CN108445310A - 一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置及方法，涉及固体绝缘材料的表面电荷测量技术领域。测量装置包括高压电源、保护电阻、低压电源、密闭气室、高压充电装置和电位测量装置。测量方法首先高压电源通过保护电阻连接针电极，栅电极连接低压电源，对绝缘材料试样薄片进行电荷注入，充电结束后断开电源，利用探头运动导杆使探头移至试样上方，配合旋转连接导杆的旋转带动试样实现对试样的全平面电位测量，并绘制电位随消散时间的变化曲线，运用数学公式计算分析气固交界面的电荷陷阱能级分布。本发明可适用于不同电压形态类型、不同固体绝缘材料、不同绝缘气体下的气固交界面的表面电荷测量和陷阱能级分布研究，测量范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及固体绝缘材料的表面电荷测量技术领域，尤其涉及一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置及方法。
背景技术
绝缘材料具有优异的电绝缘性能，其电阻率高，介电损耗低，电击击穿强度高，因此被广泛应用于电子电气、核反应堆以及空间站等设备中。对于一般的电气设备来说，在由金属导体、绝缘材料和气体构成的电气系统中，当在导体上施加一定电压时，就会在其附近形成空间电场。一旦电场达到临界值，就会引起绝缘材料发生闪络，出现沿面放电。随着电压进一步升高，绝缘材料发生极化，介电性能大大降低，系统绝缘失效，引起电气设备损坏和事故的发生。因此，绝缘材料的绝缘性能的好坏直接影响到电力设备能否安全稳定运行。
近年来，研究者发现在材料周围施加一定电场作用时，材料表面会积累一定的电荷，成为表面电荷。表面电荷的存在对材料的性能有重要影响，它不仅可以使自身周围的电场畸变，同时还为沿面放电提供放电电荷以及放电通道。因此研究材料表面电荷的动态特性尤其是消散过程中衰减特性意义重大。表面电位衰减过程与电荷注入、入陷-脱陷、电荷迁移等物理现象密切相关，通过建立适当模型，分析表面电位衰减动态特性，即可获得试样表面陷阱能级分布和载流子迁移率等参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置及方法，利用高压充电和表面电位测量技术以及现有仪器，在不同电压等级类型下，对不同气体和不同聚合物材料试样的气固交界处的表面电荷进行测量分析，绘制陷阱能级分布曲线来表征绝缘材料和不同气体交界面处的表面电荷特性，确定电荷在绝缘材料内部的运输特性，为解决绝缘子沿面闪络问题和其老化状态的评估提供了重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，包括高压电源、保护电阻、低压电源、密闭气室、高压充电装置和电位测量装置；
所述高压充电装置包括均压环、高压电极、针电极、栅板电极、栅电极引出线、绝缘支架、绝缘试样、平板电极、旋转连接导杆、支撑杆、绝缘挡板、第一驱动装置和第二驱动装置；所述电位测量装置包括测量探头、探头绝缘套、探头运动导杆、第三驱动装置和连接测量探头的电位计、单片机、计算机；所述针电极、栅板电极、绝缘支架、绝缘试样、平板电极、绝缘挡板、测量探头、探头绝缘套均完全封装在密闭气室中；
所述密闭气室为一筒装罐体，筒状主罐体下端固接有下盖板，上端搭接有盆式绝缘子；所述密闭气室的筒状主罐体上左右两侧分别设有左侧法兰结构和右侧法兰结构；所述下盖板上开设有左右两个通孔，分别为第一通孔和第二通孔；所述下盖板上还开设有一个气孔，该气孔中插接有一气管；
所述高压电源的高压端通过保护电阻连接至高压电极，所述高压电极插接在密闭气室顶端的盆式绝缘子中；所述高压电极上下两端均套接一个均压环，两个均压环分别位于密闭气室的外部和内部；所述高压电极下端通过电极连接导线连接针电极一端；
