本發(fā)明涉及高電壓外絕緣領(lǐng)域，特別是涉及非線性絕緣電介質(zhì)交流介電特性的測量方法。

背景技術(shù)：

非線性絕緣電介質(zhì)系指其介電參數(shù)隨電場變化而變化的絕緣材料。場致增強型非線性絕緣電介質(zhì)在不均勻電場中具有自行調(diào)控電場分布、避免電場集中的功能，為此被稱為智能絕緣材料。這類材料的制備可通過在絕緣聚合物中添加納米或微米無機半導(dǎo)體填料來實現(xiàn)。

目前大部分絕緣介質(zhì)測試技術(shù)都是針對線性介質(zhì)的，例如交流高壓電橋、阻抗分析儀和介電譜儀等。高壓交流電橋的平衡條件與頻率有關(guān)而非線性絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下響應(yīng)電流含有高次諧波，因此電橋無法真正平衡，而由平衡條件計算得到的參數(shù)誤差較大。而阻抗分析儀和介電譜儀的硬件電路中大都采用鎖相放大器，所測得參數(shù)為等效參數(shù)；同時阻抗分析儀和介電譜儀不能提供足夠高的激勵電壓，非線性絕緣電介質(zhì)的非線性特征表現(xiàn)不明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種非線性絕緣電介質(zhì)介電特性測量方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種非線性絕緣電介質(zhì)交流介電特性的測量方法，包括以下步驟：

S1、對待測非線性絕緣電介質(zhì)施加交流電壓，檢測非線性絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下的響應(yīng)電流；

S2、在時域上將響應(yīng)電流分解為阻性電流和容性電流；

S3、在時域上將容性電流對時間進行積分得到電荷量的時域波形；

S4、由電荷量的時域波形計算得到電位移矢量的時域波形；

S5、確定加在非線性絕緣電介質(zhì)上的電場強度，并綜合電位移矢量的時域波形和電場強度的時域波形，得到電位移矢量和電場強度的關(guān)系特性曲線。

進一步地：

采用圓形平板電極對非線性絕緣電介質(zhì)施加交流電壓，步驟S4中，利用以下關(guān)系得到電位移矢量的時域波形：

其中D為電位移矢量，q為電荷量，r為圓形平板電極的半徑。

采用示波器作為電流電壓數(shù)據(jù)采集裝置，采樣頻率20Mhz。

測量系統(tǒng)的等效阻抗R＜0.5kΩ。

采用變壓器施加工頻正弦交流電壓，峰值在5kv左右。

所述變壓器為無局放工頻試驗變壓器。

步驟S3中，將電場強度為0的點作為積分起點。

采用圓形平板電極對非線性絕緣電介質(zhì)施加交流電壓，非線性絕緣電介質(zhì)作為電介質(zhì)夾在圓形平板電極間，采用三電極系統(tǒng)，電極裝置放入絕緣油中。

所述交流電壓為標準正弦波。

步驟S2中，測得的回路電流波形根據(jù)加減電流分解法進行分解，得到阻性電流和容性電流瞬時值波形。

步驟S5中，通過非線性絕緣電介質(zhì)上的電壓除以非線性絕緣電介質(zhì)的厚度來計算電場強度。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供了一種對具有非線性介電特性的電介質(zhì)測試其介電特性的方法，該方法可實現(xiàn)在電介質(zhì)在交流高壓作用下非線性介電特性的測量。例如在工頻交流環(huán)境中，對絕緣介質(zhì)的試樣進行直接測試，得到材料的非線性特性，可引入極高的電壓等級和直接法測試，干擾誤差小。在工頻交流高壓環(huán)境下對電介質(zhì)直接測量，電壓等級遠比常用的電介質(zhì)介電譜儀高。本發(fā)明提供的測量方法可滿足實驗室條件幾種納米材料改性的高溫硫化硅橡膠非線性介電特性的測量。

附圖說明

圖1為采用本發(fā)明的測量方法測量非線性絕緣電介質(zhì)交流介電特性的測量系統(tǒng)原理圖；

圖2為本發(fā)明的測量方法實施例中分解出的容性電流波形圖；

圖3為本發(fā)明的測量方法實施例測得的摻雜20％BST的硅橡膠的D-E特性曲線示例圖。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

參閱圖1至圖3，在一種實施例中，一種非線性絕緣電介質(zhì)交流介電特性的測量方法，包括以下步驟：

S1、對待測非線性絕緣電介質(zhì)施加交流電壓，檢測非線性絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下的響應(yīng)電流；

S2、在時域上將響應(yīng)電流分解為阻性電流和容性電流；

S3、在時域上將容性電流對時間進行積分得到電荷量的時域波形；

S4、由電荷量的時域波形計算得到電位移矢量的時域波形；

S5、確定加在非線性絕緣電介質(zhì)上的電場強度，并綜合電位移矢量的時域波形和電場強度的時域波形，得到電位移矢量和電場強度的關(guān)系特性曲線。

在優(yōu)選的實施例中，采用圓形平板電極對非線性絕緣電介質(zhì)施加交流電壓，步驟S4中，利用以下關(guān)系得到電位移矢量的時域波形：

其中D為電位移矢量，q為電荷量，r為圓形平板電極的半徑。

在優(yōu)選的實施例中，采用示波器作為電流電壓數(shù)據(jù)采集裝置，示波器的采樣頻率20Mhz。

在優(yōu)選的實施例中，測量時，各元器件及線路所構(gòu)成的測量系統(tǒng)的等效阻抗R＜0.5kΩ。

在優(yōu)選的實施例中，采用變壓器施加工頻正弦交流電壓，峰值在5kv左右。

更優(yōu)選地，該變壓器采用無局放工頻試驗變壓器。

在優(yōu)選的實施例中，步驟S3中，將電場強度為0的點作為積分起點。

在優(yōu)選的實施例中，采用圓形平板電極對非線性絕緣電介質(zhì)施加交流電壓，非線性絕緣電介質(zhì)作為電介質(zhì)夾在圓形平板電極間，采用三電極系統(tǒng)，電極裝置放入絕緣油中。

