CN112904163A - 一种基于微带传输线的电树枝检测表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微带传输线的电树枝检测表征方法，以微带传输线理论为基础，构建微带传输线，并将含有电树枝的被测试样作为微带传输线结构中的一部分，通过测量微带传输线的传输特性，实现对被测试样中电树枝的表征；具体如下：制备特定形状和尺寸的微带电极和地电极用以构建测试夹具，将被测试样置于测试夹具中，共同构成微带传输线结构，用以测试传输特性，被测试样是微带传输线结构中的绝缘介质；为了对被测试样中的电树枝进行有效表征，在微带电极和地电极中均构建谐振单元。基于本发明方法制备的测试夹具成本低，结构牢固，可反复使用；对电树枝的表征不依赖可见光，适用各种透明及非透明的聚合物材料，在电树枝的表征方面适用性强。

Description

一种基于微带传输线的电树枝检测表征方法

技术领域

本发明涉及高电压与绝缘领域。具体是涉及一种基于微带传输线的电树枝检测表征新方法。

背景技术

随着电力产业和高电压技术的不断发展、绝缘材料的更新换代，大量高压线缆和绝缘材料投入使用，线缆在特定工况条件下，受到各种环境因素的影响，不可避免的出现因绝缘老化而导至的性能下降等问题，使得高压线缆出现故障，各种安全问题频发，极大程度的限制着线缆和材料的使用寿命。而其中，聚合物电树枝劣化现象成为了导致电缆故障、减少绝缘材料使用寿命的关键因素。

电树枝是指在一定条件下，聚合物内部由于局部放电形成的树枝状放电通道，其发展过程一般分为三个阶段：电树枝的引发、生长和击穿，而且电树枝的引发和生长过程受到非常多因素的影响。由于聚合物的种类、状态和微观结构的差异，电树枝的生长还伴随着随机性，整个过程为极为复杂，在不同的工况下生成的电树枝往往还具有不同形貌，例如树枝状、丛林状、枝丛混合状、藤枝状、松枝状等，其导电性能也可能存在差异。对电树枝进行准确的表征，对于分析绝缘老化机理，掌握电气设备使用的工况条件都具有十分重要的意义。

目前对电树枝的表征方法主要有显微观测法、局部放电测量及材料理化分析等，其中，显微观测法作为最常用的电树枝表征法，主要针对于透明的以及透光度较高的聚合物材料。通过在试样的一侧放置强光源，在试样另一侧利用显微镜进行观察电树枝的形态。这种方法可以实现对电树枝进行直接观测，清晰明确地对电树枝进行表征，过程简单明了，对设备的要求较低。但是电树枝显微观测法仅适用于透明及透光度较高的材料，对于不透明或者透光度较低的材料则不适用。而在实际应用中，聚合物大多都是不透明或透光度较低的。例如，为了提升材料的绝缘性能，往往需要将聚合物和某些成分进行共混，这时材料的物理参数往往会发生变化，尤其是其透光度大幅下降。此时是难以使用显微观测法进行对电树枝的表征。而局部放电测量等方法对实验设备要求较高、实验步骤繁琐、实验周期较长，难以广泛适用。所以需要找寻一种简便快速、步骤简单的电树枝检测表征方法。

微波以其波长短、频率高的特性，在通信、雷达、遥感和医学系统中广泛应用，在高频信号下，由于信号波长很短，甚至与传输线长度相当，则传输线尺寸在很大程度上影响传输特性的变化。当介质连续性发生变化时，与其相关的分布电容和分布电感也随之改变。当聚合物材料出现电树枝时，相当于材料在其连续性上发生变化。其中，非导电型电树枝相当于在介质中出现了长短、粗细不一的空洞，对应位置的分布电容将发生变化；导电型电树枝不仅对分布电容产生影响，还会对分布电感产生影响，甚至于其耦合关系也会发生改变。所以当微带传输线中介质的连续性发生变化时，其对应部分的分布电容和分布电感随之改变。这都将导致微波信号通过后使传输特性发生改变。

通过检测电树枝引发前后微波信号传输特性的变化，可实现对电树枝形态、大小以及电气特性的表征。这种方法不依赖于可见光，对材料的透光度无特殊要求，因此可有效解决非透明聚合物中电树枝的表征问题，为材料的老化研究打下基础。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于微带传输线的，且可对被测试样中的电树枝进行检测表征的新方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微带传输线的电树枝检测表征方法，以微带传输线理论为基础，构建微带传输线，并将待测试的含有电树枝的被测试样作为微带传输线结构中的一部分，通过测量微带传输线的传输特性，实现对被测试样中电树枝的表征；具体如下：

