一种固体电介质材料陷阱参数采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种固体电介质材料陷阱参数采集系统，包括恒温箱以及设置在恒温箱内的三电极电晕充电系统、表面电位测量系统、旋转支撑系统和温度控制系统；三电极电晕充电系统包括从上至下同轴设置的多针电极和接地的金属圆盘电极；表面电位测量系统包括设置在可调式绝缘固定架上的电容式静电探头；旋转支撑系统包括绝缘支撑架，金属铝板的上表面设置有金属转盘、有金属加热盒；温度控制系统包括第一加热装置和第二加热装置。本发明能够地进行固体电介质材料的陷阱能级和陷阱密度参数的采集，具有适用范围广、测量精度高、操作简单方便的特点，为固体电介质表面带电现象及其对沿面闪络性能影响等方面的研究提供一种有效的分析手段。
【专利说明】一种固体电介质材料陷阱参数采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种绝缘材料介电性能测试装置，尤其涉及一种固体电介质材料陷阱参数采集系统。
【背景技术】
[0002]目前，聚合物绝缘材料以及油浸绝缘因其良好的介电性能而在电气绝缘领域得到广泛应用。但随着电力系统电压等级的提高以及直流输电技术的发展，聚合物绝缘的空间电荷效应问题日渐突出，由此导致聚合物材料内部电场畸变，引发局部放电及电树枝发展，从而造成材料老化和绝缘失效问题，如何抑制和消除绝缘中的空间电荷已经成为国内外电气绝缘领域的研究热点。
[0003]目前关于聚合物老化机理的研究很多，其中比较有代表性的是加拿大的高观志(Kwan-Chi Kao)和国内西安交通大学的屠德民等人提出的热电子引发聚合物降解理论。在高电场作用下，电子/空穴通过肖特基效应(Schottky effect)或福勒-诺德海姆效应(Fowler-Nordheim effect)从电极注入到聚合物中，由于材料禁带能隙内存在大量的陷讲态，电子/空穴的平均自由路径短，因此很快被陷阱俘获而形成空间电荷。在空间电荷的入陷/复合过程中，当电荷由高能态迁移到低能态时，多余的能量通过非辐射形式转移给另一个电子，使后者变成热电子。具有足够能量的热电子将导致分子降解而形成大量的大分子自由基，将进一步引发自由基链式反应，导致聚合物的进一步降解。热电子的产生和热电子的能量决定于陷阱的密度和深度，改变聚合物的陷阱深度或密度，就能改变热电子的形成几率和能量。因此测量和分析材料的陷阱特性如能级、密度等，对于材料的空间电荷形成和抑制机理以及聚合物材料的老化状态表征和评估具有十分重要的意义。
[0004]另一方面，在嵌入式电极系统中，电极附近的陷阱电荷注入、输运、复合以及解吸附过程也会对沿面闪络现象产生重要影响。电介质的陷阱特性及表面带电特性长期以来一直受到广泛关注，认为其与真空条件下介质的沿面闪络特性密切相关。
[0005]基于上述分析，陷阱特性十分显著地影响固体电介质材料的介电和放电特性，并可能成为一种更为本征的固体电介质材料性能表征参数，因此测量和分析固体绝缘材料的陷阱参数具有十分重要的意义。目前国内研究人员一般通过测量等温表面电位衰减获得衰减电流，进而得到材料表面的陷阱信息。但多数测量系统都存在系统充电效果不均匀、电荷注入不充分、测量记录需要人工操作等问题，从而造成了测量结果分散性大、重复性差、精度低等结果。
[0006]目前关于表面电位测量与记录，大多采用等间隔时间人工方式记录，耗费时间，记录不够准确。多数测量系统在完成电晕充电后，需要手动将针尖更换为电位探头测量表面电位衰减，此过程需要较长的时间，难以测量充电完成后的瞬时电位信息。
[0007]充分的电荷注入是准确测量材料陷阱特性的关键，固体电介质材料需要在较高温度(因材料而异，一般为60?80°C)下才能获得较为充分的电荷注入。现有测试系统没有加热条件，难以实现固体电介质材料的预热，严重影响实验效果。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种固体电介质材料陷阱参数采集系统，能够地进行固体电介质材料的陷阱能级和陷阱密度参数的采集，具有适用范围广、测量精度高、操作简单方便的特点。
[0009]本发明采用下述技术方案:
[0010]一种固体电介质材料陷阱参数采集系统，包括恒温箱以及设置在恒温箱内的三电极电晕充电系统、表面电位测量系统、旋转支撑系统和温度控制系统；
[0011]所述的三电极电晕充电系统包括从上至下同轴设置的多针电极和接地的金属圆盘电极，多针电极连接直流充电电源，金属圆盘电极的上表面用于放置待测试样，金属圆盘电极包括上下接触且偏心设置的铜电极和铝电极；
[0012]所述的表面电位测量系统包括设置在可调式绝缘固定架上的电容式静电探头，电容式静电探头的输出端依次连接恒温箱外的信号调理电路和信号采集电路；