在優(yōu)選的實施例中，所述交流電壓為標準正弦波。

在更優(yōu)選的實施例中，步驟S2中，測得的回路電流波形根據(jù)加減電流分解法進行分解，得到阻性電流和容性電流瞬時值波形。

在優(yōu)選的實施例中，步驟S5中，通過非線性絕緣電介質(zhì)上的電壓除以非線性絕緣電介質(zhì)的厚度來計算電場強度。

以下結(jié)合附圖進一步描述本發(fā)明具體實施例的特征和測量原理。

本發(fā)明實施例提供對具有非線性介電特性的電介質(zhì)在交流環(huán)境下進行介電特性測試的方法，可實現(xiàn)在工頻交流高壓環(huán)境下對具有非線性介電特性的電介質(zhì)進行直接測量，包括以下方面：(1)根據(jù)設(shè)計的測量裝置，測得需要的電流電壓數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)點，通過后處理過程得到電介質(zhì)的D-E曲線，表征電介質(zhì)的非線性介電特性。其中，可采用示波器自采樣功能得到電壓數(shù)據(jù)，優(yōu)選采樣頻率20Mhz。然后通過數(shù)據(jù)處理的方式做出電位移矢量和電場強度的關(guān)系曲線，進而表征電介質(zhì)的非線性介電特性。優(yōu)選將電介質(zhì)試樣放置于平板電極之間，通過測量系統(tǒng)得到電介質(zhì)介電特性。優(yōu)選所配置的測量系統(tǒng)的等效阻抗為R，R＜0.5kΩ。優(yōu)選地，測量裝置采用無局放工頻試驗變壓器、具有采樣功能的示波器、高輸入阻抗的示波器高壓探頭、50M無感電阻R1(如圖1所示)、一組圓形平板電極。圖1中，交流電源AC表示變壓器，Rp、Cp代表電介質(zhì)的非線性電阻、非線性電容，R1代表50M無感電阻，CH1，CH2是示波器的兩個通道。

采用試驗變壓器作為高壓發(fā)生裝置，發(fā)生工頻正弦交流電壓，峰值在5kv左右。

采用示波器作為數(shù)據(jù)采集裝置，采樣速度20Mhz。試品是某非線性電介質(zhì)材料，作為電介質(zhì)夾在圓形平板電極間，采用三電極系統(tǒng)，電極裝置放入絕緣油中。

測量原理

為了獲得表征非線性絕緣電介質(zhì)的交流介電特性，需要獲得有關(guān)材料交流電導(dǎo)和極化的信息，而這些信息均包含在響應(yīng)電流中。非線性絕緣電介質(zhì)交流介電特性測試過程中，參照激勵電壓在時域上將響應(yīng)電流分解為阻性電流和容性電流。

當激勵電壓為標準正弦波，且頻率與采樣速率間嚴格滿足整周期同步采樣時，可采用加減運算分解法。由于在電壓波形上升枝和下降枝的電壓瞬時值相同位置處對應(yīng)阻性電流值相同，而容性電流數(shù)值相同但極性相反。因此，通過下列運算得到阻性電流和容性電流瞬時值。

式中I(i)、I(j)分別為上升枝和下降枝電壓相等位置處的響應(yīng)電流瞬時值，I_R(i)、I_R(j)分別為上升枝和下降枝電壓相等位置處的阻性電流瞬時值，I_C(i)、I_C(j)分別為上升枝和下降枝電壓相等位置處的容性電流瞬時值。

對于非線性電容器件(或非線性絕緣結(jié)構(gòu))，用電荷量與電壓特性，即Q-U特性曲線來描述其非線性特征。對材料要消除被測試品幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，則采用電位移矢量D(或極化強度P)與電場強度關(guān)系來描述。

為此，在時域上將容性電流Ic對時間進行積分得到電荷量的時域波形，此時積分條件為：t＝0時刻，電壓為0，電荷量為0。由電荷量的時域波形計算得到電位移矢量D的時域波形。綜合電場強度時域波形和電位移時域波形，就可以得到D-E特性曲線。

針對平板電極，電位移矢量與電荷量有這樣的關(guān)系：

其中r為平板電極的半徑。

數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測量得到的電壓數(shù)據(jù)，如圖1所示，電阻R1遠遠小于電介質(zhì)的電阻，可以忽略對電壓的影響。示波器的兩個輸入通道CH1、CH2對電壓進行測量，CH1測得的波形是回路總電壓，CH2測得的是電阻電壓波形，和回路電流同相位。計算可以得到回路電流波形，進而可以根據(jù)加減電流分解法進行分解。積分得到電位移矢量波形，再與電場強度對應(yīng)(電場強度可用試品上電壓除以試品厚度得到)，即能得到電位移矢量與電場強度對應(yīng)的波形。

示例：

將一份試品——摻雜20％質(zhì)量分數(shù)BST的硅橡膠，放入平板電極間根據(jù)上述方式，分解出的電容電流波形如圖2，其中將電場強度為0的點作為積分起點，將電流積分可以得到電位移的數(shù)據(jù)，再將一個周期內(nèi)電位移的數(shù)據(jù)與此時的電場強度對應(yīng)可得D-E圖。如圖3所示，表示出摻雜20％BST的硅橡膠D-E特性曲線?？梢詮那€明顯隨電場強度增大斜率增加發(fā)現(xiàn)，電介質(zhì)在電場強度增大時表現(xiàn)出了介電非線性。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。