CN116840629A - 一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统，涉及电气绝缘测试领域，包括高压电源、样品室、保护电阻、取样电阻、第一接触器、第二接触器、微控制单元、微电流计、保护电路和上位机；样品室用于为聚合物绝缘材料的样品提供温度和真空条件，为样品屏蔽电磁干扰；样品通过电极与高压电源连接；上位机分别与微电流计、微控制单元和高压电源连接；微控制单元分别与第一接触器、第二接触器和保护电路连接；第一接触器分别与取样电阻、第二接触器和保护电阻连接；第二接触器分别与微电流计和保护电阻连接；保护电阻与样品连接；微电流计与取样电阻连接。本发明能够在不同温度下准确测试聚合物绝缘材料的I‑V特性曲线。
Description
技术领域
本发明涉及电气绝缘测试技术领域，特别是涉及一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统。
背景技术
聚合物绝缘材料是一类广泛应用的材料，具有较高的绝缘电阻率。其电导特性是绝缘性能的重要表现，但是聚合物绝缘材料电导行为与电场(场强)之间呈现复杂关系，并且与材料结构、所含缺陷等因素密切相关。仅用单一电阻率指标难以全面表征聚合物绝缘材料的电导行为(电导特性)。不同品质的聚合物绝缘材料，可能绝缘电阻率差别并不大，但是在不同的电场范围中，电导行为具有重大差异。
聚合物绝缘材料电导行为与场强之间关系非常复杂，在低电场时电导电流与电场呈线性关系，符合欧姆定律。但是，当电场升高超过一定阈值时，电导电流与场强呈显著非线性关系。这表明在一定电场作用下，聚合物绝缘材料内部载流子已呈现非均匀分布，形成空间电荷。空间电荷的存在将引起局部电场畸变，严重影响聚合物绝缘材料绝缘性能。空间电荷的形成和变化与聚合物绝缘材料结构、内部缺陷，以及所处环境等因素密切相关，为此世界学者开展了大量研究。
DelhalleJ和DelhalleS等人通过计算聚乙烯链中的能带结构得到宽带与能带载流子的关系来研究聚乙烯中电子运输的问题。IedaM和UenoT通过光诱导电荷分析电荷从电极注入可以评估金属电极和聚合物界面的性能来研究不同电极材料电子和空穴的注入，发现在电介质材料中有两种导电机理，电极限制传导电流机制和体积限制传导电流机制。电极限制导电机理取决于电极-介电界面的电学性质。基于这种传导机制，可以提取电极介电界面上势垒高度的物理性质和介电膜中导电载流子的有效质量。体积受限传导机制取决于电介质本身的电学性质。根据有限体积导电机理的分析，在介质膜中可以获得几个重要的物理参数，包括陷阱能级、陷阱间距、陷阱、载流子漂移迁移率密度，介电弛豫时间等。MalecD和TruongVH等人通过研究高温高压下的聚乙烯中载流子的迁移率，根据载流子迁移率的场依存性和压力的依赖性，从电流峰出现的时间来得到载流子的迁移率。
中国学者研究发现不同电极材料在空间电荷注入量和注入速度存在差别，并且这与电极材料的逸出功密切相关。当电压极性反转时，电导的动态过程是由空间电荷引起的并且与电极材料种类及其功函数有密切的关系。电极材料与绝缘的接触形式严重影响电荷的注入，电极和聚合物之间的界面类型在确定绝缘体中的电荷分布方面起着重要作用。
由于聚合物绝缘材料种类和结构的复杂性，目前对其电导行为的机理和影响因素还没有形成统一认识。不论是对电导机理的理论研究，还是对聚合物绝缘材料性能的全面评价，在不同温度下获得准确可靠的I-V特性曲线，都是进一步工作的基础，利用I-V特性曲线及其与温度的关系，可以全面表征聚合物绝缘材料的电导特性，反映载流子的传导机制。由于聚合物绝缘材料的电导电流极其微小，即便是在30kV/mm以上的场强作用下，通过试样的电流密度也只有10-11A/cm2数量级。测量高质量的I-V特性曲线，特别是在临近击穿状态下的电导特性并不容易，需要对测试电极、测试线路、测试设备、数据采集等多个因素综合处理，才能达到预期结果。聚合物绝缘材料的电导虽然十分微弱，但是在某些条件下会对聚合物绝缘材料的工作状态产生重大影响。聚合物绝缘材料通常在高温度、高电场的条件下工作，其电导机制十分复杂。例如，内、外肖特基发射、高场隧穿、跳跃电导、欧姆电导、空间电荷限制输运等。这些机制与聚合物绝缘材料的组成、结构、缺陷以及工作条件密切相关，并且在不同条件下还存在着相互影响和转化。了解聚合物绝缘材料在不同条件下电导的主导机制，是选择和评价聚合物绝缘材料工作特性的基础科学问题。目前在该领域内相关研究所使用的测试装置，均为各实验室自行搭建，缺乏通用的测试系统。这在一定程度上限制了对聚合物绝缘材料电学特性的深入认识和评价。