所述针电极位于栅板电极垂直正上方，所述栅板电极位于绝缘试样上方、并与绝缘试样保持平行；所述绝缘试样为固体薄片型，固定于所述平板电极上表面，且可拆卸；所述针电极与栅板电极之间、栅板电极与绝缘试样之间均保持一定的垂直距离；所述针电极和栅板电极通过绝缘支架固定在一起，同时绝缘支架右端与探头运动导杆左端固定连接；
所述平板电极作为地电极，其下端连接所述旋转连接导杆，所述旋转连接导杆下部穿过密闭气室下盖板的第一通孔后接地；所述旋转连接导杆末端连接第一驱动装置输出端；所述第一驱动装置带动所述旋转连接导杆旋转运动，进而带动绝缘试样旋转；
所述支撑杆密封插设于第二通孔中，并于密闭气室外侧进行接地；所述支撑杆上端固接绝缘挡板，下端连接第二驱动装置输出端；当充电时，第二驱动装置驱动支撑杆带动绝缘挡板向上移动，使针电极和测量探头可靠绝缘；当测量时，第二驱动装置驱动支撑杆带动绝缘挡板向下移动，方便探头运动导杆带动测量探头移至充电结束后的绝缘试样上方，并完成对其表面电荷电位的测量；
所述探头运动导杆右端通过密闭气室的右侧法兰结构连接第三驱动装置输出端，所述第三驱动装置驱动所述探头运动导杆沿水平方向左右运动；
所述栅电极引出线一端通过电极连接导线连接栅板电极，另一端通过环氧浇注引出密闭气室的左侧法兰结构后连接所述低压电源，所述低压电源另一端接地；
所述测量探头固定在绝缘支架右部，并通过数据线顺次连接静电位计、单片机和计算机；所述探头绝缘套套接在测量探头顶部。
进一步地，所述针电极与栅板电极之间的垂直距离为2～3mm，栅板电极与绝缘试样之间的垂直距离为3mm。
进一步地，所述针电极采用不锈钢针，不锈钢针的针尖与栅板电极上表面之间的垂直距离为2～3mm。
进一步地，所述高压电源为直流高压、交流高压或冲击电压。
进一步地，所述第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置均采用步进电机。
进一步地，所述绝缘试样的材料为环氧树脂或其他聚合物材料，其厚度为微米级至毫米级。
另一方面，本发明还提供一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量方法，采用上述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置实现，包括以下步骤：
步骤1、首先将绝缘试样用酒精擦拭干净，并在干净干燥的空气中晾干，静止半小时；
步骤2、将绝缘试样紧贴在平板电极表面，使其不发生相对移动，平板电极通过旋转连接导杆良好接地；
步骤3、通过第三驱动装置控制探头运动导杆推动绝缘支架带动栅板电极移至绝缘试样的垂直正上方，使针电极与栅板电极相距2～3mm，栅电极与绝缘试样相距3mm，同时通过第二驱动装置控制支撑杆向上移动，使绝缘挡板位于测量探头与针电极之间，保持测量探头和针电极可靠绝缘；
步骤4、在气密性良好的条件下，封闭密闭气室的罐体，通过密闭气室下盖板上的气管和气孔将密闭气室罐体抽真空后充入绝缘气体；
步骤5、通过高压充电装置进行充电，利用高压电源通过针电极、栅板电极对绝缘试样进行电荷均匀注入，充电结束后，断开电源；
步骤6、通过第二驱动装置控制支撑杆带动绝缘挡板向下移动，方便测量探头的移动；通过第三驱动装置控制探头运动导杆移动，将测量探头迅速移至加压处理后的绝缘试样上方；通过第一驱动装置控制旋转连接导杆带动平板电极和绝缘试样旋转，在探头运动导杆和旋转连接导杆的配合下，实现对气固界面的全平面的电位测量，记录消散过程中表面电位衰减的数据；
步骤7、通过计算机数学计算分析固体绝缘材料和绝缘气体气固交接面的电荷陷阱能级分布情况；
步骤8、根据步骤6测量的表面电位随时间的衰减数据，绘制表面电荷消散过程中表面电位随消散时间的衰减曲线，横坐标为衰减时间，纵坐标为表面电位大小，通过此变化曲线确定表面电位随时间的衰减趋势；
步骤9、改变实验条件，然后重复步骤1～步骤8；根据不同实验条件下的每次测量过程中步骤8绘制的衰减曲线，以及步骤7分析的陷阱能级分布情况，比较曲线中不同实验条件下的不同结果来分析实际运行工况下的情况，进而实现优化避免表面电荷影响。
