CN112147424A - 一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法，用于测量平板样品内部的空间电荷分布，本发明可携带式空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源、低压端取信号复合探头、放大器、示波器等部分；在不外加电压的情况下，本发明测量装置即可独立完成空间电荷分布测量；若需要外加电压，也可利用任何现有的直流电压系统，可以与空间电荷测量无关。与现有技术相比，本发明突破了现有技术测量系统复杂的弊端，在具有相空间分辨率和测量灵敏度的条件下大幅提升了操作安全性与简便性，同时也克服了传统压力波法测量装置体积庞大、不可移动的局限，测量装置操作简单，便于携带。

Description

一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法

技术领域

本发明涉及空间电荷测量装置领域，尤其是涉及利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法。

背景技术

直流高压输电以其电能损耗低、输电容量高以及易于电网间互联等优点拥有广阔的工程应用前景。交联聚乙烯作为直流输电电缆中绝缘材料的主流发展方向，最大的问题就是其内部空间电荷在强电场作用下会不断积累，从而导致材料内部电场发生畸变，破坏电气绝缘。因此，测量交联聚乙烯内部空间电荷分布是研究其绝缘性能的关键内容。

压力波法是目前国内外测量空间电荷分布应用较广的方法之一，根据压力波产生方式又可分为压电压力波法(PIPWP)和激光压力波法(LIPP)，其基本原理是：对试样表面施加声脉冲后，产生的弹性波将在介质内部以声速进行传播。传播过程会破坏介质内部原有弹性力和电场力的平衡，从而引起空间电荷发生微小位移，导致测量电极上的感应电荷量发生变化。因此，通过观测电极上电流或电压信号的变化，就可以还原试样中空间电荷分布的有关信息。

与激光压力波法相比，压电压力波法具有设备简单、成本低廉的优势，也可克服了LIPP法中激光靶易损坏的问题。如图1所示，传统的压电压力波法空间电荷测量装置主要由直流高压电源(HVDC)、声脉冲发生器、信号放大器和示波器组成，高压回路与信号回路仅通过耦合电容进行隔离，操作安全性较低。

综上，目前并没有一种兼具经济性和操作安全性且可便携的空间电荷测量装置适用于实际工程场景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作安全性且可便携的基于低压端取信号复合探头的空间电荷测量装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，用于测量平板样品的空间电荷，所述空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源、低压端取信号复合探头、放大器、示波器、金属基板电极和隔离电阻，所述低压端取信号复合探头的电压脉冲传输端连接所述高速方波脉冲电源，信号提取端连接所述放大器，所述放大器还连接所述示波器，所述平板样品的EVA电极侧连接所述金属基板电极，另一侧连接所述低压端取信号复合探头，所述金属基板电极连接所述隔离电阻后接地。

进一步地，所述空间电荷测量装置还包括屏蔽箱，所述低压端取信号复合探头、平板样品、金属基板电极均位于所述屏蔽箱内。

进一步地，所述平板样品与所述低压端取信号复合探头连接的表面可以涂有凡士林或者硅油用以改善声耦合。

进一步地，本发明空间电荷测量装置涉及阻抗匹配问题。当一个系统所接传输线特性阻抗与信号源的内阻大小相等且相位相同时，或者传输线路特性阻抗与所接的负载阻抗大小相等且相位相同，分别称之为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。当阻抗达到匹配时，系统便可获得最大输出功率，设备利用效率最高。阻抗不匹配时，输出有效功率将减小。本发明空间电荷测量装置为获得理想脉冲，要尽量避免电压波的折反射，使同轴电缆的特征阻抗和压电陶瓷片的负载阻抗尽量匹配。

具体地，所述高速方波脉冲电源通过同轴电缆连接所述低压端取信号复合探头，所述同轴电缆的电缆阻抗与所述低压端取信号复合探头中压电陶瓷片的负载阻抗相配合，实现阻抗匹配。

进一步地，所述同轴电缆的电缆阻抗为7.5欧姆，所述低压端取信号复合探头中压电陶瓷片的负载阻抗为5.1欧姆。

进一步地，所述低压端取信号复合探头采用公开号为CN111175549A的发明公开的一种聚合物空间电荷分布测量用复合探头。

进一步地，所述高速方波脉冲电源为所述低压端取信号复合探头提供电压为150V、频率为90Hz、下降沿时间为纳秒级的高速周期脉冲电压。

进一步地，所述放大器的增益为36dB，放大倍数为63倍，内部阻抗在49欧姆至51欧姆范围以内。

本发明还提供一种采用上述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置的空间电荷测量方法，包括：

独立测量步骤：组装所述空间电荷测量装置后，通过所述高速方波脉冲电源输出脉冲电压，然后根据所述示波器中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。

