CN115453301A - 一种空间电荷测试用耦合电路及空间电荷测试*** - Google Patents
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Abstract
本公开涉及绝缘测试技术领域，提出了一种空间电荷测试用耦合电路及空间电荷测试***，耦合电路包括极化电压耦合电路与隔离电路；极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，输出极化电压；隔离电路：用于过滤极化电压中的高频分量，以及在PEA测试用脉冲电源所在的支路中串联隔直电容C2，以滤除纳秒方波脉冲极化电压中的直流和低频分量。以解决高压直流电压、纳秒方波脉冲电压与PEA测试脉冲电压之间的耦合叠加问题，该电路还可以实现对方波脉冲电压上升下降时间的调节。
Description
技术领域
本公开涉及绝缘测试技术相关技术领域，具体的说，是涉及一种空间电荷测试用耦合电路及空间电荷测试***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
电力电子器件及装备在特高压直流输电及新能源发电并网中发挥着重要作用，不同于传统的交流和直流设备，电力电子器件的频繁导通和关断以及脉宽调制等电力电子技术的应用，使得电力电子器件及装备长期承受高重复频率、陡上升和下降时间的直流叠加脉冲电压作用，加剧绝缘劣化，使得绝缘更容易发生早期失效。绝缘内部积聚的空间电荷是导致绝缘劣化的关键影响因素，因此有必要对直流叠加脉冲电场下的空间电荷行为特性进行测量。
目前的测量方法中，电声脉冲法(PEA)是测量固体电介质内空间电荷分布特性技术最成熟、应用最广泛的方法。但是，在施加纳秒高压方波电压和直流电压叠加作为极化电压时，纳秒高压方波脉冲电压、高压直流电压和PEA测试脉冲电压三者之间会相互干扰。现有方波脉冲电压下空间电荷测量技术中，通常使用一个电阻和一个电容组成滤波电路，对方波电压和PEA测试用脉冲电压进行隔离、叠加。但当方波脉冲电压的上升和下降时间达到纳秒级别时，其频率分量与PEA测试用上升时间为5ns脉冲电压的频率分量接近，仅靠一个电阻和电容无法实现两路脉冲电压的隔离、叠加。此外，采用直流电压源与高压方波脉冲电压源作为极化电压源时，也不能直接将二者进行并联，需通过一定结构的电路连接使二者能够进行有效叠加。因此，目前亟需研发一种耦合电路将三者进行有效叠加，为探究脉冲电压下固体电介质空间电荷动态特性奠定基础。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种空间电荷测试用耦合电路及空间电荷测试***，以解决高压直流电压、纳秒方波脉冲电压与PEA测试脉冲电压之间的耦合叠加问题，该电路还可以实现对方波脉冲电压上升下降时间的调节。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种空间电荷测试用耦合电路，包括极化电压耦合电路与隔离电路；
极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，输出极化电压；
隔离电路：用于过滤极化电压中的高频分量，以及在PEA测试用脉冲电源所在的支路中串联隔直电容C2，以滤除纳秒方波脉冲极化电压中的直流和低频分量。
一个或多个实施例提供了一种空间电荷测试***，用于直流叠加脉冲极化电压下的空间电荷测试，包括高压直流电源、纳秒高压方波脉冲电源、空间电荷测试装置，以及采用上述的一种空间电荷测试用耦合电路；
极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，施加到空间电荷测试装置上；
PEA测试用脉冲电源输出的电压，经耦合电路的隔离电路施加到空间电荷测试装置上。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的耦合电路可以实现纳秒方波脉冲电压、直流电压以及PEA测试用脉冲电压的无干扰叠加，从而实现纳秒方波脉冲下空间电荷分布、行为等特性的测量。并且，通过设置本公开的耦合电路元件的参数，可以自由改变试样承受的方波脉冲电压的上升下降时间，从而能够实现任意方波脉冲电压下的空间电荷测量。
