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反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置和方法，包括內(nèi)設(shè)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的真空箱，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從下至上依次設(shè)置有下電極、屏蔽層、待測(cè)試樣和上電極，上電極通過(guò)開(kāi)關(guān)與直流充電模塊連接，上電極和下電極之間還連接反向偏壓下短路電流測(cè)量系統(tǒng)，反向偏壓下短路電流測(cè)量系統(tǒng)包括由選擇開(kāi)關(guān)控制的擇一導(dǎo)通的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路，脫陷電流測(cè)量電路包括串聯(lián)的脫陷反向偏置電壓源和微電流計(jì)，微電流計(jì)的信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制連接選擇開(kāi)關(guān)。本發(fā)明能夠通過(guò)等溫電流衰減理論計(jì)算得出試樣不同能級(jí)分布的陷阱密度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確。
【專(zhuān)利說(shuō)明】反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電介質(zhì)材料陷阱特性測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于等溫電流衰減理論的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]聚合物絕緣材料具有諸如直流電阻高、介質(zhì)損耗低等良好的介電性能，良好的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的機(jī)械加工性能，因而在電氣絕緣領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高以及直流輸電技術(shù)的發(fā)展，聚合物絕緣的空間電荷效應(yīng)問(wèn)題日漸突出，由此導(dǎo)致聚合物材料內(nèi)部電場(chǎng)畸變，引發(fā)局部放電及電樹(shù)枝發(fā)展，從而造成聚合物材料老化問(wèn)題，如何抑制和消除聚合物絕緣中的空間電荷已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外電氣絕緣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]目前關(guān)于聚合物老化機(jī)理的研究很多，其中比較有代表性的是加拿大的高觀志(Kwan-Chi Kao)和國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)的屠德民等人提出的熱電子引發(fā)聚合物降解理論。在高電場(chǎng)作用下，電子/空穴通過(guò)肖特基效應(yīng)(Schottky effect)或福勒-諾德海姆效應(yīng)(Fowler-Nordheim effect)從電極注入到聚合物中，由于材料禁帶能隙內(nèi)存在大量的陷講態(tài)，電子/空穴的平均自由路徑短，因此很快被陷阱俘獲而形成空間電荷。在空間電荷的入陷/復(fù)合過(guò)程中，當(dāng)電荷由高能態(tài)遷移到低能態(tài)時(shí)，多余的能量通過(guò)非輻射形式轉(zhuǎn)移給另一個(gè)電子，使后者變成熱電子。具有足夠能量的熱電子將導(dǎo)致分子降解而形成大量的大分子自由基，將進(jìn)一步引發(fā)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致聚合物的進(jìn)一步降解。熱電子的產(chǎn)生和熱電子的能量決定于陷阱的密度和深度，改變聚合物的陷阱深度或密度，就能改變熱電子的形成幾率和能量。因此空間電荷的注入、遷移、入陷/脫陷、復(fù)合等過(guò)程與材料內(nèi)部陷阱特性密切相關(guān)，因此測(cè)量和分析材料的陷阱特性如能級(jí)、密度等，對(duì)于材料的空間電荷形成和抑制機(jī)理以及聚合物材料的老化狀態(tài)表征和評(píng)估具有十分重要的意義。
[0004]基于上述分析，陷阱特性十分顯著地影響固體電介質(zhì)材料的介電和放電特性，并可能成為一種更為本征的固體電介質(zhì)材料性能表征參數(shù)，因此測(cè)量和分析固體絕緣材料的陷阱參數(shù)具有十分重要的意義。
[0005]加拿大的西蒙斯(J.G.Simmons)等人在上世紀(jì)70年代提出，可以通過(guò)受激勵(lì)材料在等溫條件下的電流衰減特性得到其任意能量水平的陷阱參數(shù)。此理論基于絕緣材料受激勵(lì)后被陷阱俘獲的載流子在恒溫條件下的熱脫陷過(guò)程，認(rèn)為介質(zhì)中處于淺陷阱的陷阱載流子先釋放，而處于深陷阱的后釋放；在恒溫下熱釋放電流隨時(shí)間而變化，這個(gè)電流反映了陷阱能級(jí)的分布規(guī)律。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要任何陷阱分布先驗(yàn)假設(shè)，測(cè)量的等溫衰減電流隨時(shí)間的變化關(guān)系能直接反映材料的陷阱分布。
