适用于界面效应研究的空间电荷测量装置及其测量方法

摘要

一种适用于界面效应研究的空间电荷测量装置及其测量方法，测量装置由上至下依次包括脉冲耦合电路腔体、测试腔体和底座；脉冲耦合电路腔体的内部设有与外部高压源及脉冲源相连的脉冲耦合电路；脉冲耦合电路腔体的侧壁上开孔并连接常温油浴管路，测试腔体的侧壁上开孔并连接高温油浴管路。测量方法包括：根据试样与上电极之间所需的接触紧密程度，取相应的弹簧放入弹簧腔中，通过电极座推压弹簧，在上电极座上安装测试所需的上电极，将试样放置在下电极的上表面中心，使上电极能够压紧试样，二者之间不存在缝隙；待温度传感器达到设定值并稳定后，进行该温度下试样的空间电荷测量。本发明实现了不同电极表面条件下空间电荷注入特性的准确测量。

说明书

技术领域

本发明属于电气绝缘测试领域，涉及一种适用于界面效应研究的空间电荷测量装置及其测量方法，能够用于研究不同界面条件下，固体绝缘材料的空间电荷注入特性。

背景技术

在特高压直流设备的运行过程中，中心导体载流量大，设备温度高且关键位置处的电场强度高，中心导体向绝缘材料中注入大量空间电荷，畸变设备内部电场分布，这将加速绝缘材料的老化，并降低放电起始阈值场强，影响特高压直流设备的寿命和稳定性。

研究界面效应与绝缘材料空间电荷注入特性的关系，对提出一种有效抑制高温下空间电荷注入的方法十分必要，这将为特高压直流设备的绝缘结构设计、绝缘处理与制造工艺的改进提供相关依据，具有重要的理论研究意义和应用价值。目前，国内外针对空间电荷抑制方法的研究多集中于聚合物/纳米复合材料。研究表明，适量无机纳米材料的引入可加速材料内部空间电荷的复合，有效降低积聚的净空间电荷量；有学者针对试样表面进行氟化处理，可以在一定程度上抑制空间电荷的注入。但针对高温下，界面效应对空间电荷注入的影响机理还缺乏深入的研究；另一方面，采用电极表面处理来抑制空间电荷注入的研究鲜有报道。因此，有必要实现不同界面条件，特别是不同电极表面状态下的空间电荷注入特性的准确测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种适用于界面效应研究的空间电荷测量装置及其测量方法，实现不同界面条件下空间电荷注入特性的测量与研究。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：由上至下依次包括脉冲耦合电路腔体、测试腔体和底座；脉冲耦合电路腔体的顶部设有上盖板且脉冲耦合电路腔体与测试腔体组成密封环境；脉冲耦合电路腔体的内部设有与外部高压源及脉冲源相连的脉冲耦合电路；测试腔体中设有与脉冲耦合电路输出脉冲信号相连的电极筒，电极筒上开设有弹簧腔，弹簧腔的下方连接能够被所放入弹簧进行推压的上电极座，电极筒的端部安装有用于对上电极座限位的电极帽，上电极座的头部从电极帽上穿出并与上电极连接；

所述上电极的下方通过底座支撑固定有下电极，试样设置在上电极与下电极之间；所述的下电极上安装有温度传感器，且下电极的下表面通过传感器支座固定有压电传感器，压电传感器通过同轴电缆连接信号放大器、示波器以及用于显示测量结果的计算机；脉冲耦合电路腔体的侧壁上开孔并连接常温油浴管路，测试腔体的侧壁上开孔并连接高温油浴管路。

所述的脉冲耦合电路腔体外壳与上盖板、脉冲耦合电路腔体外壳与测试腔体外壳、测试腔体外壳与下电极之间均通过螺栓固定在一起；所述的脉冲耦合电路腔体外壳与上盖板之间设置有第一密封圈，所述的测试腔体外壳与下电极之间设置有第二密封圈。

