GIS环氧树脂表面电荷特性和陷阱能级分布表征装置及方法与流程

本发明涉及gis环氧树脂绝缘子的表面电荷测量技术领域，尤其涉及了一种基于交流与脉冲联合作用下gis环氧树脂表面电荷特性和陷阱能级分布表征的方法。

背景技术：

气体绝缘组合电器(gis)与传统敞开式高压配电设备相比具有占地面积小、可靠性高和检修周期长等优点，因此被广泛应用于城市供电厂、发电变电站、冶金厂和输电线路等场合。环氧树脂绝缘件作为gis的主要部件，包括盆式绝缘子、支柱绝缘子和绝缘拉杆。其中gis盆式绝缘子沿面闪络是gis的主要绝缘故障形式。gis中的局部放电以及固气界面法向场强都会造成绝缘子表面电荷积聚，进而引起沿面闪络，造成绝缘子的老化失效，这对于gis的正常运行和整个电力系统的安全稳定都是一个巨大的威胁。一些研究表明，若绝缘材料表面电荷长期积聚，沿面闪络电压将会大大下降，甚至比正常电压低30％左右。

gis盆式绝缘子不同于其他绝缘系统的是：在其实际运行过程中，不仅要承受正常的交流工作电压，还有可能承受因为操作过电压等原因引起的非正常脉冲过电压。绝缘子的特殊工作环境，使得对其工作状态和老化程度的研究比较复杂。因此，有必要对交流和脉冲电压联合作用下环氧树脂的表面电荷动态特性和陷阱能级分布进行深入的研究以提高gis的工作可靠性。这对于保证整个电网的安全运行都具有重要的学术价值和工程意义。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明提出了一种gis环氧树脂表面电荷特性和陷阱能级分布表征装置和方法，使用绘制陷阱能级分布曲线来表征环氧树脂的表面电荷特性，并进一步研究环氧绝缘子工作状态和老化状态的方法。利用表面电位测量技术以及现有仪器，通过对不同电压类型作用下环氧树脂试样表面电荷进行测量，并对测量数据进行数学处理，弄清楚电荷在环氧树脂内部的输运特性，为解决环氧绝缘子沿面闪络问题和其老化状态的评估提供了重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。

本发明的一种gis环氧树脂表面电荷特性和陷阱能级分布表征装置，该装置包括高压充电装置和电位测量装置两部分，所述高压充电装置用于通过电晕放电向试样表面充电，所述电位测量装置用于进行被测环氧树脂表面的静电电位测量；其中，

所述高压充电装置中，针电极1位于被测环氧树脂表面中心的正上方，且针尖距离被测环氧树脂表面的高度是5mm，针电极1通过转换开关5分别与高压交流电源4和脉冲电源3相连接，在被测环氧树脂6的背面上紧贴有铝箔，作为背电极并接地；

所述电位测量装置中，静电电位计7与测量探头8连接，测量探头8距离被测环氧树脂表面的高度是3mm；在测量电荷消散过程中，测量探头8位于被测环氧树脂表面中心的正上方。

所述针电极1与转换开关5之间还连接一限流装置2。

本发明的一种gis环氧树脂表面电荷特性和陷阱能级分布表征方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将待测gis环氧树脂表面用酒精擦拭，并晾干10分钟；

步骤二、在待测gis环氧树脂表面的背面贴上铝箔，此背面作为背电极并接地；

步骤三、将不同类型的电压作用施加至待测gis环氧树脂表面，加压过程为电晕放电；不同类型的电压作用是指交流电压、脉冲电压、交流与脉冲复合电压作用；并结合改变交流电压的幅值，脉冲电压的幅值、频率、脉冲数和极性来模拟出待测gis环氧树脂表面各种不同的工作状态；通过待测gis环氧树脂表面的电位测量记录电位消散过程；将加压处理后的待测gis环氧树脂快速移动至电位测量装置下部，再进行待测gis环氧树脂表面的电位测量；

步骤二、计算待测gis环氧树脂表面陷阱中的电荷的释放时间和电位消散过程：

环氧树脂陷阱中的电荷的释放时间公式如下：

经变换得到式(2)如下：

δu＝e0-em＝ktln(ν0·t)(2)