针对聚合物绝缘材料的电导特性难以测量和全面表征的问题，本领域亟需一种能够在不同温度下准确测试聚合物绝缘材料的I-V特性曲线的通用测试系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统，能够在不同温度下准确测试聚合物绝缘材料的I-V特性曲线。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统，所述测试系统包括高压电源、样品室、保护电阻、取样电阻、第一接触器、第二接触器、微控制单元、微电流计、保护电路和上位机；
所述聚合物绝缘材料的样品放置于所述样品室中，所述样品室用于为所述聚合物绝缘材料的样品提供温度和真空条件，为所述聚合物绝缘材料的样品屏蔽电磁干扰；所述聚合物绝缘材料的样品通过所述电极与所述高压电源连接；
所述上位机分别与所述微电流计、所述微控制单元和所述高压电源连接；所述微控制单元分别与所述第一接触器、所述第二接触器和所述保护电路连接；所述第一接触器分别与所述取样电阻、所述第二接触器和所述保护电阻连接；所述第二接触器分别与所述微电流计和所述保护电阻连接；所述保护电阻与所述聚合物绝缘材料的样品连接；所述微电流计与所述取样电阻连接；
所述上位机控制所述高压电源从初始电压开始，按升压步长依次加压，当加压时间达到设定阈值时，所述上位机发送第一控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述第二接触器闭合，所述微电流计与所述保护电阻串联，所述微电流计开始进行电流测试；所述上位机实时判断当前测试电场是否小于转换阈值；若是，则所述微电流计继续进行电流测试；若否，则所述上位机发送第二控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述第一接触器闭合，所述取样电阻与所述保护电阻串联，所述微电流计与所述取样电阻并联，所述微电流计开始进行电压测试，若在测试过程中所述聚合物绝缘材料的样品击穿，所述上位机发送第三控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述第二接触器断开，保护所述微电流计，同时所述上位机发送第四控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述保护电路开始工作，保证所述聚合物绝缘材料的样品击穿时所述测试系统的安全。
可选地，所述保护电路具体包括限流电阻和三极管；
所述三极管的发射极接地；所述三极管的C集电极与所述第一接触器连接；所述三极管的B基极与所述限流电阻连接；所述限流电阻与所述微控制单元连接。
可选地，所述样品室采用不锈钢制作。
可选地，所述高压电源接地。
可选地，所述上位机通过RS232与所述微电流计、所述微控制单元和所述高压电源连接。
可选地，所述电极采用直径为25mm的不锈钢电极；所述电极的表面经过抛光和处理后，所述电极的表面粗糙度小于0.8μm。
可选地，所述升压步长为250V。
可选地，所述设定阈值为30min。
可选地，所述转换阈值是通过对所述聚合物绝缘材料的样品的击穿场强测试确定的。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，设置高压电源、样品室、保护电阻、取样电阻、第一接触器、第二接触器、微控制单元、微电流计、保护电路和上位机，通过上述结构组成通用的测试系统，实现在不同温度下准确测试聚合物绝缘材料的I-V特性曲线，利用I-V特性曲线及其与温度的关系，可全面表征聚合物绝缘材料的电导特性，反映载流子的传导机制，从而准确测试聚合物绝缘材料的电导特性，获得表征聚合物绝缘材料电导及载流子输运特性的关键参数，解决聚合物绝缘材料的电导特性难以测量和全面表征的问题，进而全面、细致地评价和掌握聚合物绝缘材料的绝缘性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统实施例的结构图；
