一種絕緣子表面電荷在線測量探頭及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種絕緣子表面電荷在線測量探頭及其測量方法，所述探頭包括SMA接頭、屏蔽件、同軸電纜和靜電計；所述SMA接頭通過屏蔽件與同軸電纜相連接；所述同軸電纜連接靜電計。所述方法包括：（1）探頭安裝與被測電荷形成電容C2；（2）調(diào)節(jié)輸入電壓U1并記錄輸出U2；（3）記錄U1及U2變化關(guān)系曲線；（4）通過C1為113pF，由公式計算出C2；（5）由C2根據(jù)電容計算公式計算出電容等效面積A；（6）通過公式S=C1/A，計算出靈敏度S；（7）通過公式σ＝SU2計算出電荷密度。通過本發(fā)明測量絕緣子表面電荷的方法可以有效評估GIS的安全狀態(tài)，對GIS安全運行至關(guān)重要。
【專利說明】一種絕緣子表面電荷在線測量探頭及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種帶電檢測器件，具體講涉及一種絕緣子表面電荷在線測量探頭及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線管、高功率速調(diào)管、中子束二極管、脈沖功率開關(guān)、粒子加速器等眾多高功率器件和大型尖端設(shè)備上的絕緣子一般再在真空環(huán)境中使用，絕緣子的沿面閃絡導致產(chǎn)品發(fā)生損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，而真空中絕緣子的沿面閃絡現(xiàn)象又制約了上述器件和設(shè)備的電氣絕緣性能，所以由于現(xiàn)有技術(shù)電磁干擾及真空密封等原因，在線測量真空中絕緣子的帶電情況仍不準確。本發(fā)明人經(jīng)長期觀察、研究發(fā)現(xiàn)，由于以上原因需要一種方便、準確實時監(jiān)測絕緣子中電荷分布情況的設(shè)備和方法以判斷絕緣子沿面閃絡現(xiàn)象的發(fā)生和確保上述產(chǎn)品安全運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種絕緣子表面電荷在線測量探頭及其測量方法，由于X射線管、高功率速調(diào)管、中子束二極管、脈沖功率開關(guān)、粒子加速器等眾多高功率器件和大型尖端設(shè)備上的絕緣子都應用在真空中，而真空中絕緣子的沿面閃絡現(xiàn)象制約了上述器件和設(shè)備的電氣絕緣性能。因此真空中絕緣子的表面電荷分布受到了高度關(guān)注，目前研究中不少學者提出，絕緣子沿面閃絡現(xiàn)象與其表面表面電荷特性有關(guān)。以往產(chǎn)品中在線測量系統(tǒng)，它只能測量空氣中絕緣子表面帶電情況，而不能在真空中直接測量絕緣子表面電荷，否則就會影響真空度導致測量結(jié)果誤差很大。本發(fā)明創(chuàng)造目的就是研究發(fā)明一種在真空中直接測量絕緣子表面電荷探頭，并且測量準確度很高，從而能更方便的研究絕緣子沿面閃絡特性。
[0004]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其改進之處在于，所述探頭包括SMA接頭、屏蔽件、同軸電纜和靜電計；
[0006]所述SMA接頭通過屏蔽件與同軸電纜相連接；
[0007]所述屏蔽件包括圓桶型不銹鋼板和方形不銹鋼板；
[0008]所述屏蔽件間通過鑲嵌連接和螺紋孔固定連接；
[0009]所述同軸電纜連接靜電計。
[0010]優(yōu)選的，所述SMA接頭位于所述屏蔽件上且一側(cè)設(shè)置有固定件；所述SMA接頭與同軸電纜與帶電電容構(gòu)成回路。
[0011]優(yōu)選的，所述SMA接頭為天線接頭，其包括內(nèi)部有螺紋的，帶觸點的SMA反級性公頭。
[0012]優(yōu)選的，所述屏蔽件采用不銹鋼加工后制成，加工精確至1mm。