[0006]為了能利用上述理論分析，首先要求實(shí)驗(yàn)?zāi)軉为?dú)獲得電子電流或空穴電流。在進(jìn)行偏壓下測(cè)量短路電流衰減時(shí)，對(duì)帶電介質(zhì)試樣所施加的偏壓極性就不能是任意的了。當(dāng)向開(kāi)路端施加同向偏壓時(shí)，正負(fù)電荷將向體內(nèi)遷移，載流子經(jīng)體內(nèi)輸運(yùn)要發(fā)生耗散，這是不希望出現(xiàn)的。反之，如果對(duì)開(kāi)路端施加異向偏壓，正負(fù)電荷將分別向鄰近電極移動(dòng)，從而移出介質(zhì)，這樣電荷分布狀態(tài)不會(huì)被破壞，向鄰近電極的短距離輸運(yùn)可忽略耗散，而足夠高的偏置電場(chǎng)也使忽略脫陷載流子的再陷阱化比較接近實(shí)際情況。因此，施加異向偏壓是使理論分析能付諸實(shí)際應(yīng)用的唯一選擇。外施偏置電場(chǎng)大小的選擇既要保證足夠高以忽略再陷阱化，又要避免偏壓太高引起電極注入影響實(shí)驗(yàn)分析。因此一般選為不大于107v/m。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置和方法，既適用于無(wú)機(jī)絕緣材料，如氧化鋁、可加工陶瓷等絕緣材料陷阱的測(cè)試，同時(shí)也適用于聚合物絕緣材料陷阱的測(cè)試，能夠通過(guò)等溫電流衰減理論計(jì)算得出試樣不同能級(jí)分布的陷阱密度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確。
[0008]本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0009]一種反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置，包括設(shè)置有箱門(mén)的真空箱，真空箱內(nèi)設(shè)置有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從下至上依次設(shè)置有下電極、屏蔽層、待測(cè)試樣和上電極，上電極通過(guò)開(kāi)關(guān)與直流充電模塊連接，上電極和下電極之間還連接反向偏壓下短路電流測(cè)量系統(tǒng)，所述的反向偏壓下短路電流測(cè)量系統(tǒng)包括由選擇開(kāi)關(guān)控制的擇一導(dǎo)通的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路，脫陷電流測(cè)量電路包括串聯(lián)的脫陷反向偏置電壓源和微電流計(jì)，微電流計(jì)的信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制連接選擇開(kāi)關(guān)。
[0010]所述的選擇開(kāi)關(guān)采用磁耦合直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，磁耦合直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)端與上電極通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路的第一端分別連接與磁耦合直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)端相配合的兩個(gè)靜觸點(diǎn)，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路的第二端均連接下電極。
[0011]所述的真空箱為真空恒溫箱，真空箱內(nèi)下電極下方設(shè)置有金屬加熱盒，金屬加熱盒內(nèi)設(shè)置有熱電偶。
[0012]所述的真空恒溫箱內(nèi)還設(shè)置有石英紅外加熱管和干燥劑。
[0013]所述的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路中采用的線(xiàn)纜均為同軸屏蔽電纜。
[0014]一種利用權(quán)利要求1所述的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，包括以下步驟:
[0015]A:打開(kāi)真空恒溫箱箱門(mén)，將待測(cè)試樣放置在上電極和屏蔽層之間，保證待測(cè)試樣與上電極的接觸面潔凈，然后關(guān)閉真空恒溫箱門(mén)；
[0016]B:利用加熱盒對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行預(yù)熱，然后利用直流充電模塊對(duì)上電極施加直流充電電壓,對(duì)待測(cè)試樣注入電荷；注入電荷完畢后,停止對(duì)上電極施加直流充電電壓；
[0017]C:利用計(jì)算機(jī)控制選擇開(kāi)關(guān)，將短路泄放自由電荷電路導(dǎo)通，通過(guò)短路泄放自由電荷電路去除待測(cè)試樣表面的自由電荷；
[0018]D:利用計(jì)算機(jī)控制選擇開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)短路泄放自由電荷電路，將脫陷電流測(cè)量電路導(dǎo)通，使待測(cè)試樣、微電流計(jì)和脫陷反向偏置電壓源形成導(dǎo)通的串聯(lián)電路，利用微電流計(jì)測(cè)量等溫短路電流衰減并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行采樣和記錄，然后利用測(cè)得的等溫短路電流衰減，通過(guò)等溫電流衰減理論計(jì)算得出試樣不同能級(jí)分布的陷阱密度，計(jì)算方法為:假設(shè)熱釋放的載流子不再陷阱化，陷阱能級(jí)Et以及等溫電流密度J與陷阱密度Nt的關(guān)系為:

【權(quán)利要求】
