本實用新型涉及的是一種介質(zhì)物理測量領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種用于零攝氏度以下固體介質(zhì)空間電荷測量的電極系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

固體電介質(zhì)材料在電力系統(tǒng)行業(yè)以及航天航空等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如聚合物絕緣電纜由于結(jié)構(gòu)輕便，運行溫度高及環(huán)境友好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于交直流系統(tǒng)的電力傳輸。然而在高壓直流電場下，聚合物非常容易積累空間電荷，從而造成電場畸變，伴隨著的熱電子發(fā)射和電機械能存貯與釋放等問題會加速絕緣劣化，大幅減少其使用壽命。因此固體介質(zhì)的空間電荷測量對于保障設(shè)備正常運行一直是至關(guān)重要的。其次，受空間等離子體、高能電子和太陽輻射等影響，固體介質(zhì)會在航天器表面積累一定的空間電荷，從而導(dǎo)致表面靜電放電現(xiàn)象。靜電放電會引起航天器表面材料的擊穿、太陽能電池陣性能的下降，其產(chǎn)生的電磁脈沖干擾會使敏感電子設(shè)備出現(xiàn)誤操作或者損壞。而太空中溫度變化劇烈，一天中大部分時間處于-270℃的宇宙背景輻射。隨著大量介質(zhì)材料在航天器上的廣泛應(yīng)用，航天器因材料表面帶電效應(yīng)而發(fā)生故障的概率呈上升趨勢，因此在極低溫度下對介質(zhì)的空間電荷進行測量對我國航空事業(yè)發(fā)展具有重要作用。再其次，隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)可能是未來高效率輸電的重點前進方向，而超導(dǎo)溫度下聚合物絕緣的空間電荷特性也決定著系統(tǒng)的運行可靠性。

而現(xiàn)今空間電荷測試技術(shù)主要覆蓋常溫至90℃的測量范圍，零攝氏度以下固體介質(zhì)的空間電荷測量極少見于報道，并且沒有穩(wěn)定成型的測量裝置，這對于上述條件下的空間電荷特性研究造成了相當(dāng)?shù)睦щy。零攝氏度以下空間電荷的測量技術(shù)需要克服諸多難題，諸如冷凝水可能導(dǎo)致試樣表面的閃絡(luò)，壓電傳感器的溫度耐受性以及溫度的控制等。因此零攝氏度以下空間電荷的測量裝置的研制對于上述研究領(lǐng)域具有極為重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)多采用恒溫循環(huán)浴控制溫度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫控精度較低；并且循環(huán)浴使用的介質(zhì)一般為水或者油，有效溫度控制范圍均在零攝氏度以上，無法形成零攝氏度以下的低溫環(huán)境；其電極與大氣直接接觸，當(dāng)測試溫度為零攝氏度以下時電極裝置內(nèi)的被測絕緣材料試樣的沿面閃絡(luò)將不可避免，將無法正常進行空間電荷的測量等等缺陷，提出一種用于零攝氏度以下固體介質(zhì)空間電荷測量的電極系統(tǒng)，采用真空腔體技術(shù)，液氮與電加熱圈制衡控溫，以及耐極低溫的壓電傳感器進行空間電荷測量，穩(wěn)定可靠。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本實用新型包括：上電極裝置、下電極裝置以及分別與之相連的外圍設(shè)備裝置，其中：上電極裝置通過外加的直流高壓源產(chǎn)生空間電荷，脈沖源產(chǎn)生聲脈沖，并通過下電極裝置進行空間電荷的測量；外圍設(shè)備裝置為上電極裝置和下電極裝置提供測量環(huán)境。

所述的測量環(huán)境是指：上電極裝置和下電極裝置共同形成內(nèi)部真空的密閉腔體，腔體內(nèi)處于零攝氏度以下的恒定溫度。

所述的上電極裝置包括：耐低溫O型圈、外金屬罩、設(shè)置于金屬罩內(nèi)的上電極和半導(dǎo)電片，其中：耐低溫O型圈沿外金屬罩的底邊設(shè)置，上電極的下表面與半導(dǎo)電片的上表面緊密接觸。

