CN111596184B - 一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法及装置 - Google Patents

一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法及装置 Download PDF

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CN111596184B CN202010535955.2A CN202010535955A CN111596184B CN 111596184 B CN111596184 B CN 111596184B CN 202010535955 A CN202010535955 A CN 202010535955A CN 111596184 B CN111596184 B CN 111596184B
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Abstract

本申请公开了一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，包括如下：将待测试样与所述测试电路进行串联连接；接通电源时，串联回路中的电流相同，因此，可用积分电容上的电荷量信息表示待测试样上的电荷量信息。根据试样上的电荷量信息，分别计算得到试样上的电流信息、电导率信息、介电常数、电容、电荷注入阈值、载流子迁移率以及电荷量变化比率等参数，通过以上参数判断待测试样的绝缘性能。本申请提高了测试灵敏性和稳定性；同时实现对片状试样的测试以及对整体绝缘件的测试。

Description

一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法及装置
技术领域
本申请涉及电气绝缘检测领域，尤其涉及一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法及装置。
背景技术
绝缘介质是电力装备的重要组成部分，起到绝缘、支撑等关键作用。电气设备在长期的运行过程中，其聚合物绝缘介质在电、热以及机械等应力的共同作用下降逐渐老化，逐渐丧失绝缘性能。随着特高压输电技术的发展及应用，电力装备中聚合物绝缘介质的绝缘性能检测、评估对保障电气设备及电网的安全、稳定运行有重要意义。聚合物绝缘材料老化后，将其体内引入新的陷阱能级，新引入的陷阱将影响绝缘介质在电场作用下的电荷注入、积聚、迁移等输运过程，从而表现在绝缘介质电荷测试动态变化特性上。因此，可以从电荷随时间的动态变化率分析电荷注入和传导参数与试样老化的关联。
目前，关于绝缘介质电荷量的测试方法主要以脉冲电声法(PEA方法)为主，该方法主要用于实验室研究片状绝缘介质的空间电荷分布特性，其测试结果是空间电荷密度沿试样厚度上的分布。该种方法具有局限性：无法准确测出绝缘介质的电导、电荷变化率、载流子迁移率等。同时该方法局限于实验室，不能用于现场整体绝缘件或绝缘设备的性能测试，使用环境条件不够灵活。
因此，发明一种可以实现更宽温度范围、更高场强的适用于现场及实验室的电荷量检测方法，同时可以测试更多能表征绝缘的物理参量的方法对于检测和研究电力设备绝缘状态有重大意义。
发明内容
本申请提供了一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法及装置，以解决现有检测方法在检测绝缘介质绝缘性能时受到检测条件、检测准确性、便利性及多参数检测要求的问题。
一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，包括以下步骤：
将待测试样与所述测试电路进行串联连接，所述测试电路由积分电容、放大器、数模转换器、数据传输及数据处理、直流电源组成；
接通电源，获取积分电容两端的电压Vq(t)；
根据积分电容两端的电压Vq(t)，计算得到积分电容上的动态电荷量q(t)；
根据积分电容上的动态电荷量q(t)，得到待测试样上的动态电荷量Q(t)；
逐次增加测试电路中的所述直流电源电压，计算得到不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)；
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)特性及根据Q(t)计算得到的其它介电参数(如介电常数、电导率、电导电流、电阻率、电荷注入阈值场强、载流子迁移率、电荷动态变化比率等)，判断待测试样的绝缘性能。
