从接地端取信号的便携式压电压力波法空间电荷测量系统设计与实现

孔佳莹 曹泽宾 潘佳萍 郑飞虎 张冶文

（同济大学电子与信息工程学院 上海 201804）

0 引言

直流高压输电以电能损耗低、输电容量高、易于电网间互联等优点拥有广阔的工程应用前景[1]。交联聚乙烯作为直流输电电缆中绝缘材料的主流发展方向[2-3]，最大的问题就是其内部空间电荷在强电场作用下会不断积累，从而导致材料内部电场发生畸变，破坏电气绝缘[4-5]。因此，测量交联聚乙烯内部空间电荷分布是研究其绝缘性能的关键内容。

压力波传播法（简称压力波法）是目前国内外测量空间电荷分布应用较广的方法之一[6]，根据压力波产生方式又可分为压电压力波法（Piezoelectric Induced Pressure Wave Propagation,PIPWP）和激光压力波法（Laser Induced Pressure Propagation,LIPP）。与激光压力波法相比，压电压力波法具有设备简单、成本低廉的优势，也可克服激光压力波法中激光靶易损坏的问题。

传统高压端取信号的压电压力波法空间电荷测量系统如图1所示。其主要由直流高压源、声脉冲发生器、信号放大器和示波器组成，其基本原理是利用一系列高速方波电脉冲驱动压电材料，使之产生声脉冲波并通过声波导材料作用到平板聚乙烯试样上。声脉冲波在传播过程中使试样发生极微小的形变，打破原先试样内部的弹性力和由空间电荷产生的电场力的平衡，引起试样中的空间电荷产生微小位移，从而导致介质电极上的感应电荷量发生变化。通过构建扰动前的平板模型结构，分析声波扰动前的弹性力和电场力，再通过扰动后对应的弹性力和电场力变量的代入，最终得到实际测量的短路信号，从而获得试样内部空间电荷的分布信息[7]。

图1 传统高压端取信号的PIPWP法测量原理示意图Fig.1 Principle of signal measured from HVDC side

对于均匀电介质材料来说，所测得的PWP法电流信号的表达式为

式中，i(t)为电流信号；χ为试样材料的压缩率（通常是杨氏模量的倒数）；Cx为试样在没有受到压力波扰动时的电容；1-α/ε为一个仅与材料自身特性有关的常量，其中，为电致应变系数，ε为介电系数；d为试样厚度；E(x)为平板试样内部电场强度；p(x,t)为试样内部距离前电极x位置处的剖面压强。

1 接地端取信号的测量原理及等效电路

1.1 传统高压端取信号的压电压力波法等效电路

图2所示为传统高压端取信号的压电压力波法空间电荷测量系统的测量电流回路。可以看到，加压回路与测量回路仅通过耦合电容C进行隔离，容易因为误操作而导致放大器损坏，进而威胁实验人员的安全，因此该系统的操作安全性较低[8]。

图2 传统高压端取信号的PIPWP法电流回路Fig.2 Current loop of signal measured from HVDC side

1.2 新型接地端取信号的压电压力波法基本原理

针对1.1节所述系统操作安全性较低的问题，根据前人经验[9]，本文设计研制了一种基于复合压电压力波探头[10]的便携式空间电荷测量系统，如图3所示。其原理是：将样品的接地电极与采样电极进行区分，且均置于接地端一侧。此时，直流高压经过保护隔离电阻接到样品右侧的高压电极，试样的左侧中心采样电极通过放大器接地，外环电极直接接地。压力脉冲通过声波导和中心采样电极传到样品，所形成的短路电流信号经过采样电极提取，进入放大器并被示波器记录。复合探头中外环电极与高压电极之间形成等效电容，其作用相当于传统高压端取信号测量系统中的电容器C，用以隔离高压回路和测量信号。

图3 接地端取信号的PIPWP法测量示意图Fig.3 Principle of PIPWP method tacking signals from ground side

1.3 新型接地端取信号的压电压力波法等效电路

图4a和图4b分别为新型接地端取信号的压电压力波法测量方案的电流回路示意图及等效电路。在图中各等效电路元件中，C0为压力波作用面积部分的电容，为无压力波作用部分的电容；C1为接地电极与高压电极之间的电容，Im(t)为经过放大器的测量电流信号；I0(t)为绝缘介质的内部压力波诱发的感应电流信号；Z0为放大器阻抗。本测量方案中，由于低压侧环形电极的存在，试样的厚度变化也会导致环形电极的等效电容发生变化。