进一步地，所述空间电荷测量方法还包括：

外加高压测量步骤：取出所述金属基板电极和隔离电阻，获取隔离保护电阻、直流高压电源、绝缘底座和高压电极，将所述平板样品的EVA电极侧紧密贴合所述高压电极，并通过隔离保护电阻后接入所述直流高压电源。打开所述直流高压电源和高速方波脉冲电源，然后根据所述示波器中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用低压端取信号复合探头，从低压侧进行信号提取，即信号获取与声脉冲发生处在同一端，无需隔离电容，操作安全性高；无需体积庞大的直流高压电源，便能进行空间电荷测量，且各组成部分均为可移动、可携带的设备，整体设计小巧，具有便携的优点；设有金属基板电极，起到支撑作用，使得低压端取信号复合探头与平板样品的接触更加平稳可靠，适用于实际工程场景；同时，可以通过控制电压脉冲的输入，提高本发明测量装置的灵敏度与分辨率。

(2)将低压端取信号复合探头、平板样品、金属基板电极均设置在屏蔽箱内，起到屏蔽环境中电磁信号干扰的作用，提高空间电荷测量结果的准确性。

(3)本发明电缆阻抗与负载阻抗的设置基本实现阻抗匹配，能尽量避免电压波的折反射，获取理想脉冲。

(4)与激光压力波法测量装置相比，本发明所使用的设备相对造价较低，在长期使用的过程中，复合探头内各部分连接始终保持稳定可靠，不易脱落或损坏。因此，本发明测量装置总体经济性良好。

(5)本发明采用的复合探头，可将电信号引入、声脉冲发生以及取信号端口统一集成在一起，实际测量过程仅需从BNC头接入高频电脉冲信号，将采样电极贴合在样品表面，加以辅助电路即可对平板样品进行空间电荷的测量，整套装置易于安装拆卸，测量过程操作简单。

(6)本发明测量装置既可以对已有空间电荷注入的样品进行独立测量，又可以搭载在现有的任何加压系统，可以与空间电荷测量无关，因此，测试者可以根据实际情况灵活应用本装置对平板样品进行空间电荷测量。

附图说明

图1为传统压电压力波法测量装置示意图；

图2为本发明基础型可携带式测量装置示意图；

图3为本发明改进型可携带式测量装置示意图；

图4为本发明基础型测量装置搭载直流高压系统时示意图；

图5为本发明改进型测量装置搭载直流高压系统时示意图；

图6为150V 90Hz高压方波脉冲信号示意图；

图7为高压方波脉冲信号带载前后脉冲信号下降沿变化情况示意图；

图8为单面EVA电极聚乙烯平板样品结构示意图，图中LLDPE为线性低密度聚乙烯；

图9为本发明基础型可携带式测量装置测量结果示意图；

图10为本发明改进型可携带式测量装置测量结果示意图；

图11为传统的压电压力波法测量装置与本发明空间电荷测量装置在外加40kV高压下平板样品内空间电荷分布情况示意图；

图中，1、高速方波脉冲电源，2、低压端取信号复合探头，3、信号放大器，4、示波器，5、平板样品，6、金属基板电极，7、隔离电阻，8、屏蔽箱，9、隔离保护电阻，10、直流高压电源，11、绝缘底座，12、高压电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，用于测量平板样品5的空间电荷，空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源1、低压端取信号复合探头2、放大器3、示波器4、金属基板电极6和隔离电阻7，低压端取信号复合探头2的电压脉冲传输端连接高速方波脉冲电源1，信号提取端连接放大器3，放大器3还连接示波器4，平板样品5的EVA电极侧连接金属基板电极6，另一侧连接低压端取信号复合探头2，金属基板电极6连接隔离电阻7后接地。

具体地，高速方波脉冲电源1与低压端取信号复合探头2之间使用BNC接头进行连接，低压端取信号复合探头2通过SMA接头将电信号接入放大器3并通过示波器4进行显示。隔离电阻7作用是将测量信号与地隔开，保证测量结果准确可视。图2中，高速方波脉冲电源1、放大器3和示波器4构成可携带式测量装置，作为信号的发生和记录单元。

如图3所示，空间电荷测量装置还包括屏蔽箱8，低压端取信号复合探头2、平板样品5、金属基板电极6均位于屏蔽箱8内。与独立测量相比，金属的屏蔽箱8起到屏蔽环境中电磁信号干扰的作用。

