一种高压直流电缆绝缘层电荷注入量表征方法与流程

本申请属于表面电荷测量技术领域，具体涉及一种高压直流电缆绝缘层电荷注入量表征方法。

背景技术：

高压直流电缆绝缘系统中的空间电荷积聚严重影响高压直流输电系统的可靠性，也制约着更高电压等级直流设备的发展。绝缘材料空间电荷会导致材料局部电场发生畸变，长时间作用会使材料发生老化，影响其绝缘性能，严重时直接导致材料发生击穿破坏。因此，研究绝缘介质空间电荷注入量的表征方法对于直流绝缘系统中空间电荷效应的机理研究和高电压等级直流绝缘系统的发展具有重要的意义。

现有绝缘材料内部电荷注入或积聚主要采用电声脉冲法(pea)，但pea中半导电层主要用于声阻抗匹配，无法表征半导电层自身向绝缘层的电荷注入。此外，由于电极附近存在感应电荷，无法区分绝缘层表面电荷注入量。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种高压直流电缆绝缘层电荷注入量表征方法，包括：内部空间电荷注入量测量过程和表面电荷注入量测量过程；

所述表面电荷注入量测量过程包括电荷注入过程和衰减测试过程，电荷注入过程可采用极化装置实现，表面电荷注入量测量过程采用衰减测试装置实现；

所述极化装置包括：第一温控箱，设置在第一温控箱中的第一上电极，与第一上电极对应设置的第一下电极，第一上电极和第一下电极与高压直流源相连，还包括第一控制单元，用于设置第一温控箱的内部温度、设置高压直流源加压电压和控制高压直流源的开闭；所述衰减测试装置包括用于放置试样的地电极，与地电极第一位置相对的探头，与探头连接的第二静电计，第二静电计与地电极连接，第二静电计还与第二数据记录装置连接，还包括第三控制单元，用于设置第二静电计的采样间隔；

所述电荷注入过程为：将试样放置在极化装置的第一上电极和第一下电极之间，根据实验需要通过第一控制单元设置实验参数，其中主要包括第一温控箱的内部温度和高压直流源的加压电压，当温度达到设定温度时，通过第一控制单元接通高压直流源对试样进行加压，以注入电荷；

所述衰减测试过程为：电荷注入过程结束后，通过第一控制单元切断高压直流源，并通过第一控制单元设置第一温控箱的内部温度为室温，将试样的温度降至室温；然后在绝缘条件下取出注入电荷的试样，并移入衰减测试装置中，并放置于地电极的第一位置上，接通探头和第二静电计，通过第三控制单元设置第二静电计的采样间隔，第二静电计测得试样表面电位随时间变化的数据，第二数据记录装置读取第二静电计的数据，并根据数据绘制出表面电位衰减曲线。

作为优选，内部空间电荷注入量测量过程包括：极化过程和去极化过程，其中，极化过程采用极化装置实现，去极化过程采用去极化装置实现；

所述极化过程为：将试样放置在极化装置的第一上电极和第一下电极之间，根据实验需要通过第一控制单元设置实验参数，其中主要包括第一温控箱的内部温度和高压直流源的加压电压，当温度达到设定温度时，通过第一控制单元接通高压直流源对试样进行加压，高压直流源的加压电压为设定值；

所述去极化过程为：极化过程结束后，通过第一控制单元切断高压直流源，并通过第一控制单元设置第一温控箱的内部温度为室温，将试样的温度降至室温；然后在绝缘条件下取出试样，放入去极化装置中进行去极化过程。

作为优选，所述去极化过程可采用热刺激电流测试系统，所述去极化过程为：

极化过程结束后，通过第一控制单元切断高压直流源，并通过第一控制单元设置第一温控箱的内部温度为室温，将试样的温度降至室温；然后在绝缘条件下取出试样，放入去极化装置第二上电极和第二下电极之间，通过第二控制单元设置第一静电计采样间隔、第二温控箱的升温区间和升温速率，并用第一静电计间隔采集升温过程中的电流数据，第一数据记录装置读取并存储电流数据，进而得到热刺激去极化电流，再通过积分运算得到内部空间电荷注入量。

作为优选，所述表面电荷注入量测量过程的电荷注入过程和衰减测试过程在集成装置中完成；所述集成装置包括衰减测试装置，还包括：第三温控箱，衰减测试装置设于第三温控箱内；与地电极的第二位置对应设置的栅电极，与栅电极对应设置从而为栅电极加压的针电极，与针电极和地电极相连的高压直流源；其中衰减测试装置的第三控制单元同时用于设置第三温控箱的内部温度、高压直流源的加压电压和控制高压直流源开闭；