所述积分电容上的动态电荷量q(t)，计算采用如下公式：
q(t)＝Vq(t)C int
Vq(t)为积分电容上的电压，Cint为积分电容的电容值。
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)特性，计算待测试样的电荷注入阈值场强Eth；
根据待测试样的电荷注入阈值场强Eth，判断待测试样的绝缘性能。
所述计算待测试样的电荷注入阈值场强Eth，包括以下步骤：
以Q(t)为纵坐标，以根据施加电压所对应的场强为横坐标(场强E＝U/d)，得到不同外加场强下的Q(t)随时间变化曲线；
U为施加电压，d为待测试样厚度；
根据不同场强下的Q(t)随时间E的变化曲线得到电荷注入阈值场强Eth。
所述根据待测试样的电荷注入阈值场强Eth，判断待测试样的绝缘性能的步骤包括：
若得到的待测试样的电荷注入阈值场强Eth小于预设的电荷注入阈值场强阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电荷注入阈值场强阈值为同种绝缘材料在未老化时的电荷注入阈值场强。
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
接通电源后，首先获取待测试样上的起始充电电荷量Q1；经过t时间后，试样上的电荷量趋于稳定，获取稳定时的待测试样上的电荷量Q2；
根据得到的Q1和Q2，计算待测试样的电荷量动态变化比率k；
根据待测试样的电荷量动态变化比率k，判断待测试样的绝缘性能。
所述计算待测试样的电荷量动态变化比率k采用如下公式：
k＝Q2/Q1
其中Q1为待测试样上的起始充电电荷量，Q2为经过t时间后，待测试样上的稳定时的电荷量。
所述根据待测试样的电荷量动态变化比率k，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
若k≤1.2，则判断待测试样未老化，绝缘性能良好；
若k＞1.2，则判断待测试样已经老化，绝缘性能下降，k值越大，则试样老化越严重。
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
以Q1为纵坐标，以不同的外加电压为横坐标，得到不同外加电压下的Q1变化关系曲线；
根据不同电压下的Q1随外加电压的变化关系曲线，计算得到不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率；
不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率即为待测试样的电容参数Cs；
根据所述待测试样的电容参数Cs，计算得到绝缘材料的介电常数εr；
将得到的绝缘材料的介电常数εr与预设的介电常数阈值进行比较，判断材料的绝缘性能。
所述绝缘材料的介电常数εr计算采用如下公式：
其中Cs为待测试样的电容参数，ε0为真空介电常数，S为电极正对试样面积，d为测试电路与待测试样连接的两个电极之间的距离，Vapp测试电路中的直流电源的电压。
所述根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
对公式
进行求导，得到试样的电流随时间的变化曲线；根据电流曲线，可以得到电流密度密度随时间变化曲线；
所述电流采用如下公式：
所述电流密度采用如下公式：
其中，S为电极面积；根据不同的外加电压，可以得到电流密度随不同电场强度的变化曲线，对该曲线进行拟合，可以得到不同斜率的电流密度随电场强度变化的曲线，根据不同斜率曲线的转折点，可以区分出欧姆电导区以及空间电荷限制电流区。区分的方法为：对横坐标(电场强度)及纵坐标(电流密度)分别取对数得到对数坐标曲线，对数坐标曲线中，欧姆区的曲线斜率约为1，空间电荷限制电流区的曲线斜率大于1。欧姆区和空间电荷限制电流区的转折点所对应的场强，同样可以认为是电荷注入阈值场强，可用于判断待测试样的老化情况。
根据公式计算得到待测试样在欧姆区的电导率；
J为电流密度，E为外加电压所对应的电场强度；
根据得到待测试样的电导率γ，判断待测试样的绝缘性能。
所述将得到的待测试样的电导率γ与预设的电导率阈值进行比较，判断材料的绝缘性能，包括以下步骤：
若得到的待测试样的电导率γ大于预设的电导率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电导率阈值为同种绝缘材料在未老化时的电导率。
