CN113033041B - 基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，该方法首先通过等温表面电位衰减法测得陷阱能级参数，并基于此参数精确计算得到材料的本征击穿场强；并采用双极性电荷输运模型模拟计算在一定升压速率条件下材料内部的电荷积聚和电场分布情况；最后根据材料内部最大电场值大于本征击穿场强这一判据，获得与升压时间对应的材料直流击穿场强，该方法提供了基于非破坏性测量参数预测聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的新途径。本方法所需硬件系统简单、易于搭建，算法上只需测取表面电位衰减曲线和材料厚度，即可预测其直流击穿强度，十分便捷。

Description

基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法

技术领域

本发明属于电缆材料绝缘性能研究领域，涉及聚乙烯纳米复合材料的直流击穿场强预测方法，特别涉及一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法。

背景技术

高压直流输电被认为是解决我国能源资源中心和负荷中心分布格局差异问题的主流方法。高压直流电缆作为电能传输的重要载体，在直流输电系统中扮演着重要角色；其具有传输距离长、容量大、损耗低等优点。但是，高压直流电缆绝缘内部存在大量局部陷阱，在运行过程中，会在绝缘内部积聚空间电荷，引起局部电场的畸变，严重时会导致绝缘层发生击穿，对电力系统的安全运行造成严重的威胁。为了避免直流击穿现象的发生，需要根据绝缘材料的直流击穿场强为其选取合适的工作场所，而绝缘材料的击穿强度一般是通过击穿试验获得的。直流击穿试验是一种破坏性试验，会使得电介质丧失其绝缘性能，容易造成材料浪费和环境污染问题。因此，从实验安全、环境保护、经济性三方面考虑，有必要对直流电缆绝缘材料的击穿场强进行预测。

聚乙烯因其具有优异的电气性能和机械性能，被广泛应用于高压直流电缆绝缘材料。但是由于空间电荷积聚问题，聚乙烯会在运行过程中发生击穿。因此，研究人员致力于调控聚乙烯的空间电荷特性，继而提高其直流击穿场强。当在聚乙烯中添加少量的无机纳米颗粒时，空间电荷积聚问题得到缓解，聚乙烯纳米复合材料具有较高的直流击穿场强。

但截止目前，直流耐压试验仍然是评测此类纳米复合材料击穿性能的主要方法，其主要缺点是试验中要破坏材料。尽管国内外学者已经提出击穿场强的理论预测方法，但都需要大量的参数进行支撑。而为了获得这些参数，需要进行海量实验，工作量巨大。如何基于简单的非破坏性实验，测得反映材料绝缘性能的参数，并依据物理模型对材料击穿进行预测，是一项亟需解决的工程问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，该方法首先通过等温表面电位衰减法测得陷阱能级参数，并基于此参数精确计算得到材料的本征击穿场强；并采用双极性电荷输运模型模拟计算在一定升压速率条件下材料内部的电荷积聚和电场分布情况；最后根据材料内部最大电场值大于本征击穿场强这一判据，获得与升压时间对应的材料直流击穿场强，该方法提供了基于非破坏性测量参数预测聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的新途径。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

S1、选取厚度为L的聚乙烯纳米复合材料为待测样品；

S2、将上述样品置于温度T、相对湿度X的密闭空腔中，采用表面电位衰减实验电路向样品充电，然后采用静电电位计测量样品表面的电位并获得表面电位的衰减曲线，通过双指数拟合计算得到表面电位U_s，计算如下：

U_s＝Aexp(αt)+Bexp(βt)

其中：A为浅陷阱分量；

α为浅陷阱衰减常数；

t为衰减时间；

B为深陷阱分量；

β为深陷阱衰减常数；

通过计算样品的陷阱能级分布特征获得深陷阱能级中心的深度E_h及密度N_h，计算如下：

E_h＝kTln(νt)

其中：k为玻尔兹曼常数；

T为绝对温度；

v为逃逸频率；

ε₀为真空介电常数；

ε_r为相对介电常数；

q为元电荷量；

S3、根据提取的陷阱能级中心深度E_h，假设入陷电荷在普尔-弗伦凯尔效应下能够完全脱陷导致击穿，计算获得样品的本征击穿场强F_BD:

