温度可控的PEA空间电荷测试装置

摘要

本发明属于高电压与绝缘技术领域，特别涉及一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，测量装置由上电极、下电极、空间电荷采集通道和温度控制测量单元组成。槽形下电极镶嵌在下电极绝缘隔板中，下电极绝缘隔板镶嵌在下电极隔板中构成下电极，压电传感器贴在槽形下电极的下表面采集空间电荷，用镀金属膜的有机玻璃柱传送的压电信号由示波器显示，温度控制测量单元的加热圈包覆在槽形下电极的外侧面加热槽形下电极给试样提供温度场，铂电阻镶嵌在槽形下电极底面内测量试样温度并通过测温仪与计算机连接。本发明可在不同温度下测量电介质空间电荷，使在电场与温度场共同作用下研究电介质的空间电荷特性得以实现，特别适用于电工绝缘材料测试和研究。

权利要求

1.一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，测试装置的电极结构包括上电极、下电极、空间电荷采集通道和温度控制测量单元四部分，上电极为环氧树脂(25)浇注在上电极金属外壳(1)内部，把上电极中心柱(7)、保护电阻(22)和高压隔直电容(6)固定在上电极外壳(1)内构成可移动的整体上电极，空间电荷采集通道由压电传感器(17)、镀金属膜的有机玻璃柱(16)、绝缘套(13)、空间电荷采集器外壳(14)和电荷信号SMA同轴插座(15)组成，左侧支架(23)和右侧支架(24)固定在下电极隔板(10)下方支撑整个装置，所述左侧支架(23)和右侧支架(24)的材料为铝，其特征在于，下电极由槽形下电极(8)、下电极绝缘隔板(18)和下电极隔板(10)组成，槽形下电极(8)槽口向上镶嵌在下电极绝缘隔板(18)中，下电极绝缘隔板(18)镶嵌在下电极隔板(10)中，槽形下电极(8)的上表面为下电极平面，压电传感器(17)贴在槽形下电极(8)的下表面，所述下电极隔板(10)的材料为铝；

温度控制测量单元的加热圈(21)包覆在槽形下电极(8)的外侧面，铂电阻(9)镶嵌在槽形下电极(8)底面内并通过测温仪(31)与计算机(29)的数据输入端连接，加热圈(21)的加热线圈与加温控制仪(30)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述槽形下电极(8)与下电极绝缘隔板(18)，下电极绝缘隔板(18)与下电极隔板(10)均利用过盈配合技术固定。

3.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述上电极中心柱(7)和槽形下电极(8)的上表面及下表面都经镜面抛光。

4.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述槽形下电极(8)的材料为铝。

5.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述下电极绝缘隔板(18)的材料为聚四氟乙烯板材。

6.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述加热圈(21)的骨架材料为不锈钢。

7.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述保护电阻(22)的阻值范围为1.0～3.0MΩ。

8.根据权利要求1所述的一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，其特征在于，所述的高压隔直电容(6)的电容量为100～1000pF，并且应不小于被测试样的电容量10倍。

说明书

温度可控的PEA空间电荷测试装置

技术领域

[0001] 本发明属于高电压与绝缘技术领域，特别涉及一种温度可控的PEA空间电荷测试装置。

背景技术

[0002] 空间电荷是表征电介质材料电气性能的一个重要参数，空间电荷测量对于电介质介电性能的研究有着重要的意义。目前，国际上普遍公认，空间电荷对电场有畸变作用，空间电荷的分布和运动对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等有强烈的影响。在电场作用下，尤其是直流电场，空间电荷集聚会严重畸变聚合物绝缘材料中电场分布，并引起电荷的复合和激励，从而导致材料早期破坏，如增加热电子的生成速率，降低材料老化的能量势垒，引起断键的生成，微孔扩大和内部应力，并最终导致材料击穿。因此，空间电荷的存在、转移和消失会直接导致绝缘材料内部电场分布的改变，对材料内部的局部电场起到削弱或加强的作用，影响到材料电气特性的各个方面。

