本發(fā)明屬于高壓設(shè)備用盆式絕緣子表面電荷測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及對(duì)靜電容探頭標(biāo)度方法的改進(jìn)。

背景技術(shù)：

SF₆金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)內(nèi)部以SF₆氣體作為絕緣介質(zhì)，具有良好的絕緣性能，被越來越廣泛地用于電力系統(tǒng)中。在GIS的連接母線中，盆式絕緣子起著隔離氣室、支撐導(dǎo)體和電氣絕緣等重要作用，但其在長時(shí)間交流或直流運(yùn)行中，表面會(huì)有不同程度的電荷積聚，這些積聚電荷會(huì)畸變空間中的原有電場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)絕緣子沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致GIS設(shè)備故障，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究盆式絕緣子在交直流或沖擊電壓作用下的表面電荷積聚現(xiàn)象，具有重要的工程意義。

在高壓領(lǐng)域，表面電荷的測(cè)量方法主要有粉塵圖法、超聲波法、電容探頭法等，其中電容探頭法分為動(dòng)電容探頭法和靜電容探頭法。靜電容探頭法自20世紀(jì)90年代初開始為一些研究者所采用，是目前國際上表面電荷測(cè)量領(lǐng)域中使用較廣泛的方法。

圖1示出了采用同心圓環(huán)電極標(biāo)度靜電容探頭的一個(gè)實(shí)施例的原理圖。直流電壓源(1)連接在圓環(huán)電極電路板(2)上，靜電容探頭(3)垂直放置在圓環(huán)電極中心上方一定距離處，電位計(jì)(4)與靜電容探頭的輸出端相連以讀取探頭的感應(yīng)電壓值，而電橋(5)用于測(cè)量探頭末端與金屬圓環(huán)之間的電容。

靜電容探頭法的原理如說明書附圖1所示，探頭的結(jié)構(gòu)主要包括：感應(yīng)探針、屏蔽罩、探針與屏蔽罩之間的絕緣支撐。圖中C₁表示探針與絕緣子表面之間的等效電容，C₂表示探頭自身電容與后級(jí)測(cè)量系統(tǒng)入口電容之和，C₃表示絕緣子表面電荷的對(duì)地等效電容。

記探頭正下方絕緣子表面所帶電荷量為Q，電荷Q的對(duì)地電位為U_i，探頭輸出電位為U_o。不考慮電荷泄漏的情況下，式(1)(2)成立：

Q＝σA (1)

其中σ為電荷密度，A為電容探頭正對(duì)的絕緣子表面的等效面積。又因?yàn)椋?/p>

Q＝C_eqU_i (3)

由式(1)～(4)可得輸出電壓U_o與絕緣子表面電荷密度σ的關(guān)系式：

由式(5)可定義標(biāo)度系數(shù)M，M的值由標(biāo)度實(shí)驗(yàn)獲得：

通常情況下由于C2＞＞C1，因此標(biāo)度系數(shù)通過對(duì)電容探頭的標(biāo)度，可以獲得M值，并由此將測(cè)量時(shí)探頭的輸出電壓通過反演計(jì)算轉(zhuǎn)化為絕緣子表面電荷密度。傳統(tǒng)的電容探頭標(biāo)度方法如說明書附圖2所示。其中圖中的1為直流電壓源，2為金屬板電極，3為電容探頭，4為靜電計(jì)；d-探頭與板電極之間的距離。

保持探頭與板電極垂直且距離為d(d常取為2mm～10mm)，探頭連接至靜電計(jì)以讀取輸出電壓值。對(duì)于特定的距離d，對(duì)金屬板電極施加不同幅值的直流電壓，記錄探頭輸出電壓隨施加直流電壓的變化關(guān)系，獲得標(biāo)定曲線。由附圖2及式(6)可得標(biāo)度系數(shù)如式(7)所示：