本公开的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是本公开实施例2的空间电荷测试***结构示意图；
图2是本公开的实施例1的耦合电路电路图；
图3是本公开的实施例1的高压陶瓷电容取值为10nF时试样承受的极化脉冲电压波形示意图；
图4是本公开的实施例1的电阻R1取不同值时，所测得的试样承受的方波脉冲电压的上升沿处的波形及所对应的上升时间。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-图4所示，一种空间电荷测试用耦合电路，包括极化电压耦合电路与隔离电路；
极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，输出极化电压；
隔离电路：用于过滤极化电压中的高频分量，以及在PEA测试用脉冲电源所在的支路中串联隔直电容C2，以滤除纳秒方波脉冲极化电压中的直流和低频分量。
隔离电路在极化电源与PEA测试用脉冲电源之间形成电气隔离，能够防止极化电压对PEA测试用脉冲电源造成损坏。
本实施例的耦合电路可以实现极化脉冲电压、直流电压以及PEA测试用脉冲电压的无干扰叠加，同时可以维持方波脉冲电压的波形不发生失真。从而实现纳秒方波脉冲下空间电荷分布、行为等特性的测量。
在一些实施例中，极化电压耦合电路，如图2所示，包括相互连接的高压陶瓷电容C1和高压整流硅堆D1，高压整流硅堆D1的负极连接高压陶瓷电容C1的一端，高压陶瓷电容C1的另一段连接纳秒高压方波电源的输出端，高压整流硅堆D1的正极连接高压直流电源的正极。
极化电压耦合电路的作用是将纳秒方波脉冲电压与高压直流电压耦合后施加到绝缘试样上，使绝缘试样产生极化，在试样表面以及内部产生电荷。
在一些实施例中，隔离电路还包括高压无感电阻R1，高压无感电阻R1与隔直电容C2串联连接，所述高压无感电阻R1与被测试试样电容Cx形成滤波电路，串联后的电路两端分别连接被隔离装置；高压无感电阻R1与隔直电容C2之间的连接点为隔离电路的输出端。
进一步地，隔离电路还包括隔离开关，所述隔离开关连接在高压无感电阻R1与隔直电容C2之间，高压无感电阻R1、隔离开关的连接点为隔离电路的输出端。
本实施例中，被隔离装置为极化电源与PEA测试用脉冲电源。
隔离电路的作用是在极化电源与PEA测试用脉冲电源之间形成电气隔离，防止过高的极化电压对PEA测试用脉冲电源造成损坏。其中，图中被测绝缘试样的电容Cx连接隔离电路的输出端。
隔离电路由高压无感电阻R1、隔直电容C2、隔离开关组成。其作用是在极化电源与PEA测试用脉冲电源之间形成电气隔离，防止过高的极化电压对PEA测试用脉冲电源造成损坏。Cx为被测绝缘试样的电容。
下面对耦合电路的两部分电路的叠加隔离效果进行分析。
极化电压耦合电路的叠加和隔离原理如下：
如图2所示，纳秒高压方波脉冲电源单独作用时，高压直流电源相当于短路，此时回路由纳秒高压方波脉冲电源、高压陶瓷电容C1、高压无感电阻R1、高压整流硅堆D1以及试样电容Cx构成。由于纳秒方波脉冲电压的幅值是变化的，因此可以通过高压陶瓷电容C1。而由于高压整流硅堆具有单向导通的特性，其所在的支路对纳秒方波脉冲电压而言相当于开路。因此纳秒方波脉冲电压完全作用在节点1上。
高压直流电源单独作用时，纳秒高压方波脉冲电源相当于短路，此时回路由高压直流电源、高压整流硅堆D1、高压无感电阻R1、高压陶瓷电容C1和试样电容Cx构成。由于高压陶瓷电容C1对于高压直流电源相当于开路，因此高压直流电源单独作用时输出的直流电压可以顺利通过高压整流硅堆D1作用在节点1上。
可见，通过叠加定理，可以计算出节点1的电压为纳秒方波脉冲电压与直流电压的叠加。
通过上述分析可知，试样电容Cx承受的电压为纳秒方波脉冲电压与直流电压的叠加。并且，电容对直流电压的隔绝作用，以及高压整流硅堆的单向导电作用，使得纳秒方波脉冲电压与直流电压之间也不会产生相互干扰，可以实现纳秒高压方波脉冲电源与高压直流电源之间的耦合与隔离。
