传导电流可测的PEA空间电荷测试系统

传导电流可以反映电介质中载流子运输过程的许多微观特性。为了研究传导电流与空间电荷分布之间的关系,基于电声脉冲法(PEA)开发研制了一套可以同步测量电介质材料空间电荷与传导电流的系统。该测试系统重点设计了电极系统,通过将下电极分区域进行设计,实现了同步测量传导电流和空间电荷的功能。利用本系统分别对PE材料和ZnO材料进行了空间电荷及传导电流的测试,测量结果与相关文献的测试结果对比表明,该系统可以很好地对电介质材料进行空间电荷的测试,并能够同步测量材料的传导电流。

基于脉冲电声法的电缆空间电荷测量技术研究

空间电荷是影响高压直流电缆绝缘性能的关键因素之一。提出一种基于脉冲电声法的电缆空间电荷测量技术,通过优化脉冲激励参数、传感器设计以及信号处理算法,实现了电缆绝缘层中空间电荷分布的高精度、高分辨率测量。实验结果表明,该技术的空间分辨率为9.5μm,电荷密度分辨率为±0.1 C·m^(-3),信噪比为82.5 dB,完全满足电缆空间电荷测量的实际需求。

基于PEA的聚四氟乙烯空间电荷测量及其温度特性

聚四氟乙烯(PTFE)薄膜与硅油构成的复合绝缘材料在干式高压电器有着广泛的应用。但是聚四氟乙烯作为复合绝缘的关键组成部分,其空间电荷分布特点还不清楚,而已有的研究表明,空间电荷对绝缘放电有着不可忽略的影响。本文采用电声脉冲法对聚四氟乙烯薄膜在不同温度下的空间电荷分布进行了测量。结果表明,在外加直流电场的作用下,PTFE介质中容易积聚负极性空间电荷。其次温度的提高有助于加快聚四氟乙烯介质的空间电荷消散速率,有助于电荷消散。但是,温度的提高同样会导致PTFE的空间电荷注入、积聚速度加快,并促进介质中杂质电离,使得PTFE介质中积聚更多的空间电荷。因此,从尽量消除介质空间电荷的角度,建议PTFE绝缘介质尽量避免在高温下运行工作。

直流电压下多层油纸绝缘介质的界面空间电荷特性

空间电荷对油纸复合绝缘结构电气性能的影响由于测量上的困难而至今尚未明了,多层复合绝缘结构使得空间电荷特性更加复杂。为此,应用电声脉冲(PEA)方法研究了电压极性对纸-纸和纸-油这2种双层绝缘结构中以及界面处空间电荷特性的影响。研究发现在2种结构的界面处积聚的空间电荷极性与施加电压的极性一致。对2种结构中空间电荷特性进行了比较,结果表明纸-油结构中空间电荷的运动速率比纸-纸结构中慢,并且具有更深的陷阱能级。通过分析认为双层介质界面处存在的势垒导致了界面电荷的积聚,其极性由电极的电荷注入、界面的陷阱、电场和介质的电导等因素协同决定;绝缘材料陷阱能级的不同是造成2种绝缘结构空间电荷运动速率不同的因素之一。

直流电场下油纸绝缘介质界面处的空间电荷特性

换流变压器是直流输电系统的核心设备,其油纸复合绝缘结构的空间电荷特性复杂,工程实践表明其对绝缘放电的影响不可忽略,因此针对油纸复合绝缘开展空间电荷特性的研究对换流变绝缘结构设计和运行分析有指导意义。为此,应用电声脉冲(PEA)法研究了电场对双层油浸纸介质中空间电荷特性的影响以及界面处的空间电荷特性。指出在双层油浸纸的界面处将积聚负电荷,无论是极化还是去极化过程,双层油纸介质中的空间电荷的积聚和消散均较缓慢。在较高场强的作用下,阳极电荷注入过程的加强掩盖了阳极附近的电离过程。研究认为双层介质界面势垒是造成介质内部空间电荷运动缓慢的根本原因。而界面处负空间电荷的积聚则由势垒陷阱捕获和界面两侧场强差异导致电导差异两个过程共同决定。

温度梯度对直流电压极性反转过程中瞬态电场的影响

高压电缆运行中由于导体发热而引起绝缘由内到外形成温度梯度。直流电压下温度梯度的存在必然会影响电荷的注入和迁移、加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低绝缘击穿强度,也造成了电缆在断电或电压极性反转时的早期破坏。为此,基于电声脉冲(PEA)法,测量了聚乙烯板状试样在不同温度梯度场、50kV/mm直流电场协同作用下加压和极性反转过程中的空间电荷分布和最大瞬态场强。结果表明:温度梯度场-直流电场协同作用下,最大稳态电场出现在试样低温侧;而温度梯度场-电压极性反转协同作用下,最大瞬态电场却出现在高温侧。

