一种空间电荷与漏电流联合测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及高电压及绝缘技术和电介质空间电荷测量技术领域，具体涉及一种空间电荷与漏电流联合测量装置。


背景技术：

2.高压直流输电系统是我国输电系统的重要组成部分，高压直流电缆是其中的重要设备。空间电荷问题是影响高压直流电缆绝缘老化问题的重要因素。空间电荷的状况还对电缆绝缘中的漏电流产生较大影响，空间电荷极性的改变、以及电荷本身的注入、积聚、抽出等过程均会造成电流大小的改变。因此，对空间电荷和电流进行联合测量，可以揭示两者之间的变化规律，并使通过电流测量数据来估计空间电荷情况为可能。
3.电声脉冲法(pea法)属于无损测量法，测试原理为在介质一侧的电极上施加一个窄高压脉冲信号，介质中存在的空间电荷在电脉冲的作用下产生电场力，从而产生压力波信号，由试样下部电极单元压电传感器转化为电信号，对该电信号进行放大，传输到计算机中进行分析，就能得到试样内部的空间电荷分布。电声脉冲法相较于其他测量方法，具有设备结构简单，测试流程方便，成本低，高压回路与测量回路在电气上隔离等特点，因此逐渐成为最为重要的空间电荷测量方法之一，具有广阔的前景。
4.电介质的漏电流也受空间电荷影响，目前电流测量主要采用三电极系统。三电极法是测量固体绝缘材料体积电阻率的标准方法，可将介质的体积电流和表面电流导向不同的电极，保证了实验的准确性。
5.对于空间电荷和漏电流测量而言，两者的联合测量具有一定的技术难点，主要表现在信号的干扰和数据的时序对应两点。空间电荷的测量需要施加高压脉冲，高压脉冲对电流测量有严重的干扰，使电流测量数据出现失真；高压脉冲作用于电流表等精密仪器时，有较大的风险对仪器造成损坏；空间电荷测量电极和电流测量电极在空间上难以布局，可能产生相互干扰；以往的测量系统，对空间电荷和电流分别测量，两者在时间上并不严格对应，难以将空间电荷数据和电流数据在时序上建立精确的联系，不能精准体现两者的关系。
6.如何将空间电荷和漏电流数据实时对应，是研究空间电荷和漏电流相互关系必须要解决的问题。基于已有的研究和理论，结果表明利用新型复合电极进行测量可以同时得到空间电荷和漏电流数据，这成为了研究的关键。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种空间电荷及漏电流联合测量装置及其测量方法，可用于同时测量平板介质中的空间电荷和漏电流，测量精度高，实时对应性好，结构简单紧凑。
8.本实用新型是通过下述技术方案来实现的。
9.本实用新型提供了一种空间电荷与漏电流联合测量装置，包括上部电极单元、下部电极单元和外电路；上部电极单元与下部电极单元相互对接，形成一个屏蔽室，待测平板
试样置于上部电极单元与下部电极单元之间；外电路分别连接上部电极单元和下部电极单元形成电流回路；
10.通过连接上部电极单元外电路的程控开关断开，连接下部电极单元的程控开关接通，测量待测平板试样的漏电流；通过连接上部电极单元的程控开关接通，连接下部电极单元的程控开关接地，测量待测平板试样的空间电荷。
11.在一种实施方式中,所述上部电极单元包括金属圆筒、上电极、限流电阻、耦合电容和环氧管；限流电阻和耦合电容分别连接上电极共同封装在金属圆筒内，金属圆筒顶部设有环氧管，限流电阻封装在环氧管内。
12.在一种实施方式中,上电极固定在金属圆筒下部圆心处，并略凸出于金属圆筒的下表面；上电极底部为半导电层，待测平板试样放置于半导电层下方，并与半导电层接触。
13.在一种实施方式中,所述下部电极单元包括下电极板、电流环、绝缘环和压电传感器；下电极板上表面设有环形槽，环形槽底面设有电流环嵌入槽，电流环下垫有绝缘环共同置于电流环嵌入槽中；压电传感器连接在下电极板下表面。
14.在一种实施方式中,压电传感器通过传感器垫层支撑在传感器屏蔽罩中，传感器屏蔽罩连接在下电极板下表面，压电传感器贴在下电极板下表面中心处。
15.在一种实施方式中,所述外电路包括连接上电极单元的高压脉冲电源和高压直流电源，连接下电极单元的程控开关、电流表、信号放大器、示波器和计算机。
16.在一种实施方式中,高压脉冲电源连接耦合电容，高压直流电源连接限流电阻。
17.在一种实施方式中,计算机经示波器和信号放大器连接压电传感器；计算机经电流表和程控开关连接电流环。
18.本实用新型由于采取以下技术方案，使其具有有益效果：
19.1.本实用新型由于采用了上下电极将试样包围的结构，形成了一个屏蔽室，可以减少电磁波对测量的干扰，达到了提高测量精度，降低噪声的目的。
20.2.本实用新型由于采用了复合下部电极单元，在下电极板上开槽放置绝缘环和绝缘环内的电流环，使两个回路电气隔离，达到了从空间上合理布局，减少干扰的目的。
21.3.本实用新型由于采用了程控开关，分时交替接通空间电荷测量回路和电流测量回路，是两个回路在时间上分隔，达到了减少脉冲干扰，提高电流测量精度，保护电流测量设备的目的。
附图说明
22.通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：
23.图1显示为本实用新型一种空间电荷及漏电流联合测量装置的上部电极单元和下部电极单元的组成示意图；
24.图2显示为本实用新型实施例提供的外电路的组成示意图；
25.图3显示为本实用新型实施例测量漏电流时外电路连接示意图；
26.图4显示为本实用新型实施例测量空间电荷时外电路连接示意图。
27.其中，101是环氧管，102是金属圆筒，103是耦合电容，104是限流电阻，105是上电极，106是半导电层；
