一種絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，包括內部設置有二維電控位移臺的密閉腔體，待測試品通過豎直設置的背板電極固定在二維電控位移臺上，待測試品的上下兩端分別連接高壓電極和接地電極；一維磁耦合直線旋轉驅動器的運動端設置有絕緣夾具，Kelvin探頭固定在絕緣夾具上，Kelvin探頭的探測點垂直于待測試品，Kelvin探頭的輸出信號引線密閉腔體外部的靜電電位計連接，靜電電位計的信號輸出端連接計算機的數據采集系統，密閉腔體的另一側設置有連接管，連接管的末端設置有真空泵。本發明用于測量絕緣材料的表面電荷密度二維分布，豐富了絕緣材料的閃絡特性研究內容和電荷分布測量的手段。
【專利說明】一種絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及固體絕緣材料放電特性測試領域，尤其涉及一種絕緣材料表面電荷密度二維分布自動測量系統。
【背景技術】
[0002]目前，固體-間隙復合絕緣系統廣泛應用于高壓電力設備、高功率真空設備等領域，固體-間隙復合絕緣系統根據不同的應用場合選擇不同的氛圍，如輸電線路用絕緣子則暴露于大氣條件下，氣體絕緣組合開關(GIS)采用SF6氣體絕緣，高功率設備常采用真空-介質絕緣。固體-間隙的沿面因易發生沿面放電問題而成為固體-間隙復合絕緣系統的薄弱環節，成為制約高壓設備絕緣的關鍵技術問題。
[0003]以真空沿面絕緣為例，固體絕緣材料真空沿面放電特性與其表面電荷積聚有著密切的聯系。根據二次電子發射雪崩理論，一般認為在脈沖電壓作用下陰極三結合處(陰極-真空-絕緣子)由于電場集中而發射一次電子，這些電子在外加電場作用下向陽極運動，在運動過程中與材料表面發生碰撞，從而產生二次電子；這些二次電子在電場作用下會繼續向陽極運動，并與材料表面發生新的碰撞導致更多的二次電子發射；當二次電子發射達到一定程度時，會在材料表面形成電子崩通道，從而導致沿面閃絡。一次和二次電子與材料表面的碰撞會導致材料表面帶正電荷，這些正電荷會畸變材料表面的電場，并吸引更多的一次與二次電子與材料表面發生碰撞，從而影響沿面放電發展過程。在直流電壓下固體絕緣沿面更易產生靜電電荷積聚問題，靜電電荷積聚造成電場畸變，導致某種條件下沿面絕緣強度異常下降，并引發沿面閃絡。因此研究固體絕緣表面的電荷分布對真空中沿面放電發展機理具有重要意義。
[0004]由于技術限制問題，現有的絕緣材料表面電荷測量系統通常采用自制靜電探頭掃描材料表面電位分布，探頭存在精度低，抗干擾性差，信噪比低等問題，掃描結果不夠準確。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，能夠精確有效地測量絕緣材料表面電荷密度二維分布，為研究絕緣材料的閃絡提供幫助。
[0006]本發明采用下述技術方案:
[0007]一種絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，包括內部設置有二維電控位移臺的密閉腔體，二維電控位移臺的控制數據線與密閉腔體外的二維電控位移臺控制箱連接，二維電控位移臺控制箱與計算機連接，豎直設置的背板電極的一側表面固定在二維電控位移臺上，待測試品豎直固定在背板電極的另一側表面，待測試品的上下兩端分別連接高壓電極和接地電極；密閉腔體的一側設置有兩個延伸腔體，第一延伸腔體末端外部密封設置有一維磁耦合直線旋轉驅動器，位于密閉腔體內的一維磁耦合直線旋轉驅動器的運動端設置有絕緣夾具，Kelvin探頭固定在絕緣夾具上，Kelvin探頭的探測點垂直于待測試品，Kelvin探頭的輸出信號引線通過設置在第二延伸腔體末端的探頭輸出信號引線法蘭與密閉腔體外部的靜電電位計連接，靜電電位計的信號輸出端連接計算機的數據采集系統，密閉腔體的另一側設置有連接管，連接管的末端設置有真空泵。
[0008]所述的密閉腔體上設置有微動進氣閥和壓力表，連接管上設置有真空規管。
[0009]所述的二維電控位移臺由橫軸X和縱軸Y兩個電控位移臺組成。