電容探頭的傳統(tǒng)標(biāo)度法存在以下問題：金屬板電極上的自由電荷分布與實(shí)際絕緣子表面電荷分布有很大不同，探頭的移動(dòng)可能導(dǎo)致金屬板電極上的電荷重新分布，影響標(biāo)度的準(zhǔn)確性。為此，提出一種新型標(biāo)度方法，該方法采用一套同心窄圓環(huán)電極結(jié)構(gòu)，將探頭放置在中心等高位置處分別進(jìn)行標(biāo)度實(shí)驗(yàn)，并將各單環(huán)標(biāo)度結(jié)果疊加，得到最終的標(biāo)度系數(shù)和探頭空間分辨率。該套裝置及方法可以有效解決傳統(tǒng)標(biāo)度方法中探頭位置移動(dòng)導(dǎo)致電荷重新分布的問題，有效提升標(biāo)度的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)前述，在對(duì)盆式絕緣子表面電荷分布進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需對(duì)靜電容探頭進(jìn)行標(biāo)度，確定探頭的標(biāo)度系數(shù)及空間分辨率，而傳統(tǒng)標(biāo)度方法存在固有缺陷。鑒于此，本發(fā)明提供了一種使用同心圓環(huán)形電極分別進(jìn)行標(biāo)度的方法，在不失有效性的前提下，克服目前方法的局限性。

本發(fā)明的一種同心圓環(huán)電極標(biāo)度的方法，包括如下步驟：

S1.將若干塊同心圓環(huán)電極電路板按照?qǐng)A環(huán)直徑標(biāo)號(hào)，自內(nèi)而外分別記為1，2，…，n，n為正整數(shù)，各圓環(huán)半徑記為R₁，R₂，…，R_n，圓環(huán)寬度為Δr；

S2.將第i(i∈{1，2，…，n})塊圓環(huán)電極電路板上的圓環(huán)電極與直流電壓源連接；將靜電容探頭垂直放置在圓環(huán)中心，距離為d；將靜電容探頭的輸出接至電位計(jì)；

S3.使用電橋測(cè)量第i塊圓環(huán)電極電路板上的圓環(huán)電極與距離d的探頭末端之間的電容C_i；

S4.將電橋移除，打開直流電壓源，對(duì)圓環(huán)電極R_i施加不同幅值的直流電壓U_in(i，j)，其中j∈{1，2，…，m}，不同的直流電壓幅值共m個(gè)，m為正整數(shù)；

S5.當(dāng)對(duì)第i塊圓環(huán)電極電路板施加幅值為U_in(j)的直流電壓時(shí)，在電位計(jì)上讀取靜電容探頭在距離d處的感應(yīng)電壓值，記為U_out(i，j)；

S6.切斷直流電壓源，將第i塊圓環(huán)電極電路板更換為第i+1塊圓環(huán)電極電路板，重復(fù)S2～S5；

S7.將靜電容探頭在直流電壓U_in(i，j)下對(duì)應(yīng)的n組感應(yīng)電壓值疊加，得到與U_in(j)對(duì)應(yīng)的U_out(j)；

S8.對(duì)(U_in(j)、U_out(j))進(jìn)行線性回歸擬合，得到直線斜率k；

S9.根據(jù)直線斜率k，得到電容探頭在距離d處的標(biāo)度系數(shù)M；

S10.在距離探頭d處的金屬圓環(huán)電極上施加直流電壓U_in(i，j₀)時(shí)(其中j₀為集合{1，2，…，m}中的任一元素)，得到金屬圓環(huán)上自由電荷密度平均值σ(i)；

S11.將電荷密度σ(i)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)U_out(i，j₀)歸一化，得到單位面電荷在距離d處的響應(yīng)S_norm(i)；

S12.繪制R_i-S_norm(i)關(guān)系圖，找出半峰值對(duì)應(yīng)的金屬圓環(huán)等效半徑R_eqv，作為探頭在距離d下的空間分辨率。