电声脉冲法测量聚合物绝缘表面陷阱能级分布

对紫外光老化不同时间的低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)试样及3%含量的纳米氧化锌(ZnO)粒子与LDPE复合材料试样进行了交流击穿实验,结果表明纯LDPE试样的击穿强度随光老化时间的增加逐渐降低,3%含量的纳米ZnO粒子与LDPE复合材料的击穿强度光老化后基本保持不变。通过对老化前后试样的老化面分别进行电晕放电注入负电荷,并采用电声脉冲法测量短路状态下表面注入电荷随时间的衰减特性,通过公式推导计算得出试样老化面的陷阱能级分布。结果表明,纳米ZnO粒子不仅能提高聚乙烯的光稳定性,还通过成核和界面作用减少聚乙烯体内深陷阱密度,增加浅陷阱密度。

伽马射线对低密度聚乙烯的空间电荷陷阱特征影响

为研究伽马射线辐照后的低密度聚乙烯材料在直流电场作用前后的空间电荷形成和衰减的陷阱特征,在60Co伽马射线的辐照源下得到最大辐照剂量为50 kGy的聚乙烯样品,利用电声脉冲法测量其空间电荷分布,进而提出了一种离散陷阱分布模型来解释射线辐照的空间电荷衰减特征。结果表明:在阴极附近出现异号的正电荷积累并随着辐照剂量增加而增加;分析认为射线辐照后样品出现的异号正电荷是由于材料发生了化学变化(氧化)而导致更深能级陷阱的产生;同时,利用所提出的模型计算了陷阱的能级深度和陷阱密度参数,并分析了它们与辐照氧化的微观机制。由陷阱能级和陷阱密度围成的曲线族变化可作为材料辐照老化的特征参量。

空间电荷测量信号恢复中的频域反卷积技术及实现

电声脉冲法空间电荷测量系统的输出信号通常存在比较明显的过冲。本文分析了电声脉冲法空间电荷测量系统硬件结构造成信号畸变的原因,介绍了空间电荷测量信号恢复中反卷积处理技术及其问题。根据测量系统中高压脉冲及输出信号波形的特点,选取高斯滤波器对反卷积处理带来的病态问题进行了修正。基于上述改进设计了空间电荷测量信号恢复的频域反卷积算法,并采用LabVIEW实现了反卷积处理。通过实际对聚乙烯/纳米银复合材料空间电荷测量信号的恢复发现,高斯滤波器可以有效抑制恢复信号的震荡,提高测量空间电荷的分辨率。

电声脉冲法中脉冲对空间电荷分布测量的影响

首先阐述了目前已广泛应用的电声脉冲法(PEA)测量电介质中空间电荷的原理,介绍了一台新型的PEA空间电荷测量装置(其电脉冲幅值和宽度可调),并利用此装置在相同的测试条件下测量了相同的试样。研究发现:对固定厚度的传感器来讲,空间电荷分布信号随脉冲幅值增加而增加,且其波形随脉冲宽度增加而展宽和增强。最后根据PEA测量空间电荷的原理合理分析了上述的现象。

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。

纳米TiO_2对油纸绝缘介质直流空间电荷特性的影响

为了改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,在绝缘纸的制备过程中掺杂了纳米TiO2,利用电声脉冲法(PEA)对浸油后绝缘纸中空间电荷的积聚与消散特性、以及其内部电场分布进行了测试和分析。结果表明,在电场强度为10 MV/m和30 MV/m的电场作用下,添加了纳米TiO2的样品阳极附近均没有出现负空间电荷的积聚,这可能是因为纳米TiO2的加入提高了阴极向油纸注入电荷的起始电压,引入了陷阱,进而减慢了电子的运动速率。因此在绝缘纸中加入纳米TiO2能够有效改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,显著降低绝缘纸内部的电场强度畸变率。

纳米添加物的粒径对聚合物纳米复合电介质中空间电荷行为的影响

聚合物纳米复合介质中的空间电荷分布与其纳米添加物的性质、粒径及浓度密切相关,采用电声脉冲法测量了含有不同粒径纳米氧化镁的交联聚乙烯(crosslinkedpolyethylene,XLPE)复合介质的空间电荷分布。通过实验发现,复合介质内空间电荷的含量并不随着纳米氧化镁粒径的增大而线性变化,当粒径在30和80nm时,纳米氧化镁有效抑制了空间电荷量,而当粒径在较大和较小时(如20和500nm)时,空间电荷量相对较多,尤其是粒径在500nm时,空间电荷的分布比较复杂,试样中部出现明显的空间电荷极性交替变化的现象,线均空间电荷密度及其衰减速率随粒径的增大均呈现勺型变化。最后分析了纳米氧化镁颗粒粒径对复合介质内空间电荷分布的影响,并指出氧化镁粒径与复合介质内部空间电荷含量的增加有一定的关系。

