CN111579880B - 一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量原理，属于绝缘电介质的介电参数测量领域，解决线性绝缘电介质的稳态松弛极化率无法精准测量的技术难题。测量直流电压作用下绝缘电介质极化电流时域谱和开路后表面电位衰减时域谱，由极化吸收电流对时间积分得到施加电压最终松弛极化强度，即表面电位衰减过程中的初始松弛极化强度，采用三支路德拜松弛等效电路模型，考虑初始松弛极化强度和电导率，对表面电位衰减时域谱进行分析获得电位衰减过程中的松弛极化强度Prd(t)及松弛极化强度峰值Prd(tm)，而后根据峰值时刻的电场值计算得到稳态松弛极化率χrs，测量原理简单，精度高，适用范围广。

Description

一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量方法
技术领域：
本发明涉及电介质的介电参数领域，特别是涉及一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量方法。
背景技术：
线性绝缘电介质的极化率(χ)是表征电介质特性的基本参数之一。电介质物理学对于特定的绝缘电介质(满足单一德拜松弛极化机理)建立了给定频率下绝缘电介质极化率(χ)与静态极化率(χs)、无穷高频极化率(χ∞)和频率(f)三者之间函数关系。静态极化率(χs)是直流电场作用下极化充分建立后的外在体现，是瞬时位移极化和所有松弛极化的总和。理论上对于特定的绝缘电介质而言，在已知其无穷高频极化率(χ∞)和静态极化率(χs)条件下就可以计算任意给定频率下的极化率(χ)。
稳态松弛极化率(χrs)可定义为静态极化率(χs)与高频极化率(χ∞)之差，在不同应用场合下，对稳态松弛极化率的要求也不同。当电介质用于储能元件如电容器时，要求稳态松弛极化率要大，使得单位体积中储存的能量更多。当电介质用于绝缘体时，要求稳态松弛极化率要小，以减少流过的电容电流。为了检验评定电工设备、元件的性能，选择合适的材料，必须对电介质的稳态松弛极化率进行测量。因此实现稳态松弛极化率(χrs)的测量具有重要的理论意义和工程意义。
通常稳态松弛极化率(χrs)可以通过宽带介电谱仪等设备获得。如采用诸如Novocontrol Concept80型宽频介电谱仪测试电介质介电谱可获取频率为10-3Hz-107Hz范围内的极化率，将频率为10-3Hz的极化率与107Hz下的极化率之差作为稳态松弛极化率(χrs)。但是频率为10-3Hz下的极化率与静态极化率(χs)存在一定的偏差，导致获取的稳态松弛极化率不准确。理论上讲，延长测试时间可以获取更低频率下的极化率，得到结果更接近于静态极化率(χs)。但是单纯延长测试时间无法从根本上解决问题，原因在于真正的稳态是永远达不到的。另外单纯延长测试时间会带来效率低下的问题。因此急需一种有效的测试方法在较短时间内实现绝缘电介质稳态松弛极化率(χrs)的高精度测量。
发明内容：
为了克服线性电介质稳态松弛极化率(χrs)无法精准测量的技术难题，考虑到在有限时间段内，对被测线性绝缘介质进行极化，由极化吸收电流对时间积分可以得到施加电压最终的松弛极化强度。由于极化时间短，松弛极化强度在施加电方法压过程中并非达到真正
意义的稳态，且电位初始衰减过程中电位处于高值状态，松弛极化将继续建立且出现最大值，因此本发明提出一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量。
上述目的通过以下技术方案实现：
一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量方法，其特征在于，测量直流电压作用下绝缘电介质极化电流时域谱和开路后表面电位衰减时域谱，利用表面电位衰减过程中松弛极化强度峰值Prd(tm)以及峰值对应的电场强度Ed(tm)结果，实现绝缘电介质在相应电场强度下稳态松弛极化率χrs的测量。
进一步地，采用三支路德拜松弛等效电路模型，考虑初始松弛极化强度和电导率，对表面电位衰减时域谱进行分析获得电位衰减过程中的松弛极化强度Prd(t)及松弛极化强度峰值Prd(tm)，而后根据峰值时刻的电场值计算得到稳态松弛极化率χrs。
进一步地，由极化吸收电流对时间积分得到施加电压最终松弛极化强度，即表面电位衰减过程中的初始松弛极化强度。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明充分利用了电介质极化电流时域谱和表面电位衰减时域谱中包含的稳态松弛极化率信息，首次实现绝缘电介质稳态松弛极化率的测量，且该测试方法简便、易行，测试设备造价相对较低，为绝缘电介质介电机理研究提供研究手段。
附图说明：
图1是绝缘电介质的极化电流和表面电位衰减联合测试系统示意图；
图2是实例中绝缘电介质极化电流实测结果；
图3是实例中绝缘电介质在极化和电位衰减过程中表面电位实测结果；
图4是实例中绝缘电介质在极化和电位衰减过程中松弛极化强度随时间变化结果：
附图标记：1-直流高压电源；2-开关；3-被测绝缘电介质；4-高压电极；5-保护电极；6-测量电极；7-高压静电探头；8-静电电压计；9-与计算机相连的数据通讯线1；10-静电计；11-与计算机相连的数据通讯线2。
具体实施方式：
下面结合实施方式和实施例对本发明做详细说明。应该强调的是，所述内容是对本发明的解释而不是限定。
具体实施方式一
一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量方法，具体地，测量直流电压作用下绝缘电介质极化电流时域谱和开路后表面电位衰减时域谱，利用表面电位衰减过程中松弛极化强度峰值Prd(tm)以及峰值对应的电场强度Ed(tm)结果，实现绝缘电介质在相应电场强度下稳态松弛极化率χrs的测量。
具体实施方式二
在具体实施方式一的基础上，具体地，采用三支路德拜松弛等效电路模型，考虑初始松弛极化强度和电导率，对表面电位衰减时域谱进行分析获得电位衰减过程中的松弛极化强度Prd(t)及松弛极化强度峰值Prd(tm)，而后根据峰值时刻的电场值计算得到稳态松弛极化率χrs。
具体实施方式三
在具体实施方式二的基础上，具体地，由极化吸收电流对时间积分得到施加电压最终松弛极化强度，即表面电位衰减过程中的初始松弛极化强度。
具体实施方式四
在具体实施方式一和具体实施方式三的基础上，具体地，电位衰减过程中松弛极化强度初始值的计算公式为
Figure GDA0003665483240000021
所述公式中，为被测绝缘电介质极化结束对应时刻；
具体实施方式五
在具体实施方式二和具体实施方式六的基础上，具体地，表面电位衰减过程中流过绝缘电介质的等效退极化吸收电流密度Jdp(t)的计算公式为
Figure GDA0003665483240000022
所述公式中γ为电导率，ε0为真空介电常数，ε∞为无穷高频相对介电常数；
具体实施方式六
在具体实施方式二和具体实施方式五的基础上，表面电位衰减过程中的松弛极化强度Prd(t)的计算公式为
Figure GDA0003665483240000031
具体地，所述公式中，t2为被测绝缘电介质电位衰减结束对应时刻。
具体实施方式七
在具体实施方式一和具体实施方式六的基础上，具体地，被测绝缘电介质的稳态松弛极化率χrs的计算公式为
Figure GDA0003665483240000032
具体地，所述公式中Prd(tm)为电位衰减过程中松弛极化强度Prd(t)的最大值，Ed(tm)为松弛极化强度Prd(t)最大值对应的电场强度。
实施例
本实施例的线性绝缘电介质为低密度聚乙烯，电极面积S＝452.16mm2，厚度d＝0.25mm，对绝缘电介质试样施加直流高压5kV，采用图1所示测试系统Keithley6517B静电计记录t0＝0时刻到t1＝1800s时间段内的极化电流，采用拟合公式对极化电流I(t)拟合获取获得极化吸收电流Ip(t)，如图2所示。对极化吸收电流密度Jp(t)在t0＝0时刻到t1＝1800s时间段内上积分得到极化过程中t＝t1的松弛极化强度Pr(t1)，即表面电位衰减过程中的松弛极化强度初始值Prd0为1.19×10-4C/m2。
在t1＝1800s时，移除直流高压电源，采用表面电位衰减时域谱测试系统获得t1＝1800s至t2＝3600s时间段内绝缘电介质试样的表面电位Ud(t)，如图3所示，根据图4所示松弛极化强度Prd(t)随时间变化曲线可知其峰值Prd(tm)为4.09×10-4C/m2、峰值对应的电场强度Ed(tm)为2.42kV/mm，本实施例所得到的稳态松弛极化率χrs为1.91。