[0010]所述的密閉腔體采用不銹鋼密閉腔體。
[0011]所述的待測試品的電極結構為平面型銅電極，銅電極厚度為0.2_，采用導電雙面膠貼合在被測試品表面。
[0012]所述的數據采集系統包括信號調理模塊和數據采集卡，數據采集卡采用NIPC1-6220，信號調理部分實現靜電電位計輸出信號的1/2分壓，分壓后的信號輸入數據采集卡進行采集，數據采集后的電位信號存儲至與掃描點位置對應的矩陣內。
[0013]所述的二維電控位移臺的控制數據線通過真空航空電源插頭與密閉腔體外的二維電控位移臺控制箱連接。
[0014]所述的Kelvin探頭與待測試品表面的距離通過一維磁耦合直線旋轉驅動器在Omm-1 70mm范圍精確調節。
[0015]所述的高壓電極連接高壓電源，高壓電源輸出電壓為O-1OOkV的直流、交流或沖擊電壓。
[0016]所述的Kelvin探頭采用3455ET探頭，靜電電位計采用TREK-341B靜電電位計。
[0017]本發明將待測試品和Kelvin探頭放置于不銹鋼密封腔體內，腔體內氣體氛圍可以為真空、大氣或其他氣體，且氣體壓力精確可控。Kelvin探頭通過絕緣夾具固定在一個一維磁耦合直線旋轉驅動器上，探頭探測點垂直于被測試品，與被測試品表面距離可在0-170mm大范圍精確可調并實現探頭卡位。被測試品兩端分別接平面型高壓和接地電極，放置在二維電控位移臺上，該位移平臺裝置的控制數據線通過真空航空電源插頭與腔體外的電移臺控制器連接，再通過計算機軟件實現電位移臺自動控制。當試品表面接高壓(交直流，沖擊)時，探頭與試品距離調至50mm，當高壓撤銷后，探頭移近至試品表面Imm處，對表面電位進行測量。通過計算機控制位移臺裝置蛇形運動，可以實現試品表面電位掃描，同時通過計算機數據采集系統將電位數據存儲并輸出，最后通過表面電位反演計算得到絕緣材料表面電荷密度二維分布特性。本發明采用的Kelvin探頭采用自補償技術以實現探頭探測部位與被測試品表面之間的場強接近于零，從而可以測量很高的表面電位。另外本發明通過有效的絕緣法蘭設計解決了探頭引線在測量過程中的絕緣問題，同時在探頭位置設計激光測距傳感器，并配合計算機軟件控制，實現在掃描電位過程中探頭與被測試品表面的間距恒定，極大提高了掃描和測量精度。本發明用于測量絕緣材料的表面電荷密度二維分布，為研究絕緣材料的閃絡提供幫助。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的結構圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示,本發明所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統,包括密閉腔體1，密閉腔體I可采用不銹鋼密閉腔體1，不銹鋼密閉腔體I內氣體氛圍可以是真空、大氣或其他氣體。
[0020]不銹鋼密閉腔體I內部設置有二維電控位移臺2，二維電控位移臺2由橫軸X和縱軸Y兩個電控位移臺組成。其中，橫軸X電控位移臺采用卓立漢光TSC30，移動范圍為30mm，最小步進距離0.625 μ m;縱軸Y電控位移臺采用卓立漢光TSA100，移動范圍為100mm，最小步進距離1.25 μ m。掃描范圍為30X 100mm。二維電控位移臺2的控制數據線通過真空航空電源插頭與密閉腔體I外的二維電控位移臺控制箱3連接，二維電控位移臺控制箱3與計算機4連接，二維電控位移臺控制箱3采用SC300-3B控制箱。SC300-3B控制箱能夠配合LabVIEW控制軟件，實現對二維電控位移臺2多種方式的控制，控制方式包括對X、Y軸獨立手動控制(步進加或減)，對平面二維蛇形自動掃描兩種方式。
[0021]豎直設置的背板電極5的一側表面固定在二維電控位移臺2上,待測試品6豎直固定在背板電極5的另一側表面，待測試品6的上下兩端分別連接高壓電極7和接地電極
8。待測試品6的電極結構為平面型銅電極，銅電極厚度為0.2mm，采用導電雙面膠貼合在待測試品6表面。這種平面型銅電極結構的優點在于撤掉電壓后可立即對待測試品6進行掃描，不會對Kelvin探頭9運動造成影響。高壓電極7連接高壓電源，高壓電源輸出電壓為O-1OOkV的直流、交流或沖擊電壓。