根据所述待测试样的电导率γ，
已知公式：
可以计算得出待测试样的电阻率σ；
根据得到待测试样的电阻率σ，判断待测试样的绝缘性能。
所述将得到的待测试样的电阻率σ与预设的电阻率阈值进行比较，判断材料的绝缘性能，包括以下步骤：
若得到的待测试样的将得到的待测试样的电阻率σ小于预设的电导率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电阻率阈值为同种绝缘材料在未老化时的电阻率。
所述根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
根据得到的待测试样的介电常数εr、电流密度等，计算待测试样的载流子迁移率μ；
根据得到的待测试样的载流子迁移率μ，判断待测试样的绝缘性能。
所述计算待测试样的载流子迁移率μ；
根据公式：
其中ε0为真空介电常数，J为电流密度，E为电场强度，d为试样厚度，εr为相对介电常数。
所述根据得到的待测试样的载流子迁移率μ，判断待测试样的绝缘性能；
若得到的待测试样的将得到的待测试样的载流子迁移率μ大于预设的载流子迁移率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的载流子迁移率阈值为同种绝缘材料在未老化时的载流子迁移率。
一种基于电荷量的绝缘介质性能检测装置，包括测试电路、信号测试模块以及信号处理模块；
所述测试电路由积分电容和直流电源串联组成；
所述信号测试模块包括电压放大器和A/D转换器，用于获取积分电容两端的电压Vq(t)，并将模拟信号转化为数字信号发送给所述信号处理模块；
所述信号处理模块用于将得到的数字信号进行分析计算，根据积分电容上的动态电荷量q(t)，得到待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能。
由以上技术方案可知，本申请针对现有检测绝缘介质绝缘性能方法上的不足，将待测试样与所述测试电路进行串联连接；接通电源时，串联回路中的电流相同，因此，可用积分电容上的电荷量信息表示了待测试样上的电荷量信息。根据试样上的电荷量信息，分别计算得到试样上的电流信息、电导率信息、介电常数、电容、电荷注入阈值、载流子迁移率以及电荷量变化比率一系列参数，以上参数均可以一定程度的表征待测试样的绝缘性能。本申请提高了测试灵敏性和稳定性；同时实现对片状试样的测试以及对整体绝缘件的测试。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的一种绝缘介质绝缘性能检测方法的流程图；
图2为本申请的一种绝缘介质绝缘性能检测装置的结构示意图。
图3为本申请测试片状绝缘件的接线示意图；
图4为不同电场下XLPE测试q(t)随时间的变化曲线；
图5为不同电场下XLPE测试q(t)电荷变化率与电场的关系；
图6为不同电场下XLPE电流随时间的变化曲线；
图7为XLPE试样高场电流密度与电场的关系；
图8为XLPE试样载流子迁移率与电场的关系；
图9为XLPE试样施加电压和瞬时充电电荷q1的关系；
图10为本申请测试整体电缆绝缘状态的接线示意图；
图11为XLPE不同老化程度电缆在10kV电压下电荷动态变化率对比；
图12为本申请测试盆式绝缘子的接线示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，为本申请提供的一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，包括以下步骤：
参见图2，将待测试样与所述测试电路进行串联连接，所述测试电路由积分电容、放大器、数模转换器、数据传输及数据处理、直流电源组成；
接通电源，获取积分电容的两端的电压Vq(t)；
根据积分电容的两端的电压Vq(t)，计算得到积分电容上的动态电荷量q(t)；
根据积分电容上的动态电荷量q(t)，得到待测试样上的动态电荷量Q(t)；
逐次增加测试电路中的所述直流电源电压，计算得到不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)；
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)特性及根据Q(t)计算得到的其它介电参数(如介电常数、电导率、电导电流、电阻率、电荷注入阈值场强、载流子迁移率、电荷量动态变化比率)，判断待测试样的绝缘性能。