S4、根据以上获得的陷阱中心能级参数E_h、陷阱中心密度N_h及本征击穿场强F_BD，并考虑样品上施加电压的升压速率k，利用有限元软件求解双极性载流子输运模型，并获得样品内部场强Fi(x，t)：

双极性载流子输运模型计算如下：

j_c(x,t)＝q_free(x,t)μ₀F(x,t)

其中：q_total为总电荷密度，为q_free及q_trap之和；

q_free为自由电荷密度；

q_trap为陷阱电荷密度；

j_c为传导电流密度；

x为位置；

μ₀为载流子迁移率；

F为内部电场强度；

为电位；

当内部场强满足如下条件时，认为样品击穿：

F_imax＞F_BD

其中：F_imax为内部电场强度最大值；

S5、根据样品击穿的时刻t_BD和外施电压的升压速率k，计算样品的直流击穿场强预测值F_p：

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，基于陷阱能级参数结合双极性电荷输运模型和普尔-弗兰凯尔效应，预测聚乙烯纳米复合材料的直流击穿场强，可用于电力电缆绝缘材料直流击穿强度的评估，并且对绝缘材料的结构设计具有一定的指导意义。

2、本发明一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，通过非破坏性的等温表面电位衰减实验测取聚乙烯纳米复合材料的深陷阱能级中心和密度，计算得到其本征击穿场强；利用有限元软件求解双极性载流子输运模型，获得样品内部的最大电场值，并通过判据比对，预测得到材料的外部直流击穿场强值；本方法所需硬件系统简单、易于搭建，算法上只需测取表面电位衰减曲线和材料厚度，即可预测其直流击穿强度，十分便捷。

附图说明

图1为本发明的等温表面电位衰减实验电路图；

图2为本发明的计算流程图；

图3为本发明的直流耐压验证实验电路图；

图4为本发明的典型陷阱能级特征图；

图5为本发明的电荷密度和电场强度分布图；

图6为实验结果和仿真结果对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图2所示，一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，其创新之处在于：所述方法的步骤为：

S1、选取厚度为L的聚乙烯纳米复合材料为待测样品；

S2、将上述样品置于333K温度恒温箱中10～24h，去除试样内部残留的电荷和多余的水分；然后用无水乙醇对试样表面进行多次擦拭，去除试样表面的污染物；

S3、将上述样品置于温度T、相对湿度X的恒温试验箱中，采用如图1所示的等温表面电位衰减实验电路，在外施电压U_针、U_栅的作用下向样品充电，进行等温表面电位衰减法实验时，实验温度保持为室温，相对湿度保持在25％以下；针极和栅极采用两个独立的高压电源进行供电，针-栅的距离为5～8mm，栅极距离试样表面3～5mm；探头距离试样表面3mm左右；U针电压控制在6～8kV；U栅电压控制在2.5～3.5kV；

样品充电时间t_c为5～15min，充电结束，需要迅速将试样移至探头下方，进行测量，且在移动过程尽量保持加热台平稳，防止震动带来实验误差；最好采用具有Kelvin型探头的静电计对试样表面电位进行测量；测量时间为100～500min；

然后采用静电电位计测量样品表面的电位并获得表面电位的衰减曲线，通过双指数拟合计算得到表面电位Us，计算如下：

U_s＝Aexp(αt)+Bexp(βt)

其中：A为浅陷阱分量；

α为浅陷阱衰减常数；

t为衰减时间；

B为深陷阱分量；

β为深陷阱衰减常数；

通过计算样品的陷阱能级分布特征获得深陷阱能级中心的深度E_h及密度N_h，计算如下：

E_h＝kTln(νt)

其中：k为玻尔兹曼常数；

T为绝对温度；

v为逃逸频率；

ε₀为真空介电常数；

ε_r为相对介电常数；

q为元电荷量；

S4、根据提取的陷阱能级中心深度E_h，假设入陷电荷在普尔-弗伦凯尔效应下能够完全脱陷导致击穿，计算获得样品的本征击穿场强F_BD:

