本發(fā)明涉及gis環(huán)氧樹脂絕緣子的表面電荷測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及了一種基于交流與脈沖聯(lián)合作用下gis環(huán)氧樹脂表面電荷特性和陷阱能級(jí)分布表征的方法。

背景技術(shù)：

氣體絕緣組合電器(gis)與傳統(tǒng)敞開式高壓配電設(shè)備相比具有占地面積小、可靠性高和檢修周期長等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于城市供電廠、發(fā)電變電站、冶金廠和輸電線路等場(chǎng)合。環(huán)氧樹脂絕緣件作為gis的主要部件，包括盆式絕緣子、支柱絕緣子和絕緣拉桿。其中g(shù)is盆式絕緣子沿面閃絡(luò)是gis的主要絕緣故障形式。gis中的局部放電以及固氣界面法向場(chǎng)強(qiáng)都會(huì)造成絕緣子表面電荷積聚，進(jìn)而引起沿面閃絡(luò)，造成絕緣子的老化失效，這對(duì)于gis的正常運(yùn)行和整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定都是一個(gè)巨大的威脅。一些研究表明，若絕緣材料表面電荷長期積聚，沿面閃絡(luò)電壓將會(huì)大大下降，甚至比正常電壓低30％左右。

gis盆式絕緣子不同于其他絕緣系統(tǒng)的是：在其實(shí)際運(yùn)行過程中，不僅要承受正常的交流工作電壓，還有可能承受因?yàn)椴僮鬟^電壓等原因引起的非正常脈沖過電壓。絕緣子的特殊工作環(huán)境，使得對(duì)其工作狀態(tài)和老化程度的研究比較復(fù)雜。因此，有必要對(duì)交流和脈沖電壓聯(lián)合作用下環(huán)氧樹脂的表面電荷動(dòng)態(tài)特性和陷阱能級(jí)分布進(jìn)行深入的研究以提高gis的工作可靠性。這對(duì)于保證整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行都具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種gis環(huán)氧樹脂表面電荷特性和陷阱能級(jí)分布表征裝置和方法，使用繪制陷阱能級(jí)分布曲線來表征環(huán)氧樹脂的表面電荷特性，并進(jìn)一步研究環(huán)氧絕緣子工作狀態(tài)和老化狀態(tài)的方法。利用表面電位測(cè)量技術(shù)以及現(xiàn)有儀器，通過對(duì)不同電壓類型作用下環(huán)氧樹脂試樣表面電荷進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，弄清楚電荷在環(huán)氧樹脂內(nèi)部的輸運(yùn)特性，為解決環(huán)氧絕緣子沿面閃絡(luò)問題和其老化狀態(tài)的評(píng)估提供了重要的理論依據(jù)，具有典型的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。

本發(fā)明的一種gis環(huán)氧樹脂表面電荷特性和陷阱能級(jí)分布表征裝置，該裝置包括高壓充電裝置和電位測(cè)量裝置兩部分，所述高壓充電裝置用于通過電暈放電向試樣表面充電，所述電位測(cè)量裝置用于進(jìn)行被測(cè)環(huán)氧樹脂表面的靜電電位測(cè)量；其中，

所述高壓充電裝置中，針電極1位于被測(cè)環(huán)氧樹脂表面中心的正上方，且針尖距離被測(cè)環(huán)氧樹脂表面的高度是5mm，針電極1通過轉(zhuǎn)換開關(guān)5分別與高壓交流電源4和脈沖電源3相連接，在被測(cè)環(huán)氧樹脂6的背面上緊貼有鋁箔，作為背電極并接地；

所述電位測(cè)量裝置中，靜電電位計(jì)7與測(cè)量探頭8連接，測(cè)量探頭8距離被測(cè)環(huán)氧樹脂表面的高度是3mm；在測(cè)量電荷消散過程中，測(cè)量探頭8位于被測(cè)環(huán)氧樹脂表面中心的正上方。

所述針電極1與轉(zhuǎn)換開關(guān)5之間還連接一限流裝置2。

本發(fā)明的一種gis環(huán)氧樹脂表面電荷特性和陷阱能級(jí)分布表征方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、將待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面用酒精擦拭，并晾干10分鐘；

步驟二、在待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面的背面貼上鋁箔，此背面作為背電極并接地；

步驟三、將不同類型的電壓作用施加至待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面，加壓過程為電暈放電；不同類型的電壓作用是指交流電壓、脈沖電壓、交流與脈沖復(fù)合電壓作用；并結(jié)合改變交流電壓的幅值，脈沖電壓的幅值、頻率、脈沖數(shù)和極性來模擬出待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面各種不同的工作狀態(tài)；通過待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面的電位測(cè)量記錄電位消散過程；將加壓處理后的待測(cè)gis環(huán)氧樹脂快速移動(dòng)至電位測(cè)量裝置下部，再進(jìn)行待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面的電位測(cè)量；

步驟二、計(jì)算待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面陷阱中的電荷的釋放時(shí)間和電位消散過程：

環(huán)氧樹脂陷阱中的電荷的釋放時(shí)間公式如下：

經(jīng)變換得到式(2)如下：

δu＝e0-em＝ktln(ν0·t)(2)

其中，ν0是電荷從陷阱脫陷的頻率，t是實(shí)驗(yàn)溫度(絕對(duì)溫度)，e0是導(dǎo)帶底能級(jí)，em是禁帶中的陷阱能級(jí)，k是玻爾茲曼常數(shù)，δu＝e0-em表示陷阱的深度；