[0003] 在空间电荷研究方面，目前国内外所做的大都是实验性质的研究，并且集中在以电缆绝缘为应用背景的聚乙烯材料上。随着试验及测量数据的完善，目前许多理论解释、模型建立的研究工作也都开展起来了。然而陷阱电荷如何影响材料的性能仍是个悬而未决的问题。研究表明，陷阱电荷密度的改变导致电荷入陷传输过程的改变，最终影响载流子的迁移，宏观上反映在电导的变化上。

[0004] 电声脉冲法(PEA)是目前在国际上较为流行的空间电荷测试技术，是上世纪80年代由武藏工业大学的高田达雄教授提出、并经过长时间研究逐步发展而来的，这一技术在国际上已经被广泛的应用于电介质材料空间电荷的测量和分析。

[0005] 绝缘材料的电气特性和温度是紧密相关的，通常提到的“10度规则”、“8度规则”、“6度规则”，体现了其电气设备绝缘寿命和温度之间的关系。在材料的老化方面，绝缘材料在极化后随着温度的升高会释放退极化电流，也充分说明了温度对材料的微观特性的影响。温度直接决定了分子的热运动水平，电介质中载流子的迁移率与温度密切相关，因而空间电荷也一定与温度有着密切的关系。有的绝缘材料通常是工作在高温、高压并伴随着各种高能射线的恶劣环境下，例如发电机和电动机经常是工作在高温的条件下。只有引入温度场的空间电荷的测量和分析，才能更好地了解在实际应用中电介质的空间电荷特性。但现有的对各种材料的空间电荷的研究基本都是在室温下进行的，不能实现温度可控的PEA空间电荷测试。

发明内容

[0006] 本发明的目的是解决现有技术不能实现温度可控的PEA空间电荷测试的问题，为实现高温下绝缘材料的空间电荷的测试提供一种温度可控的PEA空间电荷测试装置，测试装置的电极结构包括上电极、下电极、空间电荷采集通道和温度控制测量单元四部分，槽形下电极8槽口向上镶嵌在下电极绝缘隔板18中，下电极绝缘隔板18镶嵌在下电极隔板10中，压电传感器17贴在槽形下电极8的下表面，镀金属膜的有机玻璃柱16置于压电传感器17之下，绝缘套13包覆压电传感器17和镀金属膜的有机玻璃柱16置于空间电荷采集器7外壳14内，空间电荷采集器外壳14固接在槽形下电极8的下表面将压电传感器14、镀金属膜的有机玻璃柱16和绝缘套13压紧，槽形下电极8的上表面为下电极平面，左侧支架23和右侧支架24固定在下电极隔板10下方用于支撑整个装置，电荷信号SMA同轴插座15固接在空间电荷采集器外壳14中心圆孔内，电荷信号SMA同轴插座15的内导体穿过绝缘套
13与镀金属膜的有机玻璃柱16下表面的金属膜可靠电接触，电荷信号前置放大器12固定在下电极隔板10的下表面，电荷信号前置放大器12输入端与电荷信号SMA同轴插座15连接，输出端与固接在左侧支架23或右侧支架24上的电荷信号SMA同轴插头11连接；