[0013]所述的旋转支撑系统包括设置在恒温箱内的上表面为金属铝板的绝缘支撑架，金属铝板的上表面设置有金属转盘，金属转盘的上表面设置有金属加热盒，金属圆盘电极放置在金属加热盒上表面；当进行待测试样电荷注入时，待测试样位于多针电极下方；当进行表面电位衰减测量时，待测试样位于电容式静电探头下方；
[0014]所述的温度控制系统包括设置在金属加热盒内的第一加热装置，以及设置在金属铝板下方绝缘支撑架上的第二加热装置，恒温箱外的温度控制器控制连接第一加热装置和第二加热装置。
[0015]所述的多针电极采用不锈钢针，针尖曲率半径5μπι;多针电极中最外层的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和每一条边的中点均设置有针电极，最外层的多根针电极的长度为9mm;多针电极中次外层的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和每一条边的中点均设置有针电极，次外层的多根针电极的长度为Ilmm ;多针电极中内侧的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和正六边形的中心均设置有针电极，内侧的多根针电极的长度为12mm，内侧的多根针电极距离待测试样上表面40mm ；最外层的多根针电极、次外层的多根针电极和内侧的多根针电极组成同一中心且边长递减的正六边形。
[0016]所述的金属圆盘电极中铜电极直径120mm,厚度1mm ;招电极直径250mm,厚度1mm ;铜电极与招电极的偏心距离为60mm,且铜电极与招电极通过螺栓固定。
[0017]所述的可调式绝缘固定架包括绝缘固定架和位置调节机构，电容式静电探头固定在位置调节机构上。
[0018]所述的金属转盘、金属加热盒和金属圆盘电极中的铝电极从下至上设置且通过螺栓固定。
[0019]所述的第一加热装置和第二加热装置并联后由恒温箱外的温度控制器控制，第一加热装置包括串联的两个热电偶，第二加热装置采用石英红外加热管。
[0020]所述的恒温箱内还设置有湿度控制装置，湿度控制装置采用固体干燥剂。
[0021]所述的铜电极与待测试样之间设置有导电硅脂。
[0022]本发明具有以下有益效果:
[0023]本发明可测量固体电介质材料的陷阱能级和陷阱密度参数，并能区分电子型和空穴型两种陷阱，操作方便。适用性广泛，本发明既适用于无机绝缘材料，如氧化铝、可加工陶瓷等绝缘材料陷阱特性的测试，同时也适用于聚合物绝缘材料和油浸纸绝缘陷阱特性的测试。
[0024]本发明设计有双加热装置，双加热装置并联加热，并通过外置的温度控制器进行温度控制器调控；其中一个加热装置置于与和金属圆盘电极固定连接的金属加热盒内，实现对待测试样的直接预热；另一个加热装置固定在金属铝板下方的绝缘支撑架上，通过对周围空气加热而实现对环境温度的控制。双加热装置的设计能够实现对待测试样的直接预热，使得电介质材料获得较充分的电荷注入，同时保证恒温箱内温度分布比较均匀，提高了恒温箱内温度的控制精度。
[0025]金属转盘放置在一个用绝缘支撑架支撑的金属铝板上，金属转盘的设计可实现待测试样的位置角度调节，能够实现在待测试样电荷注入和表面电位衰减测量两种状态下自由快速切换。
[0026]本发明采用多针电极，各针的分布位置、针的长度及针尖与待测试样表面的距离能够通过有限元分析方法计算得出，使多针电场达到均匀分布状态，达到对试样表面充分、均匀注入电荷的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明中三电极电晕充电系统的结构示意图；
[0028]图2为本发明中表面电位自动测量记录系统的示意图；
[0029]图3为本发明中金属转盘的示意图；
[0030]图4为本发明中旋转支撑系统示意图；
[0031]图5为本发明中多针电极的分布示意图。
【具体实施方式】
[0032]如图1至图5所示，本发明所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，包括恒温箱11以及设置在恒温箱11内的三电极电晕充电系统、表面电位测量系统、旋转支撑系统和温度控制系统。三电极电晕充电系统用于对待测试样3进行电荷注入，表面电位测量系统用于采用非接触方式对待测试样3进行表面电位衰减的测试，旋转支撑系统用于实现待测试样3在电荷注入模式和表面电位衰减测量下快速切换，以准确测量充电完成后的瞬时电位信息；温度控制系统用于实现实验环境温度的调整，以获得较为充分的电荷注入，保证实验效果。