所述电极筒及电极帽的外周包裹有聚四氟隔板，聚四氟隔板与电极筒的侧面固定，聚四氟隔板横向将脉冲耦合电路腔体与测试腔体分隔开来。

所述的传感器支座通过螺栓固定在下电极的下表面上。

在电极筒的外周上加工有台阶，台阶侧面为螺纹面，电极帽与电极筒螺纹连接。

本发明适用于界面效应研究的空间电荷测量方法，包括以下步骤：

1)根据试样与上电极之间所需的接触紧密程度，取相应的弹簧放入弹簧腔中，通过电极座将弹簧推压，在电极筒端部安装对上电极座限位的电极帽；

2)在上电极座上安装测试所需的上电极，将试样放置在下电极的上表面中心，使上电极能够压紧试样，二者之间不存在缝隙；

3)打开常温油浴管路，使脉冲耦合电路腔体中充满油并达到稳定循环；

4)打开高温油浴管路，使测试腔体中充满油并达到稳定循环；

5)待温度传感器达到设定值并稳定后，进行该温度下试样的空间电荷测量。

所述的步骤1)中通过更换不同线径及长度的弹簧来控制上电极与试样之间的压紧程度。

所述的步骤1)中将安装有电极帽的电极筒插入聚四氟隔板内部，并通过六方螺钉将聚四氟隔板与电极筒的侧面固定，防止电极筒在聚四氟隔板的内部转动。

与现有技术相比，本发明的测量装置具有如下有益效果：该测量装置设置了脉冲耦合电路腔体与测试腔体，测试腔体通过高温油浴循环加热试样，脉冲耦合电路腔体通过常温油浴循环隔离加热的影响，保证脉冲耦合电路的工作稳定性。试样测试时所需用到的上电极能够简单方便地更换，同时在保证测试腔体密封性的前提下，通过弹簧实现上电极与试样之间的紧密接触，继而实现了在不同界面条件，特别是电极表面条件下的空间电荷注入特性的准确测量，为研究界面效应对固体绝缘材料空间电荷注入的影响机理提供了实验环境。

与现有技术相比，本发明的测量方法操作简便，测试所用的电极能够自由更换，实现了在不同电极表面条件下的空间电荷注入特性的准确测量，提供了界面效应研究的途径。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

附图中：1-第一密封圈；2-上盖板；3-脉冲耦合电路腔体；4-常温油浴进油管；5-聚四氟隔板；6-测试腔体；7-第二密封圈；8-高温油浴进油管；9-下电极；10-压电传感器；11-信号放大器；12-聚四氟环；13-底座；14-高温油浴出油管；15-传感器支座；16-上电极；17-电极帽；18-上电极座；19-电极筒；20-常温油浴出油管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明的空间电荷测量装置，由上至下依次包括脉冲耦合电路腔体3、测试腔体6和底座13。脉冲耦合电路腔体3的顶部设有上盖板2，脉冲耦合电路腔体3的内部设有与外部高压源及脉冲源相连的脉冲耦合电路，测试腔体6中设有与脉冲耦合电路输出脉冲信号相连的电极筒19，电极筒19上开设有弹簧腔，弹簧腔的下方连接能够被所放入弹簧进行推压的上电极座18，电极筒19的端部安装有用于对上电极座18限位的电极帽17，电极筒19及电极帽17的外周包裹有聚四氟隔板5，聚四氟隔板5与电极筒19的侧面通过六方螺钉连接固定，聚四氟隔板5横向将脉冲耦合电路腔体3与测试腔体6分隔开来。上电极座18的头部从电极帽17上穿出并与上电极16连接。上电极16的下方通过底座13支撑固定下电极9，试样设置在上电极16与下电极9之间，脉冲耦合电路腔体3与测试腔体6组成密封环境，脉冲耦合电路腔体3外壳与上盖板2、脉冲耦合电路腔体3外壳与测试腔体6外壳、测试腔体6外壳与下电极9之间均通过螺栓固定在一起，脉冲耦合电路腔体3外壳与上盖板2之间设置有第一密封圈1，测试腔体6外壳与下电极9之间设置有第二密封圈7，上盖板2、测试腔体外壳及聚四氟隔板5的边缘处均开有凹槽，凹槽内放置密封圈，保证良好的密封性。

