從接地端取信號的便攜式壓電壓力波法空間電荷測量系統設計與實現

孔佳瑩 曹澤賓 潘佳萍 鄭飛虎 張冶文

（同濟大學電子與信息工程學院 上海 201804）

0 引言

直流高壓輸電以電能損耗低、輸電容量高、易于電網間互聯等優點擁有廣闊的工程應用前景[1]。交聯聚乙烯作為直流輸電電纜中絕緣材料的主流發展方向[2-3]，最大的問題就是其內部空間電荷在強電場作用下會不斷積累，從而導致材料內部電場發生畸變，破壞電氣絕緣[4-5]。因此，測量交聯聚乙烯內部空間電荷分布是研究其絕緣性能的關鍵內容。

壓力波傳播法（簡稱壓力波法）是目前國內外測量空間電荷分布應用較廣的方法之一[6]，根據壓力波產生方式又可分為壓電壓力波法（Piezoelectric Induced Pressure Wave Propagation,PIPWP）和激光壓力波法（Laser Induced Pressure Propagation,LIPP）。與激光壓力波法相比，壓電壓力波法具有設備簡單、成本低廉的優勢，也可克服激光壓力波法中激光靶易損壞的問題。

傳統高壓端取信號的壓電壓力波法空間電荷測量系統如圖1所示。其主要由直流高壓源、聲脈沖發生器、信號放大器和示波器組成，其基本原理是利用一系列高速方波電脈沖驅動壓電材料，使之產生聲脈沖波并通過聲波導材料作用到平板聚乙烯試樣上。聲脈沖波在傳播過程中使試樣發生極微小的形變，打破原先試樣內部的彈性力和由空間電荷產生的電場力的平衡，引起試樣中的空間電荷產生微小位移，從而導致介質電極上的感應電荷量發生變化。通過構建擾動前的平板模型結構，分析聲波擾動前的彈性力和電場力，再通過擾動后對應的彈性力和電場力變量的代入，最終得到實際測量的短路信號，從而獲得試樣內部空間電荷的分布信息[7]。

圖1 傳統高壓端取信號的PIPWP法測量原理示意圖Fig.1 Principle of signal measured from HVDC side

對于均勻電介質材料來說，所測得的PWP法電流信號的表達式為

式中，i(t)為電流信號；χ為試樣材料的壓縮率（通常是楊氏模量的倒數）；Cx為試樣在沒有受到壓力波擾動時的電容；1-α/ε為一個僅與材料自身特性有關的常量，其中，為電致應變系數，ε為介電系數；d為試樣厚度；E(x)為平板試樣內部電場強度；p(x,t)為試樣內部距離前電極x位置處的剖面壓強。

1 接地端取信號的測量原理及等效電路

1.1 傳統高壓端取信號的壓電壓力波法等效電路

圖2所示為傳統高壓端取信號的壓電壓力波法空間電荷測量系統的測量電流回路。可以看到，加壓回路與測量回路僅通過耦合電容C進行隔離，容易因為誤操作而導致放大器損壞，進而威脅實驗人員的安全，因此該系統的操作安全性較低[8]。

圖2 傳統高壓端取信號的PIPWP法電流回路Fig.2 Current loop of signal measured from HVDC side

1.2 新型接地端取信號的壓電壓力波法基本原理

針對1.1節所述系統操作安全性較低的問題，根據前人經驗[9]，本文設計研制了一種基于復合壓電壓力波探頭[10]的便攜式空間電荷測量系統，如圖3所示。其原理是：將樣品的接地電極與采樣電極進行區分，且均置于接地端一側。此時，直流高壓經過保護隔離電阻接到樣品右側的高壓電極，試樣的左側中心采樣電極通過放大器接地，外環電極直接接地。壓力脈沖通過聲波導和中心采樣電極傳到樣品，所形成的短路電流信號經過采樣電極提取，進入放大器并被示波器記錄。復合探頭中外環電極與高壓電極之間形成等效電容，其作用相當于傳統高壓端取信號測量系統中的電容器C，用以隔離高壓回路和測量信號。

圖3 接地端取信號的PIPWP法測量示意圖Fig.3 Principle of PIPWP method tacking signals from ground side

1.3 新型接地端取信號的壓電壓力波法等效電路

圖4a和圖4b分別為新型接地端取信號的壓電壓力波法測量方案的電流回路示意圖及等效電路。在圖中各等效電路元件中，C0為壓力波作用面積部分的電容，為無壓力波作用部分的電容；C1為接地電極與高壓電極之間的電容，Im(t)為經過放大器的測量電流信號；I0(t)為絕緣介質的內部壓力波誘發的感應電流信號；Z0為放大器阻抗。本測量方案中，由于低壓側環形電極的存在，試樣的厚度變化也會導致環形電極的等效電容發生變化。