[0033]本发明中，三电极电晕充电系统包括从上至下同轴设置的多针电极I和接地的金属圆盘电极2，多针电极I连接直流充电电源，多针电极I采用不锈钢针，针尖曲率半径5μπι ;多针电极I中最外层的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和每一条边的中点均设置有针电极，最外层的多根针电极的长度为9mm ;多针电极I中次外层的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和每一条边的中点均设置有针电极，次外层的多根针电极的长度为Ilmm ;多针电极I中内侧的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和正六边形的中心均设置有针电极，内侧的多根针电极的长度为12_，内侧的多根针电极距离待测试样3上表面40mm ;最外层的多根针电极、次外层的多根针电极和内侧的多根针电极组成同一中心且边长递减的正六边形。由于采用多针电极1，多针电极I中各针的分布位置、针的长度及针尖与试样表面的距离可通过有限元分析方法计算得出，使多针电场达到均匀分布状态，达到对待测试样3表面充分、均匀注入电荷的效果。
[0034]金属圆盘电极2的上表面用于放置待测试样3，金属圆盘电极2包括上下接触且偏心设置的铜电极和铝电极。金属圆盘电极2中铜电极直径120mm，厚度1mm ;铝电极直径250mm,厚度1mm ;铜电极与招电极的偏心距离为60mm,且铜电极与招电极通过螺栓固定。铜电极表面精细抛光以保证待测试样3与铜电极良好的电接触性，且铜电极与待测试样3之间设置有导电硅脂。
[0035]所述的表面电位测量系统包括设置在可调式绝缘固定架5上的电容式静电探头4，可调式绝缘固定架5包括绝缘固定架5和位置调节机构6，电容式静电探头4固定在位置调节机构6上，电容式静电探头4与待测试样3上表面的距离通过可以位置调节机构6进行精确调整。电容式静电探头4的输出端依次连接恒温箱11外的信号调理电路7和信号采集电路8，信号采集电路8将信号发送至计算机，通过现有的软件处理，计算机能够对测得的待测试样3表面电位衰减进行不间断自动采样和记录。
[0036]所述的旋转支撑系统包括设置在恒温箱11内的上表面为金属铝板12的绝缘支撑架13,金属招板12的上表面设置有金属转盘9。金属转盘9的上表面设置有金属加热盒10,金属加热盒10的尺寸为250mmX250mmX20mm，金属圆盘电极2放置在金属加热盒10上表面。金属转盘9、金属加热盒10和金属圆盘电极2中的铝电极从下至上设置且通过螺栓固定。金属转盘9可实现待测试样3的位置角度调节，能够实现在待测试样3在电荷注入和表面电位衰减测量两种状态下自由切换。当进行待测试样3电荷注入时，待测试样3位于多针电极I下方；当进行表面电位衰减测量时，可通过旋转金属转盘9，使得待测试样3位于电容式静电探头4下方。
[0037]所述的温度控制系统包括设置在金属加热盒10内的第一加热装置14，以及设置在金属铝板12下方绝缘支撑架13上的第二加热装置15，恒温箱11外的温度控制器控制连接第一加热装置14和第二加热装置15。第一加热装置14和第二加热装置15并联后由恒温箱11外的温度控制器控制，保证温度控制精度为±0.1°C。第一加热装置14包括串联的两个热电偶，第二加热装置15采用石英红外加热管。
[0038]恒温箱11内还设置有湿度控制装置，湿度控制装置采用固体干燥剂。本实施例中，固体干燥剂可采用变压器用干燥剂硅胶，保证湿度控制在40%以下，以满足实验要求。
[0039]本发明在使用，首先用导电硅脂将待测试样3贴在金属圆盘电极2中的铜电极上表面，多针电极I与待测试样3距离保持为40mm，然后由多针电极I施加+1kV或-1OkV的充电电压，每次注入电荷时间为10?30min。充电时,利用温度控制系统对金属圆盘电极2进行加热，使其保持在70°C，以保证充分注入电荷。在施加高压作用下，在多针电极I的针尖处发生电晕放电，空气被电离从而产生大量的带电质点，多针电极I的针尖周围形成电离区。以施加负极性电压为例，在电场作用下负离子向待测试样3表面漂移，由于多针电极I与位于多针电极I下面的金属圆盘电极2之间的电场分布比较均匀，负离子会在多针电极I与待测试样3之间形成均匀的电荷漂移区，负离子中的电子将被待测试样3表面的陷阱态俘获，从而获得均匀的表面带电效果。
[0040]实验过程中，当试样电荷注入完毕后，撤去直流充电电压，在待测试样3表面覆盖铝箔并短路放电，保持短路约I?5s以去除待测试样3表面沉积的自由电荷(非陷阱电荷)。短路放电后，通过旋转金属转盘9，带动金属圆盘电极2将待测试样3表面充电区域移至电容式静电探头4下，采用非接触方式测量待测试样3的表面电位衰减，保持电容式静电探头4与待测试样3表面的距离为2mm。电容式静电探头4输出的信号由信号调理电路7调理后，接入与计算机相连的信号采集电路8中，即可通过计算机对待测试样3的表面电位进行连续采样。实验中，一般将信号采集电路8设定为每Is采样一次。由于表面电位的衰减特性受环境影响极大，因此整个实验必须在恒温箱11中进行，实验过程中保持温度严格恒定，并通过放置固体干燥剂控制恒温箱11内部相对湿度低于40%。根据等温电流衰减理论，表面电位等温衰减过程中，介质中处于浅陷阱的电荷先释放，而处于深陷阱的电荷后释放。在恒定温度下热释放电流随时间而变化，这个电流的变化反映了陷阱能级的分布规律。
