一種多層固體復合電介質材料空間電荷測量方法與流程

本發明涉及一種空間電荷測量方法，特別是涉及一種多層固體復合電介質材料空間電荷測量方法。

背景技術：
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電力設備中多采用多層復合電介質材料作為絕緣材料，如電力電纜、環氧浸漬紙干式套管、電力變壓器中的油浸紙主絕緣結構等。多層復合電介質材料在直流電壓作用下，其內部界面會由于介電常數、電導率的不連續而產生界面電荷，同時各介質內部會由于電極注入、雜質電離等原因積聚空間電荷。電聲脈沖法是目前廣泛應用的一種空間電荷測試方法，但傳統的空間電荷測試方法僅針對單一均勻的電介質。對于多層復合電介質由于界面電荷的折反射和各層相關參數的不連續的影響，應用傳統的電聲脈沖法無法測量得到多層復合電介質材料內部真實的空間電荷分布。因此，為了能測量得到多層復合電介質中的真實空間電荷分布，需要消除測量中干擾，對測量信號校正進行校正。

技術實現要素：
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本發明的目的在于提供一種多層固體復合電介質材料空間電荷測量方法，以消除應用電聲脈沖法進行空間電荷時試樣內部界面電荷聲波反射造成的干擾，對多層復合材料相關參數不連續造成空間電荷測量結果偏離進行校正。

為達到上述目的，本發明通過采取以下技術方案予以實現：

一種多層固體復合電介質材料空間電荷測量方法，包括如下步驟：

1)制備非對稱結構的多層固體電介質復合材料試樣，從試樣結構上消除界面電荷反射對測量結果的影響；

2)應用電聲脈沖法，根據試樣接地電極電荷的脈沖響應獲得測量系統傳遞函數；忽略多層固體電介質介電常數、聲速和厚度等材料參數不同，利用上述獲得的測量系統傳遞函數，計算得到多層固體電介質復合材料試樣內部空間電荷分布的未校正信號；

3)在獲得多層固體電介質復合材料試樣內部電荷分布的未校正信號后，以剛加壓時的界面電荷峰為界限，對試樣空間電荷分布的未校正信號進行分層劃分；考慮不同層電介質的介電常數、聲速和厚度對系統傳遞函數的影響，對材料參數不同引起的空間電荷密度值偏離進行分層校正；對聲波在多層固體電介質內部傳遞時由折射引起的電荷密度偏離進行分層校正。

本發明進一步的改進在于，步驟1)中，制備非對稱結構多層固體電介質復合材料試樣，其中復合材料試樣的層數為n層，設第i層材料的厚度為d_i，聲波在第i層材料中傳遞的聲速為v_i，為了消除多層固體復合電介質材料界面電荷聲波反射造成的干擾，制備的非對稱結構應同時滿足如下要求：

其中，i＝2，3，…，n，為多層固體電介質的層號。

本發明進一步的改進在于，步驟2)中，先將步驟1)中制備的多層固體復合電介質材料試樣兩個表面分別緊密覆蓋一層同心且直徑相同的表面電極，電極直徑不能小于空間電荷測試設備最小的電極直徑；然后將多層固體復合電介質材料試樣第1層介質的表面電極緊貼測試裝置中安裝有壓電傳感器的下電極放置，第n層的表面電極則與測試裝置的上電極緊密接觸；應用電聲脈沖法，根據試樣接地電極電荷的脈沖響應獲得測量系統傳遞函數；忽略多層固體電介質介電常數、聲速和厚度等材料參數不同，利用上述獲得的測量系統傳遞函數，計算得到多層固體電介質復合材料試樣內部空間電荷分布的未校正信號ρ₀(x)，式中x為試樣內部距離第1層介質表面電極的距離。

本發明進一步的改進在于，步驟3)中，以剛加壓時的界面電荷峰為界限，將步驟2)中測量得到的電荷分布信號ρ₀(x)進行不同層劃分，得到不同層的空間電荷分布ρ_i(x)，式中i為第i層固體電介質的層號。

本發明進一步的改進在于，步驟3)中，對不同層的空間電荷分布信號ρ_i(x)進行分層校正，由于未校正電荷分布信號ρ₀(x)是以第1層電介質介電常數ε₁、聲速v₁和試樣厚度d為參數計算的，對于第i層中校正后的電荷密度ρ_i'(x)按如下公式進行分層校正：

式中，ε_i為第i層中固體電介質的介電常數，v_i為第i層中固體電介質的聲波傳遞速度，d_i為第i層中固體電介質的厚度。

本發明進一步的改進在于，步驟3)中，對校正得到的電荷分布ρ_i'(x)按折射系數進行分層校正，其中第i層中校正后的真實電荷密度如下：

式中，K_i,i-1為聲波從第i層傳入第i-1層交界面時的折射系數。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