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲(PEA)法测量了不同热老化程度下试样在直流电场(20 kV/mm)作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明:随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。

一种纳秒级高压脉冲发生器的研制

电声脉冲法(PEA)是一种目前较为流行的空间电荷分布测量技术,使用该法的一个前提条件是必须产生一个幅值大于400 V、脉宽小于20 ns的高压脉冲。笔者研制了一种纳秒级高压脉冲发生器,利用水银继电器作为开关,贮能电容通过此开关对匹配负载放电,经试验能产生脉冲幅值600 V、脉宽小于10 ns的陡脉冲电压信号。

基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制

研制了基于电声脉冲法(PEA)直接测量聚合物中空间电荷分布的测试装置。首先分析了普通电声脉冲法测量空间电荷的原理和测试系统传递函数,得到了一种基于测试系统传递函数倒数的陡脉冲输入波形,以消除由系统硬件带宽限制而引起的过冲;根据一种线脉冲发生器原理研制的脉冲发生器能产生脉宽8 ns的陡脉冲。通过对压电传感器引出线的特殊设计,减少了因接触气隙而导致的声脉冲色散。最后通过对测试系统的实验和标定,表明该装置能有效去除过冲,并得到样本中的实际电荷密度值,并以此装置实测了聚酰亚胺膜中空间电荷的分布。

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。

不同交联程度交联聚乙烯的空间电荷特征

为研究交联程度对聚乙烯空间电荷特征的影响,选用过氧化二异丙苯为交联剂并以低密度聚乙烯为基料,制备了交联程度不同的交联聚乙烯试样,分别对各试样进行了电荷注入阈值电场强度试验、加压时空间电荷累积试验和去压时空间电荷消散试验。然后以平均电荷密度为特征参量,分析了加压试验和消散试验中的空间电荷分布图谱,获得了交联程度对低密度聚乙烯空间电荷特征的影响。结果表明:交联向聚乙烯中引入了负电荷陷阱,并且增加了较深电荷陷阱的密度;交联能够显著提高聚乙烯的电荷注入阈值电场强度,其中氧化二异丙苯质量分数为3%样品的阈值电场强度最高;交联使得加压时电荷不易注入,而去压后当电场强度较低时电荷主要分布于电极附近,电场强度较高时电荷分布较深。

热老化对纤维素绝缘纸的空间电荷及陷阱特性的影响

为理解变压器用纤维素绝缘纸在其热老化过程中的空间电荷特性演变规律及其影响机制,采用电声脉冲法研究不同老化程度绝缘纸在不同电压等级(30、15和5kV/mm)下的加压和去压后的电荷密度分布规律,分析了绝缘纸热老化程度与其空间电荷特性演变规律间的联系。结果表明:纤维素绝缘纸体内电荷注入量及注入速率与外施电场等级成正比关系。热老化能够降低纤维素绝缘纸空间电荷注入的起始阈值,并减缓绝缘纸体内电荷注入和迁移的速率,从而削弱了体内电荷的复合现象。随着热老化程度的增加,纤维素绝缘纸体内陷阱的分布密度和陷阱能级的深度都将增大,致使材料体内残留电荷不仅总量逐渐增大,而且衰减速率逐渐降低。研究成果为理解热老化对纤维素绝缘纸空间电荷积聚和消散的影响机制提供了理论支撑。

不同脉冲注入方式下长电缆中空间电荷测量结果的等效性分析

国际上针对同轴电缆用电声脉冲（pulsed electro-acoustic,PEA）法空间电荷测量技术主要分为3种：高压导芯耦合脉冲注入法、外半导电层局部剥离耦合脉冲注入法和测量电极耦合脉冲注入法。该文基于本实验室现有的同轴电缆用PEA空间电荷测量系统,测量了3种脉冲注入方式下同轴电缆中空间电荷波形的变化规律,仿真计算了3种脉冲注入方式的影响因素及耦合效率的等效性。研究结果表明：相同注入脉冲幅值下,脉冲耦合效率越高,电荷声波信号幅值越大;在高压导芯脉冲注入法中,截面越大或电缆长度越长,脉冲耦合效率越低;在外半导电层局部剥离脉冲注入法中,电缆长度越长,脉冲耦合效率逐渐增加并达到饱和态;在测量电极脉冲注入法中,轴向阻抗越大,脉冲耦合效率越高。