所述电荷注入过程为：将试样放置在地电极上的第二位置，调节针电极、栅电极与地电极的间距，通过第三控制单元设置第三温控箱的内部温度和高压直流源的加压电压，并通过第三控制单元接通高压直流源，使得针电极通过栅电极向试样加压，完成电荷注入过程；

所述衰减测试过程为：通过第三控制单元切断高压直流源，并通过第三控制单元设置第三温控箱的内部温度为室温，将试样的温度降至室温；然后将注入电荷的试样移入地电极的第一位置，接通探头和第二静电计，通过第三控制单元设置第二静电计的采样间隔，通过第二静电计测得试样表面电位随时间变化的数据，第二数据记录装置读取第二静电计的数据，并根据数据绘制出表面电位衰减曲线。

作为优选，极化过程和电荷注入过程中，所述预定的温度的选取范围为-50℃至160℃，和/或，所述预定的电场的加压电压范围为1kv/mm-80kv/mm。

作为优选，所述极化过程也可以在所述集成装置中进行；具体地，将试样放置在地电极和栅电极之间，调节第三温控箱的内部温度，当温度达到设定温度时，接通高压直流源对试样进行加压，高压直流源的加压电压为设定值。

作为优选，所述去极化过程在热刺激电流测试系统中进行；具体地，将试样放置在热刺激电流测试系统的第二上电极和第二下电极之间，根据实验需要通过第二控制单元设置实验参数，其中主要包括第二温控箱的升温区间和升温速率，以及第一静电计的采样间隔；测试中，通过第二控制单元将开关s1接通，使试样表面泄漏电流释放；然后将开关s2接通，对试样进行去极化处理；当第二温控箱在第二控制单元的控制下开始自动调节温度后，通过第一静电计采集升温过程中的电流数据，并通过第二控制单元进行数据的采集和显示，得到热刺激去极化电流；进一步地，通过积分运算得到试样内部空间电荷注入量。

作为优选，所述极化过程中在相同的条件下处理两个相同的试样，即第一试样和第二试样；

极化过程和电荷注入过程：将第一试样和第二试样放入极化装置的第一上电极和第一下电极之间，调节第一温控箱的内部温度为t1，当温度达到设定温度时，接通高压直流源对试样加压，进行极化和注入电荷，加压时间为t1，高压直流源的加压电压为e1；

去极化过程：待试样冷却至室温，将第一试样移入热刺激电流测试系统的第二上电极和第二下电极之间进行测试，调节第二温控箱的升温区间和升温速率，获得热刺激去极化电流，通过积分运算得到内部空间电荷注入量q1；

衰减测试过程：将完成电荷注入的第二试样冷却至室温，移入衰减测试装置中，放置于地电极上与探头相对的第一位置；接通探头、静电计与地电极，从而测得试样的表面电位衰减曲线；进一步地，通过积分运算得到试样表面电荷注入量q2。

作为优选，所述极化过程中在相同的条件下处理两个相同的试样，即第三试样和第四试样；

极化过程：将第三试样和第四试样放入集成装置的地电极上与栅电极相对的第二位置，调节集成装置的第三温控箱的内部温度为t2，当温度达到设定温度时，接通高压直流源对试样进行加压，加压时间为t2，高压直流源的加压电压为e2；

去极化过程：待试样冷却至室温，将第三试样移入热刺激电流测试系统的第二上电极和第二下电极之间进行测试，调节第二温控箱的升温区间和升温速率，获得热刺激去极化电流，通过积分运算得到内部空间电荷注入量q1’；

衰减测试过程：将集成装置中完成电荷注入的第四试样冷却至室温，并将第四试样移至地电极上与探头相对的第一位置，接通探头、静电计与地电极，从而测得试样的表面电位衰减曲线；进一步地，通过积分运算得到试样表面电荷注入量q2’。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

1、本申请提供的高压直流电缆绝缘层电荷注入量表征方法，通过内部空间电荷注入量测量过程和表面电荷注入量测量过程，经高压直流电源极化和注入电荷处理的试样，可以分别测量出绝缘层内部和表面积聚电荷，从而表征金属/半导电层向绝缘层电荷注入量。