图2为本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统组成原理图；
图3为本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统测试原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统，能够在不同温度下准确测试聚合物绝缘材料的I-V特性曲线。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统实施例的结构图。如图1所示，本实施例提供了一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统，包括高压电源101、样品室102、保护电阻103、取样电阻104、第一接触器105、第二接触器106、微控制单元107、微电流计108、保护电路109和上位机110。
聚合物绝缘材料的样品放置于样品室102中，样品室102用于为聚合物绝缘材料的样品提供温度和真空条件，为聚合物绝缘材料的样品屏蔽电磁干扰；聚合物绝缘材料的样品通过电极与高压电源101连接。样品室102采用不锈钢制作。电极采用直径为25mm的不锈钢电极；电极的表面经过抛光和处理后，电极的表面粗糙度小于0.8μm。
高压电源101用于提供高电压电流；高压电源101接地。
上位机110分别与微电流计108、微控制单元107和高压电源101连接，具体的，上位机110通过RS232与微电流计108、微控制单元107和高压电源101连接；微控制单元107分别与第一接触器105、第二接触器106和保护电路109连接；第一接触器105分别与取样电阻104、第二接触器106、和保护电阻103连接；第二接触器106分别与微电流计108和保护电阻103连接；保护电阻103与聚合物绝缘材料的样品连接；微电流计108与取样电阻104连接。
上位机110控制高压电源101从初始电压开始，按升压步长依次加压，当加压时间达到设定阈值时，上位机110发送第一控制指令到微控制单元107，通过微控制单元107控制第二接触器106闭合，微电流计108与保护电阻103串联，微电流计108开始进行电流测试；上位机110实时判断当前测试电场是否小于转换阈值；若是，则微电流计108继续进行电流测试；若否，则上位机110发送第二控制指令到微控制单元107，通过微控制单元107控制第一接触器105闭合，取样电阻104与保护电阻103串联，微电流计108与取样电阻104并联，微电流计108开始进行电压测试，若在测试过程中聚合物绝缘材料的样品击穿，上位机110发送第三控制指令到微控制单元107，通过微控制单元107控制第二接触器106断开，保护微电流计108，同时上位机110发送第四控制指令到微控制单元107，通过微控制单元107控制保护电路109开始工作，保证聚合物绝缘材料的样品击穿时测试系统的安全。
具体的，升压步长为250V。设定阈值为30min。转换阈值是通过对聚合物绝缘材料的样品的击穿场强测试确定的。
保护电路109具体包括限流电阻和三极管；三极管的发射极接地；三极管的C集电极与第一接触器105连接；三极管的B基极与限流电阻连接；限流电阻与微控制单元107连接。
下面以一个具体实施例说明本发明的技术方案：
图2为本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统组成原理图。如图2所示，本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统由高压电源、微电流计、样品室、保护装置等构成。在低场区的电导电流测试中，由于测试信号非常微弱(一般电导电流信号约在零点几pA到几pA之间)，电极是测试环节中非常重要的硬件设备，系统采用的是直径为25mm的不锈钢电极，为了减小边缘效应以及均匀电场，电极的表面均经过严格的抛光和处理，表面粗糙度Ra值应在0.8μm以下，以实现和聚合物绝缘材料的样品的紧密接触。
样品室用不锈钢制作，屏蔽箱的真空度可达到10-2MPa，从而可以有效的控制高压源(高压电源)的空气放电现象以此带来的电磁干扰，电导电流是微弱的电流信号，在测量(测试)过程中主要应处理好屏蔽和接地。