进一步地，步骤6中记录消散过程中表面电位衰减的数据的具体方法为：以启动电位测量装置进行测量为起始时间，即t＝0，通过电位计获得第一组绝缘试样表面的所有电位数据，并传输至单片机和计算机中；此后保持环境条件不变，每隔一段时间进行一次电位测量，记录表面电位数据。
进一步地，所述步骤7中，计算分析电荷陷阱能级分布情况的具体方法为：
根据表面电位衰减动态特性，建立陷阱能级密度函数Nt(E)与能级深度Et的关系式，并绘制陷阱能级密度与能级深度的变化曲线，其中横坐标为陷阱能级深度，纵坐标为陷阱能级密度，根据陷阱能级密度与能级深度的变化曲线来表征绝缘试样的表面陷阱能级分布；
所述陷阱能级密度函数Nt(E)与能级深度Et的关系式如下式所示；
其中，Nt(E)为陷阱能级密度函数；Et为能级深度，Et＝Ec-Em＝kT ln(vt)；Ec为导带能级，Em为基态能级；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T为实验温度，单位为K；v为陷阱电子的逃逸频率因子，单位为s-1；t为时间；e为电子电荷量，单位为C；L为试样厚度，单位为m；Vs(t)为表面电位衰减函数。
进一步地，所述步骤9中的实验条件包括电压类型、气体条件、绝缘试样材料，其中气体条件包括绝缘气体类型和气压大小；
改变实验条件的具体方式为：针对一种材料的绝缘试样，可以改变电压类型或气体条件，重复实验，每个绝缘试样用完后需静止30min。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置及方法，利用高压充电和表面电位测量技术以及现有仪器，在不同电压等级类型下，对不同气体和不同聚合物材料试样的气固交界处的表面电荷进行测量分析，绘制陷阱能级分布曲线来表征绝缘材料和不同气体交界面处的表面电荷特性，弄清楚电荷在绝缘材料内部的运输特性，为解决绝缘子沿面闪络问题和其老化状态的评估提供了重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。相对于现有技术具有以下优异效果：
(1)本发明的装置的整个控制机构中探头运动导杆以及旋转连接导杆都位于封闭罐体外部，一方面节约了运动机构占用的空间体积，在试验过程中上节约了绝缘气体的使用，具有良好的经济适用性，另一方面又规避了运动机构在内部运动所产生的其他不稳定因素的影响；
(2)本发明的装置在充电和测量时，使充电装置和测量装置结合在一起，针电极、栅板电极和探头通过探头运动导杆和绝缘支架连接在一起，充电结束后，直接通过控制运动导杆将探头置于试样上方，这样既可以节约大量时间，减小了时间原因对电荷消散的影响；同时减少了一套专门控制针栅板电极运动的机构以及整个装置占用的空间体积，节约绝缘气体的使用量，具有良好的经济实用性；
(3)测量过程中通过控制探头连接导杆进出时间和旋转连接导杆的配合，完成对试样全平面的表面电位测量；
(4)本发明可以测量多种条件下，绝缘气体和固体绝缘材料交界面的表面电位衰减情况分析陷阱能级分布；可以改变电压类型、气体条件、固体绝缘材料，在不同电压类型下、不同气体和不同固体绝缘材料交界面的电荷电位的衰减特性来分析陷阱能级分布，满足表面电荷的测量要求，覆盖面广，准确度高，周期短，本发明的检测工艺条件易于进行，试样经过严格化的洁净处理，准确度高，周期短，检测重复性好；
(5)本发明装置可以通过高压充电和电位测量得到绝缘材料和气体交界面的表面电荷特性，以及通过对表面电荷电位进行数学公式处理计算来获得材料表面陷阱能级分布特性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高压充电过程的装置使用状态示意图；
图3为本发明实施例提供的电位测量过程的装置使用状态示意图。
