非线性绝缘电介质交流介电特性的测量方法与流程

本发明涉及高电压外绝缘领域，特别是涉及非线性绝缘电介质交流介电特性的测量方法。

背景技术：

非线性绝缘电介质系指其介电参数随电场变化而变化的绝缘材料。场致增强型非线性绝缘电介质在不均匀电场中具有自行调控电场分布、避免电场集中的功能，为此被称为智能绝缘材料。这类材料的制备可通过在绝缘聚合物中添加纳米或微米无机半导体填料来实现。

目前大部分绝缘介质测试技术都是针对线性介质的，例如交流高压电桥、阻抗分析仪和介电谱仪等。高压交流电桥的平衡条件与频率有关而非线性绝缘介质在交流电压作用下响应电流含有高次谐波，因此电桥无法真正平衡，而由平衡条件计算得到的参数误差较大。而阻抗分析仪和介电谱仪的硬件电路中大都采用锁相放大器，所测得参数为等效参数；同时阻抗分析仪和介电谱仪不能提供足够高的激励电压，非线性绝缘电介质的非线性特征表现不明显。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种非线性绝缘电介质介电特性测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种非线性绝缘电介质交流介电特性的测量方法，包括以下步骤：

S1、对待测非线性绝缘电介质施加交流电压，检测非线性绝缘介质在交流电压作用下的响应电流；

S2、在时域上将响应电流分解为阻性电流和容性电流；

S3、在时域上将容性电流对时间进行积分得到电荷量的时域波形；

S4、由电荷量的时域波形计算得到电位移矢量的时域波形；

S5、确定加在非线性绝缘电介质上的电场强度，并综合电位移矢量的时域波形和电场强度的时域波形，得到电位移矢量和电场强度的关系特性曲线。

进一步地：

采用圆形平板电极对非线性绝缘电介质施加交流电压，步骤S4中，利用以下关系得到电位移矢量的时域波形：

其中D为电位移矢量，q为电荷量，r为圆形平板电极的半径。

采用示波器作为电流电压数据采集装置，采样频率20Mhz。

测量系统的等效阻抗R＜0.5kΩ。

采用变压器施加工频正弦交流电压，峰值在5kv左右。

所述变压器为无局放工频试验变压器。

步骤S3中，将电场强度为0的点作为积分起点。

采用圆形平板电极对非线性绝缘电介质施加交流电压，非线性绝缘电介质作为电介质夹在圆形平板电极间，采用三电极系统，电极装置放入绝缘油中。

所述交流电压为标准正弦波。

步骤S2中，测得的回路电流波形根据加减电流分解法进行分解，得到阻性电流和容性电流瞬时值波形。

步骤S5中，通过非线性绝缘电介质上的电压除以非线性绝缘电介质的厚度来计算电场强度。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种对具有非线性介电特性的电介质测试其介电特性的方法，该方法可实现在电介质在交流高压作用下非线性介电特性的测量。例如在工频交流环境中，对绝缘介质的试样进行直接测试，得到材料的非线性特性，可引入极高的电压等级和直接法测试，干扰误差小。在工频交流高压环境下对电介质直接测量，电压等级远比常用的电介质介电谱仪高。本发明提供的测量方法可满足实验室条件几种纳米材料改性的高温硫化硅橡胶非线性介电特性的测量。

附图说明

图1为采用本发明的测量方法测量非线性绝缘电介质交流介电特性的测量系统原理图；

图2为本发明的测量方法实施例中分解出的容性电流波形图；

图3为本发明的测量方法实施例测得的掺杂20％BST的硅橡胶的D-E特性曲线示例图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图3，在一种实施例中，一种非线性绝缘电介质交流介电特性的测量方法，包括以下步骤：