整套测量装置(测试系统)由两部分组成，第一部分为主测试回路即高压源、保护电阻以及采样电阻(取样电阻)对地形成主测试回路。第二部分由控制保护回路组成，为测试样品，即聚合物绝缘材料的样品提供温度和必要的真空条件，并保护测试回路，使得在试样，即聚合物绝缘材料的样品被击穿时，仍然不会发生损坏。本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统测试原理框图如图3所示，其中，取样电阻为高场电导电流取样电阻，由于高场强(高电压)下直接取电流信号无法实现，因为微电流计量程受限，电流太低时无法测量出电流，因此通过取样电阻将电流信号转换为电压信号，微控制单元、第一接触器、第二接触器构成击穿保护装置(保护控制电路)，保证试样击穿时的测试系统安全。
本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统关键要完成高场电导特性测试，测试时既要保证测试准确，又要保证一旦试样被击穿，测试系统的安全。本发明聚合物绝缘材料电导特性测试系统工作原理为：上位机控制高压电压源(高压电源)从初始电压开始，每次升压步长为250V，加压时间为30min(实验测得当加压时间为30min时电导电流数值基本达到稳态)，在加压过程中微电流计没有接入回路。加压时间达到30min时，上位机控制保护电路(保护控制电路)将微电流计接入到主测回路中进行电流测试，测试时间为5s，系统采集频率为20Hz。通过数据加和求平均值进行平滑处理，所得数值为该电压下对应的电导电流值。低场电导干扰较低，通过高灵敏度微电流计完成测量。高场电导伴随局部放电等干扰，无法用微电流计进行测量。通过对试样的击穿场强测试，确定测量方式的转换阈值场强，当超过该转换阈值时，上位机控制保护电路进行动作，将电流信号测量模式转换为电压信号测量，利用高精密取样电阻完成高场电流信号测量。通过不同测试模式切换，系统完成从低场区到高场区，直至临近击穿场强的电导电流测试。
上位机用于测试系统软件开发，主要完成测试数据采集、记录和分析。
本发明测量系统(测试系统)可以对绝缘介质从低场区到高场区以及邻近击穿场强区实现全自动电导电流测试，尤其对于高场区的电导测试的核心技术解决方案如下：
本发明测量系统采用两种不同信号采集模式，即电压信号和电流信号。
由于固体电介质的击穿机理复杂性导致其击穿场强的不稳定和不确定性大大增加，根据材料的击穿场强试验，确定采集信号模式转换的阈值场强。
当测试电场小于转换阈值时，采用电流信号采集方式，在非测量期间电表(微电流计)不接入主测回路(主测试回路)当中，避免在加压等待期间试样的意外击穿给设备带来伤害。
当测试电场超过转换阈值时，测试系统切换至电压信号采集工作模式，若在测量过程中试样击穿，保护装置会触发真空继电器，即第二接触器，将测试仪表(微电流计)从电路中分离，避免对系统损坏。
本发明测试系统本质上是一种微电流测试系统，对于绝缘材料电导电流，特别是高场电导测试，关键要解决好抗干扰问题和测试系统保护问题。本发明提出的测试系统，把电场电导和高场电导测试分成两个阶段，电场电导采用微电流直接测量，高场电导采用取样电阻测量，这样可以兼顾测量精度和抗干扰特性，并且在系统中设置了击穿保护装置，可以将电导测试范围延伸到试样临近击穿状态。本发明测试系统解决了聚合物绝缘材料微弱电流测量与数据采集，以及消除高电场条件下局部放电对测量的干扰的问题。
本发明测试系统能够准确测试绝缘材料电导温度特性，获得表征材料电导及载流子输运特性的关键参数，对全面、细致地评价和掌握聚合物绝缘材料的绝缘性能具有科学意义和实用价值。本发明测试系统通过准确测量不同条件下绝缘材料的电流电压关系，即准确测试不同温度下的聚合物绝缘材料的I-V特性曲线，为细致分析电导机制提供可靠支撑。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、针对聚合物绝缘材料的电导特性难以测量和全面表征的问题，本发明开发了一套通用测试系统，该测量系统能够在不同温度条件下准确测试聚合物绝缘材料I-V特性，满足全面、准确表征聚合物绝缘材料的电导特性的需求。