图中：1、保护电阻；2、密闭气室；201、筒状主罐体；202、下盖板；203、盆式绝缘子；204、左侧法兰结构；205、右侧法兰结构；206、第一通孔；207、第二通孔；208、气孔；209、气管；3、均压环；4、高压电极；5、电极连接导线；6、针电极；7、栅板电极；8、栅板电极引出线；9、绝缘支架；10、绝缘试样；11、平板电极；12、旋转连接导杆；13、支撑杆；14、绝缘挡板；15、第一驱动装置；16、第二驱动装置；17、测量探头；18、探头绝缘套；19、探头运动导杆；20、第三驱动装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例提供一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，包括高压电源、保护电阻1、低压电源、密闭气室2、高压充电装置和电位测量装置。其中，高压充电装置包括均压环3、高压电极4、针电极6、栅板电极7、栅电极引出线8、绝缘支架9、绝缘试样10、平板电极11、旋转连接导杆12、支撑杆13、绝缘挡板14、第一驱动装置15和第二驱动装置16；电位测量装置包括测量探头17、探头绝缘套18、探头运动导杆19、第三驱动装置20和连接测量探头17的电位计、单片机、计算机。针电极6、栅板电极7、绝缘支架9、绝缘试样10、平板电极11、绝缘挡板14、测量探头17、探头绝缘套18均完全封装在密闭气室中。整个充电过程和电位测量过程都是在封闭的密闭气室结构中进行的，高压充电装置主要通过针栅板电极电晕放电对试样表面均匀注入电荷，电位测量装置用于测量聚合物绝缘材料和气体交界面的表面电荷的静电电位。本实施例中，所述第一驱动装置15、第二驱动装置16和第三驱动装置20均采用步进电机。
密闭气室2为一筒装罐体，筒状主罐体201下端固接有下盖板202，上端搭接有盆式绝缘子203。筒状主罐体201上左右两侧分别设有左侧法兰结构204和右侧法兰结构205，下盖板202上开设有左右两个通孔，分别为第一通孔206和第二通孔207，下盖板202上还开设有一个气孔208，该气孔中插接有一气管209。
高压电源的高压端通过保护电阻1连接至高压电极4，高压电极4插接在密闭气室2顶端的盆式绝缘子203中，高压电极4上下两端均套接一个均压环3，两个均压环分别位于密闭气室2的外部和内部，高压电极4下端通过电极连接导线5连接针电极6的一端。具体实施中中，高压电源为直流高压、交流高压或冲击电压。
针电极6位于栅板电极7的垂直正上方，栅板电极7位于绝缘试样10上方、并与绝缘试样10保持平行。绝缘试样10为固体薄片型，固定于平板电极11上表面，且可拆卸。针电极6与栅板电极7之间、栅板电极7与绝缘试样10之间均保持一定的垂直距离，针电极6与栅板电极7之间的垂直距离为2～3mm，栅板电极7与绝缘试样10之间的垂直距离为3mm。针电极6和栅板电极7通过绝缘支架9固定在一起，同时绝缘支架9右端与探头运动导杆19左端固定连接。本实施例中，针电极6采用不锈钢针。
平板电极11作为地电极，其下端连接所述旋转连接导杆12，所述旋转连接导杆12下部穿过密闭气室2的下盖板202的第一通孔206后接地，旋转连接导杆12末端连接第一驱动装置15的输出端，第一驱动装置15带动所述旋转连接导杆12旋转运动，进而带动绝缘试样10旋转。
支撑杆13密封插设于第二通孔207中，并于密闭气室2外侧进行接地。支撑杆13的上端固接绝缘挡板14，下端连接第二驱动装置16的输出端。当充电时，第二驱动装置16驱动支撑杆13带动绝缘挡板14向上移动，使针电极6和测量探头17可靠绝缘；当测量时，第二驱动装置16驱动支撑杆13带动绝缘挡板14向下移动，方便探头运动导杆19带动测量探头17移至充电结束后的绝缘试样10上方，并完成对其表面电荷电位的测量。
探头运动导杆19右端通过密闭气室2的右侧法兰结构205连接第三驱动装置20的输出端，所述第三驱动装置20带动所述探头运动导杆19沿水平方向左右运动。
栅电极引出线8一端连接栅板电极7，另一端通过环氧浇注引出密闭气室2的左侧法兰结构204后连接低压电源，低压电源另一端接地。
测量探头17固定在绝缘支架9的右部，并通过数据线顺次连接静电位计、单片机和计算机。探头绝缘套18套接在测量探头17的顶部。