(1)有效地消除了多層固體電介質中界面電荷反射對空間電荷測量造成的干擾。

以三層固體電介質為例，制備圖1所示的多層固體復合電介質材料試樣，試樣結構應同時滿足如下要求：

兩個表面分別濺射同心且直徑相同的金電極，濺射電極直徑不能小于測試設備最小的電極直徑，本實施例中直徑為16mm；然后將多層固體復合電介質材料試樣的第1層表面電極緊貼測試裝置中安裝有壓電傳感器的接地電極，第3層表面電極與測試裝置高壓電極緊密接觸；應用電聲脈沖法測量多層固體電介質中的空間電荷分布。為了對比本發明的效果，選取對稱結構的三層固體電介質材料的空間電荷測量結果作為對比。

(2)綜合考慮多層介質的介電常數、聲波傳遞速度的不同和不同界面處的聲波折射效應，對多層介質空點電荷測量結果的進行分層校正。為了避免空間電荷注入與積聚的影響，選取剛加壓時的空間電荷測量數據為分段依據，測量結果如附圖5所示。按照圖5中的空間電荷峰位置，將測量結果分為三段，分別按照本發明方法，對1-2界面和2-3界面部分、2-3界面和(+)電極部分的測量結果進行校正，經過校正后的測量結果如附圖6所示。對比附圖5和附圖6可以看出，經過分段校正后的空間電荷分布明顯補償了靠近上電極部分的空間電荷分布。

附圖說明：

圖1為多層固體復合電介質材料空間電荷測量方法的流程示意圖。

圖2為本發明中制備的非對稱結構多層固體電介質復合材料試樣結構示意圖。

圖3為制備的非對稱結構三層環氧/紙復合材料試樣斷面掃描電鏡(SEM)圖像。

圖4為對稱結構多層固體復合電介質材料空間電荷分布測量結果。

圖5為校正前的非對稱結構多層固體復合電介質材料空間電荷分布測量結果。

圖6為校正后的非對稱結構多層固體復合電介質材料空間電荷分布測量結果。

圖7為校正后的非對稱結構多層固體復合電介質材料空間電荷分布測量結果云圖。

具體實施方式：

下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明。

按照圖1所示的多層固體復合電介質材料空間電荷測量方法的流程示意圖，首先制備非對稱結構多層固體電介質復合材料試樣，以制備3層固體電介質復合材料試樣為實施例。如圖2非對稱結構多層固體電介質復合材料試樣結構示意圖所示，設3層復合材料的厚度分別為d₁、d₂和d₃，聲波在其中的傳播速度分別為v₁、v₂和v₃，為了消除多層固體復合電介質材料界面電荷聲波反射造成的干擾，制備的非對稱結構應同時滿足如下要求：

按照上述方法制備的非對稱結構3層固體電介質復合材料試樣的掃面電鏡(SEM)圖像如圖3所示。然后將所制備的3層固體復合電介質材料兩個表面分別濺射同心且直徑相同的金電極，濺射電極直徑不能小于測試設備最小的電極直徑，本實施例中直徑為16mm；然后將多層固體復合電介質材料試樣的第1層表面電極緊貼測試裝置中安裝有壓電傳感器的接地電極，第3層表面電極與測試裝置高壓電極緊密接觸；應用電聲脈沖法測量多層固體電介質中的空間電荷分布，獲得多層固體電介質內部電荷分布的原始測試信號ρ₀(x)，其中x為試樣內部距離第1層介質表面濺射電極的距離。圖4和圖5分別為對稱結構和非對稱結構3層固體復合電介質材料空間電荷分布測量結果。對比兩種結構的測量結果，可以看出通過設計復合材料試樣的分對稱結構可以消除圖4中界面1-2和界面2-3產生的聲波反射干擾。具體來說，附圖4為對稱結構的三層固體電介質的空間電荷分布，由于沒有采用任何措施，在測量結果中出現了反射聲波干擾；而圖5是按照本發明方法進行試樣制備、試樣測試安裝后的測試結構，可以看出，本發明可以有效的消除反射聲波干擾。

以剛加壓時的界面電荷峰為界限，對電聲脈沖法測量得到的電荷分布信號ρ₀(x)進行不同層劃分，得到不同層的空間電荷分布ρ_i(x)。由于未校正電荷分布信號ρ_i(x)是以第1層電介質介電常數ε₁、聲速v₁和試樣厚度d為參數計算的，對于第2層和第3層電荷密度按如下公式進行分層校正：

式中ε₁、ε₂和ε₃分別為第1、2和3層中固體電介質的介電常數，v₁、v₂和v₃分別為第1、2和3層中固體電介質的聲波傳遞速度，d、d₂和d₃分別為試樣、第2和3層中固體電介質的厚度。

對校正得到的電荷分布ρ₂'(x)和ρ₃'(x)按折射系數再進行分層校正，校正后的真實電荷密度如下：

式中K_2,1為聲波從第2層傳入第1層交界面時的折射系數，K_3,2為聲波從第3層傳入第2層交界面時的折射系數。

經過上述校正后，非對稱結構3層固體電介質復合材料試樣內部空間電荷分布如圖6所示，圖7為校正后的非對稱結構多層固體復合電介質材料空間電荷分布測量結果云圖。