一种同心圆环电极标度的方法及装置与流程

本发明属于高压设备用盆式绝缘子表面电荷测量领域，具体涉及对静电容探头标度方法的改进。

背景技术：

SF₆金属封闭开关设备(GIS)内部以SF₆气体作为绝缘介质，具有良好的绝缘性能，被越来越广泛地用于电力系统中。在GIS的连接母线中，盆式绝缘子起着隔离气室、支撑导体和电气绝缘等重要作用，但其在长时间交流或直流运行中，表面会有不同程度的电荷积聚，这些积聚电荷会畸变空间中的原有电场，严重时可能引发绝缘子沿面闪络，导致GIS设备故障，造成巨大经济损失。因此，研究盆式绝缘子在交直流或冲击电压作用下的表面电荷积聚现象，具有重要的工程意义。

在高压领域，表面电荷的测量方法主要有粉尘图法、超声波法、电容探头法等，其中电容探头法分为动电容探头法和静电容探头法。静电容探头法自20世纪90年代初开始为一些研究者所采用，是目前国际上表面电荷测量领域中使用较广泛的方法。

图1示出了采用同心圆环电极标度静电容探头的一个实施例的原理图。直流电压源(1)连接在圆环电极电路板(2)上，静电容探头(3)垂直放置在圆环电极中心上方一定距离处，电位计(4)与静电容探头的输出端相连以读取探头的感应电压值，而电桥(5)用于测量探头末端与金属圆环之间的电容。

静电容探头法的原理如说明书附图1所示，探头的结构主要包括：感应探针、屏蔽罩、探针与屏蔽罩之间的绝缘支撑。图中C₁表示探针与绝缘子表面之间的等效电容，C₂表示探头自身电容与后级测量系统入口电容之和，C₃表示绝缘子表面电荷的对地等效电容。

记探头正下方绝缘子表面所带电荷量为Q，电荷Q的对地电位为U_i，探头输出电位为U_o。不考虑电荷泄漏的情况下，式(1)(2)成立：

Q＝σA (1)

其中σ为电荷密度，A为电容探头正对的绝缘子表面的等效面积。又因为：

Q＝C_eqU_i (3)

由式(1)～(4)可得输出电压U_o与绝缘子表面电荷密度σ的关系式：

由式(5)可定义标度系数M，M的值由标度实验获得：

通常情况下由于C2＞＞C1，因此标度系数通过对电容探头的标度，可以获得M值，并由此将测量时探头的输出电压通过反演计算转化为绝缘子表面电荷密度。传统的电容探头标度方法如说明书附图2所示。其中图中的1为直流电压源，2为金属板电极，3为电容探头，4为静电计；d-探头与板电极之间的距离。

保持探头与板电极垂直且距离为d(d常取为2mm～10mm)，探头连接至静电计以读取输出电压值。对于特定的距离d，对金属板电极施加不同幅值的直流电压，记录探头输出电压随施加直流电压的变化关系，获得标定曲线。由附图2及式(6)可得标度系数如式(7)所示：

电容探头的传统标度法存在以下问题：金属板电极上的自由电荷分布与实际绝缘子表面电荷分布有很大不同，探头的移动可能导致金属板电极上的电荷重新分布，影响标度的准确性。为此，提出一种新型标度方法，该方法采用一套同心窄圆环电极结构，将探头放置在中心等高位置处分别进行标度实验，并将各单环标度结果叠加，得到最终的标度系数和探头空间分辨率。该套装置及方法可以有效解决传统标度方法中探头位置移动导致电荷重新分布的问题，有效提升标度的准确性。

技术实现要素：

根据前述，在对盆式绝缘子表面电荷分布进行测量时，需对静电容探头进行标度，确定探头的标度系数及空间分辨率，而传统标度方法存在固有缺陷。鉴于此，本发明提供了一种使用同心圆环形电极分别进行标度的方法，在不失有效性的前提下，克服目前方法的局限性。

