防止电磁干扰的平板试样空间电荷分布测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间电荷分布测量领域，尤其涉及一种防止电磁干扰的平板试样空间电荷分布测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]电气绝缘材料由于其分子结构的缺陷导致内部缺陷的形成。在电场的作用下，载流子沿电场方向进行运动，当这些载流子遇到所形成的缺陷，会被其进行捕获，形成了相应的空间电荷。这些空间电荷所形成的库仑场和外加电场将改变原有电场的分布，从而造成材料内电场的严重畸变，从而引发电树发展，导致绝缘的破坏。因此，空间电荷严重影响电气绝缘材料的性能，建立电气绝缘材料中的空间电荷测试系统具有重要意义。
[0003]现有测量技术中，基于电声脉冲法的空间电荷测量，其使用的系统仅能在均一温度下进行测量，存在局限性。基于压力波法的平板试样空间电荷测量，空间电荷分布信号容易受到干扰，信号衰减较大，特别是高压引线、同轴电缆容易引入外部电磁干扰，导致测量系统信噪比低，测量不准确。
【发明内容】
[0004]本发明提出了一种防止电磁干扰的平板试样空间电荷分布测量装置及方法，能够准确测量电气绝缘材料中的空间电荷分布，通过在高压引线中间阶段串联连接高压电阻，并通过波导管，有效防止外部电磁干扰，提高了空间电荷分布测量装置的信噪比，精度高，并能够通过相应加热装置实现了不同温度下空间电荷测量。
[0005]本发明技术方案如下:
一种防止电磁干扰的平板试样空间电荷分布测量装置，包括高压直流电源、高压引线、绝缘自粘带、高压电阻、第一波导管、信号屏蔽盒、限流电阻、隔直电容、同轴电缆、第二波导管、试样屏蔽盒、金属支柱、电极测量单元、放大器、数字示波器、高温干燥箱、激光器。
[0006]限流电阻、隔直电容设置在信号屏蔽盒内。
[0007]电极测量单元设置在试样屏蔽盒内，试样屏蔽盒、金属支柱设置在高温干燥箱内，试样屏蔽盒设置在金属支柱上；金属支柱能够将产生的干扰信号接地，同时，方便调节试样屏蔽盒的高度。
[0008]试样屏蔽盒、高温干燥箱的箱壁上均设置有光孔，高温干燥箱光孔外设置激光器，激光器的发射光能够通过光孔垂直照射到电极测量单元上。
[0009]高压直流电源、高压引线相连接，高压引线截断后通过高压电阻连接，高压电阻外层包裹绝缘自粘带，信号屏蔽盒的侧壁设置第一波导管，第一波导管与信号屏蔽盒相通，高压引线穿过第一波导管、信号屏蔽盒的侧壁后与限流电阻相连接。
[0010]信号屏蔽盒、试样屏蔽盒之间设置第二波导管，并通过第二波导管连通，同轴电缆穿过第二波导管，同轴电缆一端连接限流电阻、隔直电容，另一端连接电极测量单元。即高温干燥箱、试样屏蔽盒的箱体的两侧均有开孔，一侧开孔为光孔，作为激光入射通道，另一侧开孔作为电缆通道。
[0011]隔直电容、放大器、数字示波器依次顺序相连接，即隔直电容的一端连接限流电阻、同轴电缆，另一端连接放大器，放大器、数字示波器相连接。
[0012]电极测量单元包括后电极、弹簧、接触电极和前电极。
[0013]同轴电缆连接后电极，电极、接触电极通过弹簧连接接触电极、前电极之间设置被测绝缘材料平板试样，被测绝缘材料平板试样两侧分别粘贴第一半导电电极、第二半导电电极；第一半导电电极与接触电极接触，第二半导电电极与接触电极接触。
[0014]前电极固定设置在试样屏蔽盒的光孔处，前电极的中心设置有开孔，激光器的发射光能够通过开孔垂直照射到被测绝缘材料平板试样外侧粘贴的半导电电极上。
[0015]后电极朝向弹簧的侧面设置有凹槽，接触电极朝向弹簧的侧面设置有凸面，弹簧被压缩时，凸面能够收容在凹槽内。使绝缘材料试样两侧的半导电电极与外部的接触电极、前电极紧密接触，使用弹簧装置对试样进行夹持，使用方便。
[0016]试样屏蔽盒内设置有绝缘支柱、绝缘底座；电极测量单元通过绝缘支柱设置在绝缘底座上；使得电极测量单元放置在试样屏蔽盒内；试样屏蔽盒放置在金属支柱上，以保持接地；通过绝缘支柱、绝缘底座能够很好的绝缘电极测量单元的测量电流。
