本發(fā)明涉及電荷測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種油紙絕緣表面電荷測量裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：

換流變壓器作為超高壓與特高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。油紙絕緣作為套管部分的主要絕緣材料，其電荷特性既影響材料的介電強(qiáng)度，誘發(fā)局部放電通道的形成，是制約電介質(zhì)材料絕緣介電強(qiáng)度的主要因素；又關(guān)系著直流輸電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。雖然換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)采取保守的設(shè)計(jì)，但在實(shí)際運(yùn)行中閥側(cè)主絕緣仍經(jīng)常出現(xiàn)絕緣故障。這是由于工況的特殊性，換流變壓器作為交、直流輸電系統(tǒng)聯(lián)接兩端換流站和逆變站的核心設(shè)備，其閥側(cè)繞組的激勵(lì)電壓類型與普通電力變壓器有很大差別：除承受交流電壓、雷電沖擊和操作過電壓外，還承受直流、直流疊加交流和極性反轉(zhuǎn)等電壓作用。在這些電壓作用下，變壓器內(nèi)部的電場分布與普通電力變壓器存在著很大的差別。

因此，換流變壓器閥側(cè)主絕緣不是簡單的工藝性問題，有必要對油紙絕緣的絕緣特性和機(jī)理進(jìn)行深入研究，從而對油紙絕緣擊穿和壽命評估提供了一種比較行之有效的途徑，以提高直流輸電設(shè)備運(yùn)行可靠性，保證整個(gè)直流輸電網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種油紙絕緣表面電荷測量裝置及其測量方法。

一種油紙絕緣表面電荷測量裝置，包括支撐機(jī)構(gòu)、電荷注入機(jī)構(gòu)及表面電位測量機(jī)構(gòu)。

所述支撐機(jī)構(gòu)為工程絕緣包括用于放置待測油紙絕緣的平臺及設(shè)于平臺上方的支架。

所述電荷注入機(jī)構(gòu)，包含輸出電源、針電極、地電極和導(dǎo)線。所述輸出電源一端經(jīng)導(dǎo)線接針電極，另一端經(jīng)導(dǎo)線接地。所述針電極固定于所述支撐機(jī)構(gòu)的支架上，且與待測油紙絕緣保持預(yù)設(shè)距離。所述地電極置于油紙絕緣下側(cè)，并經(jīng)導(dǎo)線接地。

所述表面電位測量機(jī)構(gòu)包括表面電位計(jì)、檢測探頭及導(dǎo)線。表面電位計(jì)一端連接檢測探頭，另一端經(jīng)導(dǎo)線接地。所述檢測探頭固定于所述支撐機(jī)構(gòu)的支架上，且與待測油紙絕緣保持預(yù)設(shè)距離。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述輸出電源能夠輸出多種類型電壓，包括直流電壓、極性反轉(zhuǎn)電壓、脈沖電壓和直流與脈沖復(fù)合電壓。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述地電極為銅質(zhì)薄片。

一種油紙絕緣表面電荷的測量方法，使用上述任一實(shí)施例所述的油紙絕緣表面電荷測量裝置，所述測量方法包括如下步驟：

將待測油紙絕緣置于所述平臺上，并位于所述針電極的下方，與所述針電極保持預(yù)設(shè)距離；

調(diào)節(jié)電荷注入機(jī)構(gòu)中輸出電源的輸出電壓類型，并對油紙絕緣進(jìn)行電暈充電；

充電結(jié)束后迅速將輸出電源輸出電壓調(diào)為零；

將充電后的油紙絕緣移至所述平臺另一側(cè)的檢測探頭下面，與所述檢測探頭保持預(yù)設(shè)距離，利用表面電位測量機(jī)構(gòu)測定充電后的油紙絕緣隨時(shí)間變化的表面電壓值。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括改變輸出電壓類型重復(fù)對所述油紙絕緣測量隨時(shí)間變化的表面電壓值的步驟。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述輸出電源的輸出電壓類型為直流電壓、極性反轉(zhuǎn)電壓、脈沖電壓或直流與脈沖復(fù)合電壓。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述針電極的針尖距離待測油紙絕緣的高度為4±1mm(即3～5mm)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述檢測探頭距離待測油紙絕緣的高度為4±1mm(即3～5mm)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述針電極針尖所對準(zhǔn)油紙絕緣表面的點(diǎn)和所述檢測探頭所對準(zhǔn)油紙絕緣表面的區(qū)域中心點(diǎn)位置相同。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述針電極針尖對準(zhǔn)油紙絕緣表面的幾何中心。

