一种固体介质表面电荷分布自动测量系统

摘要

本发明属于固体绝缘材料放电特性测试领域，涉及一种固体介质表面电荷分布自动测量系统，包括，不锈钢密闭腔体，高压电极，接地电极，静电计，真空泵及其计算机系统，不锈钢密闭腔体内设置有一维工作台与二维工作台，在二维工作台上固定有被测试品，静电电容探头设置在一维工作台上，静电电容探头和一维工作台设置在不锈钢密闭腔体的延伸腔体内，朝向二维工作台上的固定被测试品，被测试品的一端连接高电压电极，另一端连接接地电极，一维工作台与二维工作台通过控制线连接到电控位移台控制箱，静电电容探头连接静电计，电控位移台控制箱和静电计连入计算机。本发明的绝缘材料表面电荷自动测量系统，可测量绝缘材料的表面电荷密度二维分布。

说明书

技术领域

本发明属于固体绝缘材料放电特性测试领域，涉及一种绝缘材料表面电荷的测试系统。

背景技术

固体绝缘材料广泛应用于电力设备、高功率脉冲、高功率微波等领域，但是其表面放电现象严重影响了这些设备的小型化，从而使制造成本大大增加、运行可靠性降低，在生产、制造和运行维护等方面造成了诸多难题。固体绝缘材料表面放电与其表面电荷积聚有着密切的联系，根据二次电子发射雪崩理论，人们认为在阴极三结合处(阴极-真空-绝缘子的交界面)发射出来的初始电子会在外加电场作用下向阳极运动，这些电子在运动过程中会与材料表面发生碰撞，从而产生二次电子，这些二次电子在电场作用下会继续向阳极运动，并与材料表面发生新的碰撞导致更多的二次电子发射，当二次电子发射达到一定程度时，会在材料表面形成电子崩通道，从而导致沿面闪络。一次与二次电子与材料表面的碰撞会导致材料表面带正电荷，这些正电荷会畸变材料表面的电场，并吸引更多的一次与二次电子与材料表面发生碰撞。因此研究固体绝缘表面的电荷分布具有重要意义。

目前国内外对固体绝缘材料表面放电现象引起的表面带电问题的研究，还未能实现对表面电荷分布的自动测量，这影响了对固体绝缘介质表面放电现象和机理的认识以及高压电气设备小型化的实现。

发明内容

针对现有技术中固体绝缘材料的表面放电现象严重影响了设备的小型化，对固体绝缘材料的表面电荷分布不能进行自动测量的技术问题，本发明提出如下技术方案：

一种固体介质表面电荷分布自动测量系统，包括不锈钢密闭腔体，高压电极，接地电极，静电计，真空泵及其计算机系统，不锈钢密闭腔体内设置有一维位移工作台与二维工作台，在二维工作台上固定有被测试品，静电电容探头设置在一维位移工作台上，静电电容探头和一维位移工作台设置在不锈钢密闭腔体的延伸腔体内，指向二维工作台上的固定被测试品，被测试品的一端连接高电压电极，另一端接地电极，一维位移工作台与二维工作台通过控制线连接到位移台控制箱，静电电容探头连接静电计，位移台控制箱和静电计连入计算机，真空泵设置在与不锈钢密闭腔体的连接管道上。

所述静电电容探头由一个感应电极和一个环绕它的保护电极组成，感应电极和保护电极之间的填充有绝缘材料。

所述静电电容探头由一个呈倒“T”字形的感应电极和一个环绕它的保护电极组成，呈倒“T”字形的感应电极和保护电极之间的填充有绝缘材料。

所述静电电容探头的感应电极与保护电极之间的填充材料为聚四氟乙烯材料。

所述静电电容探头中间的感应电极直径为0.94mm，保护电极的内径为3.0mm，外径为3.58mm。

所述设置在一维位移工作台上的静电电容探头垂直于被测试品的测试表面。

所述静电电容探头与被测试品的测试表面距离在0.1-50mm，可以调整。

所述真空泵(16)由一个机械泵和一个分子泵组成。

所述测量系统通过位移台控制箱控制一维位移工作台与二维工作台，一维位移工作台带动静电电容探头，二维工作台带动被测试品，可实现被测试品表面电荷分布的自动测量。

所述测量系统可在真空氛围中进行固体介质表面电荷分布的自动测量，也可用于不同气压下的不同气体氛围中。

静电电容探头法测量表面电荷使用的是电容分压的原理，静电电容探头包括中间的感应电极，以及与感应电极同心的圆环型保护电极。本发明的绝缘材料表面电荷自动测量系统，可测量绝缘材料的表面电荷密度二维分布，可以为研究绝缘材料的表面放电/闪络现象与机理提供帮助。