優(yōu)選地，直線斜率k的表達(dá)式為：

優(yōu)選地，所述標(biāo)度系數(shù)M的表達(dá)式為：

優(yōu)選地，所述金屬圓環(huán)上自由電荷密度平均值為：

優(yōu)選地，

本發(fā)明還提供了一種同心圓環(huán)電極標(biāo)度的裝置，所述裝置包括直流電壓源、圓環(huán)電極電路板、靜電容探頭、電位計(jì)、電橋。

可見，根據(jù)本發(fā)明所提供的對(duì)靜電容探頭進(jìn)行標(biāo)度的裝置和方法，可以分別獲得靜電容探頭在各個(gè)單環(huán)電極下的感應(yīng)電壓，將其進(jìn)行疊加，計(jì)算得到標(biāo)度系數(shù)M；將電荷密度歸一化，得到探頭在特定距離下的空間分辨率A_eqv，使靜電容探頭標(biāo)度的準(zhǔn)確性得到顯著提升。

附圖說明

圖1為靜電容探頭法原理示意圖；

圖2為電容探頭傳統(tǒng)標(biāo)度方法示意圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中對(duì)靜電容探頭進(jìn)行標(biāo)定時(shí)采用的一套同心圓環(huán)電極電路板；

圖4為本發(fā)明的同心圓環(huán)電極標(biāo)度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖1-4及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中對(duì)靜電容探頭進(jìn)行標(biāo)定時(shí)采用的一套同心圓環(huán)電極電路板，圖3中：1-電路板；2-圓環(huán)結(jié)構(gòu)電極。圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中靜電容探頭標(biāo)度裝置示意圖，圖4中：1-直流電壓源；2-圓環(huán)電極電路板；3-靜電容探頭；4-電位計(jì)；5-電橋。圖4為本發(fā)明的同心圓環(huán)電極標(biāo)度的裝置示意圖，其中所述裝置包括直流電壓源(1)、同心圓環(huán)電極電路板(2)、靜電容探頭(3)、電位計(jì)(4)、電橋(5)。將靜電探頭等距垂直放置于各圓環(huán)形電極中心處，將直流電壓源接至圓環(huán)電極電路板，將靜電容探頭的輸出接至電位計(jì)，分別對(duì)各金屬圓環(huán)形電極施加一定幅值的直流電壓，并在電位計(jì)上讀取靜電容探頭的感應(yīng)電壓值。直流電壓源的作用是給金屬圓環(huán)電極提供一定幅值的直流電壓；電位計(jì)的作用是輸出顯示靜電容探頭的感應(yīng)電壓值。金屬圓環(huán)電極是刻蝕在電路板上的電極，該電路板也叫做圓環(huán)電極電路板。直流電壓施加于電路板的金屬圓環(huán)電極上。

在一個(gè)實(shí)施例中，公開了一種采用同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)電極對(duì)靜電容探頭進(jìn)行標(biāo)度的裝置和方法。其中，直流電壓源采用天津東文±50kV直流穩(wěn)壓電源；電位計(jì)采用Keithley 617型靜電計(jì)；電橋采用Agilent U1733C手持式LCR電橋；同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)電路板采用PCB板覆銅電極，電極的直徑為1～20mm，中心小圓片電極直徑為1～2mm，外圈各圓環(huán)寬度為1～2mm，各圓環(huán)之間的直徑差為1～2mm。圓環(huán)靜電容探頭與圓環(huán)電極中心的垂直距離為1～10mm，在保持該距離不變的情況下，分別對(duì)各同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)電極施加0～2kV的直流電壓，從而分別獲得在該距離和該幅值直流電壓的情況下靜電容探頭的感應(yīng)電壓值，并進(jìn)行計(jì)算獲得標(biāo)度系數(shù)M及空間分辨率A_eqv。

下面對(duì)本發(fā)明的同心圓環(huán)電極標(biāo)度的方法作詳細(xì)說明，本發(fā)明的同心圓環(huán)電極標(biāo)度的方法包括以下步驟：

S1.將若干塊同心圓環(huán)電極電路板按照?qǐng)A環(huán)直徑標(biāo)號(hào)，自內(nèi)而外分別記為1，2，…，n，n為正整數(shù)，各圓環(huán)半徑記為R₁，R₂，…，R_n，圓環(huán)寬度為Δr。例如當(dāng)有10塊同心圓環(huán)電極電路板時(shí)，n＝10。各圓環(huán)半徑之間的差值可以自定義，實(shí)際可以取0～5mm。