[0007] 高压输入BNC插座2套在高压绝缘橡胶圈3内镶嵌在圆柱形的上电极外壳1上端面，上电极中心柱7置于上电极金属外壳1内，上电极中心柱7的下表面与上电极外壳1下端面在同一平面内，上电极中心柱7的上表面与高压输入BNC插座2之间连接一个保护电阻22，上电极中心柱7的上表面与保护电阻22之间以及保护电阻22与高压输入BNC插座2的内导体之间均用裸导线连接，脉冲输入BNC插座4套在脉冲绝缘橡胶圈5内也镶嵌在圆柱形的上电极外壳1上端面，上电极中心柱7的上表面与脉冲输入BNC插座4之间连接高压隔直电容6，上电极中心柱7的上表面与高压隔直电容6之间以及高压隔直电容6与高压BNC插座2的内导体之间均用裸导线连接，环氧树脂25浇注在上电极金属外壳1内部，把上电极中心柱7、保护电阻22和高压隔直电容6固定在上电极外壳1内构成可移动的整体上电极，上电极中心柱7的下表面为上电极平面，试样19置于下电极平面上，半导电垫片
20置于试样19上，整体上电极在槽形下电极8内上电极中心柱7压在半导电垫片20上，整体上电极通过自重将上电极平面、半导电垫片20、试样19和下电极平面压紧；

[0008] 加热圈21包裹在槽形下电极8的外侧面，铂电阻9镶嵌在槽形下电极8底面内并通过测温仪31与计算机29的数据输入端连接，加热圈21的加热线圈与加温控制仪30的输出端连接，加温控制仪30的温度设定输入端与计算机29连接，由计算机29设定温度，并将设定的温度馈送给加温控制仪30，加温控制仪30控制加热圈21进行加温，同时铂电阻9进行温度测量并将所测温度通过测温仪31传输给计算机29，铂电阻9采用PT100铂电阻；

[0009] 装置的电路连接为，高压直流电源26的高压输出端与高压输入BNC插座2连接，脉冲源27的高压窄脉冲输出端与脉冲输入BNC插座4连接，示波器28的Y输入端和电荷信号SMA同轴插头11连接，脉冲源27的同步输出端与示波器28的同步输入端连接，示波器28的数据输出端与计算机29的数据输入端连接，加温控制仪30的输出端与加热圈21的加热线圈输入端连接，加温控制仪30的温度控制端与计算机29数据输出端连接，铂电阻9通过测温仪31连接到计算机29的数据输入端。

[0010] 所述槽形下电极8与下电极绝缘隔板18，下电极绝缘隔板18与下电极隔板10均利用过盈配合技术固定。

[0011] 所述镀金属膜的有机玻璃柱16的上下平面和圆柱面均用离子溅射仪真空镀金(Au)膜。

[0012] 所述上电极中心柱7和槽形下电极8的上表面及下表面都经镜面抛光。

[0013] 所述保护电阻22的阻值范围为1.0～3.0MΩ。

[0014] 所述的高压隔直电容6的电容量为100～1000pF，并且应不小于被测试样的电容量10倍。

[0015] 所述上电极中心柱7的材料为铝或铜。

[0016] 所述的槽形下电极8的材料为铝。

[0017] 所述上电极外壳1、空间电荷采集器外壳14、下电极隔板10、左侧支架23和右侧支架24的材料为铝。

[0018] 所述下电极绝缘隔板18和绝缘套13的材料为聚四氟乙烯。

[0019] 所述铂电阻9镶嵌在槽形下电极8底面内，不能影响试样19与下电极表面的可靠接触。

[0020] 所述加热圈21的骨架材料为不锈钢。

[0021] 所述半导电垫片8为普通半导电材料，如石墨掺聚乙烯的半导电材料薄膜，主要防止声波在界面发生反射。

[0022] 本发明的工作过程是：设定测试工作温度，给试样加温，然后从上电极向试样施加高压直流电场，使试样中产生空间电荷，同时从上电极向试样施加高压窄脉冲，使得试样中心部分的空间电荷在脉冲作用下在局部发生微小振动，这一振动以声波的形式传到接地的下电极，通过紧贴在槽形下电极下表面的压电传感器转化为电信号，再经过电荷信号前置放大器放大，用示波器读取这一电压信号波形，因为振动幅值的大小和电荷量的大小有关，振动到达传感器的先后时间反映了空间电荷的不同位置。因此，经过压电传感器接收到的电压信号就是包含试样中空间电荷量的大小及位置的信号。示波器所读的波形通过GPIB采集卡读写到计算机，计算机将所采集到的信号进行分析处理。