[0013]優(yōu)選的，所述同軸電纜采用型號為RG-58A/U，直徑為5毫米，特征阻抗為50歐姆的細同軸電纜。
[0014]優(yōu)選的，所述同軸電纜一頭焊接BNC連接器插頭與靜電計連接，另一頭焊接SMA接頭。
[0015]優(yōu)選的，所述靜電計電壓測量的量程范圍為2V~200V，分辨率為IOyV~10 X 10 μ V，可測電流為 I X 10-16Α ~IXIO-15Ao
[0016]優(yōu)選的，所述SMA接頭與被測帶電電容構(gòu)成分壓器的高壓電容C2;由同軸電纜傳輸電壓信號及與靜電計構(gòu)成低壓側(cè)電容C1 ;被測帶電等效為已充電電容c3。
[0017]本發(fā)明基于另一目的提供的一種絕緣子表面電荷在線測量方法，其改進之處在于，所述方法包括:
[0018](I)探頭安裝與被測電荷形成電容C2 ；
[0019](2)調(diào)節(jié)輸入電壓U1并記錄輸出U2 ;
[0020](3)記錄U1及U2變化關(guān)系曲線；
[0021](4)通過 C1S 113pF，由公式U2 = (.^ A 計算出 C2 ；
[0022](5)由C2根據(jù)電容計算公式計算出電容等效面積A ；
[0023](6 )通過公式S=C1ZA,計算出靈敏度S ；
[0024](7)通過公式σ = SU2計算出電荷密度。
[0025]優(yōu)選的，所述方法中C1為靜電探頭及測試線路的入口電容之和；C2為靜電探頭感應面與被測表面電荷之間的等效電容；C3為絕緣子表面相對于地的等效電容辦為絕緣子表面的電壓；U2為探頭的測量電壓。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為:
[0027]在工程應用領(lǐng)域，尤其在高壓直流GIS運行中，盆式絕緣子上表面電荷積聚和導電顆粒存在會改變絕緣子表面電場分布，導致沿面閃絡現(xiàn)象發(fā)生，嚴重危害GIS的安全運行，通過本發(fā)明測量絕緣子表面電荷的方法可以有效評估GIS的安全狀態(tài)，對GIS安全運行
至關(guān)重要。
[0028]國外常增大探頭身電容。但電容增大后，等量的靜電荷產(chǎn)生的電壓輸出就會變小，即電容探頭的分辨率降低。而且探頭的輸出電壓減小使前置運放偏置電流引起的電壓輸出對測試結(jié)果的影響變得非常大，甚至使測量無法進行。本發(fā)明探頭:1、感應探頭與屏蔽罩之間的沿面泄漏距離大，且可按需要調(diào)整；2、與感應探頭相接觸的大部分為空氣，可減小電容探頭自身的電容，提高電容探頭的分辨率，且可由沿面泄漏電阻的增大補償電容減小引起的放電時間常數(shù)變小；3、結(jié)構(gòu)緊湊，屏蔽性能好，而且容易拆卸和探頭的安裝，并且根據(jù)測量的需要可以使用不同直徑的線規(guī)來測量。
[0029]為保證靜電電荷探頭測量系統(tǒng)的特性以及防止靜電電荷探頭端部與被測表面之間發(fā)生靜電擊穿事故，本發(fā)明采用了以下方式對測量系統(tǒng)進行了校驗。用一個金屬導體代替被測表面，使金屬導體帶上不同大小的直流電壓(U1),將靜電電荷探頭定位在距離金屬導體表面一定距離處，用靜電計測量靜電電荷測量系統(tǒng)的輸出電壓。通過比較在不同直流電壓情況下探頭輸出電壓的大小，就可以得到測量系統(tǒng)的實際測量靈敏度以及線性特性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0030]圖1為本發(fā)明提供的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明提供的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明提供的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭等效電路圖。