圖4 接地端取信號的PIPWP法等效電路Fig.4 Equivalent circuit of PIPWP method tacking signals from the ground side

2 聲脈沖發生器設計方案

根據1.1節所述從接地端取信號的測量原理，首先必須驗證用絕緣材料作為聲波導的可行性，用以隔離接地電極和采樣電極。其次，設計了一種復合聲脈沖測量探頭，也是從接地端取信號的PIPWP法測量系統中的核心部件。

2.1 絕緣聲波導的壓電壓力波法測量方案

目前，壓電壓力波法聲脈沖發生裝置普遍采用鋁合金作為聲波導，鋁合金僅作為接地電極，與外殼同時接地，以保證電脈沖信號的穩定傳輸。

本文嘗試將聲波導材質由鋁合金變為聲阻抗匹配更合適的絕緣材料石英玻璃，并在其上表面用硅油貼合一層鋁箔，通過軟金屬和螺絲與金屬外殼緊密固定，形成接地電極。圖5為利用本方案對樣品進行測量所得結果，證明用絕緣材料（石英玻璃）作為聲波導材料的可行性。

圖5 絕緣聲波導的PIPWP波法測量結果Fig.5 Measuring results of PIPWP method using insulated acoustic waveguide

2.2 復合聲脈沖發生器的設計

在確定了石英玻璃作為聲波導材料的可行性后，設計了基于壓電壓力波法的聚合物空間電荷分布測量用復合探頭，該探頭包括殼體、電壓脈沖傳輸單元、“電—聲”轉換單元、聲脈沖傳輸單元和信號提取單元幾部分，其結構如圖6所示。其中，電壓脈沖傳輸單元包括電脈沖彈針和背襯銅柱，傳輸高速方波脈沖信號；“電—聲”轉換單元的核心部件為直徑為 15mm，厚度為0.2mm壓電陶瓷片，將電脈沖轉換為聲脈沖；聲脈沖傳輸單元包括石英玻璃和采樣電極，石英玻璃上表面貼合有薄鋁箔并與殼體相連成為測量系統的接地端，下表面用環氧樹脂作為聲耦合劑與采樣電極進行粘合，其作用是將聲脈沖傳輸至樣品；信號提取單元包括采樣電極、信號端彈針和SMA接頭，提取并傳輸測量信號。

圖6 復合壓電壓力波探頭Fig.6 PIPWP composite probe

3 測量系統硬件研制

3.1 高頻方波脈沖驅動電源設計

利用水銀繼電器作為開關，通過控制其觸點開關的開閉可以產生幅值約為150V、頻率約為90Hz的方波脈沖電壓信號。采用一個可調電源模塊，將交流220V工頻電源整流成150V的直流電壓，通過輸出線連接到脈沖開關水銀繼電器的輸入端；由NE555構成的信號發生器作為脈沖控制電路，產生了一個90Hz的周期性信號輸入到水銀繼電器的另一個輸入端；最終水銀繼電器會輸出一個幅值為150V、頻率為 90Hz 的脈沖信號施加于復合探頭；另一路輸出則經電容降壓后引至示波器，利用周期性脈沖較窄的下降沿對示波器進行觸發，保證兩路信號同步。同時，考慮到阻抗匹配，為電源設計合理的輸出阻抗，以此提高此電源的帶載能力，使得帶負載情況下仍可輸出波形穩定的脈沖信號，保證下降沿時間能控制在20 ns以內。

圖7 150V 90Hz 高壓方波脈沖信號Fig.7 150V 90Hz high voltage square wave pulse signal

3.2 測量信號的提取與記錄

測量信號經聲脈沖發生器中采樣電極提取后，進入增益為36dB、阻抗為50?的放大器，并被示波器采集和記錄。通過分析該電流信號的變化，就可以得到樣品中空間電荷的分布情況。

對于觀測波形和存儲數據的示波器而言，其參數設置也不容忽視。當采用平均模式（Average）時，可以通過平均次數來減小由于噪聲和抖動造成的影響，提高信噪比，多次采樣求平均值會使得示波器上觀測的波形更接近于實際波形。如果平均的次數足夠多，噪聲和抖動造成的影響至少可以下降2～3個數量級。因此，為了更好地觀測波形，壓電壓力波法測量時的平均次數取1 500次。對于激光壓力波法，同一樣品施加激光壓力的次數不宜過多，故本文平均次數取3～4次。