[0023] 直流高压加在阻值为几百兆欧数量级的试样上，下电极相对于直流高压为地电位。脉冲输入回路中，为了防止直流高压对脉冲源的影响，在脉冲输入BNC插座和上电极中心柱之间串接一个隔直电容。

[0024] 温度控制部分，首先通过计算机设定温度，通过温度控制仪控制加热圈加热，同时PT100铂电阻进行温度测量，并将测量温度反馈给计算机，如果测量温度达到设定温度，计算机则命令温度控制仪停止加热升温。

[0025] 本发明采取以下措施，实现试样不同温度下空间电荷的测试：

[0026] 1.在对下电极进行加热时，为了防止电荷信号前置放大器受到影响，采用将槽形下电极8和下电极隔板10通过下电极绝缘隔板18进行隔热，这样能保证电荷信号前置放大器工作稳定，同时为了加快下电极隔板下方的散热，整个下电极隔板下方不封闭，这样可以加快空气的流通。

[0027] 2.在对温度实施控制时，加热圈21、铂电阻9、测温仪31、计算机29、温度控制仪30构成闭环系统，实现温度的自动控制。

[0028] 3.空间电荷PEA信号采集器采用压电传感器17、镀金属膜的有机玻璃柱16、绝缘套13和空间电荷采集器外壳14组成的四层结构，层间紧密接触，还用镀金属膜的有机玻璃柱16传送压电传感器17的压电信号，保证声波不造成反射，精确测量空间电荷信号。

[0029] 4.采用多重屏蔽设计。上电极外壳1和空间电荷采集器外壳14都接地，同时电荷信号的传输线采用屏蔽电缆，使电荷信号传输的各个环节都有接地的屏蔽层保护。

[0030] 5.上电极的高压输入BNC插座2、脉冲输入BNC插座4、上电极外壳1、保护电阻22、高压隔直电容6和上电极中心柱7用环氧树脂5进行浇注固定，保证上电极是一个整体，同时环氧树脂的绝缘强度比较高，可以提高加在试样上的电压。整体上电极靠自重使试样均匀受力。

[0031] 6.脉冲回路中，脉冲输入BNC插座4与上电极中心柱7之间串接高压隔直电容6，保证直流高压不会耦合到脉冲源，有效地保护脉冲源。

[0032] 本发明的有益效果为，因采用加热圈对槽形下电极的侧壁加热，能控制试样温度进行对绝缘材料试样的PEA空间电荷测试，可对试样进行不同温度下空间电荷的测试，使在电场与温度场共同作用下研究电介质的空间电荷特性得以实现。特别适用于电工绝缘材料领域测试和研究。

附图说明

[0033] 图1为温度可测的PEA空间电荷测试装置电极结构示意图；

[0034] 图2为温度可测的PEA空间电荷测试装置示意图。

[0035] 图中，1--上电极外壳；2--高压输入BNC插座，3--高压绝缘橡胶圈，4--脉冲输入BNC插座，5--脉冲绝缘橡胶圈，6--高压隔直电容，7--上电极中心柱，8--槽形下电极，9--铂电阻，10--下电极隔板，11--电荷信号SMA同轴插头，12--电荷信号前置放大器，
13--绝缘套，14--空间电荷采集器外壳，15--电荷信号SMA同轴插座，16--镀金属膜的有机玻璃柱，17--压电传感器，18--下电极绝缘隔板，19--试样，20--半导电垫片，21--加热圈，22--保护电阻，23--左侧支架板，24--右侧支架板，25--环氧树脂，26--高压直流源，
27--脉冲源，28--示波器，29--计算机，30--加温控制仪，31--测温仪。

