CN111398697A - 周期性脉冲电场下空间电荷测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了周期性脉冲电场下空间电荷测试系统及测试方法，包括：脉冲电压耦合连接电路和脉冲电压触发时间控制电路；所述脉冲电压隔离装置对脉冲电压和极化电压进行电气隔离；所述脉冲电压触发时间控制电路将极化电压进行处理后得到与极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号，再经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号，方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

Description

周期性脉冲电场下空间电荷测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于高电压与绝缘技术测试领域，尤其涉及周期性脉冲电场下空间电荷测试系统及测试方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

大量研究表明，绝缘在长期运行下会在内部积累空间电荷，影响电介质内部的电场，从而对电介质的绝缘性能产生重要影响，对绝缘材料的老化、击穿等特性有明显影响。而电力电子装备大多承受周期性脉冲电场，为研究电力电子装备绝缘老化机理，探索老化预防方法，对周期性脉冲电场作用下的绝缘介质中的空间电荷，尤其是上升沿或下降沿前后的空间电荷分布进行测量和研究是十分有必要的。

发明人在研究中发现，目前测量绝缘空间电荷通常使用电声脉冲法(PEA)，其基本原理为：向被试品施加一窄脉冲电压，脉冲电压和空间电荷相互作用产生声波，声波通过被试样品和下极板传至压电传感器，传感器产生与声压波成正比的电信号，从而在示波器上显示空间电荷的分布情况。

目前，国内外利用电声脉冲法对直流或交流电场下的绝缘介质空间电荷进行测量技术已经相对成熟，但脉冲电场下的绝缘空间电荷测量技术并未有很大进展，其主要原因有：

1.电力电子装备承受的周期性性脉冲电场(为避免混淆，下文称为极化电场)变化非常迅速，上升沿或下降沿往往只有几十纳秒。如何精准的在上升沿或下降沿过程中对声压脉冲信号进行几个特定时间点的多次、精确触发是难点问题。

2.外加极化电场与产生声压信号的脉冲测试电压这两个脉冲电压，由于上升沿下降沿的斜率和时间相似，二者会产生相互干扰。如何克服干扰，对这两个脉冲电压实现有效隔离和耦合连接成为关键问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，增加脉冲电压隔离装置和脉冲电压触发时间控制电路，对脉冲电压和极化电压进行电气隔离、屏蔽脉冲干扰，并对脉冲电压进行精准触发，实现了周期性脉冲电场下的空间电荷测试。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，包括：

脉冲电压隔离装置和脉冲电压触发时间控制电路；

所述脉冲电压隔离装置对脉冲电压和极化电压进行电气隔离；

所述脉冲电压触发时间控制电路将极化电压进行处理后得到与极化电压周期相同但存在相位延迟的方波信号，再经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号，方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

还包括周期性脉冲电压源、PEA空间电荷测量装置，周期性脉冲电压源提供脉冲电压、PEA空间电荷测量装置包括上极板、下极板，下极板底部设置压电传感器，上极板、下极板之间放置被试品。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

另一方面，还公开了周期性脉冲电场下空间电荷测试方法，包括：

将极化电压进行处理后得到与极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号，再经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号；

方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明对脉冲电压和极化电压进行电气隔离、屏蔽脉冲干扰，并对脉冲电压进行精准触发，实现了周期性脉冲电场下的空间电荷测试。

本发明通过脉冲电压触发时间控制电路，实现在周期性极化电场的指定相位特别是上升或下降沿前后触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例脉冲电场下空间电荷测试系统结构示意图；

图2为本发明实施例极化电压与测试脉冲电压对应示意图；

图3为本发明实施例脉冲电压触发时间控制电路原理。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例公开了周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，增加脉冲电压隔离装置和脉冲电压触发时间控制电路，搭建了脉冲电场下空间电荷测试平台，对脉冲电压和极化电压进行电气隔离、屏蔽脉冲干扰，并对脉冲电压进行精准触发，实现了周期性脉冲电场下的空间电荷测试。

参见附图1所示，被试品位于上极板及下极板之间，下极板接地，下极板外侧底部设置有压电传感器，压电传感器将测量的信号传输至示波器进行展示。上极板连接脉冲电压耦合连接电路，脉冲电压耦合连接电路输入端分别输入极化电压及脉冲电压，极化电压与脉冲电压均作用在上极板，实现极化电压及脉冲电压的电气隔离，极化电压及脉冲电压之间还连接脉冲电压触发时间控制电路。

具体测试时，极化电压电源发出极化电压，对被试品进行加压；同时通过高压探头将极化电压接入脉冲电压触发时间控制电路转化为短方波信号，短方波信号控制触发脉冲电压；脉冲电压施加到试品上与试品的空间电荷发生震动产生声波，压电传感器接收到带有试品空间电荷信息的声波并将其转化为电信号，输出至示波器，从而将试品的空间电荷信息显示出来。

具体实施例子中，脉冲电压触发时间控制电路包括依次连接的隔离变压器、滤波电路、过零比较电路、相位校正电路、变换器、光耦合器。光耦合器的作用是电气隔离，避免两端电路的互相干扰。光耦合器发出的短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位特别是上升或下降沿前后触发测试脉冲，如图2所示。