本实施例中金属基板电极6可采用铝制基板电极。

平板样品5与低压端取信号复合探头2连接的表面可以涂抹凡士林或硅油用以改善声耦合。

下面对各部分进行详细描述。

1、低压端取信号复合探头2

低压端取信号复合探头2采用公开号为CN111175549A的发明公开的一种聚合物空间电荷分布测量用复合探头。

低压端取信号复合探头2包括壳体，和受壳体固定的取信号铝块、石英玻璃块、压电陶瓷片、电压脉冲传输单元以及信号提取单元。石英玻璃块的外表面贴合有导电材料，该导电材料与壳体接触，压电陶瓷片的正极连接电压脉冲传输单元，负极连接石英玻璃块外表面的导电材料，取信号铝块分别连接石英玻璃块和信号提取单元。

2、高速方波脉冲电源1

高速方波脉冲电源1为低压端取信号复合探头2提供电压为150V、频率为90Hz、下降沿时间为纳秒级的高速周期脉冲电压。

3、放大器3

放大器3的增益为36dB，放大倍数为63倍，内部阻抗约为50欧姆，具体地，在49欧姆至51欧姆范围以内。

4、阻抗匹配

本实施例空间电荷测量装置涉及阻抗匹配问题：当一个系统所接传输线特性阻抗与信号源的内阻大小相等且相位相同时，或者传输线路特性阻抗与所接的负载阻抗大小相等且相位相同，分别称之为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。当阻抗达到匹配时，系统便可获得最大输出功率，设备利用效率最高。阻抗不匹配时，输出有效功率将减小。本实施例空间电荷测量装置为获得理想脉冲，要尽量避免电压波的折反射，使同轴电缆的特征阻抗和压电陶瓷片的负载阻抗尽量匹配。

即，高速方波脉冲电源1通过同轴电缆连接低压端取信号复合探头2，同轴电缆的电缆阻抗与低压端取信号复合探头2中压电陶瓷片的负载阻抗相配合，实现阻抗匹配。

具体地，本实施例空间电荷测量装置所使用的高速周期性电源能为压电陶瓷提供150V，90Hz的脉冲电压，其下降沿时间为纳秒级别，带载以后的下降沿约为100ns(如图6)。此时，负载阻抗Z_c＝5.1Ω。本实施例空间电荷测量装置所使用的电缆阻抗约为7.5Ω。因此，本实施例基本实现了阻抗匹配。

本实施例还一种采用上述一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置的空间电荷测量方法，包括：

独立测量步骤：组装空间电荷测量装置后，通过高速方波脉冲电源1输出脉冲电压，然后根据示波器4中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。

本实施例空间电荷测量装置不仅可以独立地对已有空间电荷注入的平板样品进行测量，也可以通过简单的机械结构搭载在任何现有的加压系统上，可以与空间电荷测量无关。

因此，本实施例空间电荷测量方法还包括：

外加高压测量步骤：取出金属基板电极6和隔离电阻7，获取隔离保护电阻9、直流高压电源10、绝缘底座11和高压电极12，将平板样品5的EVA电极侧紧密贴合高压电极12，并通过隔离保护电阻9后接入直流高压电源10；打开直流高压电源10和高速方波脉冲电源1，然后根据示波器4中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。

具体实施：

首先将高频方波脉冲电源的BNC公头与复合探头(即低压端取信号复合探头2)顶盖上的BNC母头进行连接固定。信号放大器3输入端与复合探头采样电极处引出的SMA接头相连，输出端与示波器4连接。至此完成测量装置的搭建过程。

随后，将复合探头最下部的取信号铝块(采样电极)的下表面压在平板聚合物样品(即平板样品5)上表面，可以涂抹凡士林或硅油，使不同界面充分接触，减小声波在不同界面之间的反射，改善声耦合。平板聚合物样品另一表面通过铝板与铝制测量台面接触。利用复合探头自身重力，使得采样电极与平板聚合物样品之间贴合紧密。

如图8所示，为本实施例复合探头所测量的平板聚合物样品的结构示意图。

本实施例空间电荷测量装置独立测量时的测量原理为：

对于已有空间电荷注入的平板聚合物样品，复合探头中的压电陶瓷片将电脉冲信号转变为声脉冲信号，并通过声波导材料将声脉冲扰动施加在平板聚合物样品上，破坏样品内部原有弹性力和电场力的平衡，引起平板聚合物样品EVA电极上感应电荷量的变化，产生瞬时电流，并通过采样电极、SMA接头和信号放大器3，最后记录在示波器4中。通过记录此电流信号的变化，并进行相应的计算处理，就可以得到平板聚合物样品介质中空间电荷的产生、变化和分布的情况。