所述积分电容上的动态电荷量q(t)，计算采用如下公式：
q(t)＝Vq(t)C int
Vq(t)为积分电容上的电压，Cint为积分电容的电容值。
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，计算待测试样的电荷注入阈值场强Eth；
根据待测试样的电荷注入阈值场强E，判断待测试样的绝缘性能，一般情况下，同种绝缘材料老化后，其电荷注入阈值场强降低th。
所述计算待测试样的电荷注入阈值场强E，包括以下步骤：
以Q(t)为纵坐标，以根据施加电压所对应的场强为横坐标(场强E＝U/d)，得到不同外加场强下的Q(t)随时间变化曲线；
U为施加电压，d为待测试样厚度；
根据不同场强下的Q(t)随时间E的变化曲线得到此时的外加电压为电荷注入阈值场强Eth。
所述根据待测试样的电荷注入阈值场强Eth，判断待测试样的绝缘性能的步骤包括：
若得到的待测试样的电荷注入阈值场强Eth小于预设的电荷注入阈值场强阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电荷注入阈值场强阈值为同种绝缘材料在未老化时的电荷注入阈值场强。
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
接通电源后，首先获取待测试样上的起始充电电荷量Q1；经过t时间后，试样上的电荷量趋于稳定，获取稳定时的待测试样上的电荷量Q2；
根据得到的Q1和Q2，计算待测试样的电荷量动态变化比率k；
根据待测试样的电荷量动态变化比率k，判断待测试样的绝缘性能。
所述计算待测试样的电荷量动态变化比率k采用如下公式：
k＝Q2/Q1
其中Q1为待测试样上的起始充电电荷量，Q2为经过t时间后，待测试样上的稳定时的电荷量。
所述根据待测试样的电荷量动态变化比率k，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
若k≤1.2，则判断待测试样未老化，绝缘性能良好；
若k＞1.2，则判断待测试样已经老化，绝缘性能下降，k值越大，则试样老化越严重。
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
以Q1为纵坐标，以不同的外加电压为横坐标，得到不同外加电压下的Q1变化关系曲线；
根据不同电压下的Q1随外加电压的变化关系曲线，计算得到不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率；
不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率即为待测试样的电容参数Cs；
根据所述待测试样的电容参数Cs，计算得到绝缘材料的介电常数εr；
将得到的绝缘材料的介电常数εr与预设的介电常数阈值进行比较，判断材料的绝缘性能。
所述绝缘材料的介电常数εr计算采用如下公式：
其中Cs为待测试样的电容参数，ε0为真空介电常数，S为电极正对试样面积，d为测试电路与待测试样连接的两个电极之间的距离，Vapp测试电路中的直流电源的电压。
所述根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
对公式
进行求导，得到试样的电流随时间的变化曲线；根据电流曲线，可以得到电流密度密度随时间变化曲线；
所述电流采用如下公式：
所述电流密度采用如下公式：
其中，S为电极面积；根据不同的外加电压，可以得到电流密度随不同电场强度的变化曲线，对该曲线进行拟合，可以得到不同斜率的电流密度随电场强度变化的曲线，根据不同斜率曲线的转折点，可以区分出欧姆电导区以及空间电荷限制电流区。区分的方法为：对横坐标(电场强度)及纵坐标(电流密度)分别取对数得到对数坐标曲线，对数坐标曲线中，欧姆区的曲线斜率约为1，空间电荷限制电流区的曲线斜率大于1。欧姆区和空间电荷限制电流区的转折点所对应的场强，同样可以认为是电荷注入阈值场强，可用于判断待测试样的老化情况。
根据公式计算得到待测试样在欧姆区的电导率；
J为电流密度，E为外加电压所对应的电场强度；
根据得到待测试样的电导率γ，判断待测试样的绝缘性能。
所述将得到的待测试样的电导率γ与预设的电导率阈值进行比较，判断材料的绝缘性能，包括以下步骤：
若得到的待测试样的电导率γ大于预设的电导率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电导率阈值为同种绝缘材料在未老化时的电导率。
