本发明涉及绝缘材料性能测试技术领域，更具体地，涉及一种绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置。
背景技术：
经过三十多年的发展，电声脉冲法空间电荷测量技术已成为国内外研究绝缘材料空间电荷特性的通用测量技术之一。该测量技术主要用于直流电场条件下绝缘材料内部空间电荷和电场强度分布特性的测量，研究空间电荷的产生、输运、积聚和消散等动态演变过程，结合相关的物理模型，可以分析绝缘材料内部电荷的起源机制、迁移规律，以及空间电荷对绝缘材料电导、老化、击穿等性能的影响。
近年来，我国大力推进柔性直流输电技术的研究及工程应用，但电压等级及输送功率受制于直流电缆技术，虽然加大研发力度，但仍然成为主要瓶颈。空间电荷的迁移和积聚是引起高压交联聚乙烯直流电缆绝缘可靠性问题的核心。电声脉冲法空间电荷测量技术经过不断发展与完善，已经成为研究实际运行工况下直流电缆绝缘材料的重要测试手段。电声脉冲法空间电荷测量系统分为平板型和电缆型，前者主要针对片状薄膜试样，后者针对电力电缆本体试样。在多物理场耦合的平板型空间电荷测量系统中，高压电极装置同时耦合了直流电场、脉冲电场、温度场和机械应力场，以模拟运行工况下绝缘材料内部的空间电荷特性。高压电极装置具有小型化的发展趋势，通过合理的绝缘配合，使得电极内部结构紧凑。
相关技术中，高压电极装置通常采用单层绝缘结构，利用绝缘树脂将高压元器件进行浇注和固化。固化后绝缘树脂将起到隔离电压和固定的作用，同时运行在不同的温度场和机械应力场下，进入电—热—力耦合场作用下的长期服役阶段。长期运行之后，绝缘树脂进入快速劣化阶段，通常表现为内部绝缘击穿等现象。实际高压电极装置制作过程中，绝缘树脂不可避免存在微小气泡等缺陷，将使绝缘性能下降，在较低的直流电压下出现局部放电现象，甚至提前发生击穿。绝缘树脂对于电—热—力联合老化和绝缘缺陷问题而导致的击穿事故无能为力，只能重新制作，成本高、效率低、工作量大、加工制作周期长，而且不易查清事故原因。另外，纳秒级高压脉冲信号对电路拓扑结构极其敏感，新的高压电极装置校准和调试工作量大。并且，在空间电荷测试过程中常常出现被测试样表面发生沿面闪络的现象，严重影响了测试过程的进行。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置，所述绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置可以提高被测试样沿面电压闪络水平，实现绝缘击穿自恢复，并且可以提高导热性能和耐压性能。
根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置，包括：接地金属屏蔽罩和顶盖，所述接地金属屏蔽罩的上端敞开，所述接地金属屏蔽罩内设有高压金属电极并填充有液体绝缘层，被测试样放置在所述接地金属屏蔽罩内；所述顶盖可拆卸地安装在所述接地金属屏蔽罩的敞开端，所述顶盖上设有高压直流导电杆和高压脉冲导电杆，所述高压直流导电杆与所述高压金属电极相连，所述高压脉冲导电杆与所述高压金属电极之间连接有电容，所述高压金属电极、所述高压直流导电杆以及所述高压脉冲导电杆均与所述顶盖绝缘。
根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置，可以提高被测试样表面电压闪络水平，实现绝缘击穿自恢复，方便更换液体绝缘层，还可以有效节约加工、调试和校准的时间，并且具有耐压性能高、结构紧凑、稳定性好、内部温度均匀、成本低廉等优点。
另外，根据本发明上述实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一些实施例，所述高压直流导电杆的外侧设有高压直流绝缘套管，以使高压直流导电杆与所述顶盖间绝缘隔开。
根据本发明的一些实施例，所述高压脉冲导电杆的外侧设有高压脉冲绝缘套管，以使高压脉冲导电杆与所述顶盖间绝缘隔开。
根据本发明的一些实施例，所述高压直流导电杆连接在所述高压金属电极的顶端，所述高压脉冲导电杆通过所述电容连接在所述高压金属电极的侧面。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置还包括：半导电层，所述半导电层设在所述高压金属电极的下端并与所述高压金属电极紧密贴合，所述被测试样被压紧在所述接地金属屏蔽罩和所述半导电层之间。
根据本发明的一些实施例，所述顶盖与所述高压金属电极之间连接有电阻。
根据本发明的一些实施例，所述接地屏蔽罩包括：用于放置所述被测试样的接地金属板；接地金属圆环，所述接地金属圆环设在所述接地金属板上并向上延伸。
可选地，所述接地金属板与所述接地金属圆环通过螺纹紧固件相连。
可选地，所述金属屏蔽罩还包括：密封圈，所述密封圈设在所述接地金属板和所述接地金属圆环之间。
