一种短时温升下绝缘材料中空间电荷特性测量系统及方法

摘要

一种短时温升下绝缘材料中空间电荷特性测量系统及方法，该系统是在传统PEA法测量系统基础上进行改进，增加了第一高温恒温槽、第二高温恒温槽和低温恒温槽。第一高温恒温槽用于向第一电极传导正常运行温度，第二高温恒温槽用于向第一电极传导短时温升温度，低温恒温槽用于向第二电极传导温度。测量方法是模拟直流电缆实际运行情况，利用第一高温恒温槽和低温恒温槽给被测试样传导正常运行温度，同时加热第二高温恒温槽中的硅油使其达到短时温升温度，待温度稳定后关闭第一高温恒温槽外循环泵并打开第二高温恒温槽外循环泵，给被测试样传导短时温升，利用PEA法测量短时温升下被测试样中空间电荷特性。本发明主要用于测量短时温升下绝缘材料中空间电荷特性。

说明书

技术领域：

本发明属于直流电缆绝缘料中空间电荷测量技术，涉及短时温升条件下的空间电荷测量技术，具体涉及一种短时温升下绝缘材料中空间电荷特性测量系统及方法。

背景技术：

在现有的技术中，采用电声脉冲法可以对固体电介质材料中的空间电荷分布进行测量，并且实现了温度梯度下空间电荷的测量和空间电荷的快速测量，但是对于短时温升条件下的空间电荷的测量并没有涉及。然而在直流电缆运行的过程中，由于短路故障产生的短时温升将加速直流电缆绝缘材料的热老化，降低直流电缆的寿命，因此短时温升条件下的直流电缆绝缘材料的特性研究非常重要。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷或不足，提供了一种可靠且有效的短时温升下绝缘材料中空间电荷特性测量系统及方法，实现短时温升条件下的直流电缆绝缘料中空间电荷瞬态变化特性的测量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种短时温升下绝缘材料中空间电荷特性测量系统，包括：

第一电极，用于与被测绝缘材料试样的一面接触；

第二电极，用于与被测绝缘材料试样的另一面接触；

第一高温恒温槽，用于向第一电极传导正常运行温度；

第二高温恒温槽，用于向第一电极传导短时温升温度；

低温恒温槽，用于向第二电极传导温度；

高压直流电源，用于向第一电极传输高压直流电；

脉冲发生器，用于向第一电极传送高压脉冲信号；

压电传感器，用于检测被测绝缘材料试样受短时温升、高压直流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，用于对压电传感器输出的电信号进行放大；

示波器，用于对放大器放大的电信号进行实时采集和记录；

计算机，用于对放大器放大的电信号进行处理，输出被测绝缘材料试样空间电荷瞬态变化特性信息。

本发明进一步的改进在于，第一电极包括第一液体导入管、第一液体导出管、液体容纳腔、铝电极、第一硅油、第二液体导入管、第二液体导出管和第二硅油；其中，液体容纳腔通过铝电极将其分为相连通的第一液体容纳腔和第二液体容纳腔，第一液体容纳腔内填充有第一硅油，并通过第一液体导入管和第一液体导出管与第一高温恒温槽相连通，第二液体容纳腔内填充有第二硅油，并通过第一液体导入管和第二液体导出管与第二高温恒温槽相连通。

本发明进一步的改进在于，第二电极包括第三液体导入管、第三液体容纳腔、第三液体导出管和第三硅油，其中，第三液体容纳腔内填充有第三硅油，并通过第三液体导入管和第三液体导出管与低温恒温槽相连通。

本发明进一步的改进在于，高压直流电源包括波形发生器，用于对输出的高压直流电压的幅值和极性进行调节。

本发明进一步的改进在于，脉冲发生器的工作频率为100Hz，能够实现1s采集一个点，实现空间电荷瞬态变化特性的测量。

本发明进一步的改进在于，第一电极还包括与其相连的上电极，高压直流电源通过电阻R2的限流保护后施加到上电极，脉冲发生器通过电容C后施加到上电极，电容C用于隔断直流高压进入到脉冲发生器回路，同时脉冲发生器通过电阻R1接地；此外，利用环氧树脂将上电极、电容C和电阻R1封装形成上电极单元。

