CN105652129B - 一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法 - Google Patents

一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于液体电介质参数测量技术领域，具体涉及一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法。所述方法为：采用多级雷电冲击发生器，调整出输出电压幅值在2.5kV～10kV的近似阶跃电压，施加不同幅值的阶跃电压，测量待测绝缘液体在电极间的击穿电压和击穿时延，通过分析击穿电压‑击穿时延曲线，计算出电子迁移率。本发明方法所采用的电压输入装置简单，易于操作，发生击穿时可以呈现显著的电压截断波形；且对测量液体的纯净度无特殊要求，可以广泛适用于工程绝缘液体的测试。

Description

一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法
技术领域
本发明属于液体电介质参数测量技术领域，具体涉及一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法。
背景技术
绝缘液体的电子迁移率是反映绝缘液体基本物理属性的一个重要参数，该参数对研究液体电介质中电子的传输过程和击穿机理都有着重要意义。
目前针对液体电介质中电子迁移率的测量方法，主要有两种，一种是脉冲功率法，即通过不同脉宽的脉冲电压，施加在含有被测液体的小电极间隙，观察临界击穿电压，根据施加电压脉宽-临界击穿电压曲线，得到电子渡越时间，由此计算电子迁移率。该方法对脉宽要求严格，要求脉冲输出低至0.1μs，脉冲功率装置复杂昂贵，且难以观测小间隙(0.05mm)下的击穿现象。另一种是激发电流法，即利用光、射线、微波等方式激发被测液体，产生过剩电子，通过过剩电子传输产生的瞬时电流信号得到电子渡越时间，计算电子迁移率。该方法对液体的纯净程度要求高，如对于正己烷，要求其在300V/cm场强下，电阻率达1016-1017Ω·cm，微量的杂质即可影响电流信号，甚至导致表征电子迁移的电流信号消失。综上可知，现有电子迁移率测试方法存在装置复杂、难以观察和对测试液体纯净程度要求高等问题。
发明内容
本发明提供了一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法，具体技术方案如下：
一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法，采用多级雷电冲击发生器，调整出输出电压幅值在2.5kV～10kV的近似阶跃电压，施加不同幅值的阶跃电压，测量待测绝缘液体在电极间的击穿电压和击穿时延，通过分析击穿电压-击穿时延曲线，计算出电子迁移率。
具体为：
(1)采用基于Marx回路的多级雷电冲击发生器，通过调整击穿球隙有效间距和波头、波尾电阻阻值，获得近似阶跃电压；
(2)将不同幅值的阶跃电压施加到电极之间，测量待测绝缘液体的击穿电压和击穿时延，每一绝缘液体取三组平行试样分别测试；然后，以击穿时延为横坐标、击穿电压为纵坐标作图，得到三组击穿电压-击穿时延曲线；对曲线结果进行汇总、拟合，计算得出集合参数，推导出电子渡越时间，最后计算得到电子迁移率。
更进一步地，具体步骤为：
(a)采用基于Marx回路的多级雷电冲击发生器，调整隔离间隙、波头电阻阻值和波尾电阻阻值，使得空载条件下，三次重复输出电压幅值的波动不超过±10％；具体参数为：输出电压幅值2.5kV～10kV，波前时间0.6μs，波尾时间大于100μs；
(b)将第一份待测绝缘液体试样添加到测试腔体中，一端电极接地，另一端与高压输出相接，调整黄铜电极间距为0.05±0.01mm；
(c)施加电压至出现截断波形，记录击穿电压Um、击穿时延tf数值，每个电压下重复三次实验，记录Um、tf数值，数值最低的记为Us；
(d)逐级提高施加电压，得到不同的Um、tf数值，直到tf<1μs；
(e)步骤(c)和步骤(d)中获得的全部Um、tf数值，记为待测绝缘液体的第一组数据；
(f)更换测试腔体中的黄铜电极和待测绝缘液体试样，重复上述步骤(b)-步骤(e)，直至得到待测绝缘液体试样的三组平行数据；
(g)汇总得到的三组数据，以tf为横坐标，Um为纵坐标绘制散点图，采用公式(1)进行数据拟合，
其中，A、c为与待测液体属性相关的常数；