附图说明

图1为本发明的测量系统的结构示意图，图1中的符号表示：不锈钢密闭腔体1；被测试品2；高压电极3；接地电极4；一维位移工作台5；二维工作台6；真空规7；不锈钢延长腔体8；静电电容探头9；位移台控制箱10；静电计11；计算机12；真空泵16。

图2为本发明的静电电容探头结构示意图。

图3为本发明的静电电容探头第二种结构示意图。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，本发明的系统包括一个不锈钢密闭腔体1，不锈钢密闭腔体1内部有设置在一维位移工作台5上的静电电容探头9和固定在二维工作台6上的被测试品2，被测试品2两端接有高压电极3和接地电极4。一维位移工作台5和静电电容探头9设置在不锈钢密闭腔体1的不锈钢延长腔体8内。不锈钢密闭腔体1内气压可以通过设置在密闭腔体上的真空规7测量，真空度的实现是由真空泵16完成的，真空泵16由一个机械泵和一个分子泵组成，设置在与不锈钢密闭腔体1的连接管道上；一维位移工作台5，二维工作台6通过控制线连接到位移台控制箱10，静电电容探头9输出电压信号通过导线接入静电计11。位移台控制箱10和静电计11连接到计算机12。

本发明提供的绝缘材料表面电荷分布的自动测量系统，能够有效测量绝缘材料的表面电荷密度二维分布。

本发明提供的绝缘材料表面电荷分布的自动测量系统，该系统将被测试品2和静电电容探头9放置在一不锈钢密封腔体1内，腔体内气体氛围可以是真空或不同气压下的不同气体。将被测试品2固定在一个二维工作台6上。静电电容探头9，垂直于被测试品2表面，对被测试品2的表面电荷进行测量，被测试品2通过二维工作台6实现二维运动，以达到对被测试品2表面二维电荷分布自动测量的目的。

位移台控制箱10与静电计11输出的信号，通过一维位移工作台5与二维工作台6动作控制本发明的自动测量系统运动，可以实现对被测试品2表面电荷密度分布的扫描。静电电容探头9的输出为电压信号，通过计算机12的分析计算可得出绝缘材料表面电荷的分布数据。

所述的静电电容探头9的第一种结构如图2所示：由一个感应电极13和一个环绕它的保护电极14组成，保护电极14直接接地。中间的感应电极13直径为0.94mm，而外面环绕它的保护电极14内径为3.0mm，外径为3.58mm。感应电极13和保护电极14之间的填充材料15为表面电阻值较高的聚四氟乙烯材料。

所述的静电电容探头9的第二种结构形式如图3所示：由一个呈倒“T”字形的感应电极13′和一个环绕它的保护电极14组成，保护电极14直接接地。中间的感应电极13′的本体直径为0.94mm、感应电极13′本体连接的端部直径为2.5mm，而外面环绕它的保护电极14内径为3.0mm，外径为3.58mm。感应电极13′和保护电极14之间的填充材料15为表面电阻值较高的聚四氟乙烯材料。第二种结构比起第一种结构来说，增大了感应电极的面积，可提高测量的灵敏度。

实际测试时，不锈钢密闭腔体1可以通过真空泵16抽成真空，真空度为2×10^-3Pa，也可是不同气压下的不同气体氛围，将静电电容探头9通过一维位移工作台5移动至距离试品2表面50mm处，防止高压电极3对静电电容探头9放电，通过高压电极3引入高电压，此处的电压可以是0-100kV的直流、交流和冲击电压。在高电压的作用下，被测试品2表面会积聚电荷，撤去高压后，将静电电容探头9移动至距离被测试品2表面2mm处进行测量。

在图2与图3中，Cd表示被测试品2与大地之间的电容；Cg表示静电电容探头9的感应电极13或13′与被测试品2之间的电容；Cp表示的是感应电极13或13′与保护电极14之间的电容；σ表示的是被测试品2表面的电荷密度，电荷可以是正电荷，也可以是负电荷；Vs表示的是由被测试品2表面电荷形成的静电电压值；Vp表示的是感应电极13或13′感应出的电压值，测量得到的电压信号经过计算机的计算可以得出被测试品的表面电荷密度分布的数据，也可以通过打印机将相关数据打印出来。