CN109557373B - 一种高温高压下体积电阻率测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温高压下体积电阻率测试系统，包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；测试电极包括相互平行放置的两个电极板，两电极板之间设有试样容置间隔；直流高压发生器的直流输出端正极通过高压引线连接测试电极的其中一个电极板；另一个电极板连接高阻计的测试端；所述高压引线上串接有保护电阻；连接高阻计测试端的极板外侧围设有保护环；控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；直流高压发生器的直流输出端负极、测试电极的另一个电极板、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地。本发明能够适应绝缘样品在高压下的体积电阻测量，同时拓展测试环境温度范围，解决测试温度单一和噪声信号干扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及电气绝缘测试技术领域，特别是一种高温高压下绝缘材料体积电阻率测试系统。
背景技术
聚合物因其具有优异的电气性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高等，已成为电气工业不可或缺的材料。通常用做电气系统中各部件相互绝缘和对地绝缘，希望材料有尽可能高的体积电阻率。绝缘材料的体积电阻率往往随环境温度和外加电场的变化，比如高压直流电缆绝缘层所使用的交联聚乙烯，其体积电阻率随温度和电场的变化非常明显，有时能达几个数量级的差异，给高压直流电缆绝缘结构设计带来巨大挑战。直流电压下，电缆绝缘层的电场分布取决于交联聚乙烯的体积电阻率，体积电阻率的变化将引起电缆绝缘层电场严重畸变，再加上绝缘材料本身的特性和环境条件的变化对体积电阻也有很大影响，因此精准测量并合理评估绝缘材料的体积电阻率成为了直流电缆绝缘结构设计时必须攻克的技术难题。
高阻计作为测量材料体积电阻率的重要仪器之一，广泛用于测量绝缘材料、电工产品、各种元器件的绝缘电阻，具有测量精度高、性能稳定、操作简单等优点，仪器的最高量程高达1017Ω。但是在实际应用中存在两个问题，一是测试温度单一，只能测试室温下的体积电阻率；二是测试电压低，最高输出电压只有1kV，不能满足绝缘材料在实际运行电压下的测试需求。为了研究绝缘材料体积电阻率随温度和电场的变化关系，必须对现有的高阻计进行重新设计，拓宽测试温度和电压范围，以实现高温高电压下绝缘材料体积电阻的精准测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温高压下体积电阻率测试系统，解决测试温度单一和噪声信号干扰问题，能够适应绝缘样品在高温高压下的体积电阻测量，拓宽测试温度范围，提高测试结果的准确性。
本发明采取的技术方案为：一种高温高压下体积电阻率测试系统，包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；
测试电极包括相互平行放置的高压电极和测试电极，两电极之间设有试样容置间隔，高压电极外设有保护环；直流高压发生器的直流输出端正极通过高压引线连接高压电极；测量电极连接高阻计的测试端；所述高压引线上串接有保护电阻；
控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；
直流高压发生器的直流输出端负极、保护环、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地。
本发明在应用时，直流高压发生器提供用来提供测试电压，控温屏蔽箱用来控制测试温度和屏蔽噪声干扰，保护电阻用来降低故障电压或电流对电气元件的影响，高压引线用于连接直流高压发生器和测试电极。高阻计采用直流放大法进行体积电阻率的测量，通过试样的电流用高阻计测量标准电阻两端的电压进而计算得到。
本发明控温屏蔽箱为获得不同环境温度下的测试结果，设置控温功能。控温屏蔽箱可采用现有的烘箱作为基础结构，然后通过消除烘箱金属外壳孔隙来实现屏蔽功能，并对烘箱内部的绝缘距离进行设计。