本发明的一种同心圆环电极标度的方法，包括如下步骤：

S1.将若干块同心圆环电极电路板按照圆环直径标号，自内而外分别记为1，2，…，n，n为正整数，各圆环半径记为R₁，R₂，…，R_n，圆环宽度为Δr；

S2.将第i(i∈{1，2，…，n})块圆环电极电路板上的圆环电极与直流电压源连接；将静电容探头垂直放置在圆环中心，距离为d；将静电容探头的输出接至电位计；

S3.使用电桥测量第i块圆环电极电路板上的圆环电极与距离d的探头末端之间的电容C_i；

S4.将电桥移除，打开直流电压源，对圆环电极R_i施加不同幅值的直流电压U_in(i，j)，其中j∈{1，2，…，m}，不同的直流电压幅值共m个，m为正整数；

S5.当对第i块圆环电极电路板施加幅值为U_in(j)的直流电压时，在电位计上读取静电容探头在距离d处的感应电压值，记为U_out(i，j)；

S6.切断直流电压源，将第i块圆环电极电路板更换为第i+1块圆环电极电路板，重复S2～S5；

S7.将静电容探头在直流电压U_in(i，j)下对应的n组感应电压值叠加，得到与U_in(j)对应的U_out(j)；

S8.对(U_in(j)、U_out(j))进行线性回归拟合，得到直线斜率k；

S9.根据直线斜率k，得到电容探头在距离d处的标度系数M；

S10.在距离探头d处的金属圆环电极上施加直流电压U_in(i，j₀)时(其中j₀为集合{1，2，…，m}中的任一元素)，得到金属圆环上自由电荷密度平均值σ(i)；

S11.将电荷密度σ(i)对应的响应U_out(i，j₀)归一化，得到单位面电荷在距离d处的响应S_norm(i)；

S12.绘制R_i-S_norm(i)关系图，找出半峰值对应的金属圆环等效半径R_eqv，作为探头在距离d下的空间分辨率。

优选地，直线斜率k的表达式为：

优选地，所述标度系数M的表达式为：

优选地，所述金属圆环上自由电荷密度平均值为：

优选地，

本发明还提供了一种同心圆环电极标度的装置，所述装置包括直流电压源、圆环电极电路板、静电容探头、电位计、电桥。

可见，根据本发明所提供的对静电容探头进行标度的装置和方法，可以分别获得静电容探头在各个单环电极下的感应电压，将其进行叠加，计算得到标度系数M；将电荷密度归一化，得到探头在特定距离下的空间分辨率A_eqv，使静电容探头标度的准确性得到显著提升。

附图说明

图1为静电容探头法原理示意图；

图2为电容探头传统标度方法示意图；

图3是本发明一个实施例中对静电容探头进行标定时采用的一套同心圆环电极电路板；

图4为本发明的同心圆环电极标度的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-4及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是本发明一个实施例中对静电容探头进行标定时采用的一套同心圆环电极电路板，图3中：1-电路板；2-圆环结构电极。图4为本发明一个实施例中静电容探头标度装置示意图，图4中：1-直流电压源；2-圆环电极电路板；3-静电容探头；4-电位计；5-电桥。图4为本发明的同心圆环电极标度的装置示意图，其中所述装置包括直流电压源(1)、同心圆环电极电路板(2)、静电容探头(3)、电位计(4)、电桥(5)。将静电探头等距垂直放置于各圆环形电极中心处，将直流电压源接至圆环电极电路板，将静电容探头的输出接至电位计，分别对各金属圆环形电极施加一定幅值的直流电压，并在电位计上读取静电容探头的感应电压值。直流电压源的作用是给金属圆环电极提供一定幅值的直流电压；电位计的作用是输出显示静电容探头的感应电压值。金属圆环电极是刻蚀在电路板上的电极，该电路板也叫做圆环电极电路板。直流电压施加于电路板的金属圆环电极上。

