基于克尔效应的冲击电压下液体电介质电场和空间电荷测量

摘要

绝缘材料的电击穿特性是影响电气设备及行业发展的重要因素，电介质的绝缘性能极大地受到其内部电场的影响，而空间电荷在改变绝缘电介质内部电场分布中起着重要的作用。随着新型材料技术和空间电荷注入原理的研究，新型液体电介质的空间电荷产生机理及其对击穿过程的影响机理受到了广泛的重视。因此，搭建一套空间电荷测量系统，掌握新型的液体电介质空间电荷的测量技术，研究测量绝缘材料中的电场及空间电荷发展趋势，有着重要的理论意义和工程应用价值。
　　 在阅读分析大量文献的基础上，针对现有的空间电荷测量系统中干扰影响大、数据采集速率慢，无法实现动态测量等不足，论文基于克尔电光效应基本原理，搭建了新型空间电荷高速测量系统。结合现有成熟的光电探测系统，对新型系统进行电场测量校验及论文所用克尔液体碳酸丙烯酯的克尔常数测定，测定结果表明：液体碳酸丙烯酯的克尔常数B=1.22×10-12m/V2。根据琼斯矩阵的基本原理与性质，对不同波片数目及光轴角度组合下的空间电荷测量系统建立琼斯传输矩阵，得到各种组合下光强比同相位差的关系式，发现添加两个波片的测量系统，可以消除电光场图中的等倾线，对系统光路进行优化。并结合图像处理技术，确定最大干涉条纹数目等方法，为电光场图中电场及空间电荷的反算提供扎实的理论基础。
　　 论文通过新型空间电荷测量系统，对不同电极材料及不同电压极性下的平行板电极间的电光场图进行测量研究。结果表明：在不同的平行板电极材料组合下，对液体电介质中注入的空间电荷极性不同。铝电极注入正电荷，而不锈钢电极注入负电荷，但少数复合电极组合下不锈钢电极也会注入正电荷，黄铜电极为双极注入。在同一电极材料的平行板电极下，变换脉冲电压正负极性，液体电介质中注入的空间电荷极性同样会出现不同。同时，首次应用空间电荷测量系统对添加纳米材料的绝缘电介质中平行板极间电场进行无损测量，结果表明：添加纳米后的试品极间畸变小，有效提高了负极性电压下碳酸丙烯酯的击穿电压值。