一种多层固体复合电介质材料空间电荷测量方法与流程

本发明涉及一种空间电荷测量方法，特别是涉及一种多层固体复合电介质材料空间电荷测量方法。

背景技术：
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电力设备中多采用多层复合电介质材料作为绝缘材料，如电力电缆、环氧浸渍纸干式套管、电力变压器中的油浸纸主绝缘结构等。多层复合电介质材料在直流电压作用下，其内部界面会由于介电常数、电导率的不连续而产生界面电荷，同时各介质内部会由于电极注入、杂质电离等原因积聚空间电荷。电声脉冲法是目前广泛应用的一种空间电荷测试方法，但传统的空间电荷测试方法仅针对单一均匀的电介质。对于多层复合电介质由于界面电荷的折反射和各层相关参数的不连续的影响，应用传统的电声脉冲法无法测量得到多层复合电介质材料内部真实的空间电荷分布。因此，为了能测量得到多层复合电介质中的真实空间电荷分布，需要消除测量中干扰，对测量信号校正进行校正。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种多层固体复合电介质材料空间电荷测量方法，以消除应用电声脉冲法进行空间电荷时试样内部界面电荷声波反射造成的干扰，对多层复合材料相关参数不连续造成空间电荷测量结果偏离进行校正。

为达到上述目的，本发明通过采取以下技术方案予以实现：

一种多层固体复合电介质材料空间电荷测量方法，包括如下步骤：

1)制备非对称结构的多层固体电介质复合材料试样，从试样结构上消除界面电荷反射对测量结果的影响；

2)应用电声脉冲法，根据试样接地电极电荷的脉冲响应获得测量系统传递函数；忽略多层固体电介质介电常数、声速和厚度等材料参数不同，利用上述获得的测量系统传递函数，计算得到多层固体电介质复合材料试样内部空间电荷分布的未校正信号；

3)在获得多层固体电介质复合材料试样内部电荷分布的未校正信号后，以刚加压时的界面电荷峰为界限，对试样空间电荷分布的未校正信号进行分层划分；考虑不同层电介质的介电常数、声速和厚度对系统传递函数的影响，对材料参数不同引起的空间电荷密度值偏离进行分层校正；对声波在多层固体电介质内部传递时由折射引起的电荷密度偏离进行分层校正。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，制备非对称结构多层固体电介质复合材料试样，其中复合材料试样的层数为n层，设第i层材料的厚度为d_i，声波在第i层材料中传递的声速为v_i，为了消除多层固体复合电介质材料界面电荷声波反射造成的干扰，制备的非对称结构应同时满足如下要求：

其中，i＝2，3，…，n，为多层固体电介质的层号。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，先将步骤1)中制备的多层固体复合电介质材料试样两个表面分别紧密覆盖一层同心且直径相同的表面电极，电极直径不能小于空间电荷测试设备最小的电极直径；然后将多层固体复合电介质材料试样第1层介质的表面电极紧贴测试装置中安装有压电传感器的下电极放置，第n层的表面电极则与测试装置的上电极紧密接触；应用电声脉冲法，根据试样接地电极电荷的脉冲响应获得测量系统传递函数；忽略多层固体电介质介电常数、声速和厚度等材料参数不同，利用上述获得的测量系统传递函数，计算得到多层固体电介质复合材料试样内部空间电荷分布的未校正信号ρ₀(x)，式中x为试样内部距离第1层介质表面电极的距离。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，以刚加压时的界面电荷峰为界限，将步骤2)中测量得到的电荷分布信号ρ₀(x)进行不同层划分，得到不同层的空间电荷分布ρ_i(x)，式中i为第i层固体电介质的层号。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，对不同层的空间电荷分布信号ρ_i(x)进行分层校正，由于未校正电荷分布信号ρ₀(x)是以第1层电介质介电常数ε₁、声速v₁和试样厚度d为参数计算的，对于第i层中校正后的电荷密度ρ_i'(x)按如下公式进行分层校正：

式中，ε_i为第i层中固体电介质的介电常数，v_i为第i层中固体电介质的声波传递速度，d_i为第i层中固体电介质的厚度。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，对校正得到的电荷分布ρ_i'(x)按折射系数进行分层校正，其中第i层中校正后的真实电荷密度如下：

式中，K_i,i-1为声波从第i层传入第i-1层交界面时的折射系数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)有效地消除了多层固体电介质中界面电荷反射对空间电荷测量造成的干扰。