在一个实施例中，公开了一种采用同心圆环结构电极对静电容探头进行标度的装置和方法。其中，直流电压源采用天津东文±50kV直流稳压电源；电位计采用Keithley 617型静电计；电桥采用Agilent U1733C手持式LCR电桥；同心圆环结构电路板采用PCB板覆铜电极，电极的直径为1～20mm，中心小圆片电极直径为1～2mm，外圈各圆环宽度为1～2mm，各圆环之间的直径差为1～2mm。圆环静电容探头与圆环电极中心的垂直距离为1～10mm，在保持该距离不变的情况下，分别对各同心圆环结构电极施加0～2kV的直流电压，从而分别获得在该距离和该幅值直流电压的情况下静电容探头的感应电压值，并进行计算获得标度系数M及空间分辨率A_eqv。

下面对本发明的同心圆环电极标度的方法作详细说明，本发明的同心圆环电极标度的方法包括以下步骤：

S1.将若干块同心圆环电极电路板按照圆环直径标号，自内而外分别记为1，2，…，n，n为正整数，各圆环半径记为R₁，R₂，…，R_n，圆环宽度为Δr。例如当有10块同心圆环电极电路板时，n＝10。各圆环半径之间的差值可以自定义，实际可以取0～5mm。

S2.将第i(i∈{1，2，…，n})块圆环电极电路板上的圆环电极与直流电压源连接；将静电容探头垂直放置在圆环中心，距离为d；将静电容探头的输出接至电位计。

n是圆环电极的个数，i表示其中的第i个。在本发明的一个实施例中，d为1～10mm。

S3.使用电桥测量第i块圆环电极电路板上的圆环电极与距离d的探头末端之间的电容，记为C_i。

S4.将电桥移除，打开直流电压源，对圆环电极R_i施加不同幅值的直流电压U_in(i，j)，其中j∈{1，2，…，m}，不同的直流电压幅值共m个，m为正整数。

在一个实施例中，电压幅值U_in＝0～2kV，例如，U_in(j)∈A＝{0，0.2，0.4，…，2}kV，其中card(A)＝m＝11。card(A)指的是集合A中元素的个数，在此处A中有11个元素，记为card(A)＝11。

S5.当对第i块圆环电极电路板施加幅值为U_in(j)的直流电压时，在电位计上读取静电容探头在距离d处的感应电压值，记为U_out(i，j)。

S6.切断直流电压源，将第i块圆环电极电路板更换为第i+1块圆环电极电路板，重复S2～S5。在本发明的一个实施例中，切断直流电压源，将第i块圆环电极电路板更换为第i+1块圆环电极电路板，重复S2～S5，直到将n＝10块电路板全部实验完毕。

S7.将静电容探头在直流电压U_in(i，j)下对应的n组感应电压值叠加，得到与U_in(j)对应的U_out(j)：

下面对U_in(i，j)和U_in(j)、U_out(i，j)和U_out(j)之间的关系进行说明：

U_in(i，j)＝U_in(j)，即对第i个圆环施加的直流电压取值与第几个圆环无关，对每个圆环都施加相同系列的直流电压，记为U_in(j)。即输入电压U_in(j)对探头的作用效果是一系列圆环的叠加，得到的U_out(j)可以与U_in(j)进行线性拟合。

对于输入，若采用U_in(i，j)的写法，是为了与输出一一对应，因为对于输出来说，每个U_out(i，j)可能不一样；若采用U_in(j)的写法，是为了与U_out(j)拟合，但U_in(i，j)与U_in(j)本身取值是相同的。

S8.对(U_in(j)，U_out(j))进行线性回归拟合，得到直线斜率k的表达式：

S9.电容探头在距离d处的标度系数M的表达式为：

S10.在距离探头d处的金属圆环电极上施加直流电压U_in(i，j₀)时(其中j₀为集合{1，2，…，m}中的任一元素)，金属圆环上自由电荷密度平均值为：

需要说明的是：j₀是指从m个输入电压值中只要选取任意一个，就可以确定出最终的空间分辨率。此处也可以用j代替，但为了与之前的j区分，特别采用j₀的写法。

S11.将电荷密度σ(i)对应的响应U_out(i，j₀)归一化，得到单位面电荷在距离d处的响应：

S12.绘制R_i-S_norm(i)关系图，找出半峰值对应的金属圆环等效半径R_eqv，作为探头在距离d下的空间分辨率。

虽然通过实施例描述了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。