高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统.pdf

本发明公开一种高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，所述保护电阻（16）、模型电缆（18）、电容（19）设置在金属屏蔽箱（20）内，直流发生器（11）、高压引线（12）、保护电阻（16）依次顺序连接，高压引线（12）穿过所述金属屏蔽箱（20）的箱壁，所述波导管（14）设置在高压引线（12）入口的箱壁处，所述高压引线（12）中串联去干扰电阻（15）；在去干扰电阻（15）外层包裹自粘性绝缘带后，绕包电缆应力锥（13）；本发明通过在高压引线入口安装波导管、在引线中串联去干扰电阻、使用金属屏蔽箱等措施，能大大地降低外部干扰信号对空间电荷测试系统的影响，并显著提高系统信噪比。

1.  高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，包括直流发生器（11）、高压引线（12）、应力锥（13）、波导管（14）、去干扰电阻（15）、保护电阻（16）、模型电缆（18）、电容（19）、金属屏蔽箱（20）、脉冲激光器（21）、放大器（22）、示波器（23）和均压环（30）；
所述保护电阻（16）、模型电缆（18）、电容（19）设置在金属屏蔽箱（20）内，高压引线（12）穿过所述金属屏蔽箱（20）的箱壁，所述波导管（14）设置在高压引线（12）入口的箱壁处，所述高压引线（12）中串联去干扰电阻（15）；在去干扰电阻（15）外层包裹自粘性绝缘带后，绕包电缆应力锥（13）；直流发生器（11）、高压引线（12）相连接；高压引线（12）与保护电阻（16）之间，保护电阻（16）与模型电缆（18）、电容（19）之间分别通过均压环（30）连接
所述模型电缆（18）包括靠近保护电阻（16）的第一连接端（1801）、中间段（1802）和远离保护电阻（16）的第二连接端（1803），所述第一连接端（1801）和第二连接端（1803）为剥离一定长度外半导电屏蔽层的模型电缆（18）的两端；
所述模型电缆（1）的第一连接端（1801）通过均压环连接电容（19），电容（19）、放大器（22）、示波器（23）依次顺序连接；所述第二连接端（1803）连接均压环（30）后空接；
所述金属屏蔽箱（20）的箱壁上设置有光孔，所述光孔处设置脉冲激光器（21），所述脉冲激光器（21）的发射光能够通过光孔照射在模型电缆（18）的中间段（1802）上。

2.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，所述模型电缆（18）的中间段（1802）通过金属夹具、导线连接接地。

3.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，
所述模型电缆（18）的外半导电屏蔽层厚度均为0.8~1.2mm；
绝缘厚度为2~6 mm；
所述第一连接端（1801）和第二连接端（1803）的剥离长度为300~400 mm；
所述中间段（1802）为60~200 mm。

4.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，
所述电容（19）通过金属屏蔽箱（20）的箱壁上的BNC接头与放大器22相连接。

5.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，
所述去干扰电阻（15）的电阻值为1000Ω~10 MΩ。

6.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，
保护电阻（16）为电阻值为200 MΩ~2 GΩ。

7.  根据权利要求4所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，
所述BNC接头通过双层屏蔽信号线与放大器（22）相连接。

8.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，所述放大器（22）与示波器（23）通过信号线连接。

9.  根据权利要求1所述的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，电容（19）的耐压值150~200 kV，电容0.5~2 nF。