本发明进一步的改进在于，还包括与压电传感器相连的吸收层，压电传感器、第二电极及吸收层依次紧密接触，并利用铜盒将压电传感器、第二电极、吸收层以及放大器屏蔽。

一种短时温升下绝缘材料中空间电荷特性测量方法，包括以下步骤：

1)将被测绝缘材料试样放于第一电极和第二电极之间，使电极与被测绝缘材料试样紧密接触；

2)打开第一高温恒温槽和低温恒温槽，设定正常工作温度并加热两个恒温槽中的硅油，同时将外循环泵打开，使被测绝缘材料试样的温度逐渐上升到正常工作温度；

3)打开第二高温恒温槽，设定短时温升温度并加热恒温槽中的硅油，使其达到短时温升温度；

4)待第二高温恒温槽温度达到设定温度并稳定之后，给被测绝缘材料试样施加高压直流电场和高压脉冲，同时打开第二高温恒温槽的外循环泵、关闭第一高温恒温槽的外循环泵；

5)利用电声脉冲法测量受短时温升、高压直流电场和高压电脉冲作用后的被测绝缘材料试样中的空间电荷特性；

6)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；

7)利用放大器对压电传感器输出的电信号进行放大；

8)利用示波器对放大的电信号进行实时采集和显示；

9)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。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明利用第一高温恒温槽和低温恒温槽实现正常运行温度，利用第二高温恒温槽实现短时温升温度；其中，第一高温恒温槽通过第一电极中的第一液体导入管和第一液体导出管，将第一高温恒温槽中的第一硅油循环流动到第一电极中，通过第一电极中的铝电极给被测绝缘材料试样加热，使其达到正常工作温度；低温恒温槽通过第二电极中的液体导入管和液体导出管，将低温恒温槽中的硅油循环流动到第二电极中，使第二电极温度稳定在正常工作温度；短时温升是通过第二高温恒温槽来实现的，将第二高温恒温槽中的第二硅油加热到短时温升温度，并且被测绝缘材料稳定在正常运行温度后，开启第二高温恒温槽的外循环泵并关闭第一高温恒温槽的外循环泵，将第二高温恒温槽中的第二硅油通过第一电极的第二液体导入管和第二液体导出管循环流动到第一电极中，通过第一电极中的铝电极给试样加热，实现被测绝缘试样的短时温升；在被测绝缘材料试样短时温升的过程中，给被测绝缘材料试样施加高压直流和高压脉冲，利用电声脉冲法测量被测绝缘材料试样在受短时温升、高压直流电场和高压脉冲作用下的空间电荷特性。

综上所述，本发明通过上述系统和方法实现短时温升、高压直流电场和高压电脉冲共同作用下的直流电缆绝缘材料中空间电荷瞬态变化特性的测量。通过本发明，可以研究短时温升条件下直流电缆用绝缘材料中空间电荷特性，研究其形成和分布机理，为直流电缆绝缘材料短时温升条件下的性能研究提供试验和理论依据。

附图说明：

图1为本发明实施例的测量系统结构图。

图2为本发明实施例的第一电极结构图。

图3为本发明实施例的第二电极结构图。

图4为本发明实施例的测量工作流程图。

图5为本发明实施例的被测绝缘材料试样温度随时间变化曲线。

图中：1为上电极单元，2为上电极，3为环氧树脂，4为第一电极，5为被测绝缘材料试样，6为高压直流电源，7为脉冲发生器，8为第二电极，9为压电传感器，10为吸收层，11为铜盒，12为放大器，13为示波器，14为计算机，15为第一高温恒温槽，16为第二高温恒温槽，17为低温恒温槽；