根据所述待测试样的电导率γ，
已知公式：
可以计算得出待测试样的电阻率σ；
根据得到待测试样的电阻率σ，判断待测试样的绝缘性能。
所述将得到的待测试样的电阻率σ与预设的电阻率阈值进行比较，判断材料的绝缘性能，包括以下步骤：
若得到的待测试样的将得到的待测试样的电阻率σ小于预设的电导率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电阻率阈值为同种绝缘材料在未老化时的电阻率。
所述根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
根据得到的待测试样的介电常数εr，计算待测试样的载流子迁移率μ；
根据得到的待测试样的载流子迁移率μ，判断待测试样的绝缘性能。
所述计算待测试样的载流子迁移率μ；
根据公式：
其中ε0为真空介电常数，J为电流密度，E为电场强度，d为试样厚度，εr为相对介电常数。
所述根据得到的待测试样的载流子迁移率μ，判断待测试样的绝缘性能；
若得到的待测试样的将得到的待测试样的载流子迁移率μ大于预设的载流子迁移率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的载流子迁移率阈值为同种绝缘材料在未老化时的载流子迁移率。
更为具体的是，一种待测试样为片状绝缘件的绝缘性能检测方法，参见图4，片状试样的电荷量检测可用于实验室测试及分析。实验室测试过程中，对需要测试的绝缘介质切片，然后放于两电极之间测试即可。
需要说明的是：对于现场测试，可测试的绝缘件不限于盆式绝缘子、电缆等，还可以包括其他电力设备绝缘件，其测试中只需要将电极的两端分别接在被测设备的需要测试的位置即可。
进一步的，所述待测试样的高压侧与测试电路进行串联连接。更为具体的是，可以有高低压侧两种接线方式。如电荷量测试装置接在高压侧接线可以减少设备本身电流的对检测结果的影响。现场测试也可以将设备分别接在高压侧和低压侧。使用条件更加灵活，满足不同使用环境。
进一步的，所述方法可以对待测试样的温度进行控制，测量不同温度下的待测试样的绝缘性能。更为具体的是，对于实验室片状试样的检测，可以通过在测试箱中通入液氮及电极的温控装置控制测试过程中试样的温度，从而实现不同温度下的试样的电荷量检测。
进一步的，所述方法可以对待测试样的温度控制范围为-100℃～200℃。能够涵盖绝缘待测试样在正常工作时的工作范围，使测试结果更加具体准确。
所述积分电容大小可以根据实际测试试样调整。该测试方法可以测试多种试样以及不同规格的试样，由于试样的种类、规格不同，待测试样的电容不同，其上分布的电荷量也有所不同。因此，可以实现预估待测试样的电容，然后根据预估情况更换设备上的积分电容，有针对性的测试。
当待测试样的两端分别与积分电容和直流电源空接的一端进行连接时，所述直流电源为待测试样提供外接电压，所述积分电容由于具有和待测试样相同的电荷量，便于通过对积分电容进行测量，进一步得出待测试样上的电荷量数值。
所述电压放大器与积分电容的两端并联连接；
所述电压放大器的输出端与A-D转换器的输入端连接；通过A-D转换器将电信号转化为数字信号，便于后续计算机对检测数据进行处理分析。
所述A-D转换器的输出端与计算机的输入端连接，通过计算机对检测到的数据进行计算。
以交联聚乙烯电缆(XLPE)片状试样的电荷量动态变化测试过程为例，逐步对可以判断绝缘性能所涉及参数的计算过程作如下说明。片状试样的测试接线如图3所示。
图4是不同电场强度下的Q(t)随时间变化测试结果，从图4可以得到不同电场强度下的起始充电电荷Q1及试样的电荷注入阈值场强，当电场强度小于20kV/mm时，电荷量随时间变化不大，但当电场强度大于20kV/mm时，电荷量随着时间的增加逐渐增加，说明，已经有电荷注入，粗略的表明该种试样的电荷注入阈值场强为20kV/mm；
图5是不同电场强度下的电荷量动态变化比率，即稳态(300s)时的电荷量与起始充电电荷量Q1的比值，从图5可以看出，当电场强度大于20kV/mm时，电荷量变化比率k值为1.2，说明已经有电荷的注入。
图6是不同电场强度下得到的电荷量求导，即：dq/dt，得到的不同电场强度下的电导电流随时间变化信息；
图7是以电场强度为横坐标，电流密度为纵坐标，得到的J/E曲线，从这个曲线可以得到电导率、欧姆区与SCLC(空间电荷限制电流区)的交界点对应的场强，该场强为电荷的注入场强；如计算得到的XLPE的电导率为3.79×10-15S/m，与文献报道一致。
