電壓放大器在空間電荷測量系統(tǒng)中的應用

實驗名稱：空間電荷測量系統(tǒng)

測試設(shè)備：電壓放大器、電極系統(tǒng)、函數(shù)發(fā)生器、高壓高頻脈沖源、示波器、計算機等。

實驗過程：

圖1：空間電荷測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文在室溫環(huán)境下進行了油紙絕緣空間電荷的測量，其中試樣內(nèi)部空間電荷的檢測機理采用PEA電聲脈沖法，交變電場下不同相位的空間電荷檢測基于AEPS自動均分移相原理，測量系統(tǒng)的簡化示意圖如圖1所示。

電壓放大器可提供交變電場或直流電場，脈沖源提供檢測脈沖激勵，交變電場或直流電場和脈沖電場共同耦合在待測試樣上；電極系統(tǒng)中，上電極為半導體電極，以乙烯-醋酸乙烯共聚物和導電炭黑的共混物為材料，厚度為1.8mm，體積電阻率小于100Ω?m，下電極則為鋁電極。

圖2：無極化電場下不同脈沖激勵引起的空間電荷響應

在空間電荷測量中，被測試樣在不同外加極化電場下的空間電荷響應是人們所關(guān)注的，而作為激勵源的脈沖電場若是過高則會給空間電荷響應造成明顯的影響，引入不必要的誤差。以一片厚度為270μm的油浸絕緣紙試樣為例，在不施加任何外加極化電場的情況下，分別在試樣上施加180V和500V的脈沖電壓，得到的空間電荷響應如圖2所示。

圖3：直流電場為2kV/mm、脈沖電壓值為180V時加壓瞬間的空間電荷響應

在下電極235μm的位置處，脈沖電壓值為180V時幾乎觀測不到電荷峰，而脈沖電壓值為500V時能觀測到峰值為-0.002V的電荷峰；在上電極505μm的位置處，由于在油浸絕緣紙中聲波信號的傳播有嚴重的色散與衰減現(xiàn)象，在兩種脈沖電壓值下都觀測不到明顯的電荷峰。脈沖電場導致的電荷峰值雖然不大，但是在低場強下卻會帶來不可忽略的影響。如圖3所示，為油浸絕緣紙在直流電場2kV/mm、脈沖電壓值為180V時加壓瞬間的空間電荷響應，其在下電極位置處的電荷峰峰值為-0.01V，若采用電壓值為500V的脈沖激勵，脈沖電場引起的電荷峰將使該峰值增大20%，嚴重影響對低場強下空間電荷響應的分析。

在本文中，用于空間電荷測量實驗的油浸絕緣紙樣品有未經(jīng)老化的樣品、熱老化120℃條件下老化48h與96h的樣品（下文分別簡稱為熱老化48h與熱老化96h）。實驗過程中，將待測樣品浸泡在對應老化條件的絕緣油中進行空間電荷測量，脈沖頻率均為2010Hz，并選取脈沖電壓值為180V。

1）直流電場

測量時極化場強按0.5kV/mm，1kV/mm，3kV/mm，5kV/mm，7kV/mm，10kV/mm，15kV/mm，20kV/mm，30kV/mm以及40kV/mm逐級升高，且在每個電場極化3600s進行相對應的1800s短路測量。在極化與短路的過程中，均每隔3s測量一次空間電荷響應波形，示波器平均次數(shù)設(shè)為4000次。

2）工頻交流電場

測量時極化場強的設(shè)置與直流電場類似，按0.5kV/mm，1kV/mm，3kV/mm，5kV/mm，7kV/mm，10kV/mm，15kV/mm，20kV/mm，30kV/mm以及40kV/mm逐級升高，且在每個電場極化3600s進行相對應的1800s短路測量。在極化與短路的過程中，利用高性能示波器的快速抓取功能進行數(shù)據(jù)保存，設(shè)置抓取數(shù)為4020次，由于示波器保存數(shù)據(jù)需要一定時間，故每隔10min測量一次空間電荷響應波形及對應的瞬間電壓信號。保存后的數(shù)據(jù)通過離線方式轉(zhuǎn)移到計算機后，基于AEPS原理進行相位識別，得到各相位下的空間電荷響應波形。

實驗結(jié)果：

與工頻交流極化電場的情況類似，在每個電場值極化3600s進行相對應的1800s短路測量。在極化與短路的過程中，利用高性能示波器的快速抓取功能進行數(shù)據(jù)保存，設(shè)置抓取數(shù)為4020次，每隔10min測量一次空間電荷響應波形及對應的瞬間電壓信號。保存后的數(shù)據(jù)通過離線方式轉(zhuǎn)移到計算機后，基于AEPS原理進行相位識別，得到各相位下的空間電荷響應波形。

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審核編輯 黃宇