[0022]密閉腔體I的一側設置有兩個延伸腔體，第一延伸腔體10末端外部密封設置有一維磁耦合直線旋轉驅動器11，一維磁耦合直線旋轉驅動器11的運動端12位于密閉腔體I內，且一維磁耦合直線旋轉驅動器11的運動端12設置有絕緣夾具13，Kelvin探頭9固定在絕緣夾具13上，同時Kelvin探頭9的探測點垂直于待測試品6。Kelvin探頭9的輸出信號引線通過設置在第二延伸腔體14末端的探頭輸出信號引線法蘭與密閉腔體I外部的靜電電位計15連接，靜電電位計15的信號輸出端連接計算機4的數據采集系統。計算機4的數據采集系統包括信號調理模塊和數據采集卡，數據采集卡采用NI PC1-6220，信號調理部分實現靜電電位計15輸出信號的1/2分壓，分壓后的信號輸入數據采集卡進行采集，數據采集后的電位信號存儲至與掃描點位置對應的矩陣內。
[0023]Kelvin探頭9可采用3455ET探頭，靜電電位計15可采用TREK-341B靜電電位計15。Kelvin探頭9采用自補償技術，探頭微孔的設計可以獲得表面電位測量很高的空間分辨率，通過內置電源及反饋控制系統能夠獲得很高的響應速度，進行表面電位跟蹤。Kelvin探頭9電位與待測試品6表面電位相同，探頭探測部位與待測試品6表面之間的場強接近于零，可避免探頭與材料表面發生放電，從而實現表面電位很高(最高可達±20kV)情況下的測量。由于使用Kelvin探頭9和靜電電位計15測量表面電位時對探頭輸出信號引線法蘭9絕緣水平要求苛刻，要求測量時探頭輸出信號引線法蘭9在空氣側和真空側均不能出現局部微弱放電。本發明通過提高法蘭陶瓷支柱絕緣設計水平，并在支柱空隙澆筑環氧樹脂的方式，有效解決了這個問題。
[0024]Kelvin探頭9與待測試品6表面的距離能夠通過一維磁耦合直線旋轉驅動器11在0mm-170mm范圍精確調節并實現Kelvin探頭9的定位，以便于實現Kelvin探頭9保護和測量兩種模式切換。當試品表面接高壓(交直流，沖擊)時，探頭與試品距離調至50mm以防止高壓對探頭放電；當高壓撤銷后，探頭移近至試品表面Imm處，對表面電位進行測量。使用者能夠通過計算機4和二維電控位移臺控制箱3，控制位二維電控位移臺2進行蛇形運動，實現待測試品6表面電位掃描，同時通過計算機4的數據采集系統將電位數據存儲并輸出，最后通過表面電位反演計算得到絕緣材料表面電荷密度二維分布特性。
[0025]密閉腔體I的另一側設置有連接管16，連接管16的末端設置有真空泵17，真空泵17由一個機械泵和一個分子泵組成。密閉腔體I上設置有微動進氣閥和壓力表18，連接管16上設置有真空規管19。密閉腔體I內的氣壓可以通過連接管16上設置的真空規管19進行測量，密閉腔體I內的真空度通過真空泵17實現，微動進氣閥和壓力表18，能夠對密閉腔體I內的氣壓進行精確調節。
[0026]在利用本發明進行絕緣材料表面電荷密度二維分布的測量時，按照以下步驟進行:
[0027](I)將待測試品6通過背板電極5固定在二維電控位移臺2上，待測試品6兩端分別連接接高壓電極7和接地電極8，調整Kelvin探頭9至掃描初始位置后，再通過一維磁耦合直線旋轉驅動器11將Kelvin探頭9移動至距離待測試品6表面50mm處，防止高壓電極7對Kelvin探頭9放電。Kelvin探頭9的輸出信號引線通過設置在第二延伸腔體14末端的探頭輸出信號引線法蘭與密閉腔體I外部的靜電電位計15連接，表面電位測量信號可由靜電電位計15輸出并接入計算機4的數據采樣系統。
[0028](2)通過微動進氣閥、真空規管19以及連接管16的末端設置有的機械泵和分子泵控制密閉腔體I內的氣體氛圍和壓力。然后通過高壓電極7引入高壓，實驗中高壓可以是O-1OOkV的直流、交流和沖擊電壓。在高壓作用下會導致放電，待測試品6的表面會積聚電荷。
[0029](3)撤去高壓后，將Kelvin探頭9移動至距離待測試品6表面Imm處進行測量。待測試品6可以通過二維電控位移臺2在垂直于Kelvin探頭9的平面內進行二維運動，從而實現對待測試品6表面電荷密度分布的測量。