可选地，所述顶盖通过螺纹紧固件与接地所述金属圆环相连。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置的结构示意图。
附图标记：
100：高压电极装置；
1：顶盖；110：接地金属屏蔽罩；2：高压直流绝缘套管；3：高压直流导电杆；4：高压金属电极；5：半导电层；6：被测试样；7：电阻；8：高压脉冲绝缘套管；9：高压脉冲导电杆；10：电容；11：接地金属圆环；12：接地金属板；13：螺纹孔；14：液体绝缘层；15：密封圈。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图详细描述根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100。其中，上下方向以绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100正常使用时的上下方向为准。
如图1所示，根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100可以包括：接地金属屏蔽罩110和顶盖1。
具体而言，如图1所示，接地金属屏蔽罩110的上端可以敞开，接地金属屏蔽罩110内可设有高压金属电极4，并且接地金属屏蔽罩110内可以填充有液体绝缘层14，被测试样6可以放置在接地金属屏蔽罩110内，以实现后续的测量工作。
顶盖1可拆卸地安装在接地金属屏蔽罩110的敞开端，如图1所示，顶盖1上可以设有高压直流导电杆3和高压脉冲导电杆9，高压脉冲导电杆9与高压金属电极4相连，高压脉冲导电杆9与高压金属电极4之间连接有电容10，高压直流导电杆3可以将直流高压引入到高压金属电极4上，高压脉冲导电杆9可以将高压脉冲引入到高压金属电极4上，电容10的作用是隔离直流电压、引入脉冲电压。高压金属电极4、高压直流导电杆3以及高压脉冲导电杆9均与顶盖1绝缘，以保证测量工作能够正常进行。
由此，顶盖1从接地金属屏蔽罩110上拆下后，就可以将电路元器件与液体绝缘层14分离，主要电路结构不变，便于对液体绝缘层14进行定期更换，高压电极装置100内部一旦发生击穿，可以通过降压等方式实现绝缘介质自恢复，从而可以实现绝缘击穿自恢复，进而可以节约加工、调试和校准的时间。
并且，填充液体绝缘层14取代空气介质，即使被测试样6尺寸较小的情形下，也可具备足够的沿面电压闪络水平，结构稳定，耐压性能高。同时，液体绝缘层14的导热性能优异，相比于相关技术中的绝缘树脂，不仅可以提高导热性能，而且有利于内部温度的均匀化。
根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100，通过将顶盖1可拆卸地安装在接地金属屏蔽罩110的敞开端，在顶盖1上设置高压直流导电杆3和高压脉冲导电杆9，并在接地金属屏蔽罩110内填充液体绝缘层14，可以对被测试样6进行空间电荷的测试，导热性能好，温度均匀。并且，一旦发生击穿，可以实现绝缘介质的自恢复。同时，在更换液体绝缘层14的过程中，高压电极装置100主要电路结构不变，从而可以节约成本，缩短调试周期并可保证高压电极装置100测试性能。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，接地金属屏蔽罩110可以包括：用于放置别测试样的接地金属板12和接地金属圆环11，接地金属圆环11可以设在接地金属板12上并向上延伸，从而接地金属板12和接地金属圆环11可以共同构成接地金属屏蔽罩110，接地金属屏蔽罩110内可以填充液体绝缘层14并安装高压金属电极4等部件。
接地金属屏蔽罩110的作用有两个方面，一是屏障外界环境的干扰信号，二是接地保护以提高测试的安全性。具体而言，接地金属板12作为接地金属屏蔽罩110的固定部件，位于整个装置的底部，其另一个重要作用是作为地电极放置被测试样6，接地金属屏蔽罩110内部的高压金属电极4、绝缘套管以及高压电容10等元件以及被测试样6均浸没于液体绝缘层14中，以消除气隙对声波传播的影响，有效提高被测试样6表面闪络水平同时可实现绝缘击穿后的自恢复功能。
可选地，接地金属板12与接地金属圆环11可以通过螺纹紧固件相连，结构简单，连接可靠，并且可以保持装置整体的小型化特点，降低外界的干扰。
为了避免接地金属屏蔽罩110内液体绝缘层14的渗漏，金属屏蔽罩110还可以包括：密封圈15。如图1所示，密封圈15可以设在接地金属板12和接地金属圆环11之间。有利地，接地金属圆环11的下表面可以挖设圆环形凹槽，在接地金属圆环11和接地金属板12之间垫设密封圈15，并且通过螺纹紧固件紧紧固定，以组成接地金属屏蔽罩110，从而可以有效防止液体绝缘层14渗漏，进一步提高安全性和稳定性。
在一些实施例中，顶盖1可以通过螺纹紧固件与接地金属圆环11相连。例如，在如图1所示的示例中，顶盖1上可以开设有螺纹孔13，螺纹紧固件可以从顶盖1上方穿过螺纹孔13与接地金属圆环11相连，以在测试过程中确保顶盖1保持接地的零电位。由此，结构简单，拆装方便，从而可以提高调试以及更换液体绝缘层14的效率，降低成本。
