本發(fā)明涉及GIL環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件表面的電荷測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及了一種基于直流脈沖聯(lián)合作用下GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面電荷的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注和研究其在輸電領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并建立了高壓直流輸電系統(tǒng)。氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)作為一種新型的輸電方式，因其傳輸容量大、損耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用到大容量、長(zhǎng)距離的高壓直流輸電系統(tǒng)中。環(huán)氧樹(shù)脂制造成本低廉，具有優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能，被用來(lái)制造GIL的主要絕緣部件，包括盆式絕緣子、支撐絕緣子、平板絕緣子等。GIL盆式絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中受外電場(chǎng)的影響，自由電荷會(huì)在其固氣交界面累積形成表面電荷，而表面電荷的大量積累會(huì)使絕緣子表面電場(chǎng)發(fā)生畸變，降低絕緣子的耐受電壓。研究表明，絕緣子的表面電荷積累對(duì)于沿面閃絡(luò)的發(fā)生有著重要的影響。

GIL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(guò)程中，不僅要承受正常的直流工作電壓，還有可能承受因?yàn)椴僮鬟^(guò)電壓等原因引起的非正常脈沖過(guò)電壓。GIL中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)直流和脈沖電壓聯(lián)合作用下環(huán)氧樹(shù)脂的表面電荷積聚和消散特性進(jìn)行深入的研究以提高GIL的工作可靠性。這對(duì)于保證整個(gè)輸電系統(tǒng)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GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面電荷的測(cè)量方法，基于直流與脈沖聯(lián)合作用下，通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂施加不同電壓類(lèi)型的電暈作用，再利用表面電位測(cè)量技術(shù)測(cè)量并記錄樹(shù)脂表面的電位分布和電荷消散過(guò)程，然后分析其內(nèi)部的電荷輸運(yùn)特性，并能夠準(zhǔn)確判斷環(huán)氧樹(shù)脂的老化狀態(tài)及壽命。

本發(fā)明的一種GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面電荷的測(cè)量裝置，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向被測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂表面注入電荷，所述電位測(cè)量裝置用于進(jìn)行被測(cè)環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂表面中心的正上方，且針尖距離被測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂表面的高度是5mm，所述針電極1通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(shù)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)8與測(cè)量探頭9連接，測(cè)量探頭9距離被測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂表面的高度是3mm；所述靜電電位計(jì)8的測(cè)量探頭9與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑軌7連接，在電機(jī)的控制下精確地在被測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂表面上方橫向移動(dòng)，以測(cè)出被測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂表面不同位置的電位分布。

所述針電極1與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)5之間還連接一限流裝置2。

本發(fā)明的一種GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面電荷的測(cè)量方法，該方法包括以下步驟：

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

步驟二、在待測(cè)GIL環(huán)氧樹(shù)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(lèi)型的電壓作用施加至待測(cè)GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面，加壓過(guò)程為電暈放電，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)迅速地切換施加在待測(cè)GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面上的高壓直流電壓和脈沖電壓；不同類(lèi)型的電暈作用是指直流電壓、脈沖電壓、直流與脈沖復(fù)合電壓作用；電暈放電處理后的待測(cè)GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面被注入電荷，再進(jìn)行待測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂表面電位測(cè)量過(guò)程，迅速對(duì)待測(cè)GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面不同位置的電位分布及電位消散測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄；

步驟四、計(jì)算出電荷的入陷和出陷狀態(tài)和試樣的陷阱能級(jí)分布特性：

表面電荷的消散過(guò)程往往與試樣表面的陷阱能級(jí)和陷阱密度有關(guān)系，陷阱能級(jí)E_m可以由下面的式子計(jì)算出來(lái)

E_m＝kTln(νt) (1)

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，且k＝1.38×10^-23J(單位：K)，T為實(shí)驗(yàn)溫度(單位：K)，ν為被陷阱俘獲的電荷的逃逸頻率因子(單位：s^-1)，t為電荷消散的某個(gè)時(shí)間。

在某個(gè)時(shí)刻t，流過(guò)試樣的電流密度J可表示為

其中，e為電子的電量(單位：C)，L為試樣的厚度(單位：m)，t為表面電荷消散的某個(gè)時(shí)刻(單位：s)，N_t為陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)。同時(shí)，t時(shí)刻的電流密度J也可由試樣表面電位的衰減速率表示為

