一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置及方法与流程

1.本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置及方法。


背景技术：

2.随着我国电力系统的快速发展，相较于交流输电，特高压直流输电的优势越来越明显。但特高压直流输电的绝缘问题一直处于瓶颈阶段，主要难点为绝缘介质中存在大量陷阱引起空间电荷积聚，导致电场畸变从而引起局部放电现象。为了掌握绝缘介质中空间电荷的形成、分布和迁移规律，进而抑制电荷积聚的方法，成为高压直流输电绝缘方面的重要课题。
3.目前研究者对于绝缘材料的积聚空间电荷的陷阱分布特性提出多种测量方法，其中应用较为广泛的有热刺激电流法(thermally stimulated current，tsc)、电声脉冲(pulsed eletro-acoustic，pea)和表面电位衰减法(surface potential decay，spd)等。spd法是一种方便、低成本的测量空间电荷和空间陷阱的手段，可提供空间电荷注入、迁移、松弛过程、电荷陷阱分布等相关物理信息的方法，因此广泛应用于绝缘材料内部陷阱分布的表征方面。
4.根据目前对于表面电位衰减法(spd)的研究，主要表征绝缘材料体内的陷阱分布特性。目前spd的测量方法为分为两个阶段：1、电晕充电过程：针电极加高电压，产生带电粒子，栅电极加低压，均匀针电极与试样间的电场，保证到达试样表面的电荷分布均匀；2、电荷消散过程：充电完毕后，测量绝缘材料表面电位衰减的过程，测量时，试样放在背电极上，背电极接地。上述这种测量方法，在电荷消散的过程中，试样表面的电荷与背电极之间存在较高的电位差，试样表面电荷发出的电力线主要由试样表面指向背电极，即电场强度法向分量远大于切向分量，电荷消散时入陷脱陷的过程时通过绝缘材料体内完成，因此测到的电位衰减曲线主要是由绝缘材料体内陷阱导致，因此根据电位衰减曲线计算出的陷阱分布也是表征绝缘介质体陷阱分布。但是现有spd测量方法无法表征绝缘材料表面陷阱分布特性。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提出了一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置及方法。
6.一方面，本发明提出一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，包括试验腔体和数据采集系统；所述实验腔体包括腔体外壳、旋转连杆、夹板、针电极、栅电极和试样表面接地环电极，旋转连杆固定在腔体外壳上，夹板固定在旋转连杆上，夹板包括上端夹板、中部夹板和下端夹板；针电极固定于上端夹板上，栅电极固定于下端夹板上；针电极施加高压，用于电晕放电产生带电粒子；栅电极施加低电压，用于均匀针电极与试样之间的电场；试样表面接地环电极布置在试样表面，中心开设圆孔，电晕充电时针电极正对圆孔中心；数据采集系统用于记录试样表面电位。
7.优选地，试样放置在试样放置台上，试样放置台下方设有绝缘垫板。
8.优选地，腔体外壳和旋转连杆采用不锈钢材料。
9.优选地，旋转连杆利用轴承连接的方式固定在腔体外壳。
10.优选地，夹板利用螺丝固定在旋转连杆上。
11.优选地，针电极与栅电极6材质为紫铜。
12.优选地，试样表面接地环电极材质为铝合金。
13.优选地，数据测量系统包括源静电探头、静电电压表、示波器和计算机；所述有源静电探头固定于所述中部夹板上；当电晕充电过程完毕后，转动旋转连杆使有源静电探头正对试样，测量其表面电位，静电电压表显示的电位值通过示波器显示，计算机记录电位随时间的衰减离散点，即u-t离散曲线。
14.另一方面，本发明提出一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量方法，其利用上述测量装置进行测量，测量时，针电极施加高压，电晕放电产生带电粒子；栅电极施加低电压，均匀针电极与试样之间的电场；电晕充电时针电极正对试样表面接地环电极圆孔中心；当电晕充电完毕后，转动旋转连杆使有源静电探头正对试样，测量其表面电位，静电电压表显示的电位值通过示波器显示，计算机记录电位随时间的衰减离散点，即u-t离散曲线，该离散曲线即反映试样表面陷阱分布特性。
15.优选地，夹板的距离来调节针电极和栅电极、栅电极和试样、有源静电探头和试样之间的距离，实现对不同尺寸试样的测量，使试样表面电荷分布均匀。
附图说明
16.图1是本发明一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置的示意图；
17.图2是本发明一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置中的实验腔体的示意图；
18.图3是实验腔体的左视图；
19.图4是实验腔体中旋转结构的俯视图。
具体实施方式
20.下面结合附图，对实施例作详细说明。
21.本发明的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置由试验腔体和数据采集系统构成，如图1所示。
22.实验腔体包括外部腔体、内部电极、试样放置台，如图2所示。外部腔体用于固定电极和承载试样放置台，内部电极具有加压的功能，试样放置台用于放置测量试样。数据采集系统用于记录测量试样表面电位。
23.如图2所示，外部腔体主要包括：腔体外壳1、旋转连杆2、夹板3和绝缘垫板9。腔体外壳1和旋转连杆2优选采用不锈钢材料，旋转连杆2固定在腔体外壳1上，如利用轴承连接的方式固定；夹板3固定在旋转连杆2上，如通过螺丝固定，夹板3包括上端夹板、中部夹板和下端夹板；绝缘垫板9主要起到承载试样的作用，其位于试样放置台(未示出)下方。
24.内部电极主要包括针电极4、栅电极6和试样表面接地环电极7。针电极4与栅电极6优选为紫铜材质，试样8表面接地环电极7优选为铝合金材质。针电极4固定于上端夹板上，栅电极6固定于下端夹板上。针电极4施加高压，用于电晕放电产生带电粒子(电荷)，栅电极