具体实施方式

[0036] 以下通过实施例对本发明做进一步的说明。图1为实施例的电极结构示意图，由四部分组成，即上电极、下电极、空间电荷采集通道和温度控制测量单元。

[0037] 上电极中，高压输入BNC插座2套在高压绝缘橡胶圈3内镶嵌在圆柱形的上电极外壳1上端面，圆柱形的上电极中心柱7置于上电极外壳1内，上电极中心柱7的下表面与上电极外壳1下端面在同一平面内，上电极中心柱7的上表面与高压输入BNC插座2之间连接一个保护电阻22，上电极中心柱7的上表面与保护电阻22之间以及保护电阻22与高压输入BNC插座2的内导体之间均用裸导线连接，脉冲输入BNC插座4套在脉冲绝缘橡胶圈5内也镶嵌在圆柱形的上电极外壳1上端面，上电极中心柱7的上表面与脉冲输入BNC插座4之间连接高压隔直电容6，上电极中心柱7的上表面与高压隔直电容6之间以及高压隔直电容6与高压BNC插座2的内导体之间均用裸导线连接，环氧树脂25浇注在上电极金属外壳1内部，把上电极中心柱7、保护电阻22和高压隔直电容6固定在上电极外壳1内构成可移动的整体上电极，上电极中心柱7的下表面为上电极平面。

[0038] 下电极中，槽形下电极8镶嵌在下电极绝缘隔板18中，槽形下电极8的外形为圆柱形，下电极绝缘隔板18镶嵌在矩形的下电极隔板10中，槽形下电极8的上表面为下电极平面，左侧支架23和右侧支架24固定在下电极隔板10下方用于支撑整个装置。

[0039] 空间电荷采集通道中，压电传感器17贴在槽形下电极8的下表面，镀金属膜的有机玻璃柱16置于压电传感器17之下，绝缘套13包覆压电传感器17和镀金属膜的有机玻璃柱16置于空间电荷采集器7外壳14内，空间电荷采集器外壳14固接在槽形下电极8的下表面将压电传感器14、镀金属膜的有机玻璃柱16和绝缘套13压紧。试样19置于下电极平面上，半导电垫片20置于试样19上，整体上电极在槽形下电极8内上电极中心柱7压在半导电垫片20上，整体上电极通过自重将上电极平面、半导电垫片20、试样19和下电极平面压紧，电荷信号SMA同轴插座15固接在空间电荷采集器外壳14中心圆孔内，电荷信号SMA同轴插座15的内导体穿过绝缘套13与镀金属膜的有机玻璃柱16下表面的金属膜可靠电接触，电荷信号前置放大器12固定在下电极隔板10的下表面，电荷信号前置放大器12输入端与电荷信号SMA同轴插座15连接，输出端与固接在左侧支架23或右侧支架24上的电荷信号SMA同轴插头11连接。

[0040] 在温度控制测量单元中，骨架为圆柱形的加热圈21用螺纹连接包覆在圆柱形的槽形下电极8的外侧面，铂电阻9在试样19的外围镶嵌在槽形下电极8底面的圆弧形槽内，铂电阻9通过测温仪31与计算机29的数据输入端连接，加热圈21的加热线圈与加温控制仪30的输出端连接，加温控制仪30的温度设定输入端与计算机29连接，由计算机29设定温度，并将设定的温度馈送给加温控制仪30，加温控制仪30控制加热圈21进行加温，同时铂电阻9进行温度测量并将所测温度通过测温仪31传输给计算机29，铂电阻9为PT100铂电阻。

[0041] 如图2所示，装置的电路连接为，高压直流电源26的高压输出端与高压输入BNC插座2连接，脉冲源27的高压窄脉冲输出端与脉冲输入BNC插座4连接，示波器28的Y输入端和电荷信号SMA同轴插头11连接，脉冲源27的同步输出端与示波器28的同步输入端连接，示波器28的数据输出端与计算机29的数据输入端连接，加温控制仪30的输出端与加热圈21的加热线圈输入端连接，加温控制仪30的温度控制端与计算机29数据输出端连接，铂电阻9通过测温仪31连接到计算机29的数据输入端。