其中，ε₀為真空中的介電常數(shù)(單位：F·m^-1)，且ε₀＝8.854187817×10^-12(F·m^-1)，ε_r為試樣的相對(duì)介電常數(shù)，Vs為t時(shí)刻試樣的表面電位(單位：V)。

聯(lián)立式(2)和式(3)即可得到

步驟五、待測(cè)GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面靜置半小時(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(lèi)型的電暈作用后的表面電位消散曲線、試樣不同位置電位分布的曲線及試樣陷阱能級(jí)密度分布曲線，獲得GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面電荷的測(cè)量結(jié)果。

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(guò)對(duì)不同電壓類(lèi)型作用下環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(wèn)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(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種基于直流與脈沖聯(lián)合作用下GIL環(huán)氧樹(shù)脂表面電荷的測(cè)量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、高壓直流電源HVDC，5、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，6、試樣，7、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑軌，8、靜電電位計(jì)，9、測(cè)量探頭；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的-3kV直流電壓與不同幅值的負(fù)脈沖聯(lián)合作用下的試驗(yàn)結(jié)果圖，其中(3-1)為電壓聯(lián)合作用后試樣表面電位隨消散時(shí)間的變化曲線；(3-2)為電壓聯(lián)合作用后試樣的起始表面電位分布圖；(3-3)為試樣的陷阱能級(jí)密度分布圖，從陷阱分布的角度來(lái)研究了表面電荷的特性。

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。高壓充電裝置的作用是向試樣表面注入電荷，電位測(cè)量裝置用于進(jìn)行試樣表面的靜電電位測(cè)量。高壓充電裝置中，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(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)5分別與高壓直流電源4和脈沖電源2相連接，將鋁箔緊貼在試樣6背面，作為背電極并接地。電位測(cè)量裝置中，所采用的靜電電位計(jì)8的型號(hào)是Trek347-3hce，其連接測(cè)量探頭9選擇開(kāi)爾文探頭的型號(hào)是6000b-5c，測(cè)量精度是±3V，分辨率是3mm。在試驗(yàn)中測(cè)量探頭9距離試樣6的高度是3mm。靜電電位計(jì)8的測(cè)量探頭6與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑軌7相連，在電機(jī)的控制下精確地在試樣6上方橫向移動(dòng)，以測(cè)出試樣6表面不同位置的電位分布，而在測(cè)量電荷消散過(guò)程中，測(cè)量探頭9位于試樣6中心的正上方。其中試樣6采用片狀環(huán)氧樹(shù)脂試樣。

本發(fā)明在試驗(yàn)開(kāi)始前先將試樣用酒精擦拭干凈，并晾干10min。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將試樣放置在充電裝置下方，使用針-板電極對(duì)試樣進(jìn)行電暈放電處理。首先施加不同幅值、不同極性直流電壓至針電極，持續(xù)放電20min后，立即關(guān)閉直流電壓源，并利用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)快速地切換至脈沖電源，繼續(xù)對(duì)試樣施加不同極性或者不同幅值的脈沖電壓。本試驗(yàn)所施加的正直流電壓分布為+2.5kV、+3kV、+3.5kV，負(fù)直流電壓為-2.5kV、-3kV、-3.5kV；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+2kV、+3kV、+4kV，負(fù)脈沖幅值分別為-2kV、-3kV、-4kV。施加脈沖電壓結(jié)束后迅速將電壓降至0。試樣在高壓充電裝置注入電荷后迅速移動(dòng)到電位測(cè)量裝置下進(jìn)行測(cè)量和記錄，并用測(cè)得的表面電位分布及消散情況推算出電荷的入陷和出陷狀態(tài)。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所用過(guò)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(lèi)型的電暈作用后的表面電位消散曲線、試樣不同位置電位分布的曲線及試樣陷阱能級(jí)密度分布曲線，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老化的程度。

如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例的-3kV直流電壓與不同幅值的負(fù)脈沖聯(lián)合作用下的試驗(yàn)結(jié)果圖。

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)。