图8是根据图7计算得到的不同电场强度下的载流子迁移率，载流子迁移率是描述绝缘材料电荷输运的微观参数，一般，载流子迁移率增大，则电导率也增大，绝缘性能下降。因此，载流子迁移率也可以一定程度的表征绝缘性能；
图9是起始充电电荷Q1随不同电压的变化曲线，曲线的斜率为试样的电容Cs；根据Cs,计算可得到试样的介电常数。如计算得到的XLPE试样的介电常数为2.2，与文献等其他测试方法测试结果一致；
可选的，所述直流电源为逐级升压电源。能够检测不同电压的外接电源对待测试样的绝缘性能的影响，使得装置的使用条件更加灵活，避免由于外接电压不同，导致测试结果不准确。
可选的，所述积分电容与直流电压与待测试样连接的一端设置在测试箱中；所述测试箱中设置有液氮流动管路、加热器以及控温器。能够满足不同使用环境下，对待测试样的绝缘性能进行测试，装置使用条件更加灵活。
更为具体的是，一种待测试样为整体电缆的绝缘性能检测方法；参见图10，若待测试样为整体电缆，检测电缆的电荷积聚情况。对于整体电缆检测，只需要对电缆的一端进行剥离，漏出电缆中心导体作为高压的接入端，漏出的电缆金属护层作为低压端。
实施例2
一种待测试样为整体电缆的电荷量检测方法如图11所示，与前述实施例1不同之处在于：图11为以XLPE整体电缆为例的电荷量测试结果，可用于现场电缆的检测；同样的，根据电荷量测试结果，可以计算出整体电缆的介电常数、电导率、电导电流、电阻率、电荷注入阈值场强、载流子迁移率、电荷动态变化比率等，计算过程同XLPE片状试样参数的计算相同。
图11为根据本专利的方法测试的不同水树枝老化电缆的电荷动态电荷变化率结果，测试接线如图10所示。测试同轴电缆导体线芯串联电荷测试设备并接高压，外屏蔽层接地。所测电缆为老化程度的交流电缆，测试施加电压为10kV，测试时间为10min。测试结果表明，未老化电缆施加电压后很快获得瞬时充电电荷q1，之后随时间增加电荷量基本不变。这表明未老化电缆不存在明显位移(吸收电流)和传导电流，XLPE绝缘层没有电荷注入和积聚。而轻度老化电缆在出现q1后电荷量随时间明显增加，q(t)直线斜率增加，表明其绝缘层内部存在电荷注入和积聚，进而造成传导电流。而严重老化电缆随时间增加电荷量变化更快，说明此时绝缘层容易积聚电荷，介质内部电导率最大。
图11表明该种方法可以测试整体绝缘件，如电缆、绝缘子等的电荷量结果，并一次得到整体绝缘件的电导率、介电常数、电流、电荷注入量及注入阈值、电荷变化率等参数，并以此实现对绝缘件的整体绝缘状态评估。
更为具体的是，参见图12，对于盆式绝缘子，把电极的两端分别接在盆式绝缘子中心的金属嵌入件上及绝缘子的边缘金属件上即可进行绝缘子轴向的电荷量测试。如果要测试绝缘子某一位置的电荷量，则只需要把电极放置在测试部位的两侧即可。
对应于上述方法，本申请还提供了一种基于电荷量的绝缘介质性能检测装置，包括测试电路、信号测试模块、信号处理模块；
所述测试电路由积分电容和直流电源串联组成；
所述信号测试模块包括电压放大器和A/D转换器，用于获取积分电容两端的电压，并将模拟信号转化为数字信号发送给信号处理模块；
所述信号处理模块用于将得到的数字信号进行分析计算。
本申请中提供的装置在执行上述方法时可参照上述方法中的描述，在此不再赘述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (16)

1.一种基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待测试样与测试电路进行串联连接，所述测试电路由积分电容、放大器、数模转换器、数据传输及数据处理、直流电源组成；
接通电源，获取积分电容两端的电压Vq(t)；
根据积分电容两端的电压Vq(t)，计算得到积分电容上的动态电荷量q(t)；
根据积分电容上的动态电荷量q(t)，得到待测试样上的动态电荷量Q(t)；
逐次增加测试电路中的所述直流电源电压，计算得到不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)；
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)特性及根据Q(t)计算得到的其它介电参数，判断材料的绝缘性能；所述其它介电参数包括介电常数、电导率、电导电流、电阻率、电荷注入阈值场强、载流子迁移率、电荷动态变化比率；根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：以Q1为纵坐标，以不同的外加电压为横坐标，得到不同外加电压下的Q1变化关系曲线；Q1为待测试样上的起始充电电荷量；