(h)将拟合结果得到的A、c代入公式(1)中，进行固定A、c的约束条件下的拟合，获得步骤(f)所述三组平行数据中的t0，对其求均值和标准差，得到渡越时间T0，并记UC＝A/(T0 c)；
(i)按照公式(2)计算待测绝缘液体中的电子迁移率μ，其中，d为电极间距，取为0.05mm，
μ＝d2/UCgT0 (2)。
其中，所述绝缘液体包括正己烷、正庚烷或环己烷等纯绝缘液体和各类绝缘设备中采用的绝缘液体。
本发明的有益效果为：本发明方法所采用的电压输入装置简单，易于操作，发生击穿时可以呈现显著的电压截断波形；且对测量液体的纯净度无特殊要求，可以广泛适用于工程绝缘液体的测试。
附图说明
图1为多级雷电冲击发生器的结构示意图；
图2为测试腔体示意图；
图3为实施例1，施加电压过程中出现的截断波形图；
图4为实施例1，步骤(g)中获得的散点图和拟合曲线；
图5为实施例1，第一组数据的散点图和步骤(h)得到的拟合曲线；
图6为实施例1，第二组数据的散点图和步骤(h)得到的拟合曲线；
图7为实施例1，第三组数据的散点图和步骤(h)得到的拟合曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种绝缘液体电子迁移率的测量方法，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
测试绝缘液体正己烷(P.R.A Grade,CAS:110-54-3)中的电子迁移率，其水分含量为12±2ppm。具体测试步骤：
(a)按照图1中雷电冲击发生器示意图，调整隔离间隙、波头电阻与波尾电阻，使得空载条件下，三次重复输出电压幅值为2.5±0.25kV；具体参数为：输出电压幅值2.5kV～10kV，波前时间0.6μs，波尾时间大于100μs。
(b)以正己烷为测试对象，将测试绝缘液体添加到图2测试腔体中，一端电极接地，另一端与高压输出相接，调整电极间距为0.05±0.01mm。
(c)施加电压至出现图3中截断波形，记录击穿电压Um、击穿时延tf数值，每个电压下重复三次击穿实验，记录Um、tf数值，数值最低的记为Us。
(d)逐级提高施加电压，得到不同的Um、tf数值，直到tf<1μs。
(e)步骤(c)和步骤(d)中获得的全部Um、tf数值，记为该待测绝缘液体正己烷的第一组数据。
(f)更换测试腔体中的黄铜电极和试样，重复上述步骤(b)-步骤(e)，直至得到待测绝缘液体正己烷的三组平行数据。
(g)汇总得到的三组数据，以tf为横坐标，Um为纵坐标绘制散点图，采用公式(1)进行数据拟合，
其中，A、c为与待测液体属性相关的常数，拟合结果见附图4。
(h)将拟合结果得到的A、c代入公式(1)中，进行固定A、c的约束条件下的拟合，拟合结果图见附图5-7，获得三组数据中t0，对其求均值和标准差，即得到渡越时间T0，并记UC＝A/(T0 c)。
(i)按照公式(2)计算该绝缘液体中的电子迁移率μ，其中，d为电极间距，取为0.05mm，T0为2.80μs，UC为2.99kV，计算得到正己烷中电子的迁移率数值为2.98×10-7m2/Vs
μ＝d2/UCgT0 (2)。
实施例2
测试绝缘液体正庚烷(P.R.A Grade,CAS:142-82-5)中的电子迁移率，其水分含量为12±2ppm，具体测试方法与实施例1相同。
根据实验结果拟合得的T0为4.14μs，UC＝3.37kV，根据公式(2)得到正庚烷中电子迁移率数值为1.79×10-7m2/Vs。
利用该方法测得的击穿电压与电子迁移率数值与GE研究所的Crowe，以及布鲁克海文国家实验室的Schmidt等研究者利用脉冲功率法和激发电流法所测的结果一致，绝缘液体的击穿强度随着烷烃链长的增加而增大，电子迁移速率则随着烷烃链长的增加而减小。
实施例3
测试绝缘液体环己烷(P.R.A Grade,CAS:110-82-7)中的电子迁移率，具体测试方法与实施例1相同，不同水分含量环己烷中电子迁移率的测试结果如表1所示。
表1不同水分含量环己烷中电子迁移率的测试结果
环己烷中水分含量增大降低电子迁移率值这一结果，与美国乔治理工大学Yang等人的研究一致，极性水分子添加到绝缘液体环己烷中增加了介质中的陷阱，影响了电子在介质中的传输。
由于非极性液体介质中，水分等极性分子会快速吸附电子，影响过剩电子迁移对应的电流信号，使得激发电流法无法获得准确的电流信号，因此目前常用的激发电流法不仅对于绝缘液体的纯度要求极高，且无法适用于工程绝缘液体的测试。