优选的，高压引线外周设有绕包绝缘层；保护电阻以及保护电阻两侧预设长度范围内的所述绕包绝缘层外周设有应力锥，应力锥中部外周还设有绝缘屏蔽层。高压引线电缆本体即设有绝缘屏蔽层，绕包绝缘层绕包在高压引线电缆本体的绝缘屏蔽层外，使得直流高压发生器与测试电极之间的引线可以更好的适应高电压测试环境。
进一步的，所述应力锥包括一体化设计的柱形中段与椎体两端部，所述柱形中段与椎体两端部的连接部为圆台柱，圆台柱朝向中段一端的直径小于其朝向椎体端部的一端直径。
优选的，保护电阻两侧的绕包绝缘层端部为锥尖部朝向保护电阻的锥形。
优选的，对于最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，直流高压发生器的最大输出电压为60kV，最大输出电流为2mA，纹波系数≤0.5％，保护电阻大于3×107Ω，同时远小于绝缘电阻。最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，绝缘电阻约为1010Ω。
优选的，保护电阻的阻值为1×108Ω，最大连续工作电压大于60kV。可承受较高的工作电压，保护电阻的阻值精度：±0.1％～±10％，采用无感设计。
优选的，连接高阻计测试端的极板为圆柱体极板，保护环为柱体圆环。保护环用于防止表面泄露电流对测试信号带来干扰。保护环可采用不锈钢材质。
进一步的，高压引线连接测试电极的一端端部设有均压环。由于测试电极和高压引线导体端面存在尖端，高压下极易产生电晕现象，影响系统的安全可靠性，并对测试信号产生干扰，本发明通过在导体端部设置均压环，解决导体端部的放电问题，保证系统在极端环境下仍然不产生电晕放电。
优选的，均压环到控温屏蔽箱壳体的高度为：
定义Ec为标准大气条件下的起始电晕场强，r2为均压环半径，δr为气体相对密度，m1为测试电极表面粗糙系数，m2为环境修正系数，h2为均压环到屏蔽箱壳体的高度；则电晕起始电压为：
其中，
在设定的均压环直径下，当Uc超出并大于电压输出范围0-60kV，则相应的h2范围即为满足系统无电晕放电的均压环到屏蔽箱壳体的高度范围。本发明优选均压环直径为1cm，均压环到屏蔽箱壳体的距离大于10cm，可满足系统无电晕放电的要求。
为了保障屏蔽效果，解决测试系统电磁兼容问题，本发明控温屏蔽箱的屏蔽效能大于90dB，控温屏蔽箱的金属壳体厚度为0.008mm。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：
本发明高温高电压下体积电阻率测试系统，基于高阻计利用电流放大法对绝缘样品进行体积电阻率的测量，同时通过设计保护电阻以及高压引线结构，并将测试电极以及试样置于控温屏蔽箱内，使得绝缘材料体积电阻的测试能够适应高温高压的环境，如环境温度从室温变为室温～100℃，测试电压从0～1kV变为0～60kV，并可长期承受高达60kV的直流电压；同时降低样品击穿对测试元器件的损坏风险；
通过高压引线端部设置均压环，同时合理设置屏蔽箱内的空气绝缘距离，消除测试电极在高电压下的电晕放电。
附图说明
图1所示为本发明测试系统结构示意图；
图2所示为本发明测试系统等效电路图；
图3所示为保护电阻和高压引线绝缘结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
结合图1和图2，本发明高温高压下体积电阻率测试系统，包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；
如图2，测试电极包括相互平行放置的两个电极板，高压电极1和测量电极3，两电极板之间设有试样容置间隔；直流高压发生器的直流输出端正极通过高压引线连接测试电极的其中一个电极板，即高压电极1；另一个电极板即测量电极3连接高阻计G的测试端；连接高阻计测试端的极板即测量电极3外侧围设有保护环2也即保护电极；所述高压引线上串接有保护电阻R；
控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；
直流高压发生器的直流输出端负极、保护环2、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地。
本发明在应用时，直流高压发生器提供用来提供测试电压，控温屏蔽箱用来控制测试温度和屏蔽噪声干扰，保护电阻用来降低故障电压或电流对电气元件的影响，高压引线用于连接直流高压发生器和测试电极。高阻计采用直流放大法进行体积电阻率的测量，通过试样的电流用高阻计测量标准电阻两端的电压进而计算得到。
