CN210222187U - 一种评估半导体屏蔽材料发射性能的测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及到一种评估半导体屏蔽材料发射性能的测试装置，包括真空控制系统、性能测试系统，其中，性能测试系统包括测试室、测试样品、载物台、阳极、电流表、保护电阻、高压直流电源，所述测试样品固定在载物台上作为阴极，阳极接高压直流电源的正极端，测试样品接高压直流电源的阴极端，高压直流电源的阴极端接地，保护电阻和电流表串联在电路中，所述阳极、阴极均位于测试室中，所述真空控制系统控制测试室为真空状态。本装置能够在高电场下直接测试半导电屏蔽材料的载流子发射情况，进而表征用作高压直流电缆的半导电屏蔽材料对于绝缘层电荷注入性能的优劣，对于研制高压直流输电电缆具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及到一种评估半导电屏蔽材料发射性能的测试装置。
背景技术
高压直流输电由于在远距离大容量送点及电网互联等方面具有独特的优势，是未来电网发展的主要趋势，适用于向海岛供电、城市负荷中心增容、风电并网等，特别是城市直流配电系统的发展，高压直流输电必不可少。采用高压直流塑料电缆的柔性直流输电是国际大电网倡导的主流方向。但是目前只有日本和少数西欧国家能生产高压和超高压塑料绝缘直流电缆。国内现在虽有小数电缆公司研制出320kV直流电缆，但是制造电缆所用的绝缘材料和半导电屏蔽材料完全依赖进口，形成了技术壁垒。
高压直流电缆由内到外一般由导电线芯、半导电屏蔽层、绝缘层及其它保护层组成。高压直流电缆中存在空间电荷，空间电荷会导致绝缘层内局部电场畸变和电气性能下降，尤其在实际运行中，界面效应会加剧电缆外绝缘层电场的畸变，降低电缆的使用寿命。因此，在高压直流电缆中，导电线芯和绝缘层之间往往会设置有半导电屏蔽层，用于实现导体与绝缘层之间的良好接触，改善导体表面的电场分布，降低向绝缘层发射载流子从而抑制绝缘层中的空间电荷积聚，因此半导电屏蔽层中半导电屏蔽材料的选择至关重要。作为高压直流电缆的半导电屏蔽材料，其基本要求即是在具有超光滑界面条件下有较低的载流子发射。因此围绕如何降低半导电屏蔽材料载流子的发射、减少绝缘层中空间电荷的积聚是目前高压直流电缆材料的研究热点。
目前测量固体电介质空间电荷应用最广泛的方法是电声脉冲法（PEA），它测试的是由导电线芯经过半导电屏蔽层进入绝缘层中的空间电荷，通过绝缘层中电荷量的多少来反映半导电屏蔽材料载流子的发射性能从而判定半导电屏蔽材料的优劣，对半导电屏蔽材料载流子发射的判定是一种间接方法。且电声脉冲法还存在明显缺点："不能除去错误的信息，缺乏对信号本质的认识，测量重复性差，不能统一或得出公认的结果"【1】。因此，寻求能够直接测试并评定高压直流电缆的半导电屏蔽材料载流子发射性能的方法具有重要的理论意义和工程价值。
参考文献：【1】如何理解工程电介质中极化与电导两个基本物理过程及其测量的科学原理与方法，中国电机工程学报。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提出了一种评估半导电屏蔽材料发射性能的测试装置，能够直接测试半导电屏蔽材料的载流子发射性能。
本实用新型是通过以下技术方案来解决上述技术问题：
一种评估半导电屏蔽材料发射性能的测试装置，包括真空控制系统和性能测试系统，其中，性能测试系统包括测试室、测试样品、载物台、阳极、电流表、保护电阻、高压直流电源，所述测试样品固定在载物台上作为阴极，阳极接高压直流电源的正极端，测试样品接高压直流电源的阴极端，高压直流电源的阴极端接地，保护电阻和电流表串联在电路中，所述阳极、阴极均位于测试室中，所述真空控制系统控制测试室为真空状态。
进一步地，所述真空控制系统包括控温装置和分子泵。
进一步地，所述阳极的材料为铜棒。
进一步地，所述控温装置包括水循环冷却系统和电阻升温系统。
进一步地，所述电流表可替换为万用表。
进一步地，所述保护电阻为1MΩ。
一种半导电屏蔽材料发射性能的评估方法，具体包括以下步骤：
S1、将测试样品与阳极的gap值调节到10μm~80μm；
S2、将测试室的真空度调节到3.5× 10-5Pa以上，关闭真空控制系统；
S3、打开高压直流电源，测定I-U曲线；
S4、将I-U曲线转化为福勒-诺德海姆（F-N）曲线。
进一步地，在步骤S2和S3之间增加一步检测步骤ST，所述检测步骤ST为：在测试样品施加电压，观察电流表读数，若电流表示数始终为零，则将电压调回零，继续步骤S3；否则，重回步骤S1。
进一步地，所述步骤S2具体包括：S21、打开控温装置，将测试室的压强调节至2.5Pa以下，关闭控温装置；S22、打开分子泵，将测试室的真空度调节到3.5×10-5 Pa以上，关闭分子泵。
进一步地，所述分子泵的转速为200r/s。
进一步地，检测步骤ST中所施加的电压不超过20V。
在符合本领域公知常识的基础上，上述各优选条件可任意组合，既得本实用新型的实施例。
本实用新型的积极效果在于：相较于目前广泛应用的PEA测试手段，先进行场发射测试再用PEA校核的方式，很大程度上找到了与PEA互为补充或替代的有效手段，确保了测量结果的准确性，具有更好的重复性。能够在高电场下直接测试半导电屏蔽材料的载流子发射情况，且能够用F-N方程进行检验，确保电流为场发射电流，进而表征用作高压直流电缆的半导电屏蔽材料对于绝缘层电荷注入性能的优劣，为半导电屏蔽材料的性能表征拓展了新的方向，对于研制高压直流输电电缆具有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型的结构装置图；