Claims (4)

1.一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法，其特征在于，采用多级雷电冲击发生器，调整出输出电压幅值在2.5kV～10kV的近似阶跃电压，施加不同幅值的阶跃电压，测量待测绝缘液体在电极间的击穿电压和击穿时延，通过分析击穿电压-击穿时延曲线，计算出电子迁移率；具体为：
(1)采用基于Marx回路的多级雷电冲击发生器，通过调整击穿球隙有效间距和波头、波尾电阻阻值，获得近似阶跃电压；
(2)将不同幅值的阶跃电压施加到电极之间，测量待测绝缘液体的击穿电压和击穿时延，每一绝缘液体取三组平行试样分别测试；然后，以击穿时延为横坐标、击穿电压为纵坐标作图，得到三组击穿电压-击穿时延曲线；对曲线结果进行汇总、拟合，计算得出集合参数，推导出电子渡越时间，最后计算得到电子迁移率。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法，其特征在于，具体步骤为：
(a)采用基于Marx回路的多级雷电冲击发生器，调整击穿球隙有效间距、波头电阻阻值和波尾电阻阻值，使得空载条件下，三次重复输出电压幅值的波动不超过±10％；具体参数为：输出电压幅值2.5kV～10kV，波前时间0.6μs，波尾时间大于100μs；
(b)将第一份待测绝缘液体试样添加到测试腔体中，一端电极接地，另一端与高压输出相接，调整黄铜电极间距为0.05±0.01mm；
(c)施加电压至出现截断波形，记录击穿电压Um、击穿时延tf数值，每个电压下重复三次实验，记录Um、tf数值，数值最低的记为Us；
(d)逐级提高施加电压，得到不同的Um、tf数值，直到tf<1μs；
(e)步骤(c)和步骤(d)中获得的全部Um、tf数值，记为待测绝缘液体的第一组数据；
(f)更换测试腔体中的黄铜电极和待测绝缘液体试样，重复上述步骤(b)-步骤(e)，直至得到待测绝缘液体试样的三组平行数据；
(g)汇总得到的三组数据，以tf为横坐标，Um为纵坐标绘制散点图，采用公式(1)进行数据拟合，
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其中，A、c为与待测液体属性相关的常数；
(h)将拟合结果得到的A、c代入公式(1)中，进行固定A、c的约束条件下的拟合，获得步骤(f)所述三组平行数据中的t0，对其求均值和标准差，得到渡越时间T0，并记UC＝A/(T0 c)；
(i)按照公式(2)计算待测绝缘液体中的电子迁移率μ，其中，d为电极间距，取为0.05mm，μ＝d2/UCg T0 (2)。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种绝缘液体中电子迁移率的测量方法，其特征在于，所述绝缘液体包括纯绝缘液体和各类绝缘设备中采用的绝缘液体。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述纯绝缘液体为正己烷、正庚烷或环己烷。
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