图4 接地端取信号的PIPWP法等效电路Fig.4 Equivalent circuit of PIPWP method tacking signals from the ground side

2 声脉冲发生器设计方案

根据1.1节所述从接地端取信号的测量原理，首先必须验证用绝缘材料作为声波导的可行性，用以隔离接地电极和采样电极。其次，设计了一种复合声脉冲测量探头，也是从接地端取信号的PIPWP法测量系统中的核心部件。

2.1 绝缘声波导的压电压力波法测量方案

目前，压电压力波法声脉冲发生装置普遍采用铝合金作为声波导，铝合金仅作为接地电极，与外壳同时接地，以保证电脉冲信号的稳定传输。

本文尝试将声波导材质由铝合金变为声阻抗匹配更合适的绝缘材料石英玻璃，并在其上表面用硅油贴合一层铝箔，通过软金属和螺丝与金属外壳紧密固定，形成接地电极。图5为利用本方案对样品进行测量所得结果，证明用绝缘材料（石英玻璃）作为声波导材料的可行性。

图5 绝缘声波导的PIPWP波法测量结果Fig.5 Measuring results of PIPWP method using insulated acoustic waveguide

2.2 复合声脉冲发生器的设计

在确定了石英玻璃作为声波导材料的可行性后，设计了基于压电压力波法的聚合物空间电荷分布测量用复合探头，该探头包括壳体、电压脉冲传输单元、“电—声”转换单元、声脉冲传输单元和信号提取单元几部分，其结构如图6所示。其中，电压脉冲传输单元包括电脉冲弹针和背衬铜柱，传输高速方波脉冲信号；“电—声”转换单元的核心部件为直径为 15mm，厚度为0.2mm压电陶瓷片，将电脉冲转换为声脉冲；声脉冲传输单元包括石英玻璃和采样电极，石英玻璃上表面贴合有薄铝箔并与壳体相连成为测量系统的接地端，下表面用环氧树脂作为声耦合剂与采样电极进行粘合，其作用是将声脉冲传输至样品；信号提取单元包括采样电极、信号端弹针和SMA接头，提取并传输测量信号。

图6 复合压电压力波探头Fig.6 PIPWP composite probe

3 测量系统硬件研制

3.1 高频方波脉冲驱动电源设计

利用水银继电器作为开关，通过控制其触点开关的开闭可以产生幅值约为150V、频率约为90Hz的方波脉冲电压信号。采用一个可调电源模块，将交流220V工频电源整流成150V的直流电压，通过输出线连接到脉冲开关水银继电器的输入端；由NE555构成的信号发生器作为脉冲控制电路，产生了一个90Hz的周期性信号输入到水银继电器的另一个输入端；最终水银继电器会输出一个幅值为150V、频率为 90Hz 的脉冲信号施加于复合探头；另一路输出则经电容降压后引至示波器，利用周期性脉冲较窄的下降沿对示波器进行触发，保证两路信号同步。同时，考虑到阻抗匹配，为电源设计合理的输出阻抗，以此提高此电源的带载能力，使得带负载情况下仍可输出波形稳定的脉冲信号，保证下降沿时间能控制在20 ns以内。

图7 150V 90Hz 高压方波脉冲信号Fig.7 150V 90Hz high voltage square wave pulse signal

3.2 测量信号的提取与记录

测量信号经声脉冲发生器中采样电极提取后，进入增益为36dB、阻抗为50Ω的放大器，并被示波器采集和记录。通过分析该电流信号的变化，就可以得到样品中空间电荷的分布情况。

对于观测波形和存储数据的示波器而言，其参数设置也不容忽视。当采用平均模式（Average）时，可以通过平均次数来减小由于噪声和抖动造成的影响，提高信噪比，多次采样求平均值会使得示波器上观测的波形更接近于实际波形。如果平均的次数足够多，噪声和抖动造成的影响至少可以下降2～3个数量级。因此，为了更好地观测波形，压电压力波法测量时的平均次数取1 500次。对于激光压力波法，同一样品施加激光压力的次数不宜过多，故本文平均次数取3～4次。

