基于时域介电谱和PEA测量的非线性绝缘介质介电特性表征

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuzhao256
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场致增强型非线性绝缘电介质因具有自适应均化电场功能而备受关注。探明非线性绝缘介质的介电特性并建立相关理论,有助于电介质理论的完善与应用技术的发展。采用何种表征体系与测试技术是研究电介质介电响应特性的前提与基础。本文以时域介电谱和空间电荷测试为实验手段,以碳化硅/低密度聚乙烯(Si C/LDPE)非线性复合材料为测试对象,针对非线性绝缘介质介电特性的表征体系与测试技术开展探索性研究。首先,采用极化电流时域谱测试技术,在温度范围20℃~50℃研究了Si C掺杂浓度为3 phr的Si C/LDPE复合介质的非线性介电响应特性,获得了不同温度下复合介质电导率和松弛极化率与电场之间的非线性关系。研究结果表明:在电场低于阈值场强时,复合介质表现出“场致削弱”型电导特性;在电场高于阈值场强时,复合介质表现出“场致增强”型电导特性;强电场下j-E曲线非线性系数随温度升高逐渐减小;复合材料的直流传导与极化过程都属于热激活化过程,且跳跃势垒或热激活化能与电场强度有关。为了从理论上表述稳态极化强度和暂态极化电流与电场的非线性关系,借鉴非对称双势阱模型和Dissado-Hill线性介电响应理论,建立了非线性极化稳态和暂态的唯象物理模型并获得相应的数学表达式,理论预测结果与实验结果趋势吻合。绝缘介质在较高电场下可能形成空间电荷,实验研究证实形成空间电荷后短路退极化过程反向吸收电流时域谱无法表征介质介电行为。绝缘介质体内空间电荷行为是一种典型的慢极化,会改变介质局部电场环境而影响整体介电响应特性,进而导致以单纯的电流、电位时域谱表征介电特性的失效。为了研究空间电荷行为参与下的绝缘介质介电特性与表征,实现电流、电位时域谱与空间电荷时空谱同步联合测量十分必要。受目前电流与空间电荷联合测试技术启发,提出了基于“物理孪生试样”的电流、电位时域谱与空间电荷时空谱同步联合测试技术,并设计了相应的测试系统。针对空间电荷恢复结果中电极附近电荷与电场分布偏离物理实际的情况,提出了二次修正方法,为后续相关计算提供合理的实验数据基础。为了利用同步联合测量结果获得介质的介电响应信息,首先建立了描述非线性绝缘介质介电响应特性的集总等效电路模型。利用集总等效电路模型实现了空间电荷等效电流与松弛极化电流的分解。电流分解结果表明:空间电荷等效电流与松弛极化电流不完全服从居里公式;由于集总等效电路模型忽视了介质内的真实电场分布信息,使得退极化过程的电流分解结果存在偏离物理事实的情况。为了克服集总等效电路模型的不足,提出了充分利用空间电荷时空信息的分布式等效电路模型,该模型考虑了空间电荷在介质中不同位置处引起的电场畸变带来的影响,所描述的介电响应过程更符合物理实际。分布式等效电路模型的提出,使研究绝缘介质的着眼点由整体外在表象深入到介质内部时空演变细节。以分布式等效电路模型为基础,建立了绝缘介质不同空间单元所满足的电路方程。基于分段线性化思想,提出了获取介质介电参数时空分布以及极化强度时空演变特性的数值计算方法。综合上述同步联合测试技术、分布式等效电路模型和相应的数据分析方法,获得了表征Si C/LDPE复合介质在不同幅值恒定电场下极化、极化后短路退极化和开路退极化三种历程下的电导、极化和空间电荷行为的时空演变特性,以及介质内部能量储存和耗散的时空分布,从全视角诠释了绝缘介质不同状态下介质内部电荷输运过程的细节信息,有助于对非线性绝缘介电特性的深入理解;同时,实现了空间电荷测量结果中陷阱电荷与极化强度梯度的分解,为后续深入研究空间电荷特性与机理提供全新的手段。对联合测量结果的分析表明:Si C/LDPE复合介质的高频极化率与所处介质中的空间位置和外加电场基本无关;在极化和退极化过程中,因空间电荷慢极化引起的介质局部微观环境的改变,不仅影响不同位置处的极化特性与电导特性,还影响介质中的能量分布和转移特性,具体体现为:在极化过程中,介质不同位置处的极化强度时域谱存在非单调变化的情况;不同位置处的电导率与电场的关系在函数形式上相同,但具体参数不同;介质中的能量分布和耗散呈现非均匀分布。对比分解得到的陷阱电荷与空间电荷测量结果,发现二者在趋势上存在较大区别,以电荷分解得到的陷阱电荷分布为基础,有望获得更加真实、准确的绝缘介质的陷阱特性与电荷输运特性,进一步完善电介质理论。
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