CN111579909B - 一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量方法 - Google Patents

一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量原理，属于绝缘电介质的介电参数测量领域，解决非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。测量不同幅值直流电压作用下非线性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，采用三支路非线性等效电路模型，通过分时段线性近似，考虑电导率与电场关系，结合初始松弛极化强度Prd0i，得到表面电位衰减过程中松弛极化强度Prdi(ti)，进而确定松弛极化强度峰值Prdi(tm)以及峰值对应的电场强度Edi(tm)结果，实现非线性绝缘电介质稳态松弛极化率χrs(Edi)与电场特性的测量。测量原理简单，精度高，适用范围广。

Description

一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量 方法
技术领域
本发明涉及绝缘电介质的介电参数领域，特别是涉及一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量原理。
背景技术
非线性绝缘电介质广泛应用于电力设备和电子器件，非线性电介质的极化率(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，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。
非线性绝缘介质的稳态松弛极化率与电场特性是表征非线性绝缘介质介电性能基本特性之一，通常采用不同幅值直流电压下的极化电流来获取，理论上讲，通过延长极化电流测试时间可以获取更接近于静态极化率(χs)的结果。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非线性绝缘电介质稳态松弛极化率(χrs)与电场特性的高精度测量。
发明内容
本发明提出了一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量原理，其目的在于方便、准确地获取非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性。
上述目的通过以下技术方案实现：
一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量原理，其特征在于，测量不同幅值直流电压Ui作用下非线性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Prdi(tm)以及峰值对应的电场强度Edi(tm) 结果，实现非线性绝缘电介质稳态松弛极化率χrs(Edi)与电场特性的测量。
进一步地，采用三支路非线性等效电路模型，通过分时段线性近似，考虑电导率与电场关系，结合初始松弛极化强度Prd0i，得到表面电位衰减过程中松弛极化强度Prdi(ti)。
进一步地，通过不同幅值直流电压下的极化电流时域谱获取电导率与电场关系，通过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Prd0i。
由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是非线性绝缘电介质极化电流和表面电位测试系统示意图；
图2是非线性绝缘介质的分段线性等效电路
图3是实例中20kV/mm作用下非线性绝缘电介质极化电流实测结果；
图4是实例中20kV/mm作用下非线性绝缘电介质在极化和电位衰减过程中松弛极化强度与时间关系曲线；
图5是实例中20kV/mm作用前后非线性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6是实例中非线性绝缘电介质的稳态松弛极化率与电场关系。
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
一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量原理，具体地，测量不同幅值直流电压Uj作用下非线性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Prdj(tm)以及峰值对应的电场强度Edj(tm)结果，实现非线性绝缘电介质稳态松弛极化率χrs(Edj)与电场特性的测量。
具体实施方式二
在具体实施方式一的基础上，具体地，采用三支路非线性等效电路模型，通过分时段线性近似，考虑电导率与电场关系，结合初始松弛极化强度Prd0j，得到表面电位衰减过程中松弛极化强度Prdj(t)。
具体实施方式三
在具体实施方式二的基础上，具体地，通过不同幅值直流电压下的极化电流时域谱获取电导率与电场关系，通过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Prd0j。
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Prd0i的计算公式为
Figure GDA0003683709810000031
具体地，所述公式中，t1为被测绝缘电介质极化结束对应时刻。
具体地，电导率与电场关系获取方法为：不同幅值直流电压下的极化电流时域谱获取不同电场下的电导率γi，通过拟合公式对不同电场下的电导率γi拟合获取电导率与电场函数γ(E)，所述拟合公式为：
γ(E)＝aγ·exp(bγ·E)
具体地，所述公式中，参数aγ和bγ均为常数。
具体实施方式五
在具体实施方式二的基础上，具体地，分时段线性近似方法为：将整个电位衰减和回复过程分为若干段，在任意第i段内，非线性绝缘介质可用线性等效电路来近似等效，如图2所示。
具体地，反映松弛极化特性的极化强度Prdi(t)为：
Prdi(t)＝CSiUsi(t)/S
具体地，在该段时间内的松弛时间τi为：
τi＝CSiRSi
所述公式中S为电极有效面积。
具体地，由于每段内表面电位变化程度较小，电位Ui(t)与时间的关系为
Ui(t)＝ait+bi
所述公式中ai表示每一段内电位与时间函数中的一次项系数，单位为V/s；bi表示每一段内电位与时间函数中的常数项，单位为V。
具体实施方式六
在具体实施方式三的基础上，具体地，表面电位衰减过程中松弛极化强度Prdi(ti)的获取方法为：通过基尔霍夫电流定律和电压定律建立关于图2所示电路参数的方程，所述方程分别为
Figure GDA0003683709810000041
Figure GDA0003683709810000042
具体地，得到USi(t)的表达式为：
Figure GDA0003683709810000043
具体地，USi(t)表达式中的常数C通过第i个时间段的初始松弛极化强度Prd0i获取，即
Figure GDA0003683709810000044
具体地，在第i个时间段t∈[0,Δt·(n-1)]内的n个测试点建立出含有n个方程的方程组，即
Figure GDA0003683709810000045
所述方程组中GDCi为已知参数，C∞、RSi和CSi为未知参数。当方程个数等于未知数个数3时，则方程为非线性方程组，可以获取第i个时间段未知参数GDCi、RSi和CSi的值。当方程组中方程个数大于3时，则方程为非线性超定方程组，可获得三个未知参数的最小二乘解。根据得到的第i个时间段的电路参数GDCi、RSi、GDCi和CSi的值，通过相应计算可以得到对应的dPrdi(t)/dt和Prdi(t)，并根据电位衰减过程初始松弛极化强度Prd0，进而获取整个电位衰减过程中的dPrd(t)/dt和Prd(t)随时间的变化。
具体实施方式七
在具体实施方式一的基础上，具体地，在不同幅值直流电压Uj作用下非线性绝缘电介质被测绝缘电介质的稳态松弛极化率χrs(Edj)的计算公式为
Figure GDA0003683709810000051
具体地，所述公式中Prdj(tm)为直流电压Uj作用下的电位衰减过程中松弛极化强度Prdj(t)的最大值，Edj(tm)为松弛极化强度Prdj(t)最大值对应的电场强度。
具体实施方式八
在具体实施方式七的基础上，具体地，根据不同幅值电场强度Edj(tm)对应的稳态松弛极化率χrs(Edj)，获得非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性。
实施例
本实施例选取10wt％碳化硅/聚乙烯非线性复合绝缘材料，电极面积S＝452.16mm2，厚度d＝0.25mm，对被测绝缘电介质分别施加幅值为5、10、15、20、25和30kV/mm的直流阶跃电场，采用图1所示的极化电流和表面电位衰减联合测试系统中的Keithley6517B 静电计记录t0＝0时刻到t1＝1800s时间段内的极化电流。根据电导电流计算得到不同电场下的电导率分别为：8.58×10-17、1.48×10-16、4.96×10-16、9.68×10-16、7.25×10-15和 2.25×10-14S/m。采用拟合公式对不同电场下的电导率拟合获取γ(E)的表达式为γ(E)＝1.46×10-17·(2.45×10-7·E)。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松弛极化强度Pr(t)。
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)，根据电位Udj(t)和松弛极化强度初始值Prd0j获取电位衰减过程中的松弛极化强度Prdj(t)。本实施例得到了电场强度分别为 9.99kV/mm、14.98kV/mm、19.13kV/mm、23.60kV/mm、27.81kV/mm和31.72kV/mm，以及对应电场下的稳态松弛极化率为0.70、0.73、0.79、0.85、1.34和1.5。