2、内部空间电荷注入量测量过程和表面电荷注入量测量过程可同步进行，简化了电荷注入量表征的方法。

附图说明

图1是极化装置的结构示意图；

图2是热刺激电流测试系统的结构示意图；

图3是衰减测试装置的结构示意图；

图4是集成装置的结构示意图；

图中：1极化装置，11第一温控箱，12第一上电极，13第一下电极，14高压直流源，15第一控制单元，16试样；

2热刺激电流测试系统，21第二温控箱，22第二上电极，23第二下电极，24第一静电计，25第一数据记录装置，26第二控制单元；

3衰减测试装置，31地电极，32探头，33第二静电计，34第二数据记录装置，35第三控制单元；

4集成装置，41第三温控箱，42栅电极，43针电极。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本申请的技术方案进行详实的阐述，然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

本申请提供一种高压直流电缆绝缘层电荷注入量表征方法，包括：内部空间电荷注入量测量过程和表面电荷注入量测量过程；

其中，内部空间电荷注入量测量过程包括：极化过程和去极化过程，其中，极化过程采用极化装置1实现，去极化过程采用去极化装置1实现。极化装置1的结构如图1所示，包括：第一温控箱11，设置在第一温控箱11中的第一上电极12，与第一上电极12对应设置的第一下电极13，第一上电极12和第一下电极13与高压直流源14相连，还包括第一控制单元15，用于设置第一温控箱11的内部温度、设置高压直流源14加压电压和控制高压直流源14的开闭。如图2所示，去极化装置1可选择热刺激电流测试系统2。热刺激电流测试系统2包括第二温控箱21，第二温控箱21内设置第二上电极22和第二下电极23，第二上电极22和第二下电极23连接至第一静电计24，第一静电计24连接至第一数据记录装置25，还包括第二控制单元26，用于设置第二温控箱21的内部温度和第一静电计24采样间隔。第一数据记录装置25与第二控制单元26可以集成化设计。

极化过程具体为：将试样16放置在极化装置1的第一上电极12和第一下电极13之间，根据实验需要通过第一控制单元15设置实验参数，其中主要包括第一温控箱11的内部温度和高压直流源14的加压电压，当温度达到设定温度时，通过第一控制单元15接通高压直流源14对试样16进行加压。

去极化过程具体为：极化过程结束后，通过第一控制单元15切断高压直流源14，并通过第一控制单元15设置第一温控箱11的内部温度为室温，将试样16的温度降至室温；然后在绝缘条件下取出试样16，放入去极化装置1第二上电极22和第二下电极23之间，通过第二控制单元26设置第一静电计24采样间隔、第二温控箱21的升温区间和升温速率，并用第一静电计24间隔采集升温过程中的电流数据，第一数据记录装置25读取并存储电流数据，进而得到热刺激去极化电流，再通过积分运算得到内部空间电荷注入量。

表面电荷注入量测量过程包括电荷注入过程和衰减测试过程，电荷注入过程可采用极化装置1实现，表面电荷注入量测量过程采用衰减测试装置3实现。衰减测试装置3的结构如图3所示，包括用于放置试样16的地电极31，与地电极31第一位置相对的探头32，与探头32连接的第二静电计33，第二静电计33与地电极31连接，第二静电计33还与第二数据记录装置34连接，还包括第三控制单元35，用于设置第二静电计33的采样间隔。第二数据记录装置34和第三控制单元35可作集成化设计。

电荷注入过程具体为：将试样16放置在极化装置1的第一上电极12和第一下电极13之间，根据实验需要通过第一控制单元15设置实验参数，其中主要包括第一温控箱11的内部温度和高压直流源14的加压电压，当温度达到设定温度时，通过第一控制单元15接通高压直流源14对试样16进行加压，以注入电荷。

衰减测试过程具体为：电荷注入过程结束后，通过第一控制单元15切断高压直流源14，并通过第一控制单元15设置第一温控箱11的内部温度为室温，将试样16的温度降至室温；然后在绝缘条件下取出注入电荷的试样16，并移入衰减测试装置3中，并放置于地电极31的第一位置上，接通探头32和第二静电计33，通过第三控制单元35设置第二静电计33的采样间隔，第二静电计33测得试样16表面电位随时间变化的数据，第二数据记录装置34读取第二静电计33的数据，并根据数据绘制出表面电位衰减曲线。