[0033]圖4為本發(fā)明提供的一種絕緣子表面電荷在線測量所測的靜電電荷測量系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0035]本發(fā)明采用靜電容探頭法，靜電探頭無需振動裝置，所以整個探頭結(jié)構(gòu)簡單，可以探測一些因絕緣子表面形狀復雜而無法使用動電容探頭的場合。
[0036]如圖1所示，為本發(fā)明電容探頭的基本結(jié)構(gòu)，I為SM接頭，2~5為屏蔽件，6為同軸電纜。
[0037]具體部件介紹:
[0038]1)采用標準SMA(Sub-Miniature-A)接頭，這種接頭一般在電路中用于輸入和輸出信號，同時也是一種典型的微波高頻連接器，其使用最高頻率是18GHz，本發(fā)明中使用的是SMA反級性公頭，就是天線接頭，是內(nèi)部有螺紋的，里面是觸點(截面積為0.42平方毫米)，它與被試電荷形成電容C2,便于測量。
[0039]2)屏蔽件:圖1中2-5為屏蔽件，采用不銹鋼加工后制成，加工精確到1mm，部件5為一圓桶型不銹鋼，圖1中5與部件4通過螺紋孔固定連接，起到固定屏蔽同軸電纜作用；部件4為一方形不銹鋼板，其右面有槽與部件3鑲嵌連接；部件3為一圓桶型不銹鋼，固定與部件4槽內(nèi)；部件2為上部開螺紋孔的圓桶型不銹鋼，使得SMA可以順利通過連接。
[0040]3)同軸電纜:由于本套裝置體積比較小，如果用比較粗的同軸電纜的話，很難在內(nèi)部空間彎曲，所以采用型號為RG-58A/U，直徑為5毫米，特征阻抗為50歐姆的細同軸電纜，電纜的中心導體的電阻與屏蔽層的電阻之和不超過10毫歐/米(在20°C下測量)。同軸電纜一頭焊接BNC連接器插頭與靜電計連接，另一頭焊接SM接頭，起到傳輸電壓信號的作用:安裝在細纜段的兩端。
[0041]4)靜電計:為了保證測量儀器的輸入阻抗足夠高，輸出電壓測量儀器選用美國Keithley公司的6514型靜電計。該儀器測量電壓時的輸入阻抗大于2 X 1O14 Ω，電壓測量的量程范圍為2V~200V，，分辨率為1OyV~1OX 10 μ V，最小可測電流為1 X 10-16Α~1 X KT15A。
[0042]本發(fā)明的測量方法具體可通過如下實現(xiàn):
[0043]1)首先檢查整個裝置各個部件連接是否可靠，檢查SMA探頭是否在合適位置及同軸電纜是否完好。
[0044]2)測試時將SMA探頭移到被測物適當位置。
[0045]3)通過改變試驗電壓U1根據(jù)相關(guān)計算方法即可得出U2,具體計算步驟為:
[0046]1、測量探頭與被測表面電荷構(gòu)成分壓器的高壓電容C2 ；
[0047]2、調(diào)節(jié)輸入電壓U1并記錄輸出U2 ；
[0048]3、計算機記錄U1及U2變化關(guān)系曲線；[0049]4、通過C1為113pF，由公式U2 = g U,計算出C2 ；
[0050]5、由C2根據(jù)電容計算公式計算出電容等效面積A ；
[0051]6、通過公式S=C1A,計算出靈敏度S ;
[0052]7、通過公式σ = SU2計算出電荷密度。
[0053]其中，SMA接頭通過屏蔽件與同軸電纜相連，屏蔽件通過緊固件達到屏蔽作用，同軸電纜連接靜電計，將輸出電壓可傳到靜電計方便讀數(shù)。SMA接頭與同軸電纜與帶電電容構(gòu)成電回路。
[0054]其中，SMA用于與被測電荷形成電容C2 ;屏蔽件用于達到屏蔽效果，減少外界電磁干擾；同軸電纜用于傳輸電壓信號及與靜電計形成電容C1 ;靜電計用于與同軸電纜形成電容仏及測量輸出電壓信號。
[0055]本發(fā)明實際測量靜電電荷探頭的探針直徑為0.732mm，根據(jù)式.S' = C1/A，本測量系統(tǒng)
的最小可測電荷密度為0.269 μ C/ (m2.mV),空間分辨率小于1.5mm2。
[0056]靜電電荷探頭實際為一電容性分壓器。探頭的端部與被測帶電表面之間的電容構(gòu)成分壓器的高壓電容C2，低壓側(cè)電容C1由測量儀表的輸入電容和引線電容構(gòu)成。被測帶電表面可以等效為一已經(jīng)充電的電容c3。