[0017]较优地，第一波导管、第二波导管的材质为黄铜，厚度为3-6 mm，内径20-30mm，长径比为15:1-10:1，长径比指长度和内径比例。
[0018]较优地，同轴电缆的长度小于0.5 m，特征阻抗为50 Ω。
[0019]较优地，隔直电容通过信号屏蔽盒上的BNC接头与放大器相连接。
[0020]BNC接头与放大器之间通过同轴电缆连接，电缆的长度小于0.5m，特征阻抗为50Ω，保证阻抗匹配。
[0021]高压直流电源的输出直流为±120 kV，最大电流为2 mA，纹波系数彡0.2%。
[0022]较优地，样品屏蔽盒、信号屏蔽盒均为铝合金。
[0023]隔直电容最高耐压值不低于150 kV、电容不小于0.8 nF、电感不大于32 nH ;限流电阻为I GD。
[0024]在信号屏蔽盒内，高压引线与限流电阻，限流电阻与隔直电容、同轴电缆，隔直电容与放大器均通过铜环连接，铜环通过绝缘支撑杆固定在信号屏蔽盒内。
[0025]一种防止电磁干扰的平板试样空间电荷分布测量方法，包括以下步骤:
步骤I，选取绝缘材料试样及半导电电极:绝缘材料试样的厚度为0.5-2 mm，直径为170-210mm;半导电电极的厚度为绝缘材料试样厚度的1/2-2/3，直径至少为5mm，保证半导电电极与接触电极、前电极完全接触；在绝缘材料试样的两侧面中心分别粘贴第一半导电电极和第二半导电电极，绝缘材料试样的外边沿超出第一半导电电极、第二半导电电极边沿至少60-80_，将粘贴了第一半导电电极、第二半导电电极的绝缘材料试样放置在试样屏蔽盒内，并通过弹簧夹持在接触电极和前电极之间，试样屏蔽盒放置在可控温的高温干燥箱中的金属支柱上；
步骤2，启动高压直流电源，高压直流电源产生的电压通过高压引线、高压电阻、限流电阻和同轴电缆后输入到后电极，将高压电场通过接触电极加到绝缘材料试样两端，通过第一半导电电极注入电荷到在绝缘材料试样内，形成空间电荷；
步骤3，压力脉冲的产生:激光器发射激光照射在第二半导电电极上产生压力脉冲，压力波脉冲宽度为20-50 ns，幅度为1-10 MPa，压力脉冲作用在绝缘材料试样表面上，产生一个声信号在绝缘材料试样中传播；
步骤4，压力脉冲产生的声信号在绝缘材料试样中传播时，引起介质中的不均匀变形以声速在介质中传播，在第一半导电电极上感应电荷，产生电信号，电信号传送到电极接触电极，再通过后电极、同轴电缆、隔直电容后进入放大器，电信号输入数字示波器，由数字示波器测量电信号，即试样中的空间电荷分布，实现了对空间电荷分布的测量；
步骤5，调节高温干燥箱，重复步骤I至步骤4，测量不同温度下平板试样绝缘材料中空间电荷分布。
[0026]步骤I中在绝缘材料试样的两侧面中心分别通过热压、硅油或者凡士林粘贴第一半导电电极和第二半导电电极。
[0027]本发明平板试样空间电荷分布测量过程如下:
被测量的绝缘材料试样粘贴第一半导电电极、第二半导电电极，启动高压直流电源，高压直流电源通过高压引线、限流电阻和同轴电缆达到后电极，将高压电场通过接触电极加到绝缘材料试样两端。激光器作用在第二半导电电极产生压力脉冲，并在绝缘材料试样中以声脉冲形式传播，并在第一半导电电极上感应电荷(即电信号)，传送到电极接触电极，再通过后电极、同轴电缆、隔直电容和放大器，电信号输入数字示波器，由数字示波器测量电流信号正比空间电荷的分布，就能测得试样中的空间电荷分布。
[0028]本发明为了防止外部电磁干扰对样品内空间电荷的电信号造成干扰，将绝缘材料试样及电极测量单元整体放置于具有电磁屏蔽作用的试样屏蔽盒中，并再将试样屏蔽盒放置于具有控温及电磁屏蔽作用的高温干燥箱中；将高压引线、限流电阻等加压回路与隔直电容等测量回路整体放置于具有电磁屏蔽作用的信号屏蔽盒中。
[0029]与现有技术相比，本发明包括以下有益效果:
(I)本发明实现了直流高压下的平板试样绝缘材料中空间电荷分布测量；使用样品屏蔽盒放置电极系统，使用信号屏蔽盒放置高压引线等加压回路与隔直电容等测量回路，防止外界环境的电磁干扰；本发明通过波导管将高压引线引入信号屏蔽盒，并