步驟四、計(jì)算待測(cè)gis環(huán)氧樹脂表面陷阱中的電荷的釋放時(shí)間和電位消散過程：

環(huán)氧樹脂陷阱中的電荷的釋放時(shí)間公式如下：

經(jīng)變換得到式(2)如下：

δu＝e0-em＝ktln(ν0·t)(2)

其中，ν0是電荷從陷阱脫陷的頻率，t是實(shí)驗(yàn)溫度(絕對(duì)溫度)，e0是導(dǎo)帶底能級(jí)，em是禁帶中的陷阱能級(jí)，k是玻爾茲曼常數(shù)，δu＝e0-em表示陷阱的深度；

步驟五、待測(cè)gis環(huán)氧樹脂靜置半小時(shí)后，再次進(jìn)行步驟三、四的操作；

步驟六、將步驟五的操作重復(fù)數(shù)組，然后繪出不同類型的電暈作用后的表面電位與時(shí)間關(guān)系和tdv/dt曲線獲得環(huán)氧樹脂絕緣子表面電荷的動(dòng)態(tài)特性以及陷阱能級(jí)分布的表征結(jié)果；其中v為環(huán)氧樹脂的表面電位，由電位測(cè)量裝置測(cè)出并記錄；t為表面電荷的消散時(shí)間；dv/dt是表面電位對(duì)消散時(shí)間求導(dǎo)，來表示表面電位的消散速度；t與dv/dt相乘得到的tdv/dt曲線表征環(huán)氧樹脂的陷阱能級(jí)分布特性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是，利用表面電位測(cè)量技術(shù)以及現(xiàn)有儀器，通過對(duì)不同電壓類型作用下環(huán)氧樹脂試樣表面電荷進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，弄清楚電荷在環(huán)氧樹脂內(nèi)部的輸運(yùn)特性，為解決環(huán)氧絕緣子沿面閃絡(luò)問題和其老化狀態(tài)的評(píng)估提供了重要的理論依據(jù)，具有典型的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種gis環(huán)氧樹脂表面電荷特性和陷阱能級(jí)分布的表征方法整體流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)裝置圖；附圖標(biāo)記：1、針電極，2、限流裝置，3、脈沖電源，4、高壓交流電源，5、轉(zhuǎn)換開關(guān)，6、試樣，7、靜電電位計(jì)，8、測(cè)量探頭；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的12kv交流電壓與不同幅值的負(fù)脈沖聯(lián)合作用下的表面電位消散曲線(a)和tdv/dt曲線(b)示意圖；。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)裝置。分為高壓充電裝置和電位測(cè)量裝置兩部分。所述高壓充電裝置用于通過電暈放電向試樣表面充電，所述電位測(cè)量裝置用于進(jìn)行被測(cè)環(huán)氧樹脂表面的靜電電位測(cè)量。選取直徑1mm、尖端曲率半徑約13μm的不銹鋼針作為高壓充電裝置的針電極1，針尖距離試樣的高度是5mm，位于試樣6中心的正上方。針電極1通過轉(zhuǎn)換開關(guān)5分別與高壓交流電源4和脈沖電源3相連接，將鋁箔緊貼在試樣背面，作為背電極并接地。高壓充電裝置4的作用是通過電暈放電向試樣表面充電。電位測(cè)量裝置所用電位計(jì)的型號(hào)是trek347-3hce，其連接的測(cè)量探頭選擇型號(hào)是6000b-5c的開爾文探頭，測(cè)量精度是±3v，分辨率是3mm。在試驗(yàn)中從測(cè)量探頭8距離試樣6的高度是3mm。在測(cè)量電荷消散過程中，測(cè)量探頭8位于試樣6中心的正上方。

本發(fā)明在測(cè)量開始前先將試樣用酒精擦拭，并晾干10min。在測(cè)量開始時(shí)，將試樣放置在高壓充電裝置下方，使用針電極對(duì)試樣進(jìn)行電暈放電處理。首先施加幅值為12kv的高壓交流電壓至針電極，持續(xù)放電20min后，立即關(guān)閉高壓交流電源，并利用轉(zhuǎn)換開關(guān)快速地切換至脈沖電源，繼續(xù)對(duì)試樣施加不同幅值的脈沖電壓，本試驗(yàn)所使用的脈沖電壓上升沿為50μs，頻率為500hz，脈沖個(gè)數(shù)為1000，正脈沖幅值分別為1kv、2kv、2.5kv、3kv，負(fù)脈沖幅值分別為-1kv、-1.5kv、-2kv、-2.5kv。施加脈沖電壓結(jié)束后迅速將電壓降至0，并將試樣挪至測(cè)量裝置一側(cè)進(jìn)行測(cè)量并記錄。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所用過的試樣將需要靜置半小時(shí)才能再次使用，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)五組，然后繪出不同類型的電暈作用后的表面電位與時(shí)間關(guān)系和tdv/dt曲線，從而能夠橫向?qū)Ρ瘸霾煌蛩貙?duì)試樣表面電荷積累和消散的情況的影響及試樣陷阱能級(jí)分布情況。

如圖3所示，為12kv交流電壓與不同幅值的負(fù)脈沖聯(lián)合作用下的表面電位消散曲線和tdv/dt曲線，可以詳細(xì)地表示環(huán)氧樹脂的陷阱能級(jí)分布情況，而不考慮電位消散曲線的實(shí)際物理過程。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。