在下电极9上安装有温度传感器，且下电极9的下表面通过传感器支座15固定有压电传感器10，传感器支座15通过螺栓固定在下电极9的下表面上。压电传感器10通过同轴电缆连接信号放大器11、示波器以及用于显示测量结果的计算机。脉冲耦合电路腔体3的侧壁上开孔并连接常温油浴管路，测试腔体6的侧壁上开孔并连接高温油浴管路。在电极筒19的外周上加工有台阶，台阶侧面为螺纹面，电极帽17与电极筒19螺纹连接。

为了测量高场强下界面效应对固体绝缘材料空间电荷特性的影响，需对测量施加高达数十千伏的直流电压，为此，本测量装置外部配有直流高压源，输出电压可达40kV。

脉冲源的脉宽及重复频率直接决定了空间电荷测试的分辨率及准确度。本发明空间电荷测量装置脉冲源的最高输出电压为2kV，重复频率1kHz，脉宽5ns。

该测量装置的金属外壳、直流高压源的地线、脉冲源的地线以及示波器的地线单点接地，防止由于地电位浮动所引起的放电，影响测试结果的准确性。

由于空间电荷测量中，压电传感器10的感应信号十分微弱，因此压电传感器10的信号通过一根高温同轴电缆引出到信号放大器，实现微弱信号的抗干扰。

实施例1

本发明适用于界面效应研究的空间电荷测试方法，包括如下步骤：

1)根据测试所需的试样与上电极之间紧密接触程度，选择合适线径及长度的弹簧放置于电极筒内部，将上电极座压于弹簧下部，将电极帽17拧到电极筒19上；

2)将装配好的弹簧电极插入聚四氟隔板5内部，并将六方螺钉穿过聚四氟隔板5侧面的两个通孔固定于电极筒19侧面的两个螺纹孔里，可以有效地防止电极筒19在聚四氟隔板5内部的转动，通过六方螺钉将聚四氟隔板5与脉冲耦合电路腔体3的外壳固定在一起；

3)将测试所需的上电极16拧到上电极座18上；将试样放置于下电极9表面中心处；

4)紧固连接脉冲耦合电路腔体3与测试腔体6之间的六方螺钉和螺母，使得上电极16能够压紧试样，消除上电极16与试样之间的缝隙；

5)打开常温油浴系统，调整流速，脉冲耦合电路腔体3内缓慢的充满油并达到稳定循环；

6)打开高温油浴系统，调整流速、温度，测试腔体6内缓慢的充满油并达到稳定循环；

7)待温度达到设定值并稳定后，打开脉冲源与直流高压源，进行试样的空间电荷测试。

8)重复步骤6)-7)，实现固体绝缘材料在同一场强、不同温度条件下的空间电荷测试。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

测量过程中，根据测试所需的试样与上电极16接触的紧密程度，即上电极施加在试样上的力，改变步骤1)中弹簧的线径及长度，实现不同压力、不同温度条件下的空间电荷测试。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

在测量过程中，若需研究不同电极材料对空间电荷注入的影响，则在步骤3)中将原上电极16拧下，所需测试电极拧上，可实现在电极材料不同时，空间电荷注入特性的测试。

实施例4：

在测量过程中，保持温度不变，通过改变步骤7)中直流高压源的幅值，实现同一温度、不同场强下的空间电荷测试。

实施例5：

本实施例与实施例4的区别仅在于：

在测量过程中，步骤6)和7)中的温度和直流高压源的幅值同时改变，实现不同温度、不同场强下的空间电荷测试。