1.一種反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置，其特征在于:包括設(shè)置有箱門(mén)的真空箱，真空箱內(nèi)設(shè)置有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從下至上依次設(shè)置有下電極、屏蔽層、待測(cè)試樣和上電極，上電極通過(guò)開(kāi)關(guān)與直流充電模塊連接，上電極和下電極之間還連接反向偏壓下短路電流測(cè)量系統(tǒng)，所述的反向偏壓下短路電流測(cè)量系統(tǒng)包括由選擇開(kāi)關(guān)控制的擇一導(dǎo)通的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路，脫陷電流測(cè)量電路包括串聯(lián)的脫陷反向偏置電壓源和微電流計(jì)，微電流計(jì)的信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制連接選擇開(kāi)關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置，其特征在于:所述的選擇開(kāi)關(guān)采用磁耦合直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，磁耦合直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)端與上電極通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路的第一端分別連接與磁耦合直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)端相配合的兩個(gè)靜觸點(diǎn)，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路的第二端均連接下電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置，其特征在于:所述的真空箱為真空恒溫箱，真空箱內(nèi)下電極下方設(shè)置有金屬加熱盒，金屬加熱盒內(nèi)設(shè)置有熱電偶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置，其特征在于:所述的真空恒溫箱內(nèi)還設(shè)置有石英紅外加熱管和干燥劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)的裝置，其特征在于:所述的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測(cè)量電路中采用的線(xiàn)纜均為同軸屏蔽電纜。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，其特征在于，包括以下步驟: A:打開(kāi)真空恒溫箱箱門(mén)，將待測(cè)試樣放置在上電極和屏蔽層之間，保證待測(cè)試樣與上電極的接觸面潔凈，然后關(guān)閉真空恒溫箱門(mén)； B:利用加熱盒對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行預(yù)熱，然后利用直流充電模塊對(duì)上電極施加直流充電電壓，對(duì)待測(cè)試樣注入電荷；注入電荷完畢后，停止對(duì)上電極施加直流充電電壓； C:利用計(jì)算機(jī)控制選擇開(kāi)關(guān)，將短路泄放自由電荷電路導(dǎo)通，通過(guò)短路泄放自由電荷電路去除待測(cè)試樣表面的自由電荷； D:利用計(jì)算機(jī)控制選擇開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)短路泄放自由電荷電路，將脫陷電流測(cè)量電路導(dǎo)通，使待測(cè)試樣、微電流計(jì)和脫陷反向偏置電壓源形成導(dǎo)通的串聯(lián)電路，利用微電流計(jì)測(cè)量等溫短路電流衰減并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行采樣和記錄，然后利用測(cè)得的等溫短路電流衰減，通過(guò)等溫電流衰減理論計(jì)算得出試樣不同能級(jí)分布的陷阱密度，計(jì)算方法為:假設(shè)熱釋放的載流子不再陷阱化，陷阱能級(jí)Et以及等溫電流密度J與陷阱密度Nt的關(guān)系為:
其中Et為陷阱能級(jí)，k為Boltzmann常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，Y為電子振動(dòng)頻率，t為時(shí)間為等溫電流密度，q為電子電量，d為試樣的厚度，f0(E)為陷阱初始占有率，Nt(Et)為陷阱能量分布函數(shù)；電子陷阱的能量以導(dǎo)帶底為零點(diǎn)計(jì)算，空穴陷阱的能量以?xún)r(jià)帶頂為零點(diǎn)計(jì)算。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，其特征在于:所述的步驟B中，利用加熱盒對(duì)待測(cè)試樣在50°C _60°C的溫度下預(yù)熱 20min-30min。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用反向偏壓下測(cè)量短路電流衰減計(jì)算陷阱參數(shù)裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，其特征在于:所述的步驟B中，在對(duì)待測(cè)試樣注入電荷時(shí)，注入場(chǎng)強(qiáng)為40kV/mm,注入時(shí)間30min,注入溫度50°C。
【文檔編號(hào)】G01N27/60GK104198570SQ201410458113
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】張偉政, 李智敏, 穆海寶, 季國(guó)劍, 趙林, 李元, 申文偉, 張冠軍 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司, 西安交通大學(xué)