通過使用油紙絕緣表面電荷測量裝置，可以方便、快速地檢測多種電壓條件下絕緣體表面電壓和表面電荷變化特性，對電荷輸運(yùn)特性有更深層次的了解。

附圖說明

圖1為油紙絕緣表面電荷測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為利用油紙絕緣表面電荷測量裝置測量油紙絕緣表面電荷的方法示意圖；

圖3a是正直流電壓下紙張不同層數(shù)下油紙絕緣的電荷特性；

圖3b是負(fù)直流電壓下紙張不同層數(shù)下油紙絕緣的電荷特性；

圖4a是單獨(dú)施加正脈沖電壓下油紙絕緣的電荷特性；

圖4b是單獨(dú)施加負(fù)脈沖電壓下油紙絕緣的電荷特性；

圖5a是施加直流和正脈沖復(fù)合電壓下不同脈沖電壓幅值下油紙絕緣的電荷注入特性；

圖5b是施加直流和負(fù)脈沖復(fù)合電壓下不同脈沖電壓幅值下油紙絕緣的電荷注入特性；

圖6a是施加正-負(fù)極性反轉(zhuǎn)電壓和負(fù)-正-負(fù)極性反轉(zhuǎn)電壓時(shí)的操作電壓圖；

圖6b是施加正-負(fù)-正和負(fù)-正-負(fù)極性反轉(zhuǎn)電壓時(shí)的操作電壓圖；

圖7a是施加正極性反轉(zhuǎn)電壓下油紙絕緣的電荷特性；

圖7b是施加負(fù)-正極性反轉(zhuǎn)電壓下油紙絕緣的電荷特性；

圖7c是施加負(fù)-正-負(fù)極性反轉(zhuǎn)電壓下油紙絕緣的電荷特性；

圖7d是施加正-負(fù)-正極性反轉(zhuǎn)電壓下油紙絕緣的電荷特性。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”另一個(gè)元件，它可以直接在另一個(gè)元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個(gè)元件被認(rèn)為是“連接”另一個(gè)元件，它可以是直接連接到另一個(gè)元件或者可能同時(shí)存在居中元件。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

請結(jié)合附圖1，一實(shí)施例的油紙絕緣表面電荷測量裝置10，包括支撐機(jī)構(gòu)100、電荷注入機(jī)構(gòu)200及表面電位測量機(jī)構(gòu)300。

支撐機(jī)構(gòu)100包括平臺110及設(shè)于平臺110上方的支架(圖未示)。平臺110及支架均由工程絕緣材料制作。

電荷注入機(jī)構(gòu)200包含輸出電源210、針電極220、地電極230和導(dǎo)線(圖中未標(biāo)示)。

輸出電源210一端經(jīng)導(dǎo)線接針電極220，另一端經(jīng)導(dǎo)線接地。針電極220固定于一個(gè)支架上，且與待測油紙絕緣保持預(yù)設(shè)距離。地電極230置于油紙絕緣下側(cè)，并經(jīng)導(dǎo)線接地。

電荷注入機(jī)構(gòu)200的輸出電源210能夠輸出多種類型電壓，包括直流電壓、極性反轉(zhuǎn)電壓、脈沖電壓或直流與脈沖復(fù)合電壓等。

表面電位測量機(jī)構(gòu)300包括表位電位計(jì)310、檢測探頭320及導(dǎo)線。表面電位計(jì)310一端連接檢測探頭320，另一端經(jīng)導(dǎo)線接地。檢測探頭320固定于另一個(gè)支架上，且與待測油紙絕緣保持預(yù)設(shè)距離。

本實(shí)施例還提供了一種利用上述油紙絕緣表面電荷測量裝置對油紙絕緣表面電荷測量的方法。該方法使用油紙絕緣表面電荷測量裝置，請結(jié)合附圖2，該測量油紙絕緣表面電荷的方法步驟如下：