以三层固体电介质为例，制备图1所示的多层固体复合电介质材料试样，试样结构应同时满足如下要求：

两个表面分别溅射同心且直径相同的金电极，溅射电极直径不能小于测试设备最小的电极直径，本实施例中直径为16mm；然后将多层固体复合电介质材料试样的第1层表面电极紧贴测试装置中安装有压电传感器的接地电极，第3层表面电极与测试装置高压电极紧密接触；应用电声脉冲法测量多层固体电介质中的空间电荷分布。为了对比本发明的效果，选取对称结构的三层固体电介质材料的空间电荷测量结果作为对比。

(2)综合考虑多层介质的介电常数、声波传递速度的不同和不同界面处的声波折射效应，对多层介质空点电荷测量结果的进行分层校正。为了避免空间电荷注入与积聚的影响，选取刚加压时的空间电荷测量数据为分段依据，测量结果如附图5所示。按照图5中的空间电荷峰位置，将测量结果分为三段，分别按照本发明方法，对1-2界面和2-3界面部分、2-3界面和(+)电极部分的测量结果进行校正，经过校正后的测量结果如附图6所示。对比附图5和附图6可以看出，经过分段校正后的空间电荷分布明显补偿了靠近上电极部分的空间电荷分布。

附图说明：

图1为多层固体复合电介质材料空间电荷测量方法的流程示意图。

图2为本发明中制备的非对称结构多层固体电介质复合材料试样结构示意图。

图3为制备的非对称结构三层环氧/纸复合材料试样断面扫描电镜(SEM)图像。

图4为对称结构多层固体复合电介质材料空间电荷分布测量结果。

图5为校正前的非对称结构多层固体复合电介质材料空间电荷分布测量结果。

图6为校正后的非对称结构多层固体复合电介质材料空间电荷分布测量结果。

图7为校正后的非对称结构多层固体复合电介质材料空间电荷分布测量结果云图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

按照图1所示的多层固体复合电介质材料空间电荷测量方法的流程示意图，首先制备非对称结构多层固体电介质复合材料试样，以制备3层固体电介质复合材料试样为实施例。如图2非对称结构多层固体电介质复合材料试样结构示意图所示，设3层复合材料的厚度分别为d₁、d₂和d₃，声波在其中的传播速度分别为v₁、v₂和v₃，为了消除多层固体复合电介质材料界面电荷声波反射造成的干扰，制备的非对称结构应同时满足如下要求：

按照上述方法制备的非对称结构3层固体电介质复合材料试样的扫面电镜(SEM)图像如图3所示。然后将所制备的3层固体复合电介质材料两个表面分别溅射同心且直径相同的金电极，溅射电极直径不能小于测试设备最小的电极直径，本实施例中直径为16mm；然后将多层固体复合电介质材料试样的第1层表面电极紧贴测试装置中安装有压电传感器的接地电极，第3层表面电极与测试装置高压电极紧密接触；应用电声脉冲法测量多层固体电介质中的空间电荷分布，获得多层固体电介质内部电荷分布的原始测试信号ρ₀(x)，其中x为试样内部距离第1层介质表面溅射电极的距离。图4和图5分别为对称结构和非对称结构3层固体复合电介质材料空间电荷分布测量结果。对比两种结构的测量结果，可以看出通过设计复合材料试样的分对称结构可以消除图4中界面1-2和界面2-3产生的声波反射干扰。具体来说，附图4为对称结构的三层固体电介质的空间电荷分布，由于没有采用任何措施，在测量结果中出现了反射声波干扰；而图5是按照本发明方法进行试样制备、试样测试安装后的测试结构，可以看出，本发明可以有效的消除反射声波干扰。

以刚加压时的界面电荷峰为界限，对电声脉冲法测量得到的电荷分布信号ρ₀(x)进行不同层划分，得到不同层的空间电荷分布ρ_i(x)。由于未校正电荷分布信号ρ_i(x)是以第1层电介质介电常数ε₁、声速v₁和试样厚度d为参数计算的，对于第2层和第3层电荷密度按如下公式进行分层校正：

式中ε₁、ε₂和ε₃分别为第1、2和3层中固体电介质的介电常数，v₁、v₂和v₃分别为第1、2和3层中固体电介质的声波传递速度，d、d₂和d₃分别为试样、第2和3层中固体电介质的厚度。

对校正得到的电荷分布ρ₂'(x)和ρ₃'(x)按折射系数再进行分层校正，校正后的真实电荷密度如下：

式中K_2,1为声波从第2层传入第1层交界面时的折射系数，K_3,2为声波从第3层传入第2层交界面时的折射系数。

经过上述校正后，非对称结构3层固体电介质复合材料试样内部空间电荷分布如图6所示，图7为校正后的非对称结构多层固体复合电介质材料空间电荷分布测量结果云图。