2、本发明提出了低场电导和高场电导分阶段测量的技术方案，解决了聚合物绝缘材料的电导特性测试过程中，测试精度、抗干扰特性和系统保护同时兼顾的难题，能够在不同温度条件下测试聚合物绝缘材料的I-V特性曲线，并且将测试范围延伸到试样临近击穿状态，获取更全面的材料电导特性。
3、本发明测试系统可应用于对聚合物绝缘材料绝缘性能的评价与监管，有助于高质量电气绝缘材料的选用和劣质材料的识别，对提高电气设备的质量和工作可靠性具有促进作用，为提高电气绝缘领域的发展水平提供了技术支持。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述测试系统包括高压电源、样品室、保护电阻、取样电阻、第一接触器、第二接触器、微控制单元、微电流计、保护电路和上位机；
所述聚合物绝缘材料的样品放置于所述样品室中，所述样品室用于为所述聚合物绝缘材料的样品提供温度和真空条件，为所述聚合物绝缘材料的样品屏蔽电磁干扰；所述聚合物绝缘材料的样品通过所述电极与所述高压电源连接；
所述上位机分别与所述微电流计、所述微控制单元和所述高压电源连接；所述微控制单元分别与所述第一接触器、所述第二接触器和所述保护电路连接；所述第一接触器分别与所述取样电阻、所述第二接触器和所述保护电阻连接；所述第二接触器分别与所述微电流计和所述保护电阻连接；所述保护电阻与所述聚合物绝缘材料的样品连接；所述微电流计与所述取样电阻连接；
所述上位机控制所述高压电源从初始电压开始，按升压步长依次加压，当加压时间达到设定阈值时，所述上位机发送第一控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述第二接触器闭合，所述微电流计与所述保护电阻串联，所述微电流计开始进行电流测试；所述上位机实时判断当前测试电场是否小于转换阈值；若是，则所述微电流计继续进行电流测试；若否，则所述上位机发送第二控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述第一接触器闭合，所述取样电阻与所述保护电阻串联，所述微电流计与所述取样电阻并联，所述微电流计开始进行电压测试，若在测试过程中所述聚合物绝缘材料的样品击穿，所述上位机发送第三控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述第二接触器断开，保护所述微电流计，同时所述上位机发送第四控制指令到所述微控制单元，通过所述微控制单元控制所述保护电路开始工作，保证所述聚合物绝缘材料的样品击穿时所述测试系统的安全。
2.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述保护电路具体包括限流电阻和三极管；
所述三极管的发射极接地；所述三极管的C集电极与所述第一接触器连接；所述三极管的B基极与所述限流电阻连接；所述限流电阻与所述微控制单元连接。
3.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述样品室采用不锈钢制作。
4.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述高压电源接地。
5.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述上位机通过RS232与所述微电流计、所述微控制单元和所述高压电源连接。
6.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述电极采用直径为25mm的不锈钢电极；所述电极的表面经过抛光和处理后，所述电极的表面粗糙度小于0.8μm。
7.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述升压步长为250V。
8.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述设定阈值为30min。
9.根据权利要求1所述的聚合物绝缘材料电导特性测试系统，其特征在于，所述转换阈值是通过对所述聚合物绝缘材料的样品的击穿场强测试确定的。
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