电层第一区(31)与空心区(25)相对应，所述半导电层第二区(32)与第一电极(2)相接触；

所述空心区(25)内、半导电层第一区(31)上放置有压块(6)；

所述试品(4)分为试品第一区(41)和与其相邻的试品第二区(42)；所述试品第一区(41)与所述半导电层第一区(31)相接触，所述试品第二区(42)与所述半导电层第二区(32)相接触；

S2：持续给装置加载电压，直至达到测试规定的时间，断开电源；

S3：移走装置，保留试品(4)；

S4：测量所述试品第一区(41)的电荷，以确定所述半导电层(3)是否对试品(4)发射电荷；如果所述试品第一区(41)具有电荷，则确定半导电层(3)对试品(4)发射了电荷；反之，则没有发射电荷。

2.根据权利要求1所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法，其特征在于，所述压块(6)外表面设置有外罩(7)，所述外罩(7)为绝缘材料。

3.根据权利要求1或2所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法，其特征在于，所述S1中，所述半导电层(3)还包括半导电层第三区(33)，所述半导电层第三区(33)环绕所述半导电层第二区(32)；所述试品(4)还包括试品第三区(43)，所述试品第三区(43)环绕所述试品第二区(42)，且所述试品第三区(43)与所述半导电层第三区(33)相接触。

4.根据权利要求1或2所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试方法，其特征在于，所述S4中，测量所述试品第一区(41)的中间部位是否有电荷；或者在S4进行测量前，还包括对试品(4)的切割步骤，将所述试品第一区(41)切割出来进行电荷测量。

5.一种高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，包括，

电源端(1)和与其相连的第一电极(2)；

所述第一电极(2)内形成空心区(25)，所述第一电极(2)的下表面(22)与半导电层(3)的上表面相接触；第一电极(2)的下表面(22)简称为电极下表面(22)；

所述半导电层(3)的下表面与待测试品(4)的上表面相接触；

所述试品(4)放置在第二电极(5)上；

所述半导电层(3)分为半导电层第一区(31)和与其相邻的半导电层第二区(32)；所述半导电层第一区(31)与空心区(25)相对应，所述半导电层第二区(32)与电极下表面(22)相接触；

所述空心区(25)内、半导电层第一区(31)上放置有压块(6)；

所述试品(4)分为试品第一区(41)和与其相邻的试品第二区(42)；所述试品第一区(41)与所述半导电层第一区(31)相接触，所述试品第二区(42)与所述半导电层第二区(32)相接触。

6.根据权利要求5所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，所述压块(6)选用绝缘材料。

7.根据权利要求6所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，所述绝缘材料选择聚四氟乙烯。

8.根据权利要求7所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，所述聚四氟乙烯为高纯度的聚四氟乙烯，其纯度≥90％。

9.根据权利要求5所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，所述压块(6)外表面设置有外罩(7)，所述外罩(7)为绝缘材料。

10.根据权利要求5-9任一所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，所述第一电极(2)包括电极上表面(21)、电极下表面(22)、电极内表面(23)和电极外表面(24)，其中，所述电极上表面(21)和电极下表面(22)均分别与电极内表面(23)和电极外表面(24)相邻；所述电极内表面(23)形成空心区(25)；所述电极下表面(22)与所述半导电层(3)的上表面相接触；

所述半导电层(3)还包括半导电层第三区(33)，所述半导电层第三区(33)环绕所述半导电层第二区(32)；所述试品(4)还包括试品第三区(43)，所述试品第三区(43)环绕所述试品第二区(42)；且所述试品第三区(43)与所述半导电层第三区(33)相接触。

11.根据权利要求5-9任一所述的高压直流电缆用半导电层电荷发射测试装置，其特征在于，所述第一电极(2)的各个表面之间的接触处均为光滑过渡面；所述半导电层(3)为半导电材料，其厚度为0.1-1mm；所述试品(4)为绝缘材料，其厚度为0.1-1mm。

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