可选地，表面电荷注入量测量过程的电荷注入过程和衰减测试过程在集成装置4中完成，如图4所示，集成装置4包括衰减测试装置3，还包括：

第三温控箱41，衰减测试装置3设于第三温控箱41内；

与地电极31的第二位置对应设置的栅电极42，与栅电极42对应设置从而为栅电极42加压的针电极43，与针电极43和地电极31相连的高压直流源；

其中衰减测试装置3的第三控制单元35同时用于设置第三温控箱41的内部温度、高压直流源的加压电压和控制高压直流源开闭；

采用集成装置4进行表面电荷注入量测量过程具体为：将试样16放置在地电极31上的第二位置，调节针电极43、栅电极42与地电极31的间距，通过第三控制单元35设置第三温控箱41的内部温度和高压直流源的加压电压，并通过第三控制单元35接通高压直流源，使得针电极43通过栅电极42向试样16加压，完成电荷注入过程；通过第三控制单元35切断高压直流源，并通过第三控制单元35设置第三温控箱41的内部温度为室温，将试样16的温度降至室温；然后将注入电荷的试样16移入地电极31的第一位置，接通探头32和第二静电计33，通过第三控制单元35设置第二静电计33的采样间隔，通过第二静电计33测得试样16表面电位随时间变化的数据，第二数据记录装置34读取第二静电计33的数据，并根据数据绘制出表面电位衰减曲线。

为了便于操作集成装置4，实现试样16位置的转移，集成装置4内部可设置与试样16匹配的转动机构，用于转移试样16；也可以设置与栅电极42和探头32匹配的升降机构，用于调节探头32、栅电极42与地电极31件的距离。转动机构和升降机构可以与第三控制单元35连接，以通过第三控制单元35控制转动机构的转动和升降机构的升降。

可选地，极化过程中，所述预定的温度的选取范围为-50℃至160℃，和/或，所述预定的电场的选取范围为1kv/mm-80kv/mm。

极化过程也可以在集成装置4中进行。具体地，将试样16放置在地电极31和栅电极42之间，调节第三温控箱41的内部温度，当温度达到设定温度时，接通高压直流源对试样16进行加压，高压直流源的加压电压为设定值。

去极化过程在热刺激电流测试系统2中进行；具体地，将试样16放置在热刺激电流测试系统2的第二上电极22和第二下电极23之间，根据实验需要通过第二控制单元26设置实验参数，其中主要包括第二温控箱21的升温区间和升温速率，以及第一静电计24的采样间隔；测试中，通过第二控制单元26将开关s1接通，使试样16表面泄漏电流释放；然后将开关s2接通，对试样16进行去极化处理；当第二温控箱21在第二控制单元26的控制下开始自动调节温度后，通过第一静电计24采集升温过程中的电流数据，并通过第二控制单元26进行数据的采集和显示，得到热刺激去极化电流；进一步地，通过积分运算得到试样16内部空间电荷注入量。

实施例一

目标：加压温度为t1、加压电压为e1条件下，两个相同的第一试样和第二试样，加压t1后的内部空间电荷注入量和表面电荷注入量。

极化过程：将第一试样和第二试样放入极化装置1的第一上电极12和第一下电极13之间，调节第一温控箱11的内部温度为t1，当温度达到设定温度时，接通高压直流源14对试样加压，进行极化和注入电荷，加压时间为t1，高压直流源14的加压电压为e1。

去极化过程：待试样冷却至室温，将第一试样移入热刺激电流测试系统2的第二上电极22和第二下电极23之间进行测试，调节第二温控箱21的升温区间和升温速率，获得热刺激去极化电流，通过积分运算得到内部空间电荷注入量q1；

衰减测试过程：将完成电荷注入的第二试样冷却至室温，移入衰减测试装置3中，放置于地电极31上与探头32相对的第一位置；接通探头32、静电计与地电极31，从而测得试样的表面电位衰减曲线；进一步地，通过积分运算得到试样表面电荷注入量q2。

实施例二

目标：加压温度为t2、加压电压为e2条件下，两个相同的第三试样和第四试样，加压t2后的内部空间电荷注入量和表面电荷注入量。

极化过程：将第三试样和第四试样放入集成装置4的地电极31上与栅电极42相对的第二位置，调节集成装置4的第三温控箱41的内部温度为t2，当温度达到设定温度时，接通高压直流源14对试样进行加压，加压时间为t2，高压直流源14的加压电压为e2。

去极化过程：待试样冷却至室温，将第三试样移入热刺激电流测试系统2的第二上电极22和第二下电极23之间进行测试，调节第二温控箱21的升温区间和升温速率，获得热刺激去极化电流，通过积分运算得到内部空间电荷注入量q1’；

衰减测试过程：将集成装置4中完成电荷注入的第四试样冷却至室温，并将第四试样移至地电极31上与探头32相对的第一位置，接通探头32、静电计与地电极31，从而测得试样的表面电位衰减曲线；进一步地，通过积分运算得到试样表面电荷注入量q2’。