所述的上電極為上圓柱下圓盤結(jié)構(gòu)。

所述的圓柱伸出外金屬罩與外加的脈沖源和直流高壓源相連。

所述的外金屬罩的頂部內(nèi)側(cè)與圓柱的伸出部分之間設(shè)有相配合的上電極絕緣盤。

所述的外金屬罩的側(cè)面設(shè)有真空抽氣管。

所述的下電極裝置包括：熱電偶、寬頻放大器、下電極板、開設(shè)于下電極板下方的液氮環(huán)形通道、位于環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓電傳感器和電加熱圈，其中：壓電傳感器緊貼下電極板的下表面，寬頻放大器與壓電傳感器相連；熱電偶埋設(shè)于下電極板上方，電加熱圈環(huán)繞壓電傳感器設(shè)置，并與壓電傳感器通過下電極板的延伸部分隔開。

所述的液氮環(huán)形通道上設(shè)有液氮入口和液氮出口。

所述的耐低溫O型圈與下電極板緊密接觸。

所述的外金屬罩內(nèi)放置試樣，試樣的上表面與半導(dǎo)電片緊密接觸，下表面與下電極板的上表面緊密接觸。

所述的壓電傳感器位于試樣的正下方。

所述的外圍設(shè)備裝置包括：真空泵、液氮杜瓦罐和溫度控制器。

所述的真空泵與真空抽氣管相連。

所述的液氮杜瓦罐與液氮入口相連。

所述的溫度控制器與設(shè)置與下電極板上且正對試樣的測溫?zé)犭娕枷噙B。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型采用真空腔體技術(shù)，液氮與電加熱圈制衡控溫，以及耐零攝氏度以下的壓電傳感器，實現(xiàn)零攝氏度以下固體介質(zhì)的空間電荷測量，克服了冷凝水可能導(dǎo)致的試樣表面的閃絡(luò)以及溫度控制的技術(shù)問題，為低溫空間電荷測試領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。

附圖說明

圖1為測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例1在-40℃下分別施加10、20、30、40、50kV/mm直流電場后的空間電荷分布示意圖；

圖中：1為外金屬罩、2為上電極絕緣盤、3為上電極、4為半導(dǎo)電片、5為試樣、6為耐低溫O型圈、7為真空抽氣管、8為下電極板、9為液氮環(huán)形通道、10為電加熱圈、11為壓電傳感器、12為寬頻放大器、13為液氮入口、14為液氮出口、15為測溫?zé)犭娕肌?6為真空泵、17為液氮杜瓦罐、18為溫度控制器。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例包括：上電極裝置、下電極裝置以及分別與之相連的外圍設(shè)備裝置，其中：上電極裝置通過外加的脈沖源和直流高壓源產(chǎn)生空間電荷，并通過下電極裝置進行空間電荷的測量；外圍設(shè)備裝置為上電極裝置和下電極裝置提供測量環(huán)境。

所述的測量環(huán)境是指：上電極裝置和下電極裝置共同形成內(nèi)部真空的密閉腔體，腔體內(nèi)處于零攝氏度以下的恒定溫度。

所述的上電極裝置包括：耐低溫O型圈6、外金屬罩1、設(shè)置于金屬罩內(nèi)的上電極3和半導(dǎo)電片4，其中：耐低溫O型圈6沿外金屬罩1的底邊設(shè)置，上電極3的下表面與半導(dǎo)電片4的上表面緊密接觸。

所述的上電極3為上圓柱下圓盤結(jié)構(gòu)。

所述的圓柱伸出外金屬罩1與外加的脈沖源和直流高壓源相連。

所述的外金屬罩1的頂部內(nèi)側(cè)與圓柱的伸出部分之間設(shè)有相配合的上電極絕緣盤2。

所述的外金屬罩1的側(cè)面設(shè)有真空抽氣管7。

所述的下電極裝置包括：熱電偶、寬頻放大器12、下電極板8、開設(shè)于下電極板8下方的液氮環(huán)形通道9、位于環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓電傳感器11和電加熱圈10，其中：壓電傳感器11緊貼下電極板8的下表面，寬頻放大器12與壓電傳感器11通過同軸信號線相連，放大壓電傳感器11傳來的微弱的空間電荷信號并輸出；熱電偶埋設(shè)于下電極板8上方，電加熱圈10環(huán)繞壓電傳感器11設(shè)置，并與壓電傳感器11通過下電極板8的延伸部分隔開。