根据不同电压下的Q1随外加电压的变化关系曲线，计算得到不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率；
不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率即为待测试样的电容参数Cs；
根据所述待测试样的电容参数Cs，计算得到绝缘材料的介电常数εr；
将得到的绝缘材料的介电常数εr与预设的介电常数阈值进行比较，判断材料的绝缘性能；
并对公式
进行求导，得到试样的电流随时间的变化曲线；根据电流曲线，可以得到电流密度随时间变化曲线；其中，
所述电流采用如下公式：
所述电流密度采用如下公式：
其中，S为电极面积；根据不同的外加电压，可以得到电流密度随不同电场强度的变化曲线，对该曲线进行拟合，可以得到不同斜率的电流密度随电场强度变化的曲线，根据不同斜率曲线的转折点，可以区分出欧姆电导区以及空间电荷限制电流区；区分的方法为：对电场强度及电流密度分别取对数得到对数坐标曲线，对数坐标曲线中，欧姆区的曲线斜率约为1，空间电荷限制电流区的曲线斜率大于1；欧姆区和空间电荷限制电流区的转折点所对应的场强，同样可以认为是电荷注入阈值场强，可用于判断待测试样的老化情况；
根据公式计算得到待测试样在欧姆区的电导率；
J为电流密度，E为外加电压所对应的电场强度；
根据得到待测试样的电导率γ，判断待测试样的绝缘性能。
2.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述积分电容上的动态电荷量q(t)，计算采用如下公式：
q(t)＝Vq(t)C int
Vq(t)为积分电容上的电压，Cint为积分电容的电容值。
3.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)特性，计算待测试样的电荷注入阈值场强Eth；
根据待测试样的电荷注入阈值场强Eth，判断待测试样的绝缘性能。
4.根据权利要求3所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述计算待测试样的电荷注入阈值场强Eth，包括以下步骤：
以Q(t)为纵坐标，以根据施加电压所对应的场强为横坐标，其中场强E＝U/d，得到不同外加场强下的Q(t)随时间变化曲线；
U为施加电压，d为待测试样厚度；
根据不同场强下的Q(t)随时间E的变化曲线得到电荷注入阈值场强Eth。
5.根据权利要求3所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述根据待测试样的电荷注入阈值场强Eth，判断待测试样的绝缘性能的步骤包括：
若得到的待测试样的电荷注入阈值场强Eth小于预设的电荷注入阈值场强阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电荷注入阈值场强阈值为同种绝缘材料在未老化时的电荷注入阈值场强。
6.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述根据不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
接通电源后，首先获取待测试样上的起始充电电荷量Q1；经过t时间后，试样上的电荷量趋于稳定，获取稳定时的待测试样上的电荷量Q2；
根据得到的Q1和Q2，计算待测试样的电荷量动态变化比率k；
根据待测试样的电荷量动态变化比率k，判断待测试样的绝缘性能。
7.根据权利要求6所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述计算待测试样的电荷量动态变化比率k采用如下公式：
k＝Q2/Q1
其中Q1为待测试样上的起始充电电荷量，Q2为经过t时间后，待测试样上的稳定时的电荷量。
8.根据权利要求6所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述根据待测试样的电荷量动态变化比率k，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：
若k≤1.2，则判断待测试样未老化，绝缘性能良好；
若k＞1.2，则判断待测试样已经老化，绝缘性能下降，k值越大，则试样老化越严重。