[0057]如圖2所示，如果C1非常大(μ F數(shù)量級)，則電容探頭電位接近于零，相當于接地，此時靜電容探頭稱為電荷探頭；
[0058]如果C1很小(pF數(shù)量級)，則探頭是懸浮的，此時的電容探頭稱為懸浮電位探頭。
[0059]如圖3所示，圖2中C1為靜電探頭及測試線路的入口電容之和；C2為靜電探頭感應面與被測表面電荷之間的等效電容；C3為絕緣子表面相對于地的等效電容辦是絕緣子表面的電壓；u2是探頭的測量電壓。由等效電路圖可得。
[0060]其中A是探頭的面積，由上式可得:
【權(quán)利要求】
1.一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述探頭包括SMA接頭、屏蔽件、同軸電纜和靜電計； 所述SMA接頭通過屏蔽件與同軸電纜相連接； 所述屏蔽件包括圓桶型不銹鋼板和方形不銹鋼板； 所述屏蔽件間通過鑲嵌連接和螺紋孔固定連接； 所述同軸電纜連接靜電計。
2.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述SMA接頭位于所述屏蔽件上且一側(cè)設(shè)置有固定件；所述SMA接頭與同軸電纜與帶電電容構(gòu)成回路。
3.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述SMA接頭為天線接頭，其包括內(nèi)部有螺紋的，帶觸點的SMA反級性公頭。
4.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述屏蔽件采用不銹鋼加工后制成，加工精確至1mm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述同軸電纜采用型號為RG-58A/U，直徑為5毫米，特征阻抗為50歐姆的細同軸電纜。
6.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述同軸電纜一頭焊接BNC連接器插頭與靜電計連接，另一頭焊接SMA接頭。
7.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述靜電計電壓測量的量程范圍為2V~200V，分辨率為1(^￥~10父1(^￥，可測電流為I X 10-16Α~I X KT15A。`
8.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣子表面電荷在線測量探頭，其特征在于，所述SMA接頭與被測帶電電容構(gòu)成分壓器的高壓電容C2 ;由同軸電纜傳輸電壓信號及與靜電計構(gòu)成低壓側(cè)電容C1 ;被測帶電等效為已充電電容c3。
9.一種絕緣子表面電荷在線測量方法，其特征在于，所述方法包括: (1)探頭安裝與被測電荷形成電容C2； (2)調(diào)節(jié)輸入電壓U1并記錄輸出U2； (3)記錄U1及U2變化關(guān)系曲線； (4)通過C1S113pF，由公式~=A計算出C2; (5)由C2根據(jù)電容計算公式計算出電容等效面積A; (6)通過公式S=C1A,計算出靈敏度S； (7)通過公式σ=SU2計算出電荷密度。
10.如權(quán)利要求9所述的一種絕緣子表面電荷在線測量方法，其特征在于，所述方法中C1為靜電探頭及測試線路的入口電容之和；c2為靜電探頭感應面與被測表面電荷之間的等效電容；C3為絕緣子表面相對于地的等效電容辦為絕緣子表面的電壓；u2為探頭的測量電壓。
【文檔編號】G01R29/24GK103837753SQ201410067810
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】成俊奇, 丁立健 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學研究院