由于极化脉冲电压的上升和下降时间处于纳秒范围内，其频率分量与PEA测试用脉冲电源产生的、上升和下降时间为5ns的脉冲电压的频率分量相近，若不加隔离，二者之间会产生干扰，导致波形失真。
此外，PEA测试用脉冲电源的最高工作电压通常较低，而极化电压通常很高，远超PEA测试用脉冲电源的承受上限，因此需要在极化电压耦合电路与PEA测试用脉冲电源之间设置隔离电路，防止极化电压过高对PEA测试用脉冲电源造成损伤。
纳秒方波脉冲极化电压经过高压无感电阻R1作用在试样电容C3上，高压无感电阻R1与试样电容Cx组成低通滤波电路。上升和下降时间处于数十纳秒范围内的方波脉冲极化电压，所对应的频率的数量级为107Hz，因此低通滤波电路可以有效过滤极化电压中的大多数高频分量。为了进一步增强隔离效果，在PEA测试用脉冲电源所在的支路中串联隔直电容C2，以滤除纳秒方波脉冲极化电压中的直流和低频分量。
进一步的技术方案，对各个元器件的参数进行选择。
纳秒高压方波脉冲电源单独作用时，高压直流电源与PEA测试用脉冲电源相当于短路，因此试样电容Cx上的电压幅值取决于隔直电容C2、试样电容Cx并联后的电容值与高压陶瓷电容C1的分压。其中，采用绝缘材料切片进行空间电荷测试时，试样电容Cx的数量级约为几十pF，隔直电容C2的值通常取50pF。为了使纳秒方波脉冲电压全部作用在试样上，应使高压陶瓷电容C1的值远大于试样电容Cx的值。此外，由于电容C1具有“隔直通交”的效果，可以实现对直流的完全隔离，但是对于脉冲电压的通过与否是具有选择性的，即具有上限截止频率和下限截止频率，只有在此频率范围内的脉冲电压才能顺利通过。假如C1的取值过小，不能维持电压恒定，会导致充电过后电压幅值发生下降。
可选的，隔直电容C2的值取1pF-100pF，电容C1取值为5-20nF。
具体的，本实施例中，优选的，隔直电容C2的值取50pF，在纳秒高压方波脉冲电压频率为500Hz的条件下，电容C1取值为10nF，该取值条件下可维持脉冲电压波形恒定不发生失真。电容C1为10nF时试样承受的极化脉冲电压的波形如图3所示。
关于隔离电路，高压无感电阻R1有两个作用。一方面，可以起到保护电路的作用，若在加压过程中试样发生击穿，有该电阻的存在可以起到限流的作用，减小击穿电流对设备造成的损伤。另一方面，可以实现对方波脉冲电压上升下降时间的调节。
由于结构限制，纳秒方波脉冲电源所输出的方波脉冲电压的上升下降时间的调节范围通常很小，难以满足研究需要。电荷测试***中，电阻R1和电容Cx元件会构成低通滤波电路，当对试样施加脉冲电压时，由于其截止频率远低于脉冲电压的频率，因此会导致脉冲上升时间变缓波形发生失真，其截至频率取决于时间常数τ。
进一步地，可以改变电路的充放电时间常数τ以此来实现不同脉冲电压上升时间，通过调节高压无感电阻R1的取值调节回路时间常数τ。
由于电容器的存在，在脉冲电压上升沿与下降沿处电压发生改变达到最大或最小值需要一定的时间。因此，试样承受的方波脉冲电压的上升下降时间与电源产生的方波脉冲电压的上升下降时间并不相同，其值取决于电路的充放电时间常数τ。该电路中时间常数的表达式为：
τ＝R1*Cx
因此，可以通过改变电路的充放电时间常数，来改变试样承受电压的上升下降时间。当实验材料确定时，试样电容Cx的值则随之固定不可调节，因此只能通过调节高压无感电阻R1的取值调节回路时间常数。设试样承受的方波脉冲电压的上升下降时间为Tr，通常认为经过5倍的时间常数后即认为电压可达到稳态值，电阻的取值应满足下列条件：
5τ＝5R1Cx＝Tr
不同类型、形状、尺寸的试样其电容Cx的值也不尽相同，为满足不同试样的空间电荷测试需求，应使试样电容Cx的值最大的材料也满足要求。常见切片绝缘材料的厚度约为100～200μm、面积约为5×5cm2、相对介电常数约为3～4，其试样电容Cx的值大约处于10～30pF之间，本实施例方案中为留有一定的裕量，取40pF进行计算，可得高压无感电阻R1的取值应满足：
图4给出了电阻R1取不同值时所测得的试样承受的方波脉冲电压的上升沿处的波形及所对应的上升时间。
实施例2
基于实施例1，一种空间电荷测试***，可以用于直流叠加脉冲极化电压下的空间电荷测试，包括高压直流电源、纳秒高压方波脉冲电源、空间电荷测试装置，以及采用实施例1所述的一种空间电荷测试用耦合电路。