6施加低电压，用于均匀针电极4于试样8之间的电场，保证漂移到试样8表面的电荷分布均匀。电源10用于对针电极和栅电极施加电压。试样表面接地环电极7布置在试样8表面，电极7中心开设圆孔，电晕充电时针电极4正对电极7的圆孔中心。电极开始加压后十分钟内，针电极4在气体环境中电晕放电的同时，电晕放电的电荷会运动至试样表面，对试样表面充电，使得试样表面电荷沉积，且该设置保证圆孔处的试样8积聚电荷且电荷产生电场方向主要是沿试样8表面的切向电场。试样8放置于试样放置台(未示出)上，试样放置台下方设置有绝缘垫板9，绝缘垫板9的作用是为了减小电荷沿体内途径消散。环电极7和绝缘垫板9共同承担起改变试样8表面电场的作用。环电极7有效增大了试样表面电荷产生的电场沿试样表面的方向(称电场切向分量)，绝缘垫板9削弱了试样表面电荷产生电场垂直于表面的方向(称电场法向分量)，也即由于该结构的设置，保证在试样8上积聚电荷的电场沿表面法向分量远小于沿试样8表面的切向分量，保证表面电荷消散时绝大多数电荷在电场切向分量的作用下沿试样表面漂移到试样表面接地环电极7。
25.数据测量系统包括源静电探头5，如kelvin型，静电电压表11，示波器12和计算机13。有源静电探头5固定于中部夹板上。当电晕充电过程完毕后，转动旋转连杆2使有源静电探头5正对试样，测量其表面电位，静电电压表11显示的电位值通过示波器显示12显示，并用计算机13记录电位随时间的衰减离散点，即u-t离散曲线，如此可准确显示试样表面电位值，减小肉眼观测时的误差，提高试验效率。u-t离散曲线可以反应绝缘材料表面陷阱分布特性，可通过调节夹板3的距离来调节针电极4和栅电极6、栅电极6和试样、有源静电探头5和试样之间的距离，便于对不同尺寸的试样进行测量，使试样表面的电荷尽量分布均匀。
26.此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，包括试验腔体和数据采集系统；所述实验腔体包括腔体外壳、旋转连杆、夹板、针电极、栅电极和试样表面接地环电极，旋转连杆固定在腔体外壳上，夹板固定在旋转连杆上，夹板包括上端夹板、中部夹板和下端夹板；针电极固定于上端夹板上，栅电极固定于下端夹板上；针电极施加高压，用于电晕放电产生带电粒子；栅电极施加低电压，用于均匀针电极与试样之间的电场；试样表面接地环电极布置在试样表面，中心开设圆孔，电晕充电时针电极正对圆孔中心；数据采集系统用于记录试样表面电位。2.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述试样放置在试样放置台上，试样放置台下方设有绝缘垫板。3.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述腔体外壳和旋转连杆采用不锈钢材料。4.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述旋转连杆利用轴承连接的方式固定在腔体外壳。5.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述夹板利用螺丝固定在旋转连杆上。6.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述针电极与栅电极6材质为紫铜。7.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述试样表面接地环电极材质为铝合金。8.根据权利要求1所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置，其特征在于，所述数据测量系统包括源静电探头、静电电压表、示波器和计算机；所述有源静电探头固定于所述中部夹板上；当电晕充电过程完毕后，转动旋转连杆使有源静电探头正对试样，测量其表面电位，静电电压表显示的电位值通过示波器显示，计算机记录电位随时间的衰减离散点，即u-t离散曲线。9.一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量方法，其利用权利要求1-8任一项所述的的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置进行测量，测量时，针电极施加高压，电晕放电产生带电粒子；栅电极施加低电压，均匀针电极与试样之间的电场；电晕充电时针电极正对试样表面接地环电极圆孔中心；当电晕充电完毕后，转动旋转连杆使有源静电探头正对试样，测量其表面电位，静电电压表显示的电位值通过示波器显示，计算机记录电位随时间的衰减离散点，即u-t离散曲线，该离散曲线即反映试样表面陷阱分布特性。10.根据权利要求9所述的一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量方法，其特征在于，通过夹板的距离来调节针电极和栅电极、栅电极和试样、有源静电探头和试样之间的距离，实现对不同尺寸试样的测量，使试样表面电荷分布均匀。

技术总结
本发明提出一种绝缘材料表面陷阱分布特性测量装置及方法，包括试验腔体和数据采集系统；实验腔体包括腔体外壳、旋转连杆、夹板、针电极、栅电极和试样表面接地环电极，旋转连杆固定在腔体外壳上，夹板固定在旋转连杆上，夹板包括上端夹板、中部夹板和下端夹板；针电极固定于上端夹板上，栅电极固定于下端夹板上；针电极施加高压，用于电晕放电产生带电粒子；栅电极施加低电压，用于均匀针电极与试样之间的电场；试样表面接地环电极布置在试样表面，中心开设圆孔，电晕充电时针电极正对圆孔中心；数据采集系统用于记录试样表面电位。本发明的装置和方法能够改善电晕充电后试样表面电场分布，有效地测量绝缘材料表面陷阱分布特性。性。性。


技术研发人员：齐波 杨霄 申旭辉 李成榕 杨卓栋 罗远 孙财新 章卓雨
受保护的技术使用者：华能集团技术创新中心有限公司 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/4