9.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述绝缘材料的介电常数εr计算采用如下公式：
其中Cs为待测试样的电容参数，ε0为真空介电常数，S为电极正对试样面积，d为测试电路与待测试样连接的两个电极之间的距离，Vapp测试电路中的直流电源的电压。
10.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
若得到的待测试样的电导率γ大于预设的电导率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电导率阈值为同种绝缘材料在未老化时的电导率。
11.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，根据所述待测试样的电导率γ，
已知公式：
可以计算得出待测试样的电阻率σ；
根据得到待测试样的电阻率σ，判断待测试样的绝缘性能。
12.根据权利要求11所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
若得到的待测试样的电阻率σ小于预设的电导率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的电阻率阈值为同种绝缘材料在未老化时的电阻率。
13.根据权利要求1所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
根据得到的待测试样的介电常数εr、电流密度，计算待测试样的载流子迁移率μ；
根据得到的待测试样的载流子迁移率μ，判断待测试样的绝缘性能。
14.根据权利要求13所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述计算待测试样的载流子迁移率μ；
根据公式：
其中ε0为真空介电常数，J为电流密度，E为电场强度，d为试样厚度，εr为相对介电常数。
15.根据权利要求13所述的基于电荷量的绝缘介质绝缘性能检测方法，其特征在于，所述根据得到的待测试样的载流子迁移率μ，判断待测试样的绝缘性能；
若得到的待测试样的将得到的待测试样的载流子迁移率μ大于预设的载流子迁移率阈值，则待测试样已老化，绝缘性能差；
所述预设的载流子迁移率阈值为同种绝缘材料在未老化时的载流子迁移率。
16.一种基于电荷量的绝缘介质性能检测装置，其特征在于，包括测试电路、信号测试模块以及信号处理模块；
所述测试电路由积分电容和直流电源串联组成；
所述信号测试模块包括电压放大器和A/D转换器，用于获取积分电容两端的电压Vq(t)，并将模拟信号转化为数字信号发送给所述信号处理模块；
所述信号处理模块用于将得到的数字信号进行分析计算，根据积分电容上的动态电荷量q(t)，得到不同外加电压下的待测试样上的动态电荷量Q(t)，判断待测试样的绝缘性能，包括以下步骤：以Q1为纵坐标，以不同的外加电压为横坐标，得到不同外加电压下的Q1变化关系曲线；Q1为待测试样上的起始充电电荷量；
根据不同电压下的Q1随外加电压的变化关系曲线，计算得到不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率；
不同电压下的Q1随电压U变化关系曲线的斜率即为待测试样的电容参数Cs；
根据所述待测试样的电容参数Cs，计算得到绝缘材料的介电常数εr；
将得到的绝缘材料的介电常数εr与预设的介电常数阈值进行比较，判断材料的绝缘性能；
并对公式
进行求导，得到试样的电流随时间的变化曲线；根据电流曲线，可以得到电流密度随时间变化曲线；
所述电流采用如下公式：
所述电流密度采用如下公式：
其中，S为电极面积；根据不同的外加电压，可以得到电流密度随不同电场强度的变化曲线，对该曲线进行拟合，可以得到不同斜率的电流密度随电场强度变化的曲线，根据不同斜率曲线的转折点，可以区分出欧姆电导区以及空间电荷限制电流区；区分的方法为：对电场强度及电流密度分别取对数得到对数坐标曲线，对数坐标曲线中，欧姆区的曲线斜率约为1，空间电荷限制电流区的曲线斜率大于1；欧姆区和空间电荷限制电流区的转折点所对应的场强，同样可以认为是电荷注入阈值场强，可用于判断待测试样的老化情况；
根据公式计算得到待测试样在欧姆区的电导率；
J为电流密度，E为外加电压所对应的电场强度；
根据得到待测试样的电导率γ，判断待测试样的绝缘性能。
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