本发明的测量装置测量范围广泛，可以在常温下控制气体的成分和气压条件，气体成分可以是SF6、CF4、N2以及环保气体等，气压条件可以是真空条件到0.5MPa，固体绝缘材料可以是环氧树脂、其他聚合物材料等，材料厚度可以是几微米至几毫米，电压条件可以是直流高压、交流高压以及冲击电压等，覆盖面广，为以后的试验范围提供良好的保障。该装置可以通过高压充电和电位测量得到绝缘材料和气体交界面的表面电荷特性，以及通过对表面电荷电位进行数学公式处理来获得材料表面陷阱能级分布特性。
充电与测量装置大部分封闭在一个筒状罐体内，在法兰以及通孔处进行严格密封处理，保证整体的气密性良好。
本实施例中，绝缘试样采用环氧树脂薄片试样，采用上述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置进行聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量的方法具体如下。
步骤1、首先取环氧树脂材料的薄片试样用酒精擦拭干净，并在干净干燥的空气中晾干，静止半小时。
步骤2、将薄片试样紧贴在平板电极11表面，使其不发生相对移动，平板电极11通过旋转连接导杆12良好接地。贴好后再用酒精擦拭周围及试样表面，避免其它因素影响。
步骤3、通过第三驱动装置20控制探头运动导杆19推动绝缘支架9带动栅板电极7移至绝缘试样10的垂直正上方，使针电极6与栅板电极7相距2～3mm，栅板电极7与绝缘试样10相距3mm，同时通过第二驱动装置16控制支撑杆13向上移动，使绝缘挡板14位于测量探头17与针电极6之间，保持测量探头17和针电极6可靠绝缘，如图2所示的各结构的位置。
步骤4、在气密性良好的条件下，封闭密闭气室2的罐体，通过密闭气室2下盖板202上的气孔208和气管209将密闭气室2的罐体抽真空后充入绝缘气体。
本实施例中，在气密性良好的条件下，封闭罐体，并用抽真空机对试验罐体抽真空半个小时，然后向试验罐体充入0.4MPa绝缘气体SF6。
步骤5、通过高压充电装置进行充电，利用高压电源施加电压一段时间，通过针电极6、栅板电极7对绝缘试样10进行电荷均匀注入，加压过程为电晕放电处理，充电结束后，断开电源。
步骤6、通过第二驱动装置16控制支撑杆13带动绝缘挡板14向下移动，方便测量探头17的移动；通过第三驱动装置20控制探头运动导杆19移动，将测量探头17迅速移至加压处理后的绝缘试样10上方；通过第一驱动装置15控制旋转连接导杆12带动平板电极11和绝缘试样10旋转，在探头运动导杆19和旋转连接导杆12的配合下，实现对气固界面的全平面的电位测量，记录消散过程中表面电位衰减的数据，实现聚合物表面电荷的测量，该过程中各结构的位置状态如图3所示。
其中，记录消散过程中表面电位衰减的数据的具体方法为：以启动电位测量装置进行测量为起始时间，即t＝0，通过电位计获得第一组绝缘试样表面的所有电位数据，并传输至单片机和计算机中；此后保持环境条件不变，每隔一段时间进行一次电位测量，记录表面电位数据。
步骤7、通过在计算机中数学计算分析固体绝缘材料和绝缘气体气固交接面的电荷陷阱能级分布情况；具体方法为：
根据表面电位衰减动态特性，建立陷阱能级密度函数Nt(E)与能级深度Et的关系式，并绘制陷阱能级密度与能级深度的变化曲线，其中横坐标为陷阱能级深度，纵坐标为陷阱能级密度，根据陷阱能级密度与能级深度的变化曲线来表征绝缘试样的表面陷阱能级分布。
表面电位衰减过程与电荷注入、入陷-脱陷、电荷迁移等物理现象密切相关，通过建立适当模型，分析表面电位衰减动态特性，即可获得试样表面陷阱能级分布和载流子迁移率等参数。对于厚度为微米至毫米级的薄膜试样，可以近似地认为计算所得能级分布即为体陷阱能级分布。表面电位由被陷阱俘获的电荷激发所致，在表面电位衰减过程中，电荷不断脱陷并向地电极移动而形成了表面电位衰减。假设在表面电位衰减过程中不存在异号电荷中和现象，且由材料内部空间电荷产生的内电场足够高，注入电荷最终都经历脱陷到达地电极。
根据J.G.Simmons提出的理论，在某个时刻t，脱陷电子在外电路感应产生的电流密度为