极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，施加到空间电荷测试装置上；
PEA测试用脉冲电源输出的电压，经耦合电路的隔离电路施加到空间电荷测试装置上；
进一步地，还包括分压器和触发控制电路，纳秒高压方波电源输出的方波脉冲电压经分压器转换为与其同步的低压方波信号后，经触发控制电路作为PEA测试用脉冲电源的触发输入，实现对测试相位进行纳秒时间尺度的调节。
进一步地，还包括通信连接的示波器和计算机，示波器连接空间电荷测试装置，用于对空间电荷测试装置输出的信号进行处理到测试结果。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：包括极化电压耦合电路与隔离电路；
极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，输出极化电压；
隔离电路：用于过滤极化电压中的高频分量，以及在PEA测试用脉冲电源所在的支路中串联隔直电容C2，以滤除纳秒方波脉冲极化电压中的直流和低频分量。
2.如权利要求1所述的一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：极化电压耦合电路，包括相互连接的高压陶瓷电容C1和高压整流硅堆D1，高压整流硅堆D1的负极连接高压陶瓷电容C1的一端，高压陶瓷电容C1的另一段连接纳秒高压方波电源的输出端，高压整流硅堆D1的正极连接高压直流电源的正极。
3.如权利要求2所述的一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：电容C1取值为5-20nF；
或者，在纳秒高压方波脉冲电压频率为500Hz的条件下，电容C1取值10nF。
4.如权利要求1所述的一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：隔离电路还包括高压无感电阻R1，高压无感电阻R1与隔直电容C2串联连接，所述高压无感电阻R1与被测试试样电容Cx形成滤波电路，串联后的电路两端分别连接被隔离装置；高压无感电阻R1与隔直电容C2之间的连接点为隔离电路的输出端。
5.如权利要求4所述的一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：隔离电路还包括隔离开关，所述隔离开关连接在高压无感电阻R1与隔直电容C2之间，高压无感电阻R1、隔离开关的连接点为隔离电路的输出端。
6.如权利要求4或5所述的一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：隔直电容C2的值取1pF-100pF。
7.如权利要求1所述的一种空间电荷测试用耦合电路，其特征在于：通过改变高压无感电阻R1与被测试试样电容Cx形成滤波电路的充放电时间常数τ，实现不同脉冲电压上升时间，通过调节高压无感电阻R1的取值调节回路时间常数τ。
8.一种空间电荷测试***，其特征在于：用于直流叠加脉冲极化电压下的空间电荷测试，包括高压直流电源、纳秒高压方波脉冲电源、空间电荷测试装置，以及采用权利要求1-7任一项所述的一种空间电荷测试用耦合电路；
极化电压耦合电路：用于对纳秒高压方波脉冲电源、高压直流电源所输出的电压进行隔离叠加作为极化电源，施加到空间电荷测试装置上；
PEA测试用脉冲电源输出的电压，经耦合电路的隔离电路施加到空间电荷测试装置上。
9.如权利要求8所述的一种空间电荷测试***，其特征在于：还包括分压器和触发控制电路，纳秒高压方波电源输出的方波脉冲电压经分压器转换为与其同步的低压方波信号后，经触发控制电路作为PEA测试用脉冲电源的触发输入，实现对测试相位进行纳秒时间尺度的调节。
10.如权利要求8所述的一种空间电荷测试***，其特征在于：还包括通信连接的示波器和计算机，示波器连接空间电荷测试装置，用于对空间电荷测试装置输出的信号进行处理到测试结果。
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