步驟S1，將待測油紙絕緣置于平臺110上，并位于針電極220的下方，與針電極220保持預(yù)設(shè)距離；

步驟S2，調(diào)節(jié)電荷注入機(jī)構(gòu)200中輸出電源210的輸出電壓類型，并對油紙絕緣進(jìn)行電暈充電；

步驟S3，充電結(jié)束后迅速將輸出電源輸出電壓調(diào)為零；

步驟S4，將充電后的油紙絕緣移至所述平臺110另一側(cè)的檢測探頭320下面，與檢測探頭保持預(yù)設(shè)距離，利用表面電位測量機(jī)構(gòu)300測定充電后的油紙絕緣隨時(shí)間變化的表面電壓值。

在本實(shí)施例中，該方法還包括改變輸出電壓類型重復(fù)對油紙絕緣測量隨時(shí)間變化的表面電壓值的步驟。

進(jìn)一步，在上述實(shí)施例中，輸出電源的輸出電壓類型為直流電壓、極性反轉(zhuǎn)電壓、脈沖電壓或直流與脈沖復(fù)合電壓。

在上述實(shí)施例測量過程中，針電極的針尖距離待測油紙絕緣的高度為4±1mm(即3～5mm)。

在上述實(shí)施例測量過程中，檢測探頭距離待測油紙絕緣的高度為4±1mm(即3～5mm)。

在上述實(shí)施例測量過程中，針電極針尖所對準(zhǔn)油紙絕緣表面的點(diǎn)和所述檢測探頭所對準(zhǔn)油紙絕緣表面的區(qū)域中心點(diǎn)位置相同，具體為油紙絕緣表面的幾何中心，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

下面結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)一步理解該裝置對油紙絕緣表面電荷的測量方法。

1、材料及設(shè)備

電位計(jì)的型號是Trek347-3hce。電位計(jì)的作用是用來測量試樣表面的電位，從而可以算出表面電荷。它的測量精度是±3V，分辨率是3mm。

開爾文檢測探頭的型號是6000b-5c。

絕緣紙采用南通中菱絕緣材料有限公司生產(chǎn)的0.08±0.005mm和0.13±0.007mm厚度的電工絕緣材料雙面菱格點(diǎn)膠紙，工頻下介電常數(shù)為4.4。

絕緣油采用克拉瑪依產(chǎn)昆侖25號變壓器油。

2、處理方法

將絕緣紙?jiān)嚇影凑?0mm×70mm的尺寸進(jìn)行裁切，置于真空干燥箱中，對真空干燥箱進(jìn)行抽真空處理，使其內(nèi)部氣壓低于50pa，同時(shí)調(diào)節(jié)真空干燥箱溫度為90℃，對絕緣紙進(jìn)行真空烘干，其時(shí)間約48h。真空烘干完成后，將絕緣紙置于真空浸油機(jī)中，注入經(jīng)過濾處理合格的變壓器油中，同時(shí)保持溫度為80℃，真空浸滯24h。

3、試驗(yàn)過程

分別將油紙絕緣表面電荷測量裝置中電荷注入機(jī)構(gòu)輸出電源的輸出電壓類型調(diào)節(jié)為直流電壓、極性反轉(zhuǎn)電壓、脈沖電壓或直流與脈沖復(fù)合電壓。按照上述測量方法進(jìn)行測定。其中，需要注意的是，針電極的針尖距離待測油紙絕緣的高度為4±1mm(即3～5mm)；檢測探頭距離待測油紙絕緣的高度為4±1mm(即3～5mm)，并且針電極針尖所對準(zhǔn)油紙絕緣表面的點(diǎn)和所述檢測探頭所對準(zhǔn)油紙絕緣表面的區(qū)域中心點(diǎn)位置相同。

(1)直流電壓電暈充電和表面電荷的檢測

將油紙絕緣表面電荷測量裝置的輸出電源的輸出電壓類型調(diào)為直流電壓，電壓幅值為±4kV，按照附圖2中的測量方法，在油紙絕緣層數(shù)不同的情況下，測定油紙絕緣表面電壓，按照所列公式(1)，進(jìn)一步換算為表面電荷密度的變化情況，并對油紙絕緣表面電荷積累和消散的情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_o{\mathrm{\ϵ}}_{r}V}{d}---\left(1\right)$