其中，L为试样厚度/m；e为电子电荷量/C；Nt(E)为陷阱能级密度分布函数/(1/eV·m3)；f0(E)为能级E被电子占有的概率，它在一定的电子注入条件下为定值；v为陷阱电子的逃逸频率因子/s-1，其值在1012～1014s-1范围内；en为电子从深度为Et＝Ec-E的陷阱激发到导带的概率，Ec为导带能级，en可以表示为：
其中，τ为松弛时间/s；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T为实验温度/K。
根据上式，陷阱能级密度分布函数Nt(E)很难直接获得。因此，J.G.Simmons引入了一个函数G(E，t)，
并推导得出陷阱能级深度Et和时间t的关系为
Et＝Ec-Em＝kTln(vt)；
其中Et为能级深度；Em为基态能级，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T为实验温度/K。
然后通过构造函数，在进行积分和变换形式，最后通过步骤6测量的表面电位数据计算时间与表面电位衰减率的乘积tdVs/dt得到陷阱能级密度函数Nt(E)与Et的关系式为
其中，Nt(E)为陷阱能级密度函数；Et为能级深度；Vs(t)为表面电位衰减函数。
步骤8、根据步骤6测量的表面电位随时间的衰减数据，绘制表面电荷消散过程中表面电位随消散时间的衰减曲线，横坐标为衰减时间，纵坐标为表面电位大小，通过此变化曲线确定表面电位随时间的衰减趋势；
步骤9、改变实验条件，包括改变电压类型、气体条件、绝缘试样材料，然后重复步骤1～步骤8；根据不同实验条件下的每次测量过程中步骤8绘制的衰减曲线，以及步骤7分析的陷阱能级分布情况，比较曲线中不同实验条件下的不同结果来分析实际运行工况下的情况，进而实现优化避免表面电荷影响。其中气体条件包括绝缘气体类型和气压大小；改变实验条件的具体方式为：针对一种材料的绝缘试样，可以改变电压类型和气体条件，重复实验，每个绝缘试样用完后需静止30min。
本发明利用高压充电和表面电位测量技术以及现有仪器，在不同电压等级类型下，对不同气体和不同聚合物材料试样的气固交界处的表面电荷进行测量分析，绘制陷阱能级分布曲线来表征绝缘材料和不同气体交界面处的表面电荷特性，弄清楚电荷在绝缘材料内部的运输特性，为解决绝缘子沿面闪络问题和其老化状态的评估提供了重要的理论依据，具有典型的工程实践指导意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，其特征在于：该装置包括高压电源、保护电阻(1)、低压电源、密闭气室(2)、高压充电装置和电位测量装置；
所述高压充电装置包括均压环(3)、高压电极(4)、针电极(6)、栅板电极(7)、栅电极引出线(8)、绝缘支架(9)、绝缘试样(10)、平板电极(11)、旋转连接导杆(12)、支撑杆(13)、绝缘挡板(14)、第一驱动装置(15)和第二驱动装置(16)；所述电位测量装置包括测量探头(17)、探头绝缘套(18)、探头运动导杆(19)、第三驱动装置(20)和连接测量探头(17)的电位计、单片机、计算机；所述针电极(6)、栅板电极(7)、绝缘支架(9)、绝缘试样(10)、平板电极(11)、绝缘挡板(14)、测量探头(17)、探头绝缘套(18)均完全封装在密闭气室(2)中；
所述密闭气室(2)为一筒装罐体，筒状主罐体(201)下端固接有下盖板(202)，上端搭接有盆式绝缘子(203)；所述密闭气室(2)的筒状主罐体(201)上左右两侧分别设有左侧法兰结构(204)和右侧法兰结构(205)；所述下盖板(202)上开设有左右两个通孔，分别为第一通孔(206)和第二通孔(207)；所述下盖板(202)上还开设有一个气孔(208)，该气孔(208)中插接有一气管(209)；
所述高压电源的高压端通过保护电阻(1)连接至高压电极(4)，所述高压电极(4)插接在密闭气室(2)顶端的盆式绝缘子(203)中；所述高压电极(4)上下两端均套接一个均压环(3)，两个均压环(3)分别位于密闭气室(2)的外部和内部；所述高压电极(4)下端通过电极连接导线(5)连接针电极(6)一端；