图2为1号样品的阴极材料所对应的I-U曲线；
图3为1号样品的阴极材料所对应的F-N曲线；
图4为2号样品的阴极材料所对应的I-U曲线；
图5为2号样品的阴极材料所对应的F-N曲线；
图6为3号样品的阴极材料所对应的I-U曲线；
图7为3号样品的阴极材料所对应的F-N曲线；
图8为4号样品的阴极材料所对应的I-U曲线；
图9为4号样品的阴极材料所对应的F-N曲线；
图10为当场强为20kV/mm时，四种样品的PEA加压曲线；
图11为当场强为20kV/mm时，四种样品作为半导电屏蔽材料向LDPE内部注入的电荷量积分。
其中，1-阳极，2-测试样品，3-测试室，4-分子泵，5-电阻升温系统，6-载物台，7-保护电阻。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型的技术方案做进一步详述。
实施例1
一种评估半导电屏蔽材料发射性能的测试装置，包括真空控制系统和性能测试系统，其中，性能测试系统包括测试室、测试样品、载物台、阳极、电流表、保护电阻、高压直流电源，所述测试样品固定在载物台上作为阴极，阳极接高压直流电源的正极端，测试样品接高压直流电源的阴极端，高压直流电源的阴极端接地，保护电阻和电流表串联在电路中，所述阳极、阴极均位于测试室中，所述真空控制系统控制测试室为真空状态；所述真空控制系统包括控温装置和分子泵；所述控温装置包括水循环冷却系统和电阻升温系统；所述阳极的材料为铜棒。
实施例2
利用实施例1中的测试装置分别对1、2、3、4号样品进行评估，其中四种样品区别的唯一变量为制备时碳黑的配比不同，详如表1所示浓度。
一种半导电屏蔽材料发射性能的评估方法，具体包括以下步骤：
S1、将测试样品与阳极的gap值调节到20μm；
S21、打开控温装置，将测试室的压强调节至2.3Pa，关闭控温装置；
S22、打开分子泵，分子泵的转速为200r/s，将测试室的真空度调节到3.5×10-5 Pa以上，关闭分子泵；
ST、在测试样品施加电压，观察电流表读数，若电流表示数始终为零，则将电压调回零，继续步骤S3；否则，重回步骤S1。
S3、打开高压直流电源，测定I-U曲线；
S4、将I-U曲线转化为福勒-诺德海姆（F-N）曲线。
从图2-9可以看出，四种样品的I-U曲线都基本呈现指数曲线，其分别对应的F-N曲线接近线性，斜率是负数，证实在此种情况下，四种样品产生的电流确实来源于场发射。场发射性能表征经常用到一个重要指标，即阈值电场，它的大小表示材料在外加电场作用下发射电子的难易程度。阈值电场越小，表明阴极材料越容易发射场发射电子。
表1
从表1中可以看出，四种不同CB浓度的阴极材料所对应的阈值电场的大小关系为：1号<4号<2号<3号，阈值电场最大的是3号样品。阈值电场越大，表明阴极材料越难产生场发射电子，因此，3号样品最难产生场发射电子。结合高压直流电缆的结构以及电荷注入原理，当电极通过半导电屏蔽材料向绝缘层注入电荷时，半导电屏蔽材料越难发射电子，则向绝缘层注入的电荷越少，越不利于空间电荷的积聚，能够有效防止绝缘老化，有利于提高电缆的使用寿命。所以，就目前几种CB掺杂浓度来看，CB掺杂浓度为30%时所制得的半导电屏蔽材料理论上有更加优良的电性能。
为了进一步验证本实用新型测试装置及评估方法所得出的结论，又对四种样品进行了PEA测试，统一在场强为20kV/mm条件下进行，绝缘层采用厚度为0.3mm的LDPE，测定了它们的加压曲线，如图10所示。
从图10可见，四种样品在阳极附近均存在同极性电荷，同极性电荷峰值最高的是4号样品，其次是2号样品；LDPE内部均有较多的负电荷的注入。
为了进一步定量研究介质内部电荷量注入的多少，我们将PEA加压曲线介质内部的电荷进行积分处理，电荷量计算公式由而来，得到如图11所示曲线。对比可知，场强为20kV/mm时，四种样品作为半导电屏蔽材料，分别向LDPE内部注入电荷，其电荷量的大小关系为：3号<2号<4号<1号，说明3号样品内部注入的电荷量最少，这与之前计算阈值电场得出的结论完全一致。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种评估半导体屏蔽材料发射性能的测试装置，其特征在于，包括真空控制系统、性能测试系统，其中，性能测试系统包括测试室、测试样品、载物台、阳极、电流表、保护电阻、高压直流电源，所述测试样品固定在载物台上作为阴极，阳极接高压直流电源的正极端，测试样品接高压直流电源的阴极端，高压直流电源的阴极端接地，保护电阻和电流表串联在电路中，所述阳极、阴极均位于测试室中，所述真空控制系统控制测试室为真空状态。
2.根据权利要求1所述的一种评估半导体屏蔽材料发射性能的测试装置，其特征在于，所述真空控制系统包括控温装置和分子泵。
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| CN112858801A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-05-28 | 青岛科技大学 | 降低直流高电场下空间电荷注入的方法及系统 |
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| WO2020207513A3 (zh) * | 2019-04-12 | 2021-01-07 | 青岛科技大学 | 一种评估半导电屏蔽材料发射性能的测试装置及评估方法 |
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