本发明专利技术涉及一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法，用于测量平板样品内部的空间电荷分布，本发明专利技术可携带式空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源、低压端取信号复合探头、放大器、示波器等部分；在不外加电压的情况下，本发明专利技术测量装置即可独立完成空间电荷分布测量；若需要外加电压，也可利用任何现有的直流电压系统，可以与空间电荷测量无关。与现有技术相比，本发明专利技术突破了现有技术测量系统复杂的弊端，在具有相空间分辨率和测量灵敏度的条件下大幅提升了操作安全性与简便性，同时也克服了传统压力波法测量装置体积庞大、不可移动的局限，测量装置操作简单，便于携带。
【技术实现步骤摘要】
一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法
本专利技术涉及空间电荷测量装置领域，尤其是涉及利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置和方法。
技术介绍
直流高压输电以其电能损耗低、输电容量高以及易于电网间互联等优点拥有广阔的工程应用前景。交联聚乙烯作为直流输电电缆中绝缘材料的主流发展方向，最大的问题就是其内部空间电荷在强电场作用下会不断积累，从而导致材料内部电场发生畸变，破坏电气绝缘。因此，测量交联聚乙烯内部空间电荷分布是研究其绝缘性能的关键内容。压力波法是目前国内外测量空间电荷分布应用较广的方法之一，根据压力波产生方式又可分为压电压力波法(PIPWP)和激光压力波法(LIPP)，其基本原理是：对试样表面施加声脉冲后，产生的弹性波将在介质内部以声速进行传播。传播过程会破坏介质内部原有弹性力和电场力的平衡，从而引起空间电荷发生微小位移，导致测量电极上的感应电荷量发生变化。因此，通过观测电极上电流或电压信号的变化，就可以还原试样中空间电荷分布的有关信息。与激光压力波法相比，压电压力波法具有设备简单、成本低廉的优势，也可克服了LIPP法中激光靶易损坏的问题。如图1所示，传统的压电压力波法空间电荷测量装置主要由直流高压电源(HVDC)、声脉冲发生器、信号放大器和示波器组成，高压回路与信号回路仅通过耦合电容进行隔离，操作安全性较低。综上，目前并没有一种兼具经济性和操作安全性且可便携的空间电荷测量装置适用于实际工程场景。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作安全性且可便携的基于低压端取信号复合探头的空间电荷测量装置和方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，用于测量平板样品的空间电荷，所述空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源、低压端取信号复合探头、放大器、示波器、金属基板电极和隔离电阻，所述低压端取信号复合探头的电压脉冲传输端连接所述高速方波脉冲电源，信号提取端连接所述放大器，所述放大器还连接所述示波器，所述平板样品的EVA电极侧连接所述金属基板电极，另一侧连接所述低压端取信号复合探头，所述金属基板电极连接所述隔离电阻后接地。进一步地，所述空间电荷测量装置还包括屏蔽箱，所述低压端取信号复合探头、平板样品、金属基板电极均位于所述屏蔽箱内。进一步地，所述平板样品与所述低压端取信号复合探头连接的表面可以涂有凡士林或者硅油用以改善声耦合。进一步地，本专利技术空间电荷测量装置涉及阻抗匹配问题。当一个系统所接传输线特性阻抗与信号源的内阻大小相等且相位相同时，或者传输线路特性阻抗与所接的负载阻抗大小相等且相位相同，分别称之为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。当阻抗达到匹配时，系统便可获得最大输出功率，设备利用效率最高。阻抗不匹配时，输出有效功率将减小。本专利技术空间电荷测量装置为获得理想脉冲，要尽量避免电压波的折反射，使同轴电缆的特征阻抗和压电陶瓷片的负载阻抗尽量匹配。具体地，所述高速方波脉冲电源通过同轴电缆连接所述低压端取信号复合探头，所述同轴电缆的电缆阻抗与所述低压端取信号复合探头中压电陶瓷片的负载阻抗相配合，实现阻抗匹配。进一步地，所述同轴电缆的电缆阻抗为7.5欧姆，所述低压端取信号复合探头中压电陶瓷片的负载阻抗为5.1欧姆。进一步地，所述低压端取信号复合探头采用公开号为CN111175549A的专利技术公开的一种聚合物空间电荷分布测量用复合探头。进一步地，所述高速方波脉冲电源为所述低压端取信号复合探头提供电压为150V、频率为90Hz、下降沿时间为纳秒级的高速周期脉冲电压。进一步地，所述放大器的增益为36dB，放大倍数为63倍，内部阻抗在49欧姆至51欧姆范围以内。本专利技术还提供一种采用上述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置的空间电荷测量方法，包括：独立测量步骤：组装所述空间电荷测量装置后，通过所述高速方波脉冲电源输出脉冲电压，然后根据所述示波器中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。进一步地，所述空间电荷测量方法还包括：外加高压测量步骤：取出所述金属基板电极和隔离电阻，获取隔离保护电阻、直流高压电源、绝缘底座和高压电极，将所述平板样品的EVA电极侧紧密贴合所述高压电极，并通过隔离保护电阻后接入所述直流高压电源。