CN110398672A - 一种测量绝缘材料电离及电荷迁移参数的试样结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量绝缘材料电离及电荷迁移参数的试样结构及方法，试样结构，由第一阻挡材料、被测材料和第二阻挡材料组成，使用电导率远低于被测材料并且具有高注入阈值的阻挡材料，能够实现阻挡电极对试样进行电荷的注入和被测材料中的电荷向外迁移。测量方法采用了改进的电声脉冲(PEA)法空间电荷测量装置，将被测试样结构放入测量装置中，通过恒温循环油浴将试样结构加热到指定温度，利用PEA法测量温度、电场条件下被测材料试样中材料电离产生的空间电荷特性。本发明主要测量绝缘材料中电离产生的空间电荷特性。

Description

一种测量绝缘材料电离及电荷迁移参数的试样结构及方法

技术领域

本发明属于绝缘材料中电离电荷特性的测量技术，具体的讲是利用阻挡材料对电极注入电荷的阻挡作用，使得阻挡材料与测试材料界面上的电荷全部为电离产生，通过计算，确定材料的电离电荷特性。

背景技术

在高压直流输电设备的绝缘材料中，空间电荷的积聚是造成绝缘破坏的主要原因之一。目前，针对不同绝缘材料中的空间电荷特性，国内外开展了广泛的研究，通常认为低场强下，绝缘材料中的空间电荷主要来源于材料电离产生的电荷，而高场强下，空间电荷主要来源于电极注入的电荷，但是对两种电荷来源的定量测量还少见报道，材料电离对空间电荷的贡献还主要集中在定性分析中，并不能准确地定量测量电介质中电离产生的电荷量。

绝缘材料中含有一些可电离的物质，在温度和电场的作用下，这些物质发生电离，产生正负载流子，这些载流子会在电场的作用下进行定向迁移，是空间电荷重要来源。

在现有的技术中，采用电声脉冲法可以对电介质材料中的空间电荷分布进行测量。但现有技术仅能够测量绝缘材料中，整体的空间电荷分布情况，这些空间电荷中，既包括从电极注入的电荷，也包含材料本身电离产生的电荷，同时对两种电荷进行测量，不能区分两种电荷，定量地分析材料电离对空间电荷分布的贡献是无法实现的。

发明内容

本发明利用阻挡材料对电极注入电荷的阻挡作用，提出了一种测量绝缘材料电离及电荷迁移参数的试样结构及方法，对研究直流输电设备绝缘材料中的空间电荷特性具有十分重要的意义。

本发明为了解决上述问题，提供了一种有效地利用阻挡材料排除电极注入电荷的影响，单独测量材料电离产生的空间电荷的测试方法，实现了对电离特性的定量测量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构，包括：

第一阻挡材料，位于被测试样的上方，与被测材料紧密接触；

被测材料，即为被测量目标材料；

第二阻挡材料，位于被测试样的下方，与被测材料紧密接触。

阻挡材料的介电常数与被测材料相近，电导率远小于被测材料，注入阈值高于被测材料。

阻挡材料与被测材料的声阻抗，即材料中的声速乘以密度相近，厚度方面，阻挡材料厚度与阻挡材料声速的比例大于被测材料厚度与被测材料声速的比例。

一种采用如权利要求1所述的用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构的空间电荷测量方法，包括以下步骤：

1)将第一阻挡材料、被测材料、第二阻挡材料按照顺序组成试样结构；

2)将试样结构放置在第一电极与第二电极之间，使得电极与试样结构紧密接触；

3)打开恒温循环油浴，调节试样结构的温度范围为20℃—90℃；

4)电声脉冲法测量受温度、高压直流，调节范围-60kv—+60kV，与高压电脉冲叠加1400—1800V作用下的试样结构中的空间电荷特性；

5)压电传感器对产生的声信号进行检测，并将检测的声信号转化为电信号输出；

6)放大器对压电传感器输出的电信号进行放大，放大倍数为47dB；

7)示波器对放大的电信号进行实时采集和显示；

8)计算机处理被测绝缘材料试样空间电荷测量结果信息，并输出最终空间电荷信息。

第二电极使用厚度为9—10mm的铝极板。

第二电极增加了一个试样槽，高度为10—20mm。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明利用试样结构实现对绝缘材料中电离电荷的有效提取；其中第一阻挡材料和第二阻挡材料分别与第一电极和第二电极接触，并将被测材料夹在中间；由于第一阻挡材料与第二阻挡材料的绝缘性能和电荷注入阈值远高于被测材料，因此相对于被测材料，可以认为，在一定的场强下，第一阻挡材料能够实现对从第一电极向试样结构中注入和抽出的电荷的阻挡，第二阻挡材料能够实现对从第二电极向试样结构中注入和抽出的电荷的阻挡；被测材料由于绝缘性能相对较差，在温度和电场的作用下会产生电离现象，电离产生的电荷在电场的作用下向着极性相反的方向移动；当电离电荷移动到阻挡材料与被测材料之间的界面时，由于阻挡材料具有远好于被测材料的绝缘性能，这些电荷不能顺利进入阻挡材料从而进一步移动，而是被阻挡在界面处；由于阻挡材料对电极注入、抽出电荷和被测材料中电离电荷的阻挡作用，可以认为阻挡材料与被测材料界面上的电荷全部来自被测材料的电离，从而实现对被测材料中电离电荷的提取。

