本發(fā)明涉及的是一種介質(zhì)物理測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種用于零攝氏度以下固體介質(zhì)空間電荷測(cè)量的電極系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

固體電介質(zhì)材料在電力系統(tǒng)行業(yè)以及航天航空等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如聚合物絕緣電纜由于結(jié)構(gòu)輕便，運(yùn)行溫度高及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于交直流系統(tǒng)的電力傳輸。然而在高壓直流電場(chǎng)下，聚合物非常容易積累空間電荷，從而造成電場(chǎng)畸變，伴隨著的熱電子發(fā)射和電機(jī)械能存貯與釋放等問題會(huì)加速絕緣劣化，大幅減少其使用壽命。因此固體介質(zhì)的空間電荷測(cè)量對(duì)于保障設(shè)備正常運(yùn)行一直是至關(guān)重要的。其次，受空間等離子體、高能電子和太陽輻射等影響，固體介質(zhì)會(huì)在航天器表面積累一定的空間電荷，從而導(dǎo)致表面靜電放電現(xiàn)象。靜電放電會(huì)引起航天器表面材料的擊穿、太陽能電池陣性能的下降，其產(chǎn)生的電磁脈沖干擾會(huì)使敏感電子設(shè)備出現(xiàn)誤操作或者損壞。而太空中溫度變化劇烈，一天中大部分時(shí)間處于-270℃的宇宙背景輻射。隨著大量介質(zhì)材料在航天器上的廣泛應(yīng)用，航天器因材料表面帶電效應(yīng)而發(fā)生故障的概率呈上升趨勢(shì)，因此在極低溫度下對(duì)介質(zhì)的空間電荷進(jìn)行測(cè)量對(duì)我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展具有重要作用。再其次，隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)可能是未來高效率輸電的重點(diǎn)前進(jìn)方向，而超導(dǎo)溫度下聚合物絕緣的空間電荷特性也決定著系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

而現(xiàn)今空間電荷測(cè)試技術(shù)主要覆蓋常溫至90℃的測(cè)量范圍，零攝氏度以下固體介質(zhì)的空間電荷測(cè)量極少見于報(bào)道，并且沒有穩(wěn)定成型的測(cè)量裝置，這對(duì)于上述條件下的空間電荷特性研究造成了相當(dāng)?shù)睦щy。零攝氏度以下空間電荷的測(cè)量技術(shù)需要克服諸多難題，諸如冷凝水可能導(dǎo)致試樣表面的閃絡(luò)，壓電傳感器的溫度耐受性以及溫度的控制等。因此零攝氏度以下空間電荷的測(cè)量裝置的研制對(duì)于上述研究領(lǐng)域具有極為重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)多采用恒溫循環(huán)浴控制溫度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫控精度較低；并且循環(huán)浴使用的介質(zhì)一般為水或者油，有效溫度控制范圍均在零攝氏度以上，無法形成零攝氏度以下的低溫環(huán)境；其電極與大氣直接接觸，當(dāng)測(cè)試溫度為零攝氏度以下時(shí)電極裝置內(nèi)的被測(cè)絕緣材料試樣的沿面閃絡(luò)將不可避免，將無法正常進(jìn)行空間電荷的測(cè)量等等缺陷，提出一種用于零攝氏度以下固體介質(zhì)空間電荷測(cè)量的電極系統(tǒng)，采用真空腔體技術(shù)，液氮與電加熱圈制衡控溫，以及耐極低溫的壓電傳感器進(jìn)行空間電荷測(cè)量，穩(wěn)定可靠。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：上電極模塊、下電極模塊以及分別與之相連的外圍設(shè)備模塊，其中：上電極模塊通過外加的直流高壓源產(chǎn)生空間電荷，脈沖源產(chǎn)生聲脈沖，并通過下電極模塊進(jìn)行空間電荷的測(cè)量；外圍設(shè)備模塊為上電極模塊和下電極模塊提供測(cè)量環(huán)境。

所述的測(cè)量環(huán)境是指：上電極模塊和下電極模塊共同形成內(nèi)部真空的密閉腔體，腔體內(nèi)處于零攝氏度以下的恒定溫度。

所述的上電極模塊包括：耐低溫o型圈、外金屬罩、設(shè)置于金屬罩內(nèi)的上電極和半導(dǎo)電片，其中：耐低溫o型圈沿外金屬罩的底邊設(shè)置，上電極的下表面與半導(dǎo)電片的上表面緊密接觸。