201为第一液体导入管，202为第一液体导出管，203为液体容纳腔，205为铝电极，204为第一硅油，206为第二液体导入管，207为第二液体导出管，208为第二硅油；

301为第三液体导入管，302为第三液体导出管，303为第三液体容纳腔，304为第三硅油。

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。

如图1所示，为本发明实施例的测量系统结构框图，该测量系统包括：第一电极4，用于与被测绝缘材料试样5的一面接触；第二电极8，用于与被测绝缘材料试样5的另一面接触；第一高温恒温槽15，用于向第一电极4传导正常运行温度；第二高温恒温槽16，用于向第一电极4传导短时温升温度；低温恒温槽17，用于向第二电极8传导温度；高压直流电源6，用于向上电极2传输高压直流电；脉冲发生器7，用于向上电极2传送高压脉冲信号；压电传感器9，用于检测被测绝缘材料试样受短时温升、高压直流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12，用于对压电传感器输出的电信号进行放大；示波器13，用于对放大器放大的电信号进行实时采集和记录；计算机14，用于对放大器放大的电信号进行处理，输出被测绝缘材料试样空间电荷瞬态变化特性信息。

图1中，高压直流电源6通过电阻R2的限流保护后施加到上电极2，脉冲发生器7通过电容C后施加到上电极2，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7通过电阻R1接地，防止高频脉冲信号的反射。利用环氧树脂3将上电极2、电容C和电阻R1封装形成上电极单元1。

此外，为了防止压力波通过压电传感器9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9声阻抗相同的不具有压电效应的材料做吸收层10。压电传感器9、第二电极8及吸收层10均紧密接触，并利用铜盒11进行屏蔽。

第一电极4的结构可以参见图2。如图2所示，第一电极4包括：第一液体导入管201、第一液体导入管202、液体容纳腔203、铝电极205、第一硅油204、第二液体导入管206、第二液体导出管207和第二硅油208。第一液体导入管201和第一液体导出管202与第一高温恒温槽15连通；第二液体导入管206和第二液体导出管207与第二高温恒温槽16连通。铝电极205与上电极2通过接触连接。第一高温恒温槽15中的硅油204通过第一液体导入管201流动到液体容纳腔203并通过第二液体导出管202回收到第一高温恒温槽15中，同样第二高温恒温槽16也通过液体导入管和导出管进行温度传导。

第二电极的结构可以参见图3。如图3所示，第二电极包括：第三液体导入管301、第三液体容纳腔303、第三液体导出管302和第三硅油304。第三液体导入管301和第三液体导出管302与低温恒温槽17连接，将低温恒温槽循环泵打开时，第三硅油304通过第三液体导入管301导入第三液体容纳腔303，并通过液体导出管302回收到低温恒温槽17中，向被测绝缘材料试样传导温度。

采用图4所示的测量流程图进行短时温升条件下绝缘材料中空间电荷特性的测量。

图5为被测绝缘材料试样温度随时间变化曲线。其中T1为直流电缆正常运行时远离线芯端绝缘层外温度，温度较低，即本实施例中第二电极8的温度；T2为直流电缆正常运行时紧挨线芯端绝缘层温度，温度较高，即本实施例中第一电极4的温度；T3为第一电极4的短时温升温度；T4为室温。利用低温恒温槽17，使第二电极8的温度从室温T4下降到T1，时间为t1，并稳定在T1；利用第一高温恒温槽15给第一电极4传导温度，使其温度从室温T4逐渐上升到T2，时间为t3；利用第二高温恒温槽16，在不打开外循环泵的条件下加热槽中硅油使其温度从室温T4上升到T3，时间为t2。待所有槽中温度稳定之后，t3时刻打开第二高温恒温槽16的外循环泵并关闭第一高温恒温槽15的外循环泵，使第一电极4的温度逐渐上升到T3，时间为t4。短时温升条件下绝缘材料中空间电荷的测量是在t3至t4时间段、温度从T2上升到T3过程中实现的。