综上所述，本发明通过控制恒温循环油浴实现不同温度下的测量，通过试样结构实现对电离产生的空间电荷现象的提取，通过上述系统实现温度、高压电场和高压电脉冲作用下绝缘材料中电离电荷特性的测量。通过本发明，可以研究不同温度、不同场强和不同电场类型下绝缘材料的电离特性，为直流绝缘材料空间电荷特性的研究提供试验和理论支持。

附图说明

图1为本发明为实现电离电荷的测量所采用的试样结构的结构框图；

图2为本发明实施不同温度条件下使用电声脉冲法空间电荷测量系统的结构框图；

图3为本发明实施例的第一电极结构框图；

图4为本发明实施例的第二电极结构框图；

图5为本发明在不同温度条件下测量绝缘材料电离电荷的工作流程图。

图中：101为第一阻挡材料，102为被测绝缘材料，103为第二阻挡材料。

201为上电极单元，202为上电极，203为环氧树脂，204为第一电极，205为被测试样，206为第二电极，207为压电传感器，208为吸收层，209为屏蔽盒，210为放大器，211为示波器，212为计算机，213为脉冲发生器，214为高压直流电源，215为高压电源，216为第一恒温循环油浴，217为第二恒温循环油浴；

301为第一液体导入管，302为第一液体导出管，303为第一液体容纳腔，304为第一硅油，305为铝电极；

401为第二液体导入管，402为第二液体导出管，403为第二液体容纳腔，404为第二硅油，405为试样槽；

具体实施方式

下面结合本发明的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

提供了一种用于测量电离电荷的试样结构，该结构包括：

第一阻挡材料，电导率远小于被测材料，注入阈值较高，位于被测试样的上方，与被测材料紧密接触；

被测材料，即为被测量目标材料；

第二阻挡材料，电导率远小于被测材料，注入阈值较高，位于被测试样的下方，与被测材料紧密接触。

提供一种电声脉冲法空间电荷测量装置，该装置包括：

第一电极，位于被测试样结构的上方；

第二电极，位于被测试样结构的下方；

第一热源，与第一电极通过管线相连；

第二热源，与第二电极通过管线相连；

高压电源，通过电阻与上电极相连；

高压直流电源，与脉冲发生器相连；

脉冲发生器，通过电容与上电极相连；

压电传感器，贴在第二电极下方；

放大器，与压电传感器相连；

示波器，与放大器相连；

计算机，与示波器相连。

本发明的进一步改进在于第二电极使用厚度为9—10mm的铝极板，实现对更厚试样的测量；

本发明的进一步改进在于高压电源不仅能够给试样提供直流高压，还能叠加交流高压；

本发明的进一步改进在于第二电极增加了一个试样槽，高度为10—20mm，能够对液体试样和固液混合试样进行测量。

提供了一种测量绝缘材料电离电荷的测量方法，包括以下步骤：

1)将第一阻挡材料、被测材料、第二阻挡材料按照顺序组成试样结构；

2)将试样结构放置在第一电极与第二电极之间，使得电极与试样结构紧密接触；

3)打开恒温循环油浴，使得试样结构的温度达到测试所需温度，温度范围30℃—70℃可调；

4)利用电声脉冲法测量受温度、高压电场，幅值-60kV到+60kV可调，与高压电脉冲，叠加1400V—1800V直流高压，作用下的试样结构中的空间电荷特性；

5)利用压电传感器对产生的声信号进行检测，并将检测的声信号转化为电信号输出；

6)利用放大器对压电传感器输出的电信号进行放大，放大倍数为47dB；

7)利用示波器对放大的电信号进行实时采集和显示；

8)利用计算机处理被测绝缘材料试样空间电荷测量结果信息，并输出最终空间电荷信息。

如图1所示，为实现被测材料中电离电荷测量所用的试样结构，包括第一阻挡材料101、被测材料102和第二阻挡材料103，测量时，将测量结构放在第一电极单元201与第二电极207之间，连通循环油浴之后一段时间，即可实现试样结构达到一定温度。

如图2所示，为本发明实施例的温度条件下电声脉冲法空间电荷测量装置的结构框图，该测量装置包括：第一电极204，用于与被测试样结构205的一面接触；第二电极206，用于与被测试样结构205的另一面接触；第一恒温循环油浴216，用于向第一电极204传递指定温度；第二恒温循环油浴217，用于向第二电极206传递指定温度；高压电源215，用于向上电极202传递高压电源；脉冲发生器213，用于向上电极202传递高压脉冲信号；高压直流电源214，用于向脉冲发生器213叠加高压直流电；压电传感器207，用于检测被测试样受温度、高压电场和高压脉冲作用后产生的声信号，并将声信号转换为电信号输出；放大器210，用于对压电传感器207输出的电信号进行放大；示波器211，用于对放大器放大的电信号进行处理，输出被测试样空间电荷瞬态变化特性信息。