Claims (2)

1.一种线性绝缘电介质稳态松弛极化率的测量方法，其特征在于，测量直流电压作用下绝缘电介质极化电流时域谱和开路后表面电位衰减时域谱，利用表面电位衰减过程中松弛极化强度峰值Prd(tm)以及峰值对应的电场强度Ed(tm)结果，实现线性绝缘电介质稳态松弛极化率χrs的测量；采用三支路德拜松弛等效电路模型，考虑初始松弛极化强度和电导率，对表面电位衰减时域谱进行分析获得电位衰减过程中的松弛极化强度Prd(t)及松弛极化强度峰值Prd(tm)，而后根据峰值时刻的电场值计算得到稳态松弛极化率χrs；
表面电位衰减过程中初始松弛极化强度Prd0的计算公式为
Figure FDA0003712802920000011
t1为被测绝缘电介质极化结束对应时刻，Ip(t)为极化吸收电流，S为电极面积；
表面电位衰减过程中流过绝缘电介质的等效退极化吸收电流密度Jdp(t)的计算公式为
Figure FDA0003712802920000012
公式中γ为电导率，ε0为真空介电常数，ε∞为无穷高频相对介电常数，Ud(t)为表面电位，d为厚度；
表面电位衰减过程中的松弛极化强度Prd(t)的计算公式为
Figure FDA0003712802920000013
所述公式中，t2为被测绝缘电介质电位衰减结束对应时刻。
2.根据权利要求1所述的测量方法，由极化吸收电流对时间积分得到施加电压最终松弛极化强度，即表面电位衰减过程中的初始松弛极化强度。
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