所述的上電極為上圓柱下圓盤結(jié)構(gòu)。

所述的圓柱伸出外金屬罩與外加的脈沖源和直流高壓源相連。

所述的外金屬罩的頂部?jī)?nèi)側(cè)與圓柱的伸出部分之間設(shè)有相配合的上電極絕緣盤。

所述的外金屬罩的側(cè)面設(shè)有真空抽氣管。

所述的下電極模塊包括：熱電偶、寬頻放大器、下電極板、開設(shè)于下電極板下方的液氮環(huán)形通道、位于環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓電傳感器和電加熱圈，其中：壓電傳感器緊貼下電極板的下表面，寬頻放大器與壓電傳感器相連；熱電偶埋設(shè)于下電極板上方，電加熱圈環(huán)繞壓電傳感器設(shè)置，并與壓電傳感器通過下電極板的延伸部分隔開。

所述的液氮環(huán)形通道開設(shè)有液氮入口和液氮出口。

所述的耐低溫o型圈與下電極板緊密接觸。

所述的外金屬罩內(nèi)放置試樣，試樣的上表面與半導(dǎo)電片緊密接觸，下表面與下電極板的上表面緊密接觸。

所述的壓電傳感器位于試樣的正下方。

所述的外圍設(shè)備模塊包括：真空泵、液氮杜瓦罐和溫度控制器。

所述的真空泵與真空抽氣管相連。

所述的液氮杜瓦罐與液氮入口相連。

所述的溫度控制器與設(shè)置與下電極板上且正對(duì)試樣的測(cè)溫?zé)犭娕枷噙B。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用真空腔體技術(shù)，液氮與電加熱圈制衡控溫，以及耐零攝氏度以下的壓電傳感器，實(shí)現(xiàn)零攝氏度以下固體介質(zhì)的空間電荷測(cè)量，克服了冷凝水可能導(dǎo)致的試樣表面的閃絡(luò)以及溫度控制的技術(shù)問題，為低溫空間電荷測(cè)試領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。

附圖說明

圖1為測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1在-40℃下分別施加10、20、30、40、50kv/mm直流電場(chǎng)后的空間電荷分布示意圖；

圖中：1為外金屬罩、2為上電極絕緣盤、3為上電極、4為半導(dǎo)電片、5為試樣、6為耐低溫o型圈、7為真空抽氣管、8為下電極板、9為液氮環(huán)形通道、10為電加熱圈、11為壓電傳感器、12為寬頻放大器、13為液氮入口、14為液氮出口、15為測(cè)溫?zé)犭娕肌?6為真空泵、17為液氮杜瓦罐、18為溫度控制器。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)施例包括：上電極模塊、下電極模塊以及分別與之相連的外圍設(shè)備模塊，其中：上電極模塊通過外加的脈沖源和直流高壓源產(chǎn)生空間電荷，并通過下電極模塊進(jìn)行空間電荷的測(cè)量；外圍設(shè)備模塊為上電極模塊和下電極模塊提供測(cè)量環(huán)境。

所述的測(cè)量環(huán)境是指：上電極模塊和下電極模塊共同形成內(nèi)部真空的密閉腔體，腔體內(nèi)處于零攝氏度以下的恒定溫度。

所述的上電極模塊包括：耐低溫o型圈6、外金屬罩1、設(shè)置于金屬罩內(nèi)的上電極3和半導(dǎo)電片4，其中：耐低溫o型圈6沿外金屬罩1的底邊設(shè)置，上電極3的下表面與半導(dǎo)電片4的上表面緊密接觸。

所述的上電極3為上圓柱下圓盤結(jié)構(gòu)。

所述的圓柱伸出外金屬罩1與外加的脈沖源和直流高壓源相連。

所述的外金屬罩1的頂部?jī)?nèi)側(cè)與圓柱的伸出部分之間設(shè)有相配合的上電極絕緣盤2。

所述的外金屬罩1的側(cè)面設(shè)有真空抽氣管7。

所述的下電極模塊包括：熱電偶、寬頻放大器12、下電極板8、開設(shè)于下電極板8下方的液氮環(huán)形通道9、位于環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓電傳感器11和電加熱圈10，其中：壓電傳感器11緊貼下電極板8的下表面，寬頻放大器12與壓電傳感器11通過同軸信號(hào)線相連，放大壓電傳感器11傳來的微弱的空間電荷信號(hào)并輸出；熱電偶埋設(shè)于下電極板8上方，電加熱圈10環(huán)繞壓電傳感器11設(shè)置，并與壓電傳感器11通過下電極板8的延伸部分隔開。

