电荷测量

2024-07-13

电荷测量（共3篇）

电荷测量篇1

0 引言

近年来,聚合物电介质材料因具有良好的电气性能、化学稳定性和机械特性等,常常用于电气设备的绝缘。然而在高压运行工况中,聚合物材料容易积聚空间电荷,当空间电荷积聚量达到一定程度时,将使材料内部的电场发生畸变、集中加速材料老化,甚至绝缘击穿,威胁电气设备和系统的安全运行[1,2]。因此聚合物材料中的空间电荷检测具有很大的实际意义。

空间电荷检测技术经过近30年的发展,目前主要有压力波扩展法(Pulsed Wave Propagation,简称PWP)、激光调制压力波法(Laser Induced Pressure Pulse,简称LIPP)、电声脉冲法(Pulsed electro-acoustic,简称PEA)等,其中PEA法由T.Takada教授在1983年提出,目前被广泛应用于聚合物空间电荷测量[3,4]。

在使用PEA法测量空间电荷时,需要对试样同时施加高压电场和脉冲电场。每对试样施加一个脉冲激励将得到一个对应的空间电荷信号。单个空间电荷信号的信噪比较低,必须对多个空间电荷信号进行平均处理。对于一般的测试系统,至少进行40次的平均[5]。传统的脉冲源基于水银开关产生窄脉冲,受水银开关物理结构的限制,输出的脉冲最大重复频率仅为数百赫兹,需要采集数秒甚至数十秒内获得的空间电荷信号进行平均得到高信噪比的信号,因此很难测量快速变化的空间电荷。

为克服上述不足,采用MOSFET高压固体开关设计了高压高频脉冲源,该脉冲源能很好的适应电声脉冲法的快速空间电荷测量。

1 空间电荷测试系统概述

PEA法空间电荷测试系统的基本原理如图1所示,绝缘试样置于两个铝电极之间,高压电源通过限流电阻R对试样施加测试所需的高压电场,脉冲源输出半峰宽为纳秒级的脉冲。试样中的空间电荷在脉冲电场下受到库仑力的作用发生轻微位移,产生机械声波在试样中传播。下电极处的PVDF压电传感器接收声波并将其转换为电信号,经过前置放大器放大后输入示波器,保存数据后存入计算机。通过检测到的声波信号强度和传播到达时间判定空间电荷的电荷量和位置[6]。

2 脉冲源原理

脉冲源是PEA法空间电荷测量系统中的重要组成部分,脉冲的半峰宽和传感器厚度共同决定了系统的分辨率,脉冲重复频率决定了系统测量所需的时间[7]。

纳秒级脉冲的形成技术主要有三种:(1)微分电路;(2)峰化电路;(3)单传输线形成窄脉冲。

空间电荷测量用的脉冲源一般利用单传输线产生窄脉冲。单传输线也称之为脉冲形成线,可等效为数量众多的小电容和电感组合后的电路。选用合适的开关和负载,可以产生纳秒级的脉冲[8]。

传统的脉冲源采用水银继电器,其结构如图2所示。受限于水银继电器的机械特性,其最大关断频率在100 Hz左右。无法适用快速变化的空间电荷测量或是任意波形下的空间电测量,故需选用其他类型的开关构建高频脉冲源。

3 高频高压脉冲源的硬件设计

3.1 快速高压固体开关

本文选用德国BEHLKE公司的HTS 50-08-UF快速高压固体开关搭建脉冲源,如图3所示。其由大量MOSFET管串并联构成,MOSFET管具有低阻抗的特点,独立的MOSFET单元能由驱动电路同步控制。该开关的最小关断时间可达1μs。在开关的控制端需要输入一个TTL控制信号和5V的供电电压。

3.2 结构组成

脉冲源主要由直流高压源、固体开关、控制电路、同轴电缆组成。如图4所示,在低压控制端,5 V直流电平用于开关供电。TTL控制信号输入管脚1,控制开关的关断。电容C2和C3用于在脉冲簇模式下供能。在高压端,高压电源经过RC网络接入固体开关HV-IN端,同轴电缆起脉冲形成线的作用,终端并联一匹配电阻,电磁波在形成线中经过折射和反射形成纳秒级窄脉冲。

3.3 开关控制信号

开关控制信号可由555定时器搭建定时器实现,或者直接使用函数发生器。由于在脉冲簇模式下,开关控制信号也需要是脉冲簇形式,555定时器不易实现脉冲簇形式的输出,故采用Tektronix公司的AFG3000系列任意函数发生器。该函数发生器能输出连续的方波,也可输出脉冲簇形式的TTL控制信号。

3.4 供电电路

开关电源可以提供稳定的电压输出,同时实现电气隔离。本文选用单端反激式开关电源为固体开关提供供电,其原理图如图5所示。这种开关电源成本低,输出功率在100 W以下,可以同时输出不同的电压,具有较好的电压调整率适用于相对固定的负载[9]。