其中，ν0是电荷从陷阱脱陷的频率，t是实验温度(绝对温度)，e0是导带底能级，em是禁带中的陷阱能级，k是玻尔兹曼常数，δu＝e0-em表示陷阱的深度；

步骤四、计算待测gis环氧树脂表面陷阱中的电荷的释放时间和电位消散过程：

环氧树脂陷阱中的电荷的释放时间公式如下：

经变换得到式(2)如下：

δu＝e0-em＝ktln(ν0·t)(2)

其中，ν0是电荷从陷阱脱陷的频率，t是实验温度(绝对温度)，e0是导带底能级，em是禁带中的陷阱能级，k是玻尔兹曼常数，δu＝e0-em表示陷阱的深度；

步骤五、待测gis环氧树脂静置半小时后，再次进行步骤三、四的操作；

步骤六、将步骤五的操作重复数组，然后绘出不同类型的电晕作用后的表面电位与时间关系和tdv/dt曲线获得环氧树脂绝缘子表面电荷的动态特性以及陷阱能级分布的表征结果；其中v为环氧树脂的表面电位，由电位测量装置测出并记录；t为表面电荷的消散时间；dv/dt是表面电位对消散时间求导，来表示表面电位的消散速度；t与dv/dt相乘得到的tdv/dt曲线表征环氧树脂的陷阱能级分布特性。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是，利用表面电位测量技术以及现有仪器，通过对不同电压类型作用下环氧树脂试样表面电荷进行测量，并对测量数据进行数学处理，弄清楚电荷在环氧树脂内部的输运特性，为解决环氧绝缘子沿面闪络问题和其老化状态的评估提供了重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。

附图说明

图1为本发明的一种gis环氧树脂表面电荷特性和陷阱能级分布的表征方法整体流程示意图；

图2为本发明实施例的试验装置图；附图标记：1、针电极，2、限流装置，3、脉冲电源，4、高压交流电源，5、转换开关，6、试样，7、静电电位计，8、测量探头；

图3为本发明实施例的12kv交流电压与不同幅值的负脉冲联合作用下的表面电位消散曲线(a)和tdv/dt曲线(b)示意图；。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2所示，为本发明实施例的试验装置。分为高压充电装置和电位测量装置两部分。所述高压充电装置用于通过电晕放电向试样表面充电，所述电位测量装置用于进行被测环氧树脂表面的静电电位测量。选取直径1mm、尖端曲率半径约13μm的不锈钢针作为高压充电装置的针电极1，针尖距离试样的高度是5mm，位于试样6中心的正上方。针电极1通过转换开关5分别与高压交流电源4和脉冲电源3相连接，将铝箔紧贴在试样背面，作为背电极并接地。高压充电装置4的作用是通过电晕放电向试样表面充电。电位测量装置所用电位计的型号是trek347-3hce，其连接的测量探头选择型号是6000b-5c的开尔文探头，测量精度是±3v，分辨率是3mm。在试验中从测量探头8距离试样6的高度是3mm。在测量电荷消散过程中，测量探头8位于试样6中心的正上方。

本发明在测量开始前先将试样用酒精擦拭，并晾干10min。在测量开始时，将试样放置在高压充电装置下方，使用针电极对试样进行电晕放电处理。首先施加幅值为12kv的高压交流电压至针电极，持续放电20min后，立即关闭高压交流电源，并利用转换开关快速地切换至脉冲电源，继续对试样施加不同幅值的脉冲电压，本试验所使用的脉冲电压上升沿为50μs，频率为500hz，脉冲个数为1000，正脉冲幅值分别为1kv、2kv、2.5kv、3kv，负脉冲幅值分别为-1kv、-1.5kv、-2kv、-2.5kv。施加脉冲电压结束后迅速将电压降至0，并将试样挪至测量装置一侧进行测量并记录。为了保证试验结果的准确性，所用过的试样将需要静置半小时才能再次使用，每次实验重复五组，然后绘出不同类型的电晕作用后的表面电位与时间关系和tdv/dt曲线，从而能够横向对比出不同因素对试样表面电荷积累和消散的情况的影响及试样陷阱能级分布情况。

如图3所示，为12kv交流电压与不同幅值的负脉冲联合作用下的表面电位消散曲线和tdv/dt曲线，可以详细地表示环氧树脂的陷阱能级分布情况，而不考虑电位消散曲线的实际物理过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。