图2中，高压电源215通过电阻R2的限流保护后施加到上电极202，脉冲发生器213通过电容C后施加到上电极202，电容C用于隔断直流高压进入到脉冲发生器回路，同时脉冲发生器213通过电阻R1接地，防止高频脉冲信号的反射。利用环氧树脂203将上电极202、电容C和电阻R1封装形成上电极单元201。

此外，为了防止压力波通过压电传感器207后由于声阻抗不匹配对输出波形的影响，选用与压电传感器207声阻抗相同的不具有压电效应的材料做吸收层208。压电传感器207、第二电极206及吸收层208均紧密接触，并利用铜盒209进行屏蔽。

如图3所示，为第一电极结构，包括：第一液体导入管301、第一液体容纳腔303，第一液体导出管302，第一硅油304，铝电极305。第一液体导入管301和第一液体导出管303与第一恒温循环油浴216连接，将循环泵打开时，高温油通过第一液体导入管301导入液体容纳腔303，并通过第一液体导出管302回收，油在第一液体导入管301、第一液体容纳腔303和第一液体导出管302内循环，一段时间后，使得铝电极305温度稳定在指定温度。

如图4所示，为第二电极结构，包括：第二液体导入管401、第二液体容纳腔403、第二液体导出管402、第二硅油404和试样槽405。第二液体导入管401和第二液体导出管402与第二恒温循环油浴217连接，将槽循环泵打开时，高温油通过第二液体导入管401导入第二液体容纳腔403，并通过第二液体导出管402回收，油在第二液体导入管401、第二液体容纳腔403和第二液体导出管402内循环，一段时间后，使得第二电极温度稳定在指定温度。

如图5所示，为本发明实施例的具体操作方法，包括：制作试样结构，从上到下分别为阻挡材料、被测材料、阻挡材料，三层材料要紧密接触，中间没有气泡；将制好的试样结构放于两电极之间，使电极与被试样结构接触良好；设定恒温循环油浴温度，使其加热到测试温度30℃；将测试系统组装完整，打开循环泵，静置20分钟，使得试样温度稳定到测试温度30℃；向所述的第一电极单元施加高压电场和高压脉冲信号，高压电场为20kV，高压脉冲叠加1800V；利用电声脉冲法测量受到温度、高压电场和高压电脉冲作用后的被测试样结构中的空间电荷分布；利用压电传感器对产生的声信号进行检测，并将所述的声信号转换为电信号输出；利用放大器对输出的电信号进行放大；利用示波器对放大的电信号进行实时采集和显示；利用计算机处理被测试样结构空间电荷测量结果信息并输出最终空间电荷信息。

Claims (6)

1.一种用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构，其特征在于，包括：

第一阻挡材料，位于被测试样的上方，与被测材料紧密接触；

被测材料，即为被测量目标材料；

第二阻挡材料，位于被测试样的下方，与被测材料紧密接触。

2.根据权利要求1所述的用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构，其特征在于，阻挡材料的介电常数与被测材料相近，电导率远小于被测材料，注入阈值高于被测材料。

3.根据权利要求1所述的用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构，其特征在于，阻挡材料与被测材料的声阻抗，即材料中的声速乘以密度相近，厚度方面，阻挡材料厚度与阻挡材料声速的比例大于被测材料厚度与被测材料声速的比例。

4.一种采用如权利要求1所述的用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构的空间电荷测量方法，包括以下步骤：

1)将第一阻挡材料、被测材料、第二阻挡材料按照顺序组成试样结构；

2)将试样结构放置在第一电极与第二电极之间，使得电极与试样结构紧密接触；

3)打开恒温循环油浴，调节试样结构的温度范围为20℃—90℃；

4)电声脉冲法测量受温度、高压直流，调节范围-60kv—+60kV，与高压电脉冲叠加1400—1800V作用下的试样结构中的空间电荷特性；

5)压电传感器对产生的声信号进行检测，并将检测的声信号转化为电信号输出；

6)放大器对压电传感器输出的电信号进行放大，放大倍数为47dB；

7)示波器对放大的电信号进行实时采集和显示；

8)计算机处理被测绝缘材料试样空间电荷测量结果信息，并输出最终空间电荷信息。

5.根据权利要求4所述的用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构的空间电荷测量方法，其特征在于，第二电极使用厚度为9—10mm的铝极板。

6.根据权利要求4所述的用于测量电离及电荷迁移参数的试样结构的空间电荷测量方法，其特征在于，第二电极增加了一个试样槽，高度为10—20mm。