所述针电极(6)位于栅板电极(7)垂直正上方，所述栅板电极(7)位于绝缘试样(10)上方、并与绝缘试样(10)保持平行；所述绝缘试样(10)为固体薄片型，固定于所述平板电极(11)上表面，且可拆卸；所述针电极(6)与栅板电极(7)之间、栅板电极(7)与绝缘试样(10)之间均保持一定的垂直距离；所述针电极(6)和栅板电极(7)通过绝缘支架(9)固定在一起，同时绝缘支架(9)右端与探头运动导杆(19)左端固定连接；
所述平板电极(11)作为地电极，其下端连接所述旋转连接导杆(12)，所述旋转连接导杆(12)下部穿过密闭气室(2)下盖板(202)的第一通孔(206)后接地；所述旋转连接导杆(12)末端连接第一驱动装置(15)输出端；所述第一驱动装置(15)带动所述旋转连接导杆(12)旋转运动，进而带动绝缘试样(10)旋转；
所述支撑杆(13)密封插设于第二通孔(207)中，并于密闭气室(2)外侧进行接地；所述支撑杆(13)上端固接绝缘挡板(14)，下端连接第二驱动装置(16)输出端；当充电时，第二驱动装置(16)驱动支撑杆(13)带动绝缘挡板(14)向上移动，使针电极(6)和测量探头(17)可靠绝缘；当测量时，第二驱动装置(16)驱动支撑杆(13)带动绝缘挡板(14)向下移动，方便探头运动导杆(19)带动测量探头(17)移至充电结束后的绝缘试样(10)上方，并完成对其表面电荷电位的测量；
所述探头运动导杆(19)右端通过密闭气室(2)的右侧法兰结构(205)连接第三驱动装置(20)输出端，所述第三驱动装置(20)驱动所述探头运动导杆(19)沿水平方向左右运动；
所述栅电极引出线(8)一端通过电极连接导线(5)连接栅板电极(7)，另一端通过环氧浇注引出密闭气室(2)的左侧法兰结构(204)后连接所述低压电源，所述低压电源另一端接地；
所述测量探头(17)固定在绝缘支架(9)右部，并通过数据线顺次连接电位计、单片机和计算机；所述探头绝缘套(18)套接在测量探头(17)顶部。
2.根据权利要求1所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，其特征在于：所述针电极(6)与栅板电极(7)之间的垂直距离为2～3mm，栅板电极(7)与绝缘试样(10)之间的垂直距离为3mm。
3.根据权利要求1或2所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，其特征在于：所述针电极(6)采用不锈钢针，不锈钢针的针尖与栅板电极(7)上表面之间的垂直距离为2～3mm。
4.根据权利要求1所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，其特征在于：所述高压电源为直流高压、交流高压或冲击电压。
5.根据权利要求1所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，其特征在于：所述第一驱动装置(15)、第二驱动装置(16)和第三驱动装置(20)均采用步进电机。
6.根据权利要求1所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置，其特征在于：所述绝缘试样(10)的材料为环氧树脂或其他聚合物材料，其厚度为微米级至毫米级。
7.一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量方法，采用权利要求1所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置实现，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1、首先将绝缘试样(10)用酒精擦拭干净，并在干净干燥的空气中晾干，静止半小时；
步骤2、将绝缘试样(10)紧贴在平板电极(11)表面，使其不发生相对移动，平板电极(11)通过旋转连接导杆(12)良好接地；