Claims (2)

1.一种非线性绝缘电介质稳态松弛极化率与电场特性的测量方法，其特征在于，测量不同幅值直流电压Ui作用下非线性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Prdi(tm)以及峰值对应的电场强度Edi(tm)结果，实现非线性绝缘电介质稳态松弛极化率χrs(Edi)与电场特性的测量；其中，通过分时段线性近似，将整个电位衰减和回复过程分为若干段，在任意第i段内，非线性绝缘介质可用线性等效电路来近似等效，形成三支路非线性等效电路模型，进而得到表面电位衰减过程中松弛极化强度Prdi(t)；
Prdi(t)＝CSiUsi(t)/S
Figure FDA0003730950700000011
Figure FDA0003730950700000012
其中，Prdi(t)为任意第i段内反映松弛极化特性的极化强度；CSi和RSi为第i个时间段未知参数；S为电极有效面积；C为常数；Prd0i为第i个时间段的初始松弛极化强度；USi(t)为已知电压值；ai为每一段内电位与时间函数中的一次项系数，单位为V/s；bi为每一段内电位与时间函数中的常数项，单位为V；t为时间。
2.根据权利要求 1 所述的测量方法 ，通过不同幅值直流电压下的极化电流时域谱获取电导率与电场关系，通过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Prd0j。
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