制备由微带电极和SMA头构成的测试夹具，所述微带电极上设有用于与所述SMA头的馈线端相连的凹槽，将被测试样置于测试夹具中，被测试样上设置地电极并与SMA头的外壳相连，测试夹具、被测试样与地电极共同构成微带传输线结构，用以测试传输特性。

进一步的，被测试样中的电树枝将对微带传输线周围的分布电容和分布电感产生影响，进而影响微带传输线的传输特性；通过在微带电极或地电极上构建谐振单元，以改变电磁信号的分布及传输方式，并增强与电树枝之间的相互作用关系，然后通过对传输特性的分析，实现对电树枝的表征。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：本发明不以可见光作为电树枝检测的必备条件，且具有结构简单易构建、测量速度快，测试周期短、适用于各类不同透光度材料等优点。该技术方案以微带传输线理论为基础，通过测量被测试样中电树枝生长前后对微带传输线传输特性的影响，观测传输特性中极点与零点的变化情况，实现对电树枝的表征。技术方案原理在于：当被测试样内部产生电树枝后，试样的连续性发生改变，从而改变微带传输线周围的分布参数，即分布电容与分布电感，在微波信号下将体现为微带传输线传输特性的变化，通过对传输特性的测量，即可完成对电树枝的检测与表征。

基于本发明方法制备的测试夹具成本低，结构牢固，可反复使用；对电树枝的表征不依赖于可见光，可适用于各种透明及非透明的聚合物材料，在电树枝的表征方面适用性强。

附图说明

图1为具有方形微带电极的测试夹具示意图；

图2为1号被测试样电树枝形态图；

图3a和图3b分别为1号试样S11和S21参数对比图；

图4为具有nu形微带电极的测试夹具示意图；

图5为2号被测试样电树枝形态图；

图6a和图6b分别为2号试样S11和S21参数对比图；

图7为具有un形微带电极的测试夹具示意图；

图8为3号被测试样电树枝形态图；

图9a和图9b分别为3号试样S11和S21参数对比图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

(1)微带电极

用FR4单面覆铜板制备方形微带电极，覆铜板厚度为1mm，为便于SMA头焊接，在两个微带电极的外侧中部位置开1*0.4mm槽。两块微带电极位于同一水平线，微带电极之间相距2mm，整体长10mm，宽4mm，此例为保证被测试样与测试夹具结合牢固，所制作测试夹具尺寸较大。

(2)测试夹具

将SMA头的信号线馈线端焊接在微带电极上，用于测试时与矢量网络分析仪连接。所得测试夹具结构示意图如图1所示：网格部分为微带电极，空白部分为FR4单面覆铜板腐蚀铜之后的剩余部分，微带电极外侧焊接黑色部分表示的SMA头信号线。

(3)试样的处理

被测试样为生长有电树枝的低密度聚乙烯试样，电树枝形态如图2所示。为了便于测量，将其切割成与测试夹具同宽。将被测试样的一面粘贴铜箔，构成微带传输线的地电极，另一面放在测试夹具上，与测试夹具的微带电极相贴合，并使电树枝的位置与SMA头馈线位置保持一致，然后将SMA头的外壳与被测试样上的导电铜箔焊接在一起。

(4)测试

校准矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的1端口和2端口通过同轴传输线缆分别与测试夹具的2个SMA头连接，测量S参数并做数据记录，并与相同规格没有电树枝的试样的测试结果进行对比。对比结果如图3a和图3b所示。

从图3a和图3b可以看出，与没有电树枝的试样相比，生长有电树枝的试样，微带传输线的传输特性发生了较大变化。生长有电树枝的样品，S11和S21曲线的传输极点均向右偏移。这是由于，当试样中生成电树枝之后，导致其分布电容减小，谐振频率增大，极点的频率增大。

实施例2：

(1)微带电极

用FR4单面覆铜板制备nu形微带电极，覆铜板厚度为1mm，左侧微带电极下边长2mm处向上开1*3mm矩形区域，右侧微带电极上边长1mm处向下开1*3mm矩形区域。为便于SMA头焊接，在两个微带电极的外侧中部位置开1*0.4mm槽。两块微带电极位于同一水平线，微带电极之间相距2mm，整体长10mm，宽4mm。经探究得出，当被测试样与测试夹具宽度相当时，微带电极部分无需较大尺寸也可保证被测试样与测试夹具结合稳定性，为节约成本、简化测试夹具结构，所制测试夹具尺寸较小。