3.3 噪声干扰来源及抑制措施

由于压电压力波法测试空间电荷所得电流信号幅值小，极易受杂散的电磁信号、高压实验室中各种放电及电网中高次谐波干扰。因此为抑制和消除干扰，本装置采取了以下措施：①整个试验装置置于屏蔽室内进行试验，信号传输线采用双层屏蔽线，测试系统设置上、下屏蔽壳，对上、下电极进行屏蔽，将整个传感器和放大器电路置于下屏蔽壳内；②为消除电网中各种高次谐波影响，使用隔离电源对试验装置进行供电。

4 系统可行性验证

针对上文所提出的从接地端提取信号的测量方案，将其在不同情况下对于平板试样空间电荷分布情况的测量分辨率与目前两种较为成熟的压力波法测量方案进行对比，以此证明该新型测量系统的可行性。

4.1 平板试样制备

实验的样品原料采用线性低密度聚乙烯（Linear Low-Density Polyethylene，LLDPE）树脂颗粒。试样制备采用熔融挤压工艺，由平板硫化机压制而成：将聚乙烯原料在130℃的模板中预热12min；然后维持该温度，在15 MPa下热压12min硫化成型，最后保持该压力水冷至室温。成型的圆片形试样直径均为15cm，厚度为2.8mm。电极材料为乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA）。将厚度约为0.5mm、直径为5cm的EVA圆片置于聚乙烯样品中心位置，采用热压工艺将两者进行贴合，确保电极和样品中间不要留有空气。为避免残余空间电荷的影响，实验均在新压制的试样中进行。

4.2 测量系统整体搭建

使用特征阻抗为5Ω的电缆线依次连接高频方波脉冲电源、复合探头、信号放大器和示波器，并将各硬件部分可靠接地，可组成如图8所示的便携式测量系统。复合探头与样品、电极间的相对位置如图8所示。

图8 利用直流电压系统/独立平台进行测量的装置图Fig.8 Schematic diagram of the device for measurement using DC voltage system/independent platform

将图8测量系统中的绝缘底座和高压电极替换为金属基板电极，并移除高压直流电源即可完成独立平台测量系统的搭建，实物平台如图9所示。

图9 独立平台测量实物平台Fig.9 Physical platform for independent measurement

4.3 典型的平板试样空间电荷分布测量信号

图10为高压端取信号测量系统与接地端取信号测量系统对4.1节所述的同一样品内部空间电荷分布进行测量所得的典型信号。实验均在外加40kV高压的条件下进行。两种方案的不同之处仅在于提取测量信号位置，因此两者测量信号电流方向相反，幅值相近、起始位置相同，即前电极信号出现在3 000ns左右，背电极信号出现在4 400ns左右，与理论值相符，且两者空间分辨率相近。

图10 与高压侧取信号压电压力波法测量方案对比Fig.10 Compared with the traditional scheme of taking measurement signals from the high-voltage side based on PIPWP method

对已有空间电荷注入的同一样品进行实验，得到的典型信号如图11所示。实验均不外加电压。接地端取信号测量系统和激光压力波法测量系统的不同之处有以下三点：①提取测量信号位置；②压力波强度；③有无声波导。因此，测量信号电流方向相反，信号起始位置和幅值均有差异。图11将两种方案的测量信号的起始位置人为设定在同一位置，便于比较两种方案的空间分辨率。显然，接地端取信号测量系统和激光压力波法测量系统的空间分辨率相近。

图11 与激光压力波法测量方案对比Fig.11 Compared with the LIPP method

综上所述，本文设计并实现的“从接地端取信号的压电压力波法测量系统”相较于目前已较为成熟的两种压力波法测量系统而言，具有相近的空间分辨率，能够真实反映平板样品内部空间电荷分布。

5 结论

本文提出了一种从接地端提取信号的空间电荷测量方案，从原理层面根本解决了测量仪器使用安全以及实验人员操作安全的问题，并基于压电压力波法，实现了测量系统的搭建。同时，从接地端提取信号的测量方法可在独立平台下对已有空间电荷注入的样品进行测量，无需高压源、电容器及保护电路等体积较大且不易移动的设备组件。因此，本测量系统具有可便携的突出特点。

通过对典型测量结果的分析，证明了本装置测量可行性和可靠性，为以压电压力波法为基础的实际场景中的空间电荷测量提供思路。