如图3所示，触发时间控制电路原理大致为：通过隔离降压变压器，将高电压的极化电压转化为低电压的极化电压信号，经过滤波电路和过零比较电路后，得到与原极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号，经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号。用方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发脉冲电压发生电路的高压脉冲发生器的触发装置，产生测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

具体实施例子中，为避免极化电压和测试脉冲电压两个脉冲电压的相互干扰，设计了脉冲电压耦合连接电路，可保证两路脉冲电压同时施加到试样高压电极而且两路波形不发生畸变。

脉冲电压耦合连接电路基本原理如图1所示。通过软件仿真和实测调整，匹配电阻R和电容C的参数。对极化电压来讲，电阻R和脉冲电压支路的电容C可形成低通滤波器，R和C通过上极板有电气连接，当通过的频率低时，RC表现为高阻抗，实现低通滤波，其截止频率f＝1/2πRC应大于极化电压的频率，使得低频的极化电压不对脉冲电压产生影响，确保极化电压主要通过电阻R作用于试样。对脉冲电压来讲，电阻支路可视为开路，确保脉冲电压不影响极化支路而主要作用试样上；还可在极化电压支路上增加高压硅堆，实现单向导通，增强极化电压支路对脉冲电压的屏蔽效果。

通过脉冲电压耦合连接电路，实现了脉冲电压和极化电压的电气隔离。

基于同样的发明构思，基于上述周期性脉冲电场下空间电荷测试系统的测试方法，包括：将极化电压进行处理后得到与极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号，再经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号；

方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

以实际极化电压周期为20ms为例，极化电压通过降压变压器、滤波器、过零比较器、和相位矫正电路后，获得与极化电压同步一致的方波信号，用方波信号触发信号发生器，输出60个连续的周期为334μs的短方波信号，1到30号短方波处于极化电压低电平，31到60号处于极化电压高电平，总时间等于一个极化电压周期20ms，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，产生脉冲电压，作用在绝缘试品上测试空间电荷，通过力科示波器(HD06054)采集空间电荷波形。

产生的脉冲电压可在上升沿和下降沿前后精确触发，匹配精度可达纳秒级。使得空间电荷测试时间在示波器可视化，确保空间电荷的测试时间与极化电压的波形如图2所示准确对应，从而实现在上升下降沿前后进行电荷测试。

为屏蔽两个脉冲电压的相互干扰，通过脉冲电压耦合连接电路将极化电压和脉冲电压进行电气隔离。其具体参数根据极化电压和脉冲电压的频率不同，应根据软件仿真和实测调整进行参数匹配。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，其特征是，包括：

脉冲电压耦合连接电路和脉冲电压触发时间控制电路；

所述脉冲电压隔离装置对脉冲电压和极化电压进行电气隔离；

所述脉冲电压触发时间控制电路将极化电压进行处理后得到与极化电压周期相同但存在相位延迟的方波信号，再经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号，方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

2.如权利要求1所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，其特征是，所述脉冲电压触发时间控制电路包括依次连接的隔离变压器、滤波电路、过零比较电路、相位校正电路、变换器；

通过隔离降压变压器，将高电压的极化电压转化为低电压的极化电压信号，经过滤波电路和过零比较电路后，得到与原极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号，经过相位校正电路得到与极化电压同步的方波信号，用方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，产生测试脉冲。

3.如权利要求1所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，其特征是，所述脉冲电压耦合连接电路包括电阻R和脉冲电压支路的电容C形成的低通滤波器，低通滤波器截止频率大于极化电压的频率。

4.如权利要求1所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，其特征是，控制器控制脉冲电压触发时间控制电路工作状态，实现在上升沿或下降沿过程中对声压脉冲信号进行几个特定时间点的多次触发。

5.如权利要求1-4任一所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试系统，其特征是，还包括周期性脉冲电压源、PEA空间电荷测量装置，周期性脉冲电压源提供脉冲电压、PEA空间电荷测量装置包括上极板、下极板，下极板底部设置压电传感器，上极板、下极板之间放置被试品。

6.周期性脉冲电场下空间电荷测试方法，其特征是，包括：

将极化电压进行处理后得到与极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号，再经过相位矫正得到与极化电压同步的方波信号；

方波信号触发变换器，输出固定个数的短方波信号，短方波信号触发高压脉冲发生器的触发装置，实现在周期性极化电场的指定相位触发测试脉冲，作用于绝缘试品上测试空间电荷。

7.如权利要求6所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试方法，其特征是，在周期性极化电场的上升或下降沿前后触发测试脉冲。

8.如权利要求6所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试方法，其特征是，将极化电压进行处理包括：通过隔离降压，将高电压的极化电压转化为低电压的极化电压信号，经过滤波和过零比较后得到与原极化电压周期相同但存在一定相位延迟的方波信号。

9.如权利要求6所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试方法，其特征是，脉冲电压通过电阻分压，产生同步的低电压脉冲信号，确保示波器显示空间电荷的测试时间与极化电压波形准确对应。

10.如权利要求6所述的周期性脉冲电场下空间电荷测试方法，其特征是，极化电压单向方式输入至绝缘试品上。

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