步骤3、通过第三驱动装置(20)控制探头运动导杆(19)推动绝缘支架(9)带动栅板电极(7)移至绝缘试样(10)的垂直正上方，使针电极(6)与栅板电极(7)相距2～3mm，栅电极与绝缘试样(10)相距3mm，同时通过第二驱动装置(16)控制支撑杆(13)向上移动，使绝缘挡板(14)位于测量探头(17)与针电极(6)之间，保持测量探头(17)和针电极(6)可靠绝缘；
步骤4、在气密性良好的条件下，封闭密闭气室(2)的罐体，通过密闭气室(2)下盖板(202)上的气管(209)和气孔(208)将密闭气室(2)罐体抽真空后充入绝缘气体；
步骤5、通过高压充电装置进行充电，利用高压电源通过针电极(6)、栅板电极(7)对绝缘试样(10)进行电荷均匀注入，充电结束后，断开电源；
步骤6、通过第二驱动装置(16)控制支撑杆(13)带动绝缘挡板(14)向下移动，方便测量探头(17)的移动；通过第三驱动装置(20)控制探头运动导杆(19)移动，将测量探头(17)迅速移至加压处理后的绝缘试样(10)上方；通过第一驱动装置(15)控制旋转连接导杆(12)带动平板电极(11)和绝缘试样(10)旋转，在探头运动导杆(19)和旋转连接导杆(12)的配合下，实现对气固界面的全平面的电位测量，记录消散过程中表面电位衰减的数据；
步骤7、通过计算机数学计算分析固体绝缘材料和绝缘气体气固交接面的电荷陷阱能级分布情况；
步骤8、根据步骤6测量的表面电位随时间的衰减数据，绘制表面电荷消散过程中表面电位随消散时间的衰减曲线，横坐标为衰减时间，纵坐标为表面电位大小，通过此变化曲线确定表面电位随时间的衰减趋势；
步骤9、改变实验条件，然后重复步骤1～步骤8；根据不同实验条件下的每次测量过程中步骤8绘制的衰减曲线，以及步骤7分析的陷阱能级分布情况，比较曲线中不同实验条件下的不同结果来分析实际运行工况下的情况，进而实现优化避免表面电荷影响。
8.根据权利要求7所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量方法，其特征在于：所述步骤6中记录消散过程中表面电位衰减的数据的具体方法为：以启动电位测量装置进行测量为起始时间，即t＝0，通过电位计获得第一组绝缘试样表面的所有电位数据，并传输至单片机和计算机中；此后保持环境条件不变，每隔一段时间进行一次电位测量，记录表面电位数据。
9.根据权利要求7所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量方法，其特征在于：所述步骤7中，计算分析电荷陷阱能级分布情况的具体方法为：
根据表面电位衰减动态特性，建立陷阱能级密度函数Nt(E)与能级深度Et的关系式，并绘制陷阱能级密度与能级深度的变化曲线，其中横坐标为陷阱能级深度，纵坐标为陷阱能级密度，根据陷阱能级密度与能级深度的变化曲线来表征绝缘试样的表面陷阱能级分布；
所述陷阱能级密度函数Nt(E)与能级深度Et的关系式如下式所示；
其中，Nt(E)为陷阱能级密度函数；Et为能级深度，Et＝Ec-Em＝kT ln(vt)；Ec为导带能级，Em为基态能级；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T为实验温度，单位为K；v为陷阱电子的逃逸频率因子，单位为s-1；t为时间；e为电子电荷量，单位为C；L为试样厚度，单位为m；Vs(t)为表面电位衰减函数。
10.根据权利要求7所述的聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量方法，其特征在于：所述步骤9中的实验条件包括电压类型、气体条件、绝缘试样材料，其中气体条件包括绝缘气体类型和气压大小；
改变实验条件的具体方式为：针对一种材料的绝缘试样，可以改变电压类型或气体条件，重复实验，每个绝缘试样用完后需静止30min。
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