体积电阻率公式为：
其中，ρv-体积电阻率，单位Ω·m；U—测试电压，单位kV；I-测试电流，单位μA；h—绝缘材料试样的厚度，单位m；A-测量电极(图2中电极3)的有效面积，单位m2，d1-测量电极直径，单位m；g-测量电极与保护电极间隙宽度，单位m。
实施例
本实施例针对系统中各组成部分分别进行说明。
一、直流高压发生器
直流发生器在整个系统中的主要作用为给待测绝缘样品提供一个直流高电压，直流高压发生器必须考虑三个重要指标：最高输出电压、最大输出电流和纹波系数。
1.1、最高输出电压
对于最大绝缘厚度为2mm的待测绝缘样品，要求测试电场不低于30kV/mm，可以确定直流高压发生器的最大输出电压为60kV。
1.2、最大输出电流
最大输出电流主要取决于样品、电容元件等在加压、降压过程中的充、放电电流。样品电容计算公式为通用电容计算公式：根据公式计算得到待测绝缘样品的最大电容约为0.3nF。考虑最大加压或降压速率120kV/s，根据样品充电电流公式：/>可以得出最大充电电流为0.36mA。为保证直流高压发生器足够的裕度，并结合商品化直流发生器产品的实际情况，本实施例选定直流高压发生器的最大输出电流为2mA。
1.3、纹波系数
由纹波电压引起的纹波电流可能对信号电流造成干扰。当纹波系数为0.5％时，纹波电流远小于测试电流，这样对信号电流的干扰几乎可以忽略。
综合以上，直流高压发生器的主要技术要求为：输出直流60kV；最大电流2mA；纹波系数≤0.5％。
二、高压引线和保护电阻
参考图3所示，本实施例中，高压引线外周设有绕包绝缘层；保护电阻以及保护电阻两侧预设长度范围内的所述绕包绝缘层外周设有应力锥，应力锥中部外周还设有绝缘屏蔽层。以更好的适应高温高电压测试环境。
2.1、保护电阻
为了保证样品发生击穿时产生的短路电流不大于最大输出电流，根据直流高压发生器的最大输出电压为60kV，最大输出电流为2mA，可推导出保护电阻大于3×107Ω。根据样品尺寸，绝缘电阻约为1010Ω。为保证样品上的电压几乎等于直流高压发生器的输出电压，必须满足保护电阻R＜＜R样品，即保护电阻阻值远小于绝缘电阻。
因此，本实施例保护电阻的阻值选为1×108Ω，为保证其可承受较高的工作电压，保护电阻的最大连续工作电压大于60kV，阻值精度为：±0.1％～±10％，采用无感设计。
2.2、保护电阻与高压引线的绝缘结构
本发明将高压引线切断，并在中间接入保护电阻，可降低样品击穿对测试元器件的损坏风险。为保证高压引线能够长期承受60kV的直流高压，还需要在保护电阻及高压引线外周设计绕包绝缘层、应力锥和绝缘屏蔽。
2.2.1高压引线外周绕包绝缘层的厚度
本发明将高压引线切断，并在中间接入保护电阻，可降低样品击穿对测试元器件的损坏风险。为保证高压引线能够长期承受60kV的直流高压，还需要在保护电阻及高压引线外周设计绕包绝缘层、应力锥和绝缘屏蔽。
本实施例中，应力锥包括一体化设计的柱形中段与椎体两端部，所述柱形中段与椎体两端部的连接部为圆台柱，圆台柱朝向中段一端的直径小于其朝向椎体端部的一端直径。
保护电阻两侧的绕包绝缘层端部为锥尖部朝向保护电阻的锥形。
高压引线外周的绝缘层厚度、应力锥的长度和锥面角度可根据实际耐压测试结果进行设计。
三、控温屏蔽箱
3.1、箱内绝缘距离设计
本实施例中，连接高阻计测试端的极板为圆柱体极板，保护环为柱体圆环。保护环用于防止表面泄露电流对测试信号带来干扰。保护环可采用不锈钢材质。
由于测试电极和高压引线导体端面存在尖端，高压下极易产生电晕现象，影响系统的安全可靠性，并对测试信号产生干扰，因此本实施例在高压引线连接测试电极的一端端部设有均压环。可解决导体端部的放电问题，保证系统在极端环境下仍然不产生电晕放电。
在标准大气条件下电晕起始场强Ec的经验表达式为：
式中，Ec为起始电晕场强，单位kV/cm；r2为均压环半径，单位cm；δr为气体相对密度；m1为电极表面粗糙系数，取0.8；m2为环境修正系数，好天气时，可按0.8估算。假设均压环半径为1cm，可求得Ec，定义h2为均压环到屏蔽箱壳体的高度，单位cm，则根据均压环位置可求得电晕起始电压为：
本实施例取r2＝1cm，m1＝0.8，m2＝0.8，可得Ec＝25kV/cm，进而可根据均压环到屏蔽箱距离与电晕起始电压的关系式得到，当h2＞10cm时，Uc超出电压输出范围0-60kV，即大于60kV，可满足系统无电晕放电的要求。
