Design of Pulsed Electroacoustic Measurement System for Space Charge Characterisation

Pulsed electroacoustic (PEA) method is a commonly used non-destructive technique for investigating space charges. It has been developed since early 1980s. These days there is continuing interest for better understanding of the influence of space charge on the reliability of solid electrical insulation under high electric field. The PEA method is widely used for space charge profiling for its robust and relatively inexpensive features. The PEA technique relies on a voltage impulse used to temporarily disturb the space charge equilibrium in a dielectric. The acoustic wave is generated by charge movement in the sample and detected by means of a piezoelectric film. The spatial distribution of the space charge is contained within the detected signal. The principle of such a system is already well established, and several kinds of setups have been constructed for different measurement needs. This thesis presents the design of a PEA measurement system as a systems engineering project. The operating principle and some recent developments are summarised. The steps of electrical and mechanical design of the instrument are discussed. A common procedure for measuring space charges is explained and applied to verify the functionality of the system. The measurement system is provided as an additional basic research tool for the Corporate Research Centre of ABB (China) Ltd. It can be used to characterise flat samples with thickness of 0.2–0.5 mm under DC stress. The spatial resolution of the measurement is 20 μm.

Pulssitettu elektroakustinen menetelmä (PEA) on yleisesti käytetty ei-tuhoava tekniikka tilavarausten tutkimisessa. Sitä on kehitetty 1980-luvun alusta lähtien. Tilavarauksen vaikutusta kiinteän sähköeristemateriaalin luotettavuuteen voimakkaassa sähkökentässä pyritään edelleen ymmärtämään paremmin. PEA-menetelmä on laajalti käytössä tilavarausten profiloinnissa sen vakaan, yksinkertaisen ja suhteellisen halvan laitteiston ansiosta. Menetelmä perustuu eristeessä sijaitsevan tilavarauksen tasapainotilan hetkelliseen järkyttämiseen jänniteimpulssia käyttämällä. Varausten liike synnyttää akustisen paineaallon joka havaitaan pietsosähköisellä anturilla. Havaittu signaali kertoo tilavarauksen avaruusjakauman. Mittausjärjestelmän periaate ja teoriapohja on jo pitkälti vakiintunut. Sitä hyödyntäviä sovelluksia on käytetty useissa erityyppisissä mittauksissa. Tämä diplomityö kuvaa PEA-mittalaitteen järjestelmäsuunnittelun vaiheet. Samalla luodaan katsaus järjestelmän toimintaperiaatteeseen ja viimeisimpiin edistysaskeleisiin. Mittausjärjestelmän sähköisten ja mekaanisten osien suunnittelu ja toteutus käydään läpi vaihe vaiheelta. Laitteen toiminnallisuus varmennetaan käyttämällä yleistä mittausmenetelmää tilavarausten mittaamiseksi. Laite tulee käyttöön ABB (China) Ltd.:n Corporate Research -yksikössä perustutkimuksen apuvälineenä. Sitä voidaan käyttää 0.2–0.5 mm paksuisten levymäisten eristenäytteiden tutkimiseen DC-rasituksessa. Laitteen mittausresoluutio on 20 μm.