(2)测试夹具

将SMA头的馈线端焊接在微带电极上，用于测试时与矢量网络分析仪连接，所得测试夹具结构示意图如图4所示：网格部分为微带电极，空白部分为FR4单面覆铜板腐蚀铜之后的剩余部分，微带电极外侧焊接黑色部分表示的SMA头信号线。

(3)试样的处理

被测试样为生长有电树枝的低密度聚乙烯试样，电树枝形态如图5所示。为了便于测量，将其切割成与测试夹具同宽。将被测试样的一面粘贴铜箔，构成微带传输线的地电极，另一面放在测试夹具上，与测试夹具的微带电极相贴合，并使电树枝的位置与SMA头馈线位置保持一致，然后将SMA头的外壳与被测试样上的导电铜箔焊接在一起。

(4)测试

校准矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的1端口和2端口通过同轴传输线缆分别与测试夹具的2个SMA头连接，测量S参数并做数据记录，并与相同规格没有电树枝的试样的测试结果进行对比。对比结果如图6a和图6b所示。

从图中可以看出，与没有电树枝的试样相比，生长有电树枝的试样，微带传输线的传输特性发生了较大变化。生长有电树枝的样品，S11和S21曲线的传输极点均向右偏移。这是由于，当试样中生成电树枝之后，导致其分布电容减小，谐振频率增大，极点的频率增大。

实施例3：

(1)微带电极

用FR4单面覆铜板制备un形微带电极，覆铜板厚度为1mm，左侧微带电极上边长2mm处向下开1*3mm矩形区域，右侧微带电极下边长1mm处向上开1*3mm矩形区域。为便于SMA头焊接，在两个微带电极的外侧中部位置开1*0.4mm槽。两块微带电极位于同一水平线，微带电极之间相距2mm，整体长10mm，宽4mm，经探究得出，当被测试样与测试夹具宽度相当时，微带电极部分无需较大尺寸也可保证被测试样与测试夹具结合稳定性，为节约成本、简化测试夹具结构，所制测试夹具尺寸较小。

(2)测试夹具

将SMA头的馈线端焊接在微带电极上，用于测试时与矢量网络分析仪连接，所得测试夹具结构示意图如图7所示：网格部分为微带电极，空白部分为FR4单面覆铜板腐蚀铜之后的剩余部分，微带电极外侧焊接黑色部分表示的SMA头信号线。

(3)试样的处理

被测试样为生长有电树枝的低密度聚乙烯试样，电树枝形态如图8所示。为了便于测量，将其切割成与测试夹具同宽。将被测试样的一面粘贴铜箔，构成微带传输线的地电极。另一面放在测试夹具上，与测试夹具的微带电极相贴合，并使电树枝的位置与SMA头馈线位置保持一致，然后将SMA头的外壳与被测试样上的导电铜箔焊接在一起。

(4)测试

校准矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的1端口和2端口通过同轴传输线缆分别与测试夹具的2个SMA头连接，测量S参数并做数据记录，并与相同规格没有电树枝的试样的测试结果进行对比。对比结果如图9a和图9b所示。

可以看出，相较于没有电树枝的试样，生长有电树枝的试样，微带传输线的传输特性发生了较大变化。生长有电树枝的样品，S11和S21曲线的传输极点均向右偏移。这是由于，，当试样中生成电树枝之后，导致其分布电容减小，谐振频率增大，极点的频率增大。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于微带传输线的电树枝检测表征方法，其特征在于，以微带传输线理论为基础，构建微带传输线，并将待测试的含有电树枝的被测试样作为微带传输线结构中的一部分，通过测量微带传输线的传输特性，实现对被测试样中电树枝的表征；具体如下：

制备由微带电极和SMA头构成的测试夹具，所述微带电极上设有用于焊接所述SMA头的馈线端的凹槽，将被测试样置于测试夹具中，被测试样上设置地电极并与SMA头的外壳相连，测试夹具、被测试样与地电极共同构成微带传输线结构，用以测试传输特性。

2.根据权利要求1所述一种基于微带传输线的电树枝检测表征方法，其特征在于，被测试样中的电树枝将对微带传输线周围的分布电容和分布电感产生影响，进而影响微带传输线的传输特性；通过改变微带电极的形状，或在地电极上进行刻蚀，可构建不同谐振单元，以改变电磁信号的分布及传输方式，增强与电树枝之间的相互作用关系。通过对测试所得传输特性的分析，实现对电树枝的表征。

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