打开所述直流高压电源和高速方波脉冲电源，然后根据所述示波器中电流信号的变化，获取空间电荷测量结果。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术采用低压端取信号复合探头，从低压侧进行信号提取，即信号获取与声脉冲发生处在同一端，无需隔离电容，操作安全性高；无需体积庞大的直流高压电源，便能进行空间电荷测量，且各组成部分均为可移动、可携带的设备，整体设计小巧，具有便携的优点；设有金属基板电极，起到支撑作用，使得低压端取信号复合探头与平板样品的接触更加平稳可靠，适用于实际工程场景；同时，可以通过控制电压脉冲的输入，提高本专利技术测量装置的灵敏度与分辨率。(2)将低压端取信号复合探头、平板样品、金属基板电极均设置在屏蔽箱内，起到屏蔽环境中电磁信号干扰的作用，提高空间电荷测量结果的准确性。(3)本专利技术电缆阻抗与负载阻抗的设置基本实现阻抗匹配，能尽量避免电压波的折反射，获取理想脉冲。(4)与激光压力波法测量装置相比，本专利技术所使用的设备相对造价较低，在长期使用的过程中，复合探头内各部分连接始终保持稳定可靠，不易脱落或损坏。因此，本专利技术测量装置总体经济性良好。(5)本专利技术采用的复合探头，可将电信号引入、声脉冲发生以及取信号端口统一集成在一起，实际测量过程仅需从BNC头接入高频电脉冲信号，将采样电极贴合在样品表面，加以辅助电路即可对平板样品进行空间电荷的测量，整套装置易于安装拆卸，测量过程操作简单。(6)本专利技术测量装置既可以对已有空间电荷注入的样品进行独立测量，又可以搭载在现有的任何加压系统，可以与空间电荷测量无关，因此，测试者可以根据实际情况灵活应用本装置对平板样品进行空间电荷测量。附图说明图1为传统压电压力波法测量装置示意图；图2为本专利技术基础型可携带式测量装置示意图；图3为本专利技术改进型可携带式测量装置示意图；图4为本专利技术基础型测量装置搭载直流高压系统时示意图；图5为本专利技术改进型测量装置搭载直流高压系统时示意图；图6为150V90Hz高压方波脉冲信号示意图；图7为高压方波脉冲信号带载前后脉冲信号下降沿变化情况示意图；图8为单面EVA电极聚乙烯平板样品结构示意图，图中LLDPE为线性低密度聚乙烯；图9为本专利技术基础型可携带式测量装置测量结果示意图；图10为本专利技术改进型可携带式测量装置测量结果示意图；图11为传统的压电压力波法测量装置与本专利技术空间电荷测量装置在外加40kV高压下平板样品内空间电荷分布情况示意图；图中，1、高速方波脉冲电源，2、低压端取信号复合探头，3、信号放本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，用于测量平板样品(5)的空间电荷，其特征在于，所述空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源(1)、低压端取信号复合探头(2)、放大器(3)、示波器(4)、金属基板电极(6)和隔离电阻(7)，所述低压端取信号复合探头(2)的电压脉冲传输端连接所述高速方波脉冲电源(1)，信号提取端连接所述放大器(3)，所述放大器(3)还连接所述示波器(4)，所述平板样品(5)的EVA电极侧连接所述金属基板电极(6)，另一侧连接所述低压端取信号复合探头(2)，所述金属基板电极(6)连接所述隔离电阻(7)后接地。/n
【技术特征摘要】
1.一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，用于测量平板样品(5)的空间电荷，其特征在于，所述空间电荷测量装置包括高速方波脉冲电源(1)、低压端取信号复合探头(2)、放大器(3)、示波器(4)、金属基板电极(6)和隔离电阻(7)，所述低压端取信号复合探头(2)的电压脉冲传输端连接所述高速方波脉冲电源(1)，信号提取端连接所述放大器(3)，所述放大器(3)还连接所述示波器(4)，所述平板样品(5)的EVA电极侧连接所述金属基板电极(6)，另一侧连接所述低压端取信号复合探头(2)，所述金属基板电极(6)连接所述隔离电阻(7)后接地。
2.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述空间电荷测量装置还包括屏蔽箱(8)，所述低压端取信号复合探头(2)、平板样品(5)、金属基板电极(6)均位于所述屏蔽箱(8)内。
3.根据权利要求2所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述平板样品(5)与所述低压端取信号复合探头(2)连接的表面涂抹有凡士林或硅油。
4.根据权利要求1所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述高速方波脉冲电源(1)通过同轴电缆连接所述低压端取信号复合探头(2)，所述同轴电缆的电缆阻抗与所述低压端取信号复合探头(2)中压电陶瓷片的负载阻抗相配合，实现阻抗匹配。
5.根据权利要求4所述的一种利用复合探头的可携带式空间电荷测量装置，其特征在于，所述同轴电缆的电缆阻抗为7.5欧姆，所述低压端取信号复合探头(2)中压电陶瓷片的负载阻抗为5.1...
【专利技术属性】
技术研发人员：张冶文，孔佳莹，曹泽宾，潘佳萍，徐景贤，余朝湖，郑飞虎，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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