S2.將第i(i∈{1，2，…，n})塊圓環(huán)電極電路板上的圓環(huán)電極與直流電壓源連接；將靜電容探頭垂直放置在圓環(huán)中心，距離為d；將靜電容探頭的輸出接至電位計(jì)。

n是圓環(huán)電極的個(gè)數(shù)，i表示其中的第i個(gè)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，d為1～10mm。

S3.使用電橋測(cè)量第i塊圓環(huán)電極電路板上的圓環(huán)電極與距離d的探頭末端之間的電容，記為C_i。

S4.將電橋移除，打開直流電壓源，對(duì)圓環(huán)電極R_i施加不同幅值的直流電壓U_in(i，j)，其中j∈{1，2，…，m}，不同的直流電壓幅值共m個(gè)，m為正整數(shù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，電壓幅值U_in＝0～2kV，例如，U_in(j)∈A＝{0，0.2，0.4，…，2}kV，其中card(A)＝m＝11。card(A)指的是集合A中元素的個(gè)數(shù)，在此處A中有11個(gè)元素，記為card(A)＝11。

S5.當(dāng)對(duì)第i塊圓環(huán)電極電路板施加幅值為U_in(j)的直流電壓時(shí)，在電位計(jì)上讀取靜電容探頭在距離d處的感應(yīng)電壓值，記為U_out(i，j)。

S6.切斷直流電壓源，將第i塊圓環(huán)電極電路板更換為第i+1塊圓環(huán)電極電路板，重復(fù)S2～S5。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，切斷直流電壓源，將第i塊圓環(huán)電極電路板更換為第i+1塊圓環(huán)電極電路板，重復(fù)S2～S5，直到將n＝10塊電路板全部實(shí)驗(yàn)完畢。

S7.將靜電容探頭在直流電壓U_in(i，j)下對(duì)應(yīng)的n組感應(yīng)電壓值疊加，得到與U_in(j)對(duì)應(yīng)的U_out(j)：

下面對(duì)U_in(i，j)和U_in(j)、U_out(i，j)和U_out(j)之間的關(guān)系進(jìn)行說明：

U_in(i，j)＝U_in(j)，即對(duì)第i個(gè)圓環(huán)施加的直流電壓取值與第幾個(gè)圓環(huán)無關(guān)，對(duì)每個(gè)圓環(huán)都施加相同系列的直流電壓，記為U_in(j)。即輸入電壓U_in(j)對(duì)探頭的作用效果是一系列圓環(huán)的疊加，得到的U_out(j)可以與U_in(j)進(jìn)行線性擬合。

對(duì)于輸入，若采用U_in(i，j)的寫法，是為了與輸出一一對(duì)應(yīng)，因?yàn)閷?duì)于輸出來說，每個(gè)U_out(i，j)可能不一樣；若采用U_in(j)的寫法，是為了與U_out(j)擬合，但U_in(i，j)與U_in(j)本身取值是相同的。

S8.對(duì)(U_in(j)，U_out(j))進(jìn)行線性回歸擬合，得到直線斜率k的表達(dá)式：

S9.電容探頭在距離d處的標(biāo)度系數(shù)M的表達(dá)式為：

S10.在距離探頭d處的金屬圓環(huán)電極上施加直流電壓U_in(i，j₀)時(shí)(其中j₀為集合{1，2，…，m}中的任一元素)，金屬圓環(huán)上自由電荷密度平均值為：

需要說明的是：j₀是指從m個(gè)輸入電壓值中只要選取任意一個(gè)，就可以確定出最終的空間分辨率。此處也可以用j代替，但為了與之前的j區(qū)分，特別采用j₀的寫法。

S11.將電荷密度σ(i)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)U_out(i，j₀)歸一化，得到單位面電荷在距離d處的響應(yīng)：

S12.繪制R_i-S_norm(i)關(guān)系圖，找出半峰值對(duì)應(yīng)的金屬圓環(huán)等效半徑R_eqv，作為探頭在距離d下的空間分辨率。

雖然通過實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本發(fā)明有許多變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神。