S5、根据以上获得的陷阱中心能级参数E_h、陷阱中心密度N_h及本征击穿场强F_BD，并考虑样品上施加电压的升压速率k，利用有限元软件求解双极性载流子输运模型，并获得样品内部场强Fi(x，t)：

双极性载流子输运模型计算如下：

j_c(x,t)＝q_free(x,t)μ₀F(x,t)

其中：q_total为总电荷密度，为q_free及q_trap之和；

q_free为自由电荷密度；

q_trap为陷阱电荷密度；

j_c为传导电流密度；

x为位置；

μ₀为载流子迁移率；

F为内部电场强度；

为电位；

当内部场强满足如下条件时，认为样品击穿：

F_imax＞F_BD

其中：F_imax为内部电场强度最大值；

S6、根据样品击穿的时刻t_BD和外施电压的升压速率k，计算样品的直流击穿场强预测值F_p：

以掺杂纳米SiO2(质量分数5wt％)的聚乙烯纳米复合材料为例，样品厚度110μm；等温表面电位衰减实验条件：温度为298K；相对湿度为18％；U_针为6kV，U_栅为2.8kV；t_c为15min；t_d为100min。测量所得的典型陷阱能级特征如图4所示，选取空穴深陷阱能级中心0.93eV，计算得到其本征击穿场强为377.7kV/mm。

据此，采用COMSOLMultiphysics软件，求解双极性电荷输运方程，获得内部电场随时间和位置的变化规律如图5所示；当外加电压升压速率500V/s时，在t为65s的时刻，材料内部的最大场强F_imax>F_BD，样品击穿，此时计算得到样品的直流击穿场强为295.5kV/mm。

采用如图3所示的直流耐压验证实验电路，对上述预测结果进行验证，实验结果和预测结果均绘于图6中，可见二者间误差极小，证明了预测结果的准确性。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于陷阱能级聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强的预测方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

S1、选取厚度为L的聚乙烯纳米复合材料为待测样品；

S2、将上述样品置于温度T、相对湿度X的密闭空腔中，采用表面电位衰减实验电路向样品充电，然后采用静电电位计测量样品表面的电位并获得表面电位的衰减曲线，通过双指数拟合计算得到表面电位Us，计算如下：

U_s＝Aexp(αt)+Bexp(βt)

其中：A为浅陷阱分量；

α为浅陷阱衰减常数；

t为衰减时间；

B为深陷阱分量；

β为深陷阱衰减常数；

通过计算样品的陷阱能级分布特征获得深陷阱能级中心的深度E_h及密度N_h，计算如下：

E_h＝kTln(νt)

其中：k为玻尔兹曼常数；

T为绝对温度；

v为逃逸频率；

ε₀为真空介电常数；

ε_r为相对介电常数；

q为元电荷量；

S3、根据提取的陷阱能级中心深度E_h，假设入陷电荷在普尔-弗伦凯尔效应下能够完全脱陷导致击穿，计算获得样品的本征击穿场强F_BD:

S4、根据以上获得的陷阱中心能级参数E_h、陷阱中心密度N_h及本征击穿场强F_BD，并考虑样品上施加电压的升压速率k，利用有限元软件求解双极性载流子输运模型，并获得样品内部场强Fi(x，t)：

双极性载流子输运模型计算如下：

j_c(x,t)＝q_free(x,t)μ₀F(x,t)

其中：q_total为总电荷密度，为q_free及q_trap之和；

q_free为自由电荷密度；

q_trap为陷阱电荷密度；

j_c为传导电流密度；

x为位置；

μ₀为载流子迁移率；

F为内部电场强度；

为电位；

当内部场强满足如下条件时，认为样品击穿：

F_imax＞F_BD

其中：Fimax为内部电场强度最大值；

S5、根据样品击穿的时刻t_BD和外施电压的升压速率k，计算样品的直流击穿场强预测值F_p：

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