所述的液氮環(huán)形通道9開設(shè)有液氮入口13和液氮出口14。

所述的耐低溫o型圈6與下電極板8緊密接觸。

所述的外金屬罩1內(nèi)放置試樣5，試樣5的上表面與半導(dǎo)電片4緊密接觸，下表面與下電極板8的上表面緊密接觸。

所述的壓電傳感器11位于試樣5的正下方。

所述的外圍設(shè)備模塊包括：真空泵16、液氮杜瓦罐17和溫度控制器18。

所述的真空泵16與真空抽氣管7相連。

所述的液氮杜瓦罐17具有自增壓功能，并與液氮入口13相連。

所述的溫度控制器18與設(shè)置與下電極板上且正對(duì)試樣的測(cè)溫?zé)犭娕?5相連，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣5的溫度。

所述的外金屬罩1的材料為不銹鋼。

所述的上電極3和下電極板8的材料為鋁。

所述的上電極絕緣盤2的材料為聚四氟乙烯。

所述的壓電傳感器11的材料為鈮酸鋰晶體，能夠耐受零下低溫。

所述的上電極模塊采用真空腔體，避免試樣5表面閃絡(luò)的發(fā)生，并將直流高壓和脈沖激勵(lì)耦合到試樣5上。

所述的試樣5與下電極板8緊密接觸，能夠保證空間電荷引起的振動(dòng)聲波能夠傳遞至壓電傳感器11。

所述的下電極模塊采用鈮酸鋰壓電傳感器11，耐受零下低溫，并使用液氮和電加熱圈10相制衡以控制試樣5溫度。

所述的真空泵16通過真空抽氣管7抽出外金屬罩1內(nèi)空氣，外金屬罩1通過耐低溫o型圈6保證密封，構(gòu)造外金屬罩1內(nèi)的真空狀態(tài)并防止漏氣，避免試樣5附近沿面閃絡(luò)的發(fā)生。

工作時(shí)，本實(shí)施例包括以下步驟：

步驟1、依次放置試樣5和外金屬罩1，通過緊固螺絲施加壓力使試樣5與下電極板8緊密接觸；啟動(dòng)真空泵16，等待3min以使外金屬罩1的內(nèi)部基本處于真空狀態(tài)。

所述的試樣5為商用低密度聚乙烯(ldpe)薄膜，厚度為300μm。

步驟2、打開液氮杜瓦罐17和溫度控制器18，將溫度控制器18的溫度設(shè)置為-40℃，液氮杜瓦罐17與電加熱圈10共同作用，使試樣5的溫度從室溫逐漸穩(wěn)定在-40℃，并等待3min使試樣5溫度徹底穩(wěn)定。

所述的共同作用是指：液氮杜瓦罐17通過液氮入口13向液氮環(huán)形通道9內(nèi)注入液氮對(duì)試樣5降溫，隨后從液氮出口14流出；電加熱圈10通電對(duì)試樣5加熱升溫。

步驟3、接通寬頻放大器12，打開外加的脈沖源激勵(lì)，設(shè)置外加的直流高壓源的輸出依次為3000v、6000v、9000v、12000v和15000v，各采集空間電荷波形10min，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著施加電壓的提高，圖中左半邊表示負(fù)電極感應(yīng)的負(fù)電荷的波谷和右半邊表示正電極感應(yīng)出的正電荷的波峰均增大，并且波峰、波谷的位置沒有明顯移動(dòng)，表明測(cè)量穩(wěn)定；同時(shí)試樣5內(nèi)部有負(fù)極性空間電荷積累，并且積累的量隨著施加電壓的升高而增多，符合理論的預(yù)期，表明測(cè)量的準(zhǔn)確性；本實(shí)施例可準(zhǔn)確檢測(cè)的最低溫度為-196℃。

上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。