[0030](4)靜電電位計15輸出的表面電位測量信號經信號調理后接入計算機4的數據采集系統，采集的電位信號存儲至與掃描點位置對應的矩陣內，由此得到待測試品6表面電位二維分布矩陣數據。通過公式I即可利用表面電位二維分布數據計算得到待測試品6的表面電荷密度分布。
【權利要求】
1.一種絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:包括內部設置有二維電控位移臺的密閉腔體，二維電控位移臺的控制數據線與密閉腔體外的二維電控位移臺控制箱連接，二維電控位移臺控制箱與計算機連接，豎直設置的背板電極的一側表面固定在二維電控位移臺上，待測試品豎直固定在背板電極的另一側表面，待測試品的上下兩端分別連接高壓電極和接地電極；密閉腔體的一側設置有兩個延伸腔體，第一延伸腔體末端外部密封設置有一維磁耦合直線旋轉驅動器，位于密閉腔體內的一維磁耦合直線旋轉驅動器的運動端設置有絕緣夾具，Kelvin探頭固定在絕緣夾具上，Kelvin探頭的探測點垂直于待測試品，Kelvin探頭的輸出信號引線通過設置在第二延伸腔體末端的探頭輸出信號引線法蘭與密閉腔體外部的靜電電位計連接，靜電電位計的信號輸出端連接計算機的數據采集系統，密閉腔體的另一側設置有連接管，連接管的末端設置有真空泵。
2.根據權利要求1所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的密閉腔體上設置有微動進氣閥和壓力表，連接管上設置有真空規管。
3.根據權利要求2所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的二維電控位移臺由橫軸X和縱軸Y兩個電控位移臺組成。
4.根據權利要求3所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的密閉腔體采用不銹鋼密閉腔體。
5.根據權利要求4所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的待測試品的電極結構為平面型銅電極，銅電極厚度為0.2mm，采用導電雙面膠貼合在被測試品表面。
6.根據權利要求5所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的數據采集系統包括信號調理模塊和數據采集卡，數據采集卡采用NI PC1-6220，信號調理部分實現靜電電位計輸出信號的1/2分壓，分壓后的信號輸入數據采集卡進行采集，數據采集后的電位信號存儲至與掃描點位置對應的矩陣內。
7.根據權利要求6所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的二維電控位移臺的控制數據線通過真空航空電源插頭與密閉腔體外的二維電控位移臺控制箱連接。
8.根據權利要求7所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的Kelvin探頭與待測試品表面的距離通過一維磁稱合直線旋轉驅動器在0mm_170_范圍精確調節。
9.根據權利要求8所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的高壓電極連接高壓電源，高壓電源輸出電壓為O-1OOkV的直流、交流或沖擊電壓。
10.根據權利要求9所述的絕緣材料表面電荷二維分布自動測量系統，其特征在于:所述的Kelvin探頭采用3455ET探頭，靜電電位計采用TREK-341B靜電電位計。
【文檔編號】G01R29/24GK104166055SQ201410458865
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】張偉政, 李智敏, 季國劍, 穆海寶, 李元, 申文偉, 鄧軍波, 張冠軍 申請人:國家電網公司, 國網河南省電力公司鄭州供電公司, 西安交通大學