[0041]通过等温条件下试样表面电位衰减特性，可计算得到等温衰减电流，并进而计算出试样的陷阱能级和陷阱密度参数。
[0042]本发明可测量固体电介质材料的陷阱能级和陷阱密度参数，并能区分电子型和空穴型两种陷阱，操作方便。本发明既适用于无机绝缘材料，如氧化铝、可加工陶瓷等绝缘材料陷阱特性的测试，同时也适用于聚合物绝缘材料和油浸纸绝缘陷阱特性的测试。本发明为研究固体电介质材料的陷阱特性提供理论和技术支持，可为陷阱参数表征聚合物绝缘材料老化状况和聚合物的老化规律研究，以及固体电介质表面带电现象及其对沿面闪络性能影响等方面的研究提供一种有效的分析手段。
【权利要求】
1.一种固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:包括恒温箱以及设置在恒温箱内的三电极电晕充电系统、表面电位测量系统、旋转支撑系统和温度控制系统； 所述的三电极电晕充电系统包括从上至下同轴设置的多针电极和接地的金属圆盘电极，多针电极连接直流充电电源，金属圆盘电极的上表面用于放置待测试样，金属圆盘电极包括上下接触且偏心设置的铜电极和铝电极； 所述的表面电位测量系统包括设置在可调式绝缘固定架上的电容式静电探头，电容式静电探头的输出端依次连接恒温箱外的信号调理电路和信号采集电路； 所述的旋转支撑系统包括设置在恒温箱内的上表面为金属铝板的绝缘支撑架，金属铝板的上表面设置有金属转盘，金属转盘的上表面设置有金属加热盒，金属圆盘电极放置在金属加热盒上表面；当进行待测试样电荷注入时，待测试样位于多针电极下方；当进行表面电位衰减测量时，待测试样位于电容式静电探头下方； 所述的温度控制系统包括设置在金属加热盒内的第一加热装置，以及设置在金属铝板下方绝缘支撑架上的第二加热装置，恒温箱外的温度控制器控制连接第一加热装置和第二加热装置。
2.根据权利要求1所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的多针电极采用不锈钢针，针尖曲率半径5μπι;多针电极中最外层的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和每一条边的中点均设置有针电极，最外层的多根针电极的长度为9mm;多针电极中次外层的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和每一条边的中点均设置有针电极，次外层的多根针电极的长度为Ilmm ;多针电极中内侧的多根针电极为正六边形分布，且正六边形各个顶点和正六边形的中心均设置有针电极，内侧的多根针电极的长度为12mm，内侧的多根针电极距离待测试样上表面40mm ;最外层的多根针电极、次外层的多根针电极和内侧的多根针电极组成同一中心且边长递减的正六边形。
3.根据权利要求2所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的金属圆盘电极中铜电极直径120mm,厚度1mm ;招电极直径250mm,厚度1mm ;铜电极与招电极的偏心距离为60mm，且铜电极与铝电极通过螺栓固定。
4.根据权利要求3所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的可调式绝缘固定架包括绝缘固定架和位置调节机构，电容式静电探头固定在位置调节机构上。
5.根据权利要求4所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的金属转盘、金属加热盒和金属圆盘电极中的铝电极从下至上设置且通过螺栓固定。
6.根据权利要求5所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的第一加热装置和第二加热装置并联后由恒温箱外的温度控制器控制，第一加热装置包括串联的两个热电偶，第二加热装置采用石英红外加热管。
7.根据权利要求6所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的恒温箱内还设置有湿度控制装置，湿度控制装置采用固体干燥剂。
8.根据权利要求7所述的固体电介质材料陷阱参数采集系统，其特征在于:所述的铜电极与待测试样之间设置有导电硅脂。
【文档编号】G01R27/26GK104198823SQ201410458790
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】张伟政, 李智敏, 赵林, 穆海宝, 李元, 申文伟, 张冠军, 季国剑 申请人:国家电网公司, 国网河南省电力公司郑州供电公司, 西安交通大学