3.3 噪聲干擾來源及抑制措施

由于壓電壓力波法測試空間電荷所得電流信號幅值小，極易受雜散的電磁信號、高壓實驗室中各種放電及電網中高次諧波干擾。因此為抑制和消除干擾，本裝置采取了以下措施：①整個試驗裝置置于屏蔽室內進行試驗，信號傳輸線采用雙層屏蔽線，測試系統設置上、下屏蔽殼，對上、下電極進行屏蔽，將整個傳感器和放大器電路置于下屏蔽殼內；②為消除電網中各種高次諧波影響，使用隔離電源對試驗裝置進行供電。

4 系統可行性驗證

針對上文所提出的從接地端提取信號的測量方案，將其在不同情況下對于平板試樣空間電荷分布情況的測量分辨率與目前兩種較為成熟的壓力波法測量方案進行對比，以此證明該新型測量系統的可行性。

4.1 平板試樣制備

實驗的樣品原料采用線性低密度聚乙烯（Linear Low-Density Polyethylene，LLDPE）樹脂顆粒。試樣制備采用熔融擠壓工藝，由平板硫化機壓制而成：將聚乙烯原料在130℃的模板中預熱12min；然后維持該溫度，在15 MPa下熱壓12min硫化成型，最后保持該壓力水冷至室溫。成型的圓片形試樣直徑均為15cm，厚度為2.8mm。電極材料為乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA）。將厚度約為0.5mm、直徑為5cm的EVA圓片置于聚乙烯樣品中心位置，采用熱壓工藝將兩者進行貼合，確保電極和樣品中間不要留有空氣。為避免殘余空間電荷的影響，實驗均在新壓制的試樣中進行。

4.2 測量系統整體搭建

使用特征阻抗為5Ω的電纜線依次連接高頻方波脈沖電源、復合探頭、信號放大器和示波器，并將各硬件部分可靠接地，可組成如圖8所示的便攜式測量系統。復合探頭與樣品、電極間的相對位置如圖8所示。

圖8 利用直流電壓系統/獨立平臺進行測量的裝置圖Fig.8 Schematic diagram of the device for measurement using DC voltage system/independent platform

將圖8測量系統中的絕緣底座和高壓電極替換為金屬基板電極，并移除高壓直流電源即可完成獨立平臺測量系統的搭建，實物平臺如圖9所示。

圖9 獨立平臺測量實物平臺Fig.9 Physical platform for independent measurement

4.3 典型的平板試樣空間電荷分布測量信號

圖10為高壓端取信號測量系統與接地端取信號測量系統對4.1節所述的同一樣品內部空間電荷分布進行測量所得的典型信號。實驗均在外加40kV高壓的條件下進行。兩種方案的不同之處僅在于提取測量信號位置，因此兩者測量信號電流方向相反，幅值相近、起始位置相同，即前電極信號出現在3 000ns左右，背電極信號出現在4 400ns左右，與理論值相符，且兩者空間分辨率相近。

圖10 與高壓側取信號壓電壓力波法測量方案對比Fig.10 Compared with the traditional scheme of taking measurement signals from the high-voltage side based on PIPWP method

對已有空間電荷注入的同一樣品進行實驗，得到的典型信號如圖11所示。實驗均不外加電壓。接地端取信號測量系統和激光壓力波法測量系統的不同之處有以下三點：①提取測量信號位置；②壓力波強度；③有無聲波導。因此，測量信號電流方向相反，信號起始位置和幅值均有差異。圖11將兩種方案的測量信號的起始位置人為設定在同一位置，便于比較兩種方案的空間分辨率。顯然，接地端取信號測量系統和激光壓力波法測量系統的空間分辨率相近。

圖11 與激光壓力波法測量方案對比Fig.11 Compared with the LIPP method

綜上所述，本文設計并實現的“從接地端取信號的壓電壓力波法測量系統”相較于目前已較為成熟的兩種壓力波法測量系統而言，具有相近的空間分辨率，能夠真實反映平板樣品內部空間電荷分布。

5 結論

本文提出了一種從接地端提取信號的空間電荷測量方案，從原理層面根本解決了測量儀器使用安全以及實驗人員操作安全的問題，并基于壓電壓力波法，實現了測量系統的搭建。同時，從接地端提取信號的測量方法可在獨立平臺下對已有空間電荷注入的樣品進行測量，無需高壓源、電容器及保護電路等體積較大且不易移動的設備組件。因此，本測量系統具有可便攜的突出特點。

通過對典型測量結果的分析，證明了本裝置測量可行性和可靠性，為以壓電壓力波法為基礎的實際場景中的空間電荷測量提供思路。