如图9所示，为2.8mm厚度平板样品5采用本实施例空间电荷测量装置独立测量出的平板聚乙烯样品的空间电荷分布情况，图中Time为时间，Voltage为电压。

如图10所示，为将2.8mm厚度平板样品5以及本实施例空间电荷测量装置置于屏蔽箱8内测量出的平板聚乙烯样品的空间电荷分布情况，图中Time为时间，Voltage为电压。

本发明还提供一种搭载在任何高压系统上的空间电荷测量实施例。

首先将高频方波脉冲电源的BNC公头与复合探头顶盖上的BNC母头进行连接固定。信号放大器3输入端与复合探头采样电极处引出的SMA接头相连，输出端与示波器4连接。至此完成测量装置的搭建过程。

随后，将复合探头最下部的取信号铝块(采样电极)的下表面压在平板聚合物样品上表面，可以涂抹凡士林或硅油，使不同界面充分接触，减小声波在不同界面之间的反射，改善声耦合。平板聚合物样品另一表面与高压端相连，通过机械紧固件使电极与样品之间贴合紧密。

如图4所示，本发明测量装置在外加高压情况下的测量原理为：

直流高压电源10(HVDC)经过隔离保护电阻9和高压电极12上将电压加在平板聚合物样品的一个电极上，而平板聚合物样品的另外一个电极接地。使用压力波发生探头产生一个扰动通过声波导传给平板聚合物样品，平板聚合物样品电极上电荷量的变化将会产生瞬时电流并经过取信号铝块、SMA接头以及放大器3，最后记录在示波器4中。通过记录电流信号的变化，并进行相应的换算，就可以得到平板聚合物样品介质中空间电荷的产生、变化和分布的情况。

如图5所示，空间电荷测量装置搭载高压系统时还可以包括屏蔽箱8。低压端取信号复合探头2、平板样品5、绝缘底座11和高压电极12均位于屏蔽箱8内。金属的屏蔽箱8起到屏蔽环境中电磁信号干扰以及保护操作人员的作用。

如图11所示，为2.8mm厚度平板样品5使用传统的压电压力波法测量装置与本发明测量装置在外加40kV高压下平板样品5内空间电荷分布情况，图中Time为时间，Voltage为电压。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，用于测量平板样品(5)的空间电荷，其特征在于，所述空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源(1)、低压端取信号复合探头(2)、放大器(3)、示波器(4)、金属基板电极(6)和隔离电阻(7)，所述低压端取信号复合探头(2)的电压脉冲传输端连接所述高速方波脉冲电源(1)，信号提取端连接所述放大器(3)，所述放大器(3)还连接所述示波器(4)，所述平板样品(5)的EVA电极侧连接所述金属基板电极(6)，另一侧连接所述低压端取信号复合探头(2)，所述金属基板电极(6)连接所述隔离电阻(7)后接地。

2.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述空间电荷测量装置还包括屏蔽箱(8)，所述低压端取信号复合探头(2)、平板样品(5)、金属基板电极(6)均位于所述屏蔽箱(8)内。

3.根据权利要求2所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述平板样品(5)与所述低压端取信号复合探头(2)连接的表面涂抹有凡士林或硅油。

4.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述高速方波脉冲电源(1)通过同轴电缆连接所述低压端取信号复合探头(2)，所述同轴电缆的电缆阻抗与所述低压端取信号复合探头(2)中压电陶瓷片的负载阻抗相配合，实现阻抗匹配。

5.根据权利要求4所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述同轴电缆的电缆阻抗为7.5欧姆，所述低压端取信号复合探头(2)中压电陶瓷片的负载阻抗为5.1欧姆。

6.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述低压端取信号复合探头(2)采用公开号为CN111175549A的发明公开的一种聚合物空间电荷分布测量用复合探头。

7.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述高速方波脉冲电源(1)为所述低压端取信号复合探头(2)提供电压为150V、频率为90Hz、下降沿时间为纳秒级的高速周期脉冲电压。

8.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述放大器(3)的增益为36dB，放大倍数为63倍，内部阻抗在49欧姆至51欧姆范围以内。

9.一种采用如权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置的空间电荷测量方法，其特征在于，包括：

独立测量步骤：组装所述空间电荷测量装置后，通过所述高速方波脉冲电源(1)输出脉冲电压，然后根据所述示波器(4)中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述空间电荷测量方法还包括：

外加高压测量步骤：取出所述金属基板电极(6)和隔离电阻(7)，获取隔离保护电阻(9)、直流高压电源(10)、绝缘底座(11)和高压电极(12)，将所述平板样品(5)的EVA电极侧紧密贴合高压电极(12)，并通过所述隔离保护电阻(9)后接入所述直流高压电源(10)；打开所述直流高压电源(10)和高速方波脉冲电源(1)，然后根据所述示波器(4)中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。

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