[0042] 测量试样时，试样19置于下电极平面上，材料为石墨掺聚乙烯半导电材料薄的半导电垫片20膜置于试样19上，整体的上电极放在槽形下电极8上，依靠上电极的自重将上电极平面、半导电垫片20、试样19和下电极平面压紧；如图2所示，高压直流电源26的高压输出端与高压输入BNC插座2连接，脉冲源27的高压窄脉冲输出端与脉冲输入BNC插座4连接，示波器28的Y输入端和电荷信号SMA同轴插头11连接，脉冲源27的同步输出端与示波器28的同步输入端连接，示波器28的数据输出端与计算机29的数据输入端连接，加温控制仪30的输出端与加热圈21的加热线圈输入端连接，加温控制仪30的温度控制端与计算机29数据输出端连接，铂电阻9通过测温仪31连接到计算机29的数据输入端。高压窄脉冲通过脉冲输入BNC插座4和高压隔直电容6加载在试样19上，直流高压从高压输入BNC插座2输入上电极中心柱7加载在试样19，在计算机29上设定温度，加温控制仪30控制加热圈21加热到需要的温度。当温度达到所需要的温度时，同时输入试样所需的直流高压和高压窄脉冲，高压使试样中产生空间电荷，高压窄脉冲使电荷产生振动形成声波信号，声波信号通过压电传感器17转换成电压信号传到示波器28中，实现空间电荷的采集，然后进行下一个温度的测量，这样就实现了不同温度下电介质材料空间电荷的测量。

[0043] 装置中，保护电阻22的阻值为1.5MΩ，高压隔直电容6为500pF的陶瓷高压电容。上电极中心柱7、上电极外壳1、槽形下电极8、下电极隔板10、空间电荷采集器外壳14、左侧支架23和右侧支架24的材料为铝，加热圈21的骨架材料为不锈钢，下电极绝缘隔板18和绝缘套13的材料为聚四氟乙烯板材，镀金属膜的有机玻璃柱16的上下平面和圆柱面均用离子溅射仪真空镀金膜。压电传感器17为铌酸锂压电传感器，厚度为120μm，表面有镀铝电极。PT100铂电阻的温度数据通过测温仪31读入计算机，加温控制仪30的温控数据和示波器28所读的波形通过GPIB采集卡读写到计算机，最后通过计算机将所采集到的信号进行分析处理。

[0044] 本装置的制作工艺要求：

[0045] 1.上电极进行浇注时需要对心。利用对心的辅助部件实现上电极金属外壳中心与上电极中心柱圆心的对心。同时为了防止加工过程中产生气泡，采用逐层浇注的方法，即浇注一层等这一层完全凝固了再进行浇注。

[0046] 2.上电极中心柱和槽形下电极的上表面及下表面都要要进行镜面抛光，否则影响测量效果。

[0047] 3.槽形下电极、下电极绝缘隔板和下电极隔板三者之间采用过盈配合加工技术实现紧密配合。

[0048] 本装置主要用于对片状或者薄膜状绝缘材料进行空间电荷特性的研究。使用时，取下整体上电极，用酒精将上电极表面、半导电垫片以及下电极表面擦拭干净；下电极表面涂上硅油，将试样放在下电极表面，保证试样与下电极之间没有空气进入；上电极表面涂上硅油，将半导电垫片紧贴上电极表面；试样上表面中心位置滴少许硅油，放好上电极准备试验。试样安装准备就绪后，接好各个部件的线路，设定好温度，待加温控制仪将温度加到设定温度后，打开高压直流源，给试样施加所需的直流高压，再给试样上施加高压窄脉冲，进行空间电荷信号的采集。

[0049] 本实施例适用的直流高压范围为：0～50KV；温度范围：20℃～100℃；高压窄脉冲的参数范围为：脉冲幅度：400～600V，脉冲宽度：几ns～几十ns，重复频率：50～400Hz。