可选地，液体绝缘层14可以是变压器油、硅油、菜油等绝缘油。绝缘油可以防止因被测试样6表面绝缘液体介质流失而导致的表面电压闪络，同时可实现绝缘击穿的自恢复功能，并提高高压电极装置100的导热性能，使对被测试样6的空间电荷的测量结果准确稳定。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，高压直流导电杆3的外侧可以设有高压直流绝缘套管2，以使高压直流导电杆3与顶盖1间绝缘隔开，将高压直流绝缘套管2内部的高压直流导电杆3与顶盖1以及接地金属屏蔽罩110互相绝缘，降低外界的干扰。
在一些实施例中，如图1所示，高压脉冲导电杆9的外侧可以设有高压脉冲绝缘套管8，以使高压脉冲导电杆9与顶盖1间绝缘隔开，实现高压脉冲导电杆9与顶盖1之间的绝缘，进一步降低外界的干扰，提高测试工作的稳定性和准确性。
如图1所示，高压直流导电杆3可以连接在高压金属电极4的顶端，高压脉冲导电杆9通过电容10可以连接在高压金属电极4的侧面。由此，结构简单紧凑，并且拆装方便，便于进行调试和更换液体绝缘层14。
可选地，高压直流绝缘套管2可位于顶盖1的中央，并且高压直流绝缘套管2可以通过螺纹紧固件与顶盖1固定。例如，顶盖1上可以开设螺纹孔13，螺纹紧固件从顶盖1的上方穿过螺纹孔后可与高压直流绝缘套管2相连，将顶盖1与高压直流绝缘套管2连接。一方面，方便更换液体绝缘层14，另一方面，可以为被测试样6提供机械应力场。
根据本发明的一些实施例，绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100还可以包括：半导电层5。如图1所示，半导电层5可以设在高压金属电极4的下端，并且半导电层5可与高压金属电极4紧密贴合，被测试样6可被压紧在接地金属屏蔽罩110和半导电层5之间。也就是说，高压金属电极4的上端与高压直流导电杆3相连，高压金属电极4的下端与半导电层5接触。半导电层5可以减小声波在被测试样6上表面的反射，并且可以模拟电力电缆内的绝缘中半导电层5结构，进一步提高测试的准确性。
在一些实施例中，如图1所示，顶盖1与高压脉冲导电杆9之间可以连接有电阻7，即电阻7的两端分别与顶盖1和高压脉冲导电杆9相连，电阻7的作用是对高压脉冲进行阻抗匹配，以减小高压脉冲信号的反射分量，并经过扩径和表面场强集中处理，避免测量时产生局部放电，减少由于电场集中而致使液体扰动。
下面结合图1详细描述根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100的工作原理及工作过程。
绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100在工作时，液体绝缘层14可以消除被测试样6与半导电层5、接地金属板12之间的气隙，以提高声波耦合的效果。将被测试样6放置接地金属板12上，然后安装高压电极装置100使其固定并保持高压金属电极4通过半导电层5与被测试样6表面压紧。在接地金属圆环11和接地金属板12相连而成的接地金属屏蔽罩110中填充液体绝缘层14，可以有效提高被测试样6表面电压闪络水平，同时高压电极装置100内部一旦发生绝缘击穿可实现液体介质的绝缘自恢复。
完成各部件的安装后，分别通过高压直流导电杆3和高压脉冲导电杆9施加所需的高压直流电压和高压脉冲电压，二者同时叠加在被测试样6上，就可以进行空间电荷的测试。
当需要更换液体绝缘层14时，将顶盖1打开，然后将高压直流绝缘套管2、高压脉冲绝缘套管8和内部电路结构一同随顶盖1取出，将液体绝缘层14与接地金属屏蔽罩110进行分离，填充新的液体绝缘层14，可以完成对液体绝缘层14的更换。
因此，根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100，实现了高压电极装置100绝缘自恢复的功能，兼具固体试样、固液复合试样的测量功能。通过填充液体绝缘层14作为绝缘介质，可以有效提高被测试样6表面电压闪络水平。
同时，不再使用绝缘树脂将高压元器件进行浇注和固化，利用液体绝缘层14的绝缘自恢复特点，绝缘击穿后不需要重新制作高压电极装置100，内部主要结构不变，有效节约了调试时间。
在结构设计方面，从顶部接入直流高压和脉冲信号，通过阻容器件将高压直流电压和高压脉冲电压相耦合，形成了直流电压—脉冲信号—阻容器件一体式的稳定结构。
综上所述，根据本发明实施例的绝缘自恢复式空间电荷测量用高压电极装置100，可以提高被测试样6表面电压闪络水平，实现绝缘击穿自恢复，尤其适应高耐压、固液混合等新功能的测试需求，还可以有效节约加工、调试和校准的时间。并且具有结构紧凑、稳定性好、内部温度均匀、成本低廉等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。