所述的液氮環(huán)形通道9上設(shè)有液氮入口13和液氮出口14。

所述的耐低溫O型圈6與下電極板8緊密接觸。

所述的外金屬罩1內(nèi)放置試樣5，試樣5的上表面與半導(dǎo)電片4緊密接觸，下表面與下電極板8的上表面緊密接觸。

所述的壓電傳感器11位于試樣5的正下方。

所述的外圍設(shè)備裝置包括：真空泵16、液氮杜瓦罐17和溫度控制器18。

所述的真空泵16與真空抽氣管7相連。

所述的液氮杜瓦罐17具有自增壓功能，并與液氮入口13相連。

所述的溫度控制器18與設(shè)置與下電極板上且正對試樣的測溫?zé)犭娕?5相連，以實時監(jiān)測試樣5的溫度。

所述的外金屬罩1的材料為不銹鋼。

所述的上電極3和下電極板8的材料為鋁。

所述的上電極絕緣盤2的材料為聚四氟乙烯。

所述的壓電傳感器11的材料為鈮酸鋰晶體，能夠耐受零下低溫。

所述的上電極裝置采用真空腔體，避免試樣5表面閃絡(luò)的發(fā)生，并將直流高壓和脈沖激勵耦合到試樣5上。

所述的試樣5與下電極板8緊密接觸，能夠保證空間電荷引起的振動聲波能夠傳遞至壓電傳感器11。

所述的下電極裝置采用鈮酸鋰壓電傳感器11，耐受零下低溫，并使用液氮和電加熱圈10相制衡以控制試樣5溫度。

所述的真空泵16通過真空抽氣管7抽出外金屬罩1內(nèi)空氣，外金屬罩1通過耐低溫O型圈6保證密封，構(gòu)造外金屬罩1內(nèi)的真空狀態(tài)并防止漏氣，避免試樣5附近沿面閃絡(luò)的發(fā)生。

工作時，本實施例包括以下步驟：

步驟1、依次放置試樣5和外金屬罩1，通過緊固螺絲施加壓力使試樣5與下電極板8緊密接觸；啟動真空泵16，等待3min以使外金屬罩1的內(nèi)部基本處于真空狀態(tài)。

所述的試樣5為商用低密度聚乙烯(LDPE)薄膜，厚度為300μm。

步驟2、打開液氮杜瓦罐17和溫度控制器18，將溫度控制器18的溫度設(shè)置為-40℃，液氮杜瓦罐17與電加熱圈10共同作用，使試樣5的溫度從室溫逐漸穩(wěn)定在-40℃，并等待3min使試樣5溫度徹底穩(wěn)定。

所述的共同作用是指：液氮杜瓦罐17通過液氮入口13向液氮環(huán)形通道9內(nèi)注入液氮對試樣5降溫，隨后從液氮出口14流出；電加熱圈10通電對試樣5加熱升溫。

步驟3、接通寬頻放大器12，打開外加的脈沖源激勵，設(shè)置外加的直流高壓源的輸出依次為3000V、6000V、9000V、12000V和15000V，各采集空間電荷波形10min，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著施加電壓的提高，圖中左半邊表示負電極感應(yīng)的負電荷的波谷和右半邊表示正電極感應(yīng)出的正電荷的波峰均增大，并且波峰、波谷的位置沒有明顯移動，表明測量穩(wěn)定；同時試樣5內(nèi)部有負極性空間電荷積累，并且積累的量隨著施加電壓的升高而增多，符合理論的預(yù)期，表明測量的準(zhǔn)確性；本實施例可準(zhǔn)確檢測的最低溫度為-196℃。

上述具體實施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本實用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進行局部調(diào)整，本實用新型的保護范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實施所限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本實用新型之約束。