实验名称：空间电荷测量系统

　　测试设备：电压放大器、电极系统、函数发生器、高压高频脉冲源、示波器、计算机等。

　　实验过程：

　　图1：空间电荷测量系统结构图

　　本文在室温环境下进行了油纸绝缘空间电荷的测量，其中试样内部空间电荷的检测机理采用PEA电声脉冲法，交变电场下不同相位的空间电荷检测基于AEPS自动均分移相原理，测量系统的简化示意图如图1所示。

　　电压放大器可提供交变电场或直流电场，脉冲源提供检测脉冲激励，交变电场或直流电场和脉冲电场共同耦合在待测试样上；电极系统中，上电极为半导体电极，以乙烯-醋酸乙烯共聚物和导电炭黑的共混物为材料，厚度为1.8mm，体积电阻率小于100Ω•m，下电极则为铝电极。

　　图2：无极化电场下不同脉冲激励引起的空间电荷响应

　　在空间电荷测量中，被测试样在不同外加极化电场下的空间电荷响应是人们所关注的，而作为激励源的脉冲电场若是过高则会给空间电荷响应造成明显的影响，引入不必要的误差。以一片厚度为270μm的油浸绝缘纸试样为例，在不施加任何外加极化电场的情况下，分别在试样上施加180V和500V的脉冲电压，得到的空间电荷响应如图2所示。

　　图3：直流电场为2kV/mm、脉冲电压值为180V时加压瞬间的空间电荷响应

　　在下电极235μm的位置处，脉冲电压值为180V时几乎观测不到电荷峰，而脉冲电压值为500V时能观测到峰值为-0.002V的电荷峰；在上电极505μm的位置处，由于在油浸绝缘纸中声波信号的传播有严重的色散与衰减现象，在两种脉冲电压值下都观测不到明显的电荷峰。脉冲电场导致的电荷峰值虽然不大，但是在低场强下却会带来不可忽略的影响。如图3所示，为油浸绝缘纸在直流电场2kV/mm、脉冲电压值为180V时加压瞬间的空间电荷响应，其在下电极位置处的电荷峰峰值为-0.01V，若采用电压值为500V的脉冲激励，脉冲电场引起的电荷峰将使该峰值增大20%，严重影响对低场强下空间电荷响应的分析。

　　在本文中，用于空间电荷测量实验的油浸绝缘纸样品有未经老化的样品、热老化120℃条件下老化48h与96h的样品（下文分别简称为热老化48h与热老化96h）。实验过程中，将待测样品浸泡在对应老化条件的绝缘油中进行空间电荷测量，脉冲频率均为2010Hz，并选取脉冲电压值为180V。

　　1）直流电场

　　测量时极化场强按0.5kV/mm，1kV/mm，3kV/mm，5kV/mm，7kV/mm，10kV/mm，15kV/mm，20kV/mm，30kV/mm以及40kV/mm逐级升高，且在每个电场极化3600s进行相对应的1800s短路测量。在极化与短路的过程中，均每隔3s测量一次空间电荷响应波形，示波器平均次数设为4000次。

　　2）工频交流电场

　　测量时极化场强的设置与直流电场类似，按0.5kV/mm，1kV/mm，3kV/mm，5kV/mm，7kV/mm，10kV/mm，15kV/mm，20kV/mm，30kV/mm以及40kV/mm逐级升高，且在每个电场极化3600s进行相对应的1800s短路测量。在极化与短路的过程中，利用高性能示波器的快速抓取功能进行数据保存，设置抓取数为4020次，由于示波器保存数据需要一定时间，故每隔10min测量一次空间电荷响应波形及对应的瞬间电压信号。保存后的数据通过离线方式转移到计算机后，基于AEPS原理进行相位识别，得到各相位下的空间电荷响应波形。

　　实验结果：

　　与工频交流极化电场的情况类似，在每个电场值极化3600s进行相对应的1800s短路测量。在极化与短路的过程中，利用高性能示波器的快速抓取功能进行数据保存，设置抓取数为4020次，每隔10min测量一次空间电荷响应波形及对应的瞬间电压信号。保存后的数据通过离线方式转移到计算机后，基于AEPS原理进行相位识别，得到各相位下的空间电荷响应波形。

　　电压放大器推荐：ATA-2161

　　图：ATA-2161高压放大器指标参数

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