3.2、控温屏蔽箱的屏蔽效能
电阻率的测试过程中存在较多的强干扰源(如高电压或强电流装置)，同时又存在一些敏感设备，系统电磁兼容问题较为突出。电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重大措施之一。电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰。
《实验室认可准则》中对电磁兼容检测领域认可的补充要求，屏蔽箱的屏蔽效能应达到f＝0.014MHz～1MHz时，屏蔽效能S>60dB；f＝1MHz～1000MHz时，S>90dB。本实施例中要求屏蔽效能大于90dB。
根据电磁波传播理论：
当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射即：
R'＝168-10×lg(fμrσr)
式中，R'为反射损耗，单位dB；μr为金属的相对磁导率；σr为金属的相对导电率(以铜为例σr为1)；f为电磁波频率。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续。
②未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。
也就是所谓的吸收；即：
式中，A'为吸收损耗，单位dB；t为金属板厚度，单位mm。
在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射，在当上述吸收损耗A'大于10dB时，在实际工程中，一般可以不考虑。屏蔽箱屏蔽效能S的理论值为S＝R'+A'，本实施例中，当金属板厚度为0.008mm时即可满足屏蔽效能的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种体积电阻率测试系统，其特征是，包括直流高压发生器、高阻计、控温屏蔽箱，以及控温屏蔽箱内的测试电极；
测试电极包括相互平行放置的高压电极和测试电极，两电极之间设有试样容置间隔，高压电极外设有保护环；直流高压发生器的直流输出端正极通过高压引线连接高压电极；测量电极连接高阻计的测试端；所述高压引线上串接有保护电阻；高压引线连接测试电极的一端端部设有均压环；
控温屏蔽箱包括金属壳体以及可改变箱体内温度的温控模块；
直流高压发生器的直流输出端负极、保护环、控温屏蔽箱金属壳体以及高阻计的接地端连接并接地；
所述均压环到控温屏蔽箱壳体的高度根据以下公式确定：
;
其中，;
Uc为电晕起始电压；E c 为标准大气条件下的起始电晕场强，r 2为均压环半径，为气体相对密度，m 1为测试电极表面粗糙系数，m 2为环境修正系数，h 2为均压环到控温屏蔽箱壳体的高度；
在设定的均压环半径下，当U c超出并大于电压输出范围0-60kV，则相应的h 2范围即为满足系统无电晕放电的均压环到控温屏蔽箱壳体的高度范围。
2.根据权利要求1所述的体积电阻率测试系统，其特征是，高压引线外周设有绕包绝缘层；保护电阻以及保护电阻两侧预设长度范围内的所述绕包绝缘层外周设有应力锥，应力锥中部外周还设有绝缘屏蔽层。
3.根据权利要求2所述的体积电阻率测试系统，其特征是，所述应力锥包括一体化设计的柱形中段与椎体两端部，所述柱形中段与椎体两端部的连接部为圆台柱，圆台柱朝向中段一端的直径小于其朝向椎体端部的一端直径。
4.根据权利要求2或3所述的体积电阻率测试系统，其特征是，保护电阻两侧的绕包绝缘层端部为锥尖部朝向保护电阻的锥形。
5. 根据权利要求1所述的体积电阻率测试系统，其特征是，对于最大绝缘厚度为2 mm的待测绝缘样品，直流高压发生器的最大输出电压为60 kV，最大输出电流为2 mA，纹波系数≤0.5%，保护电阻大于3×107 Ω，同时远小于绝缘电阻。
6. 根据权利要求1所述的体积电阻率测试系统，其特征是，保护电阻的阻值为1×108Ω，最大连续工作电压大于60 kV。
7.根据权利要求1所述的体积电阻率测试系统，其特征是，连接高阻计测试端的极板为圆柱体极板，保护环为柱体圆环。
8.根据权利要求1所述的体积电阻率测试系统，其特征是，控温屏蔽箱的屏蔽效能大于90dB，控温屏蔽箱的金属壳体厚度为0.008mm。
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