式中，ρ為表面電荷密度，ε_o為真空條件下油紙絕緣的介電常數(shù)，ε_r為油紙絕緣相對介電常數(shù)，V為表面電位值，d為油紙絕緣厚度。

如圖3a和圖3b所示，圖中顯示的是不同層數(shù)下油紙絕緣的電荷特性。從圖中可以看出，隨著紙張層數(shù)的增加，表面電荷密度的絕對值將減少，并且單層絕緣紙下的表面電荷密度比其他情況下的表面電荷密度大很多。因此，它反映出單層紙需要的絕緣強(qiáng)度要比其它情況下的都要強(qiáng)，而四層紙的與三層紙的表面電荷密度差不多。

(2)脈沖電壓電暈充電和表面電荷的檢測

將油紙絕緣表面電荷測量裝置輸出電源的輸出電壓類型調(diào)為脈沖電壓，并且分別輸出正、負(fù)電壓，油紙層數(shù)固定為2層，按照附圖2中測量方法測定油紙絕緣表面電壓隨時(shí)間的變化情況，并對油紙絕緣表面電荷積累和消散的情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

如圖4a和圖4b所示，圖中顯示的是單獨(dú)施加脈沖電壓下不同脈沖電壓幅值下油紙絕緣的電荷特性。從圖中可以看出，電壓幅值的增加會引起油紙絕緣表面電位增加，這表明在較高脈沖電壓下，更多的電荷會注入到油紙絕緣的表面，并且可以發(fā)現(xiàn)，電荷注入需要一個(gè)閾值。只有電壓高于這個(gè)閾值時(shí)電荷才能注入到油紙絕緣表面。負(fù)脈沖電壓下的表面電位初始值的絕對值高于在相同的試驗(yàn)條件下正脈沖電壓的起始值，這表明正電壓下油紙絕緣的表面電荷比負(fù)電壓的少，由此可以推斷負(fù)電荷的脫陷過程比正電荷更難。

(3)直流電壓和脈沖復(fù)合電壓電暈充電和表面電荷的檢測

利用油紙絕緣表面電荷測量裝置，將輸出電壓類型調(diào)為直流電壓和脈沖復(fù)合電壓的共同作用下，并且分別輸出正、負(fù)直流電壓與正、負(fù)直流脈沖的復(fù)合電壓，直流電壓幅值為±3kV，油紙層數(shù)固定為2層，測定油紙絕緣表面電荷變化情況，并對油紙絕緣表面的初始電壓情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

如圖5a和圖5b所示，圖中顯示的是施加直流和脈沖復(fù)合電壓下不同脈沖電壓幅值下油紙絕緣的電荷注入特性。從圖中可以看出，當(dāng)直流和脈沖電壓的極性相同時(shí)，曲線會有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。而當(dāng)二者極性相反時(shí)，曲線呈單一趨勢。與此同時(shí)，當(dāng)直流和脈沖電壓的極性相同時(shí)，電荷注入的電壓閾值較高。反之閾值較低，而無直流電壓時(shí)電壓閾值介于二者之間。

(4)直流電壓極性反轉(zhuǎn)電暈充電和表面電荷的檢測

利用油紙絕緣表面電荷測量裝置，將輸出電源類型調(diào)為直流電壓，電壓幅值為±4kV，電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)間為25s，操作電壓如圖6a和圖6b所示，按照附圖2中測量方法測定油紙絕緣表面電壓隨時(shí)間變化的情況，并對油紙絕緣表面電荷積累和消散的情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

如圖7a～7d所示，圖中顯示的是施加極性反轉(zhuǎn)直流電壓下油紙絕緣的電荷特性。從圖中可以看出，施加單極性反轉(zhuǎn)和雙極性反轉(zhuǎn)直流電壓的電荷消散特性相似，但在電壓幅值和反轉(zhuǎn)時(shí)間以及油紙相同的情況下，單極性反轉(zhuǎn)直流電壓下的油紙絕緣表面電荷密度要高于雙極性反轉(zhuǎn)的情況。另外，油紙絕緣厚度對表面電荷密度的影響與直流電壓作用下的實(shí)施例(1)結(jié)論一致。

通過對不同電壓類型作用下油紙絕緣表面電荷進(jìn)行測量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，分析不同電壓參數(shù)、試樣參數(shù)下油紙絕緣表面電荷積累、消散和耦合過程，能夠弄清楚電荷在油紙絕緣的輸運(yùn)特性。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。