28.201是下电极板，202是电流环，203是绝缘环，204是压电传感器，205是传感器垫层，206是传感器屏蔽罩；
29.301是高压脉冲电源，302是程控开关，303是高压直流电源，304是待测平板试样，305是电流表，306是信号放大器，307是示波器，308是计算机。
具体实施方式
30.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
31.如图1所示，本实用新型一种空间电荷及漏电流联合测量装置，包括上部电极单元、下部电极单元和外电路。待测平板试样304位于上部电极单元和下部电极单元之间，通过上部电极单元和下部电极单元接外电路对待测平板试样进行空间电荷与漏电流联合测量。
32.其中，上部电极单元，包括金属圆筒102、上电极105、限流电阻104、耦合电容103和环氧管101，并用环氧树脂将上电极105、限流电阻104和耦合电容103封装于金属圆筒102内；上电极105固定在金属圆筒102下部圆心处，并略微凸出于金属圆筒102的下表面，上电极105底部为半导电层106，待测平板试样放置于半导电层106下方，并与半导电层106接触；限流电阻104和耦合电容103连接于上电极105上，限流电阻104顶部通过环氧树脂封装于环氧管101内，耦合电容103顶部通过环氧树脂封装于金属圆筒102内。
33.其中，下部电极单元，包括下电极板201、绝缘环203、电流环202、压电传感器204、传感器垫层205和传感器屏蔽罩206，下电极板201位于上部电极单元下方，通过金属螺杆与上部电极单元的金属外壳固定；下电极板201上表面设有环形槽，环形槽的面积与金属圆筒102相对应；绝缘环203固定于下电极板201环形槽底面内，电流环202固定于绝缘环203上的同心环形槽内；压电传感器204贴在下电极板201下表面中心处，并由传感器垫层205支撑；传感器屏蔽罩206支撑传感器垫层205，并固定在下电极板201上。
34.其中，压电传感器材质为β-偏二氟乙烯(β-pvdf)薄膜，厚度范围介于50μm～100μm，两面应镀银或镀铝，用以增加导电性。传感器垫层，材质为α-偏二氟乙烯(α-pvdf)，用以匹配压电传感器的声阻抗，消除反射波。
35.如图2所示，外电路，包括高压脉冲电源301、高压直流电源303、程控开关302、电流表305、信号放大器306、示波器307和计算机308，高压脉冲电源301连接于耦合电容103上；高压直流电源303连接于限流电阻104上，由程控开关302控制通断；电流表305连接在电流环202上，由程控开关302控制断通；信号放大器306前端连接于压电传感器204上，后端连接于示波器307上；示波器307和电流表305均连接于计算机308上。
36.其中，在本实施例中，高压脉冲电源，脉宽范围介于10纳秒～20纳秒。信号放大器，频带宽度不低于200mhz。示波器，采样速率不低于2.5gs/s，带宽不低于300mhz。
37.高压脉冲电源产生脉冲，通过耦合电容施加在上电极上；高压直流电源产生高压直流，通过限流电阻施加在上电极上；信号放大器与压电传感器连接采集信号；信号传输线与信号放大器和电流环连接，用于输出空间电荷和电流信息；在测量漏电流时，程控开关接通电流回路，断开高压脉冲电源，停止产生脉冲信号，保护电流计；测量空间电荷时，程控开关将电流回路接地，接通高压脉冲电源，进行空间电荷数据采集。
38.利用高压直流电源对上电极施加直流高压，使介质内注入空间电荷；高压脉冲电源对上电极施加脉冲电压，使空间电荷受电场力振动；压电传感器采集振动信号并转化为电信号，交由放大器放大输出；电流环采集电流信号直接输出，实现空间电荷和漏电流的联合测量。
39.采用本实用新型实施空间电荷及漏电流联合测量，包括以下步骤：
40.1)将待测平板试样304放置于下电极板201之上，在上电极105与待测平板试样304之间放置半导电层106；
41.2)在限流电阻104上接高压直流电源303，在耦合电容103通过程控开关302接高压脉冲电源301，并根据需要设置具体的电压参数；
42.3)将电流环202由信号传输线连接在电流表305上，将信号放大器306由信号传输线连接在示波器307上，将电流表305和示波器307的数据线连接至计算机308上，并根据实验需要设置具体的量程参数；
43.4)运行计算机采集程序，设置程控开关302切换周期，使程控开关依周期交替开闭，空间电荷测量回路导通时电流表断开，漏电流测量回路导通时高压脉冲断开。
44.具体的，测量待测平板试样的漏电流时，如图3所示，接高压脉冲电源301与耦合电容103的程控开关302断开，停止产生脉冲信号；限流电阻104接高压直流电源303，电流回路经上电极105、半导电层106、待测平板试样304、电流环202、电流表305至计算机308。
45.测量待测平板试样的空间电荷时，如图4所示，接高压脉冲电源301与耦合电容103的程控开关302接通，进行空间电荷数据采集，限流电阻104接高压直流电源303，程控开关将电流回路接地，空间电荷信号经上电极105、半导电层106、待测平板试样304、压电传感器204、信号放大器306、示波器307至计算机308。
46.本实用新型能够实现空间电荷和漏电流的联合测量，避免了信号的干扰，实现了将空间电荷数据和电流数据在时序上精确的对应。
47.本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。