高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统
技术领域
本发明属于模型电缆空间电荷测试技术领域，具体涉及用于模型电缆空间电荷测试的高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统。
背景技术
在直流高电场下，直流电缆面临的主要问题是绝缘介质中或者界面上会积累一定的空间电荷，如果空间电荷密度足够高，局部电场甚至可能超过绝缘介质的击穿电场，导致介质破坏。空间电荷测试技术，包括电声脉冲（pulsed electro-acoustic，PEA）法、压力波（Pressure wave propagation, PWP）法等，有力地推动了空间电荷的研究。目前，用于空间电荷测试的电缆绝缘厚度为2~6 mm，称之为模型电缆，而模型电缆空间电荷测试通常使用的方法为PEA法。
在PEA法测试中，外加高压电脉冲不可能太高，因此测试信号较小。另外，为了获得较准确的电脉冲信号，需采用宽带的PVDF压电薄膜，但这种传感器的灵敏度不高。所以在一般情况下外加单个电脉冲得到的信号是难以进行分析的，通常需要外加数百至数千次电脉冲，然后对所测得的信号进行平均化处理才能得到空间电荷信号。同时，在模型电缆绝缘空间电荷测试过程中，由于信号衰减较大，还需利用软件对基本空间电荷信号进行数据处理，方可用于空间电荷研究。这样，在模型电缆空间电荷测试中，PEA法所测的数据存在一定的随机性，并存在一定的信号失真。另外，受限于PVDF膜的使用温度，在PEA法测试系统的测试温度一般在70℃以下，但是由于研究的需要，经常需要测试模型电缆绝缘在70℃以上的空间电荷性能。这样，在测试温度这一环节上，PEA法存在一定的局限。
发明内容
本发明提出了一种高信噪比压力波法模型电缆空间电荷测试系统，实现PWP法模型电缆空间电荷测试，信号较强，测试信号的真实可靠性，无温度局限性,能够显著提高信噪比，提高测试可靠性。
本发明技术方案如下：
压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，包括直流发生器、高压引线、应力锥、波导管、去干扰电阻、保护电阻、、模型电缆、电容、金属屏蔽箱、脉冲激光器、放大器、示波器和均压环。
保护电阻、模型电缆、电容设置在金属屏蔽箱内，高压引线穿过所述金属屏蔽箱的箱壁，所述波导管设置在高压引线入口的箱壁处，所述高压引线中串联去干扰电阻；在去干扰电阻外层包裹自粘性绝缘带后，绕包电缆应力锥；直流发生器、高压引线相连接；高压引线与保护电阻之间，保护电阻与模型电缆、电容之间分别通过均压环连接。
模型电缆包括靠近保护电阻的第一连接端、中间段和远离保护电阻的第二连接端，所述第一连接端和第二连接端为剥离一定长度外半导电屏蔽层的模型电缆的两端。
模型电缆的第一连接端通过均压环连接电容，电容、放大器、示波器依次顺序连接；第二连接端连接均压环空接。
金属屏蔽箱的箱壁上设置有光孔，光孔处设置脉冲激光器，脉冲激光器的发射光能够通过光孔照射在模型电缆上。
模型电缆的中间段通过金属夹具、导线连接接地。
模型电缆的内、外半导电屏蔽层厚度均为0.8~1.2mm。
绝缘厚度为2~6 mm；
第一连接端和第二连接端的剥离长度为300~400 mm；中间段为60~200 mm。
电容通过金属屏蔽箱的箱壁上的BNC接头与放大器相连接。
去干扰电阻的电阻值为1000Ω~10 MΩ。去干扰电阻远大于高压引线的波阻抗，能大大地降低由高压引线引入的外部干扰信号。
保护电阻为电阻值为200 MΩ~2 GΩ。保护电阻不但能保护放大器和示波器，还能去除直流发生器产生纹波电压对测试信号的干扰。
BNC接头通过双层屏蔽信号线与放大器相连接。
放大器与示波器通过信号线连接。
电容的耐压值150~200 kV，电容0.5~2 nF。电容将直流高压与二次设备（放大器和示波器）隔离，并较好地耦合空间电荷信号。
金属屏蔽箱将保护电阻、电容、模型电缆等进行屏蔽并阻止来自外界的电磁干扰信号。
高压引线与保护电阻之间，保护电阻与模型电缆、电容之间，第二连接端空接处均分别设置有均压环。均压环可将高压均匀分布在组件周围，保证各连接点位置不存在放电现象。
与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：
（1）提供了PWP法模型电缆空间电荷测试系统的具体构造；
（2）通过在高压引线入口安装波导管、在引线中串联去干扰电阻、使用金属屏蔽箱等措施，能大大地降低外部干扰信号对空间电荷测试系统的影响，并显著提高系统信噪比；
(2)PWP法模型电缆空间电荷测试系统信号较强，解决了PEA法模型电缆空间电荷测试系统信号较弱及信噪比较低的问题；
(3)PWP法模型电缆空间电荷测试系统仅需测试一次即能得到稳定的空间电荷信号，解决了PEA法模型电缆空间电荷测试系统需重复几百次甚至上千次的测试而存在的随机性问题，保证了测试信号的真实可靠性；
(4)PWP法模型电缆空间电荷测试系统能用于70℃以上的空间电荷测试，解决了PEA法测试温度在70℃以下的局限性；
(5)利用金属屏蔽箱将电阻、电容、试样进行屏蔽，大大地降低了外界对测试系统的电磁干扰；
(6)高压引线导体串联一电阻，且电阻位于金属屏蔽箱箱壁处，降低了由高压引线引入的外部电磁干扰，提高了系统的信噪比。
附图说明
图1为本发明压力波法模型电缆空间电荷测试系统的结构示意图；