3.5 散热

当脉冲源的负载为阻性且输出脉冲的重复频率在100 Hz以内,损耗的功率可由式(1)计算:

其中Rstat为脉冲源内阻,近似于RL,IL为负载电流,t为脉冲周期,T为脉冲宽度。

当脉冲源的负载为容性且输出脉冲的重复频率高于100 Hz,损耗的功率可由式(2)计算:

其中V为直流电压幅值,f为开关动作频率,CL为负载容值。

脉冲源的损耗功率可达数瓦甚至更高,发热较为严重。为保证脉冲源正常运行,需要对脉冲源进行冷却,在脉冲源中设计有散热片和风扇帮助散热。

3.6 杂散电容、电感的影响

由于脉冲源输出的脉冲上升沿、下降沿均为纳秒级,系统中的杂散电容和电感将对其产生很大的影响。本文使用MATLAB对杂散电容、电感进行了仿真分析,图6为理想脉冲源输出后耦合在空间电荷测试试样上的脉冲波形,图7为考虑到杂散电容、电感的影响后的脉冲波形,受杂散电容、电感影响,脉冲波形幅值明显下降,半峰宽大幅上升,这会对空间电荷测量的准确性和分辨率产生很大的影响。为了减少杂散电容、电感的影响,应选用无感器件,在脉冲源机箱中合理布局,减少杂散电容的影响。

4 脉冲源测试

4.1 连续模式

在连续模式下脉冲源可输出重复频率0~3k Hz的窄脉冲,脉冲最大幅值可达2.5 k V。通过调节RC网络参数可以改变输出脉冲半峰宽,其范围在5 ns~380 ns之间,根据需要测量的试样厚度选择脉冲半峰宽,达到最好的测量效果。半峰宽为10 ns时的单个脉冲波形如图8所示。

4.2 脉冲簇模式

如图4所示,固体开关中接入电容C3和C4后可使用脉冲簇模式。在该模式下脉冲源输出脉冲簇,脉冲簇的频率为0~3 k Hz,每个脉冲簇中包含2~100个脉冲,脉冲最小时间间隔为1μs。图9为测得的脉冲簇图像,其中包含30个脉冲,每个脉冲的时间间隔为1μs,脉冲幅值约为620 V,脉冲输出稳定。

5 空间电荷测量应用

本文研制的脉冲源能够很好地应用于空间电荷测量,图10为施加单个脉冲后PEA测试系统得到的空间电荷测量信号。以选取100个波形进行平均为例,脉冲源在连续模式下输出重复频率3 k Hz的脉冲,测量约需33 ms,在脉冲簇模式下最少仅需100μs,而传统的基于水银开关的脉冲源至少需要1 s。借助该脉冲源,可有效地测量变化速度在毫秒级甚至微秒级的空间电荷分布,这使得交流甚至任意波形下的PEA法空间电荷测量成为可能。

6 结束语

本文基于快速高压固体开关,设计研制了一种高频高压脉冲源。经过调试可知脉冲源在连续模式下可输出重复频率最高为3 k Hz的窄脉冲,脉冲宽度在5 ns~380 ns间可调,脉冲幅值最大为2.5 k V;在脉冲簇模式下可输出0~3 k Hz的脉冲簇,脉冲簇包含2~100个脉冲,脉冲最小时间间隔为1μs。该脉冲源适用于PEA法空间电荷测量,可以有效的减少测量所需时间,为快速变化的空间电荷测量提供了硬件基础。

参考文献

[1]SESSLER G M.Charge distribution and transport in polymers[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,1997,4(5):614-628.

[2]FOTHERGILL J C.Space charge in dielectrics:old theories and applications[C].Eighth International Conference on Dielectric Materials,Measurements and Applications,Edinburgh,Scotland,2000.

[3]周远翔,王宁华,王云杉,等.固体电介质空间电荷研究进展[J].电工技术学报,2008,23(9):16-25.

[4]吴建东,尹毅,兰莉,等.纳米复合介质中空间电荷行为的影响[J].中国电机工程学报,2012,32(28):177-183.

[5]TAKADA T.Acoustic and optical methods for measuring electric charge distributions in dielectrics[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,1999,6(5):519-547.

[6]蔡川.高压直流塑料电缆空间电荷测试和分析技术研究[D].上海:上海交通大学,2009.

[7]周凯,吴广宁,刘君,等.基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制[J].仪器仪表学报,2008,29(10):2110-2115.

[8]贝尔.实用脉冲电路[M].黑龙江:黑龙江科学技术出版社,1987.

[9]雷进伟.电声脉冲法测试系统用纳秒脉冲源的研制[D].黑龙江:哈尔滨理工大学,2013.