S1、对待测非线性绝缘电介质施加交流电压，检测非线性绝缘介质在交流电压作用下的响应电流；

S2、在时域上将响应电流分解为阻性电流和容性电流；

S3、在时域上将容性电流对时间进行积分得到电荷量的时域波形；

S4、由电荷量的时域波形计算得到电位移矢量的时域波形；

S5、确定加在非线性绝缘电介质上的电场强度，并综合电位移矢量的时域波形和电场强度的时域波形，得到电位移矢量和电场强度的关系特性曲线。

在优选的实施例中，采用圆形平板电极对非线性绝缘电介质施加交流电压，步骤S4中，利用以下关系得到电位移矢量的时域波形：

其中D为电位移矢量，q为电荷量，r为圆形平板电极的半径。

在优选的实施例中，采用示波器作为电流电压数据采集装置，示波器的采样频率20Mhz。

在优选的实施例中，测量时，各元器件及线路所构成的测量系统的等效阻抗R＜0.5kΩ。

在优选的实施例中，采用变压器施加工频正弦交流电压，峰值在5kv左右。

更优选地，该变压器采用无局放工频试验变压器。

在优选的实施例中，步骤S3中，将电场强度为0的点作为积分起点。

在优选的实施例中，采用圆形平板电极对非线性绝缘电介质施加交流电压，非线性绝缘电介质作为电介质夹在圆形平板电极间，采用三电极系统，电极装置放入绝缘油中。

在优选的实施例中，所述交流电压为标准正弦波。

在更优选的实施例中，步骤S2中，测得的回路电流波形根据加减电流分解法进行分解，得到阻性电流和容性电流瞬时值波形。

在优选的实施例中，步骤S5中，通过非线性绝缘电介质上的电压除以非线性绝缘电介质的厚度来计算电场强度。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和测量原理。

本发明实施例提供对具有非线性介电特性的电介质在交流环境下进行介电特性测试的方法，可实现在工频交流高压环境下对具有非线性介电特性的电介质进行直接测量，包括以下方面：(1)根据设计的测量装置，测得需要的电流电压数据；(2)根据采样得到的数据点，通过后处理过程得到电介质的D-E曲线，表征电介质的非线性介电特性。其中，可采用示波器自采样功能得到电压数据，优选采样频率20Mhz。然后通过数据处理的方式做出电位移矢量和电场强度的关系曲线，进而表征电介质的非线性介电特性。优选将电介质试样放置于平板电极之间，通过测量系统得到电介质介电特性。优选所配置的测量系统的等效阻抗为R，R＜0.5kΩ。优选地，测量装置采用无局放工频试验变压器、具有采样功能的示波器、高输入阻抗的示波器高压探头、50M无感电阻R1(如图1所示)、一组圆形平板电极。图1中，交流电源AC表示变压器，Rp、Cp代表电介质的非线性电阻、非线性电容，R1代表50M无感电阻，CH1，CH2是示波器的两个通道。

采用试验变压器作为高压发生装置，发生工频正弦交流电压，峰值在5kv左右。

采用示波器作为数据采集装置，采样速度20Mhz。试品是某非线性电介质材料，作为电介质夹在圆形平板电极间，采用三电极系统，电极装置放入绝缘油中。

测量原理

为了获得表征非线性绝缘电介质的交流介电特性，需要获得有关材料交流电导和极化的信息，而这些信息均包含在响应电流中。非线性绝缘电介质交流介电特性测试过程中，参照激励电压在时域上将响应电流分解为阻性电流和容性电流。

当激励电压为标准正弦波，且频率与采样速率间严格满足整周期同步采样时，可采用加减运算分解法。由于在电压波形上升枝和下降枝的电压瞬时值相同位置处对应阻性电流值相同，而容性电流数值相同但极性相反。因此，通过下列运算得到阻性电流和容性电流瞬时值。

式中I(i)、I(j)分别为上升枝和下降枝电压相等位置处的响应电流瞬时值，I_R(i)、I_R(j)分别为上升枝和下降枝电压相等位置处的阻性电流瞬时值，I_C(i)、I_C(j)分别为上升枝和下降枝电压相等位置处的容性电流瞬时值。

对于非线性电容器件(或非线性绝缘结构)，用电荷量与电压特性，即Q-U特性曲线来描述其非线性特征。对材料要消除被测试品几何结构参数的影响，则采用电位移矢量D(或极化强度P)与电场强度关系来描述。

为此，在时域上将容性电流Ic对时间进行积分得到电荷量的时域波形，此时积分条件为：t＝0时刻，电压为0，电荷量为0。由电荷量的时域波形计算得到电位移矢量D的时域波形。综合电场强度时域波形和电位移时域波形，就可以得到D-E特性曲线。

针对平板电极，电位移矢量与电荷量有这样的关系：

其中r为平板电极的半径。

数据处理

根据测量得到的电压数据，如图1所示，电阻R1远远小于电介质的电阻，可以忽略对电压的影响。示波器的两个输入通道CH1、CH2对电压进行测量，CH1测得的波形是回路总电压，CH2测得的是电阻电压波形，和回路电流同相位。计算可以得到回路电流波形，进而可以根据加减电流分解法进行分解。积分得到电位移矢量波形，再与电场强度对应(电场强度可用试品上电压除以试品厚度得到)，即能得到电位移矢量与电场强度对应的波形。

示例：

将一份试品——掺杂20％质量分数BST的硅橡胶，放入平板电极间根据上述方式，分解出的电容电流波形如图2，其中将电场强度为0的点作为积分起点，将电流积分可以得到电位移的数据，再将一个周期内电位移的数据与此时的电场强度对应可得D-E图。如图3所示，表示出掺杂20％BST的硅橡胶D-E特性曲线。可以从曲线明显随电场强度增大斜率增加发现，电介质在电场强度增大时表现出了介电非线性。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。