图2为未加波导管和去干扰电阻的干扰信号波形；
图3为加波导管和去干扰电阻的干扰信号波形；
图4为模型电缆的结构示意图；
图5为高压引线、应力锥、波导管、去干扰电阻连接结构细节示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，压力波法模型电缆空间电荷测试系统，其特征在于，包括直流发生器11、高压引线12、应力锥13、波导管14、去干扰电阻15、保护电阻16、、模型电缆18、电容19、金属屏蔽箱20、脉冲激光器21、放大器22、示波器23和均压环30。
如图5所示，保护电阻16、模型电缆18、电容19设置在金属屏蔽箱20内，高压引线12穿过所述金属屏蔽箱20的箱壁，所述波导管14设置在高压引线12入口的箱壁处，所述高压引线12中串联去干扰电阻15；在去干扰电阻15外层包裹自粘性绝缘带后，绕包电缆应力锥13；直流发生器11、高压引线12相连接；高压引线12与保护电阻16之间，保护电阻16与模型电缆18、电容19之间分别通过均压环30连接。
如图4所示，模型电缆18包括靠近保护电阻16的第一连接端1801、中间段1802和远离保护电阻16的第二连接端1803，第一连接端1801和第二连接端1803为剥离一定长度外半导电屏蔽层的模型电缆18的两端。图4中，中间段1803包括外半导电屏蔽层（最外层）、绝缘层（中间层）和导线，第一连接端1801和第二连接端1803剥离了外半导电屏蔽层。
本实施例中一共包括三个均压环30，即高压引线12与保护电阻16之间，保护电阻16、第一连接端1802、电容19的三者连接点上，第二连接端1803的空接处分别设置一个均压环。
模型电缆1的第一连接端1801通过均压环连接电容19，电容19、放大器22、示波器23依次顺序连接；第二连接端18031803连接均压环30后空接。
金属屏蔽箱20的箱壁上设置有光孔，光孔处设置脉冲激光器21，脉冲激光器21的发射光能够通过光孔照射在模型电缆18的中间段1802上。
模型电缆18的中间段1802通过金属夹具、导线连接接地。即金属夹具夹持在中间段1802上，金属夹具通过导线接地。
模型电缆18的内、外半导电屏蔽层厚度均为0.8~1.2mm。
绝缘厚度为2~6 mm；
第一连接端1801和第二连接端1803的剥离长度为300~400 mm；
中间段1802长度为60~200 mm。
电容19通过金属屏蔽箱20的箱壁上的BNC接头与放大器22相连接。
去干扰电阻15的电阻值为1000Ω~10 MΩ。去干扰电阻15远大于高压引线的波阻抗，能大大地降低由高压引线引入的外部干扰信号。
保护电阻为电阻值为200 MΩ~2 GΩ。保护电阻16不但能保护放大器和示波器，还能去除直流发生器产生纹波电压对测试信号的干扰。
BNC接头通过双层屏蔽信号线与放大器22相连接。
放大器与示波器通过信号线连接。
电容19的耐压值150~200 kV，电容0.5~2 nF。电容19将直流高压与二次设备（放大器和示波器）隔离，并较好地耦合空间电荷信号。
金属屏蔽箱20将保护电阻、电容、模型电缆等进行屏蔽并阻止来自外界的电磁干扰信号。
高压引线12与保护电阻16之间，保护电阻16与模型电缆18、电容19之间，第二连接端处均设置有均压环。本实施例中，保护电阻16与模型电缆18之间、保护电阻16与电容19之间设置有均压环，模型电缆18的第二连接端的尾端（空接端）设置均压环。附图1中圆圈表示均压环，本实施例中一共包括三个均压环30，即高压引线12与保护电阻16之间，保护电阻16、第一连接端1802、电容19的三者连接点上，第二连接端1803的空接处分别设置一个均压环。
本实施例中在模型电缆18的外半导电屏蔽层表面涂抹信号增强剂17（在中间段1802的外半导电屏蔽层表面）；脉冲激光器21的发射光能够通过光孔照射在信号增强剂17上，能够增强信号，提高信噪比。
具体地，本实施例中组件参数为：
（1）直流发生器，电压80~200，纹波系数≤0.5%，最大电流1~10 mA；
（2）高压引线，耐压值≥150 kV，外径10~15 mm；
（3）去干扰电阻，电阻1000~10 MΩ；
（4）保护电阻，电阻200 MΩ~2 GΩ；
（5）模型电缆，内、外半导电屏蔽层厚度0.8~1.2，绝缘厚度2~6 mm，长度
     650~900 mm，两端外半导电层剥离长度300~400 mm，余下外半导电层长
     度6~20 mm；
（6）电容，耐压值150~200 kV，电容0.5~2 nF；
（7）金属屏蔽箱，材料为不锈钢或铝合金，箱厚2~4 mm，长1700~2000 mm，
      宽700~900 mm，高700~1000 mm；
（8）脉冲激光器，波长1064 nm，脉宽5~8 ns，能量500~900 mJ；
（9）放大器，放大倍数40~60 dB，带宽40~200 MHz，输入阻抗50 Ω；
（10）示波器，带宽100~500 MHz，采样率1~5 GSa.s-1，输入阻抗50 Ω。
通过本发明技术方案，通过波导管14、去干扰电阻15作用后能够显著提高系统信噪比；如图2和图3所示 ，图2为未加波导管和去干扰电阻的干扰信号波形，图3为加波导管和去干扰电阻的干扰信号波形，外界干扰信号显著降低，信噪比提高。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。