电荷测量篇2

电荷守恒定律》教学设计比较

第一节

一般思考设计：电荷（两种电荷）三种起电方式电荷守恒定律元电荷及电量等

深层次思考设计：

电荷守恒定律是本节的核心内容；

建立对电荷守恒定律的认识是主要线索；关键是怎样认识“电荷转移，总量不变”；

灵魂是由现象到模型，再到更多现象，再到模型，上升到规律的探究科学方法。

思路：

关于电荷，你知道了哪些？有两种电荷，你是怎么知道的？

正负电荷究竟是什么？种种猜想和解释。

实验发现摩擦后，一个物体带正电，另一个物体就带负电，即失去负电就带正电。于是就有了存在于中性物体中的正负电荷的假说，而且两种电荷是等量的。（用下列器件进行实验演示验证：法拉第静电演示仪——将相互摩擦后的一个物体放入金属筒可看到指针张开，将另一个物体再放入金属筒不与前物体接触，可看到指针归零）直到电子发现和建立了原子核式模型，才搞清楚摩擦起电的电本质——电荷转移，总量不变。在静电中，它是否是一种普遍的规律呢？金属导体间电荷转移及解释；静电感应实验现象及解释； ——归纳：电荷守恒定律。

电荷测量篇3

1 测量装置的基本原理

物理学中的泊松方程的微分形式为▽2=-ρ/ε, 其中ρ代表电荷密度, 它在空间上是一个三维方程。若只考虑x方向的泊松方程, 则有式 (1) 。

图1为测量装置的物理模型, 模型的上、下电极通过侧壁连接, 它们之间的距离为d。设装置里面充满了电荷密度为ρ的电荷, 同时在它的作用下, 在上、下电极上形成电压U0。模型的下电极上装有静电式电场传感器。图1模型中还建立了x轴坐标, 其方向以下电极的表面为起点, 向上电极方向为正。所建立的物理模型在x方向上的电场只与电荷ρ有关, 与外电场无关, 即两端电极上只有装置空间的电荷作用, 与外电场无关。

解方程 (1) 得式 (2) 。

式 (2) 等式的du/dx即为上、下电极间的电场强度。对式 (2) 求解得式电极间的电压表达式 (3) 。

在边界条件x=0, 电压u=U0;x=d, 电压u=U0时, 求得

代入式 (2) 得两端间的电场强度Ex。

通过上面分析, 在x=0处存在空间电荷密度与电极表面的电场强度有直接的线性关系, 即

所以只要通过传感器测量出E0, 就可通过计算求出空间电荷密度ρ。

2 传感器设计

静电传感器的设计原理模型是基本上是在静电场中放置一个导体, 导体表面就会产生感应电荷, 当电场变化时感应电荷也变化, 使导体内部电荷的移动形成微弱电流。根据微弱电流的变化或电荷移动所产生的效应, 就可知电场的变化。但在实际测量中, 传感器所在的静电场中电场基本不变或缓变, 不易测量所处在静电场的变化。

该传感器的设计方法采用静电式场强测量方式, 采用遮挡片遮挡的形式对一个导体的屏蔽和去屏装置, 可以周期性地实现屏蔽和去屏的动态效果, 产生因动态变化感应到的感生电荷。其设计原理如图2所示。旋转叶片和固定叶片都是由金属制作的扇形叶片, 旋转叶片在马达的带动下以屏蔽固定叶片电场的方式达到调制作用。

设固定叶片在面积S上的感应电荷q=D·S=ε·E·S, 在一定的空间电荷密度ρ作用下, 电场E是保持不变的, 所以可通过旋转叶片的调制作用改变S, 从而有式 (5) 。

图3为旋转叶片开始遮断电场线示意图, 有

则面积S有式 (6) 。

将式 (6) 式代入 (5) 式得:

式 (7) 中, f表示电动机的频率。

同理, 当旋转叶片离开固定叶片区域时, 调制出的电流方向相反, 如此反复, 就可得到周期性的方波电流信号, 经采样电阻后又可将电流信号转化为电压信号, 最后经抗干扰和放大处理后即可被CPU采样。图4为传感器的调制机理时序图, 可见正电荷与负电荷相位相反, 通过它即可辨别电荷极性。

3 校正方法的建立

在式 (1.4) 分析中, 上、下电极中间d/2处是没有与x方向垂直的电场。若在电极中间d/2处, 插入一个无厚度的金属片, 如图5所示, 并在金属片与电极间加直流电压Us时, 则在 (0, d/2) 范围内有式 (8) 。

当电压Us所建立的电场强度与等效电荷密度建立的电场强度相等时, 即式 (1.4) 在x=0的电场与式 (9) 相等时, 得式 (10) 。

通过式 (3.3) 可计算出电压Us所等效出的空间电荷密度。

令Us=1k V, d=1cm, 有