一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统，将一多针电极置放在保温箱内，使多针电极位于待测聚合物绝缘试样上方，通过导电硅脂将待测聚合物绝缘试样粘在保温箱内的接地的金属圆盘电极上，采用高压直流电源施加在多针电极上，多针电极产生电晕放电对待测聚合物绝缘试样进行充电，充电一定时间后，撤掉外施电压并移走多针电极后，将另一接地的金属圆盘电极放在聚合物绝缘试样上对其进行短路放电，以去除表面自由电荷，通过一个绝缘旋转支架将电容式静电探头移至聚合物绝缘试样表面充电区域，测量聚合物绝缘试样的表面电位，通过信号调理电路和数据采集电路输入计算机，通过计算可得出绝缘材料的陷阱能级和陷阱密度分布参数。

说明书

技术领域

本发明属于固体绝缘材料介电性能与测试领域，涉及一种绝缘材料介电特性的测试系统与方法，具体涉及一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统。

背景技术

聚合物绝缘材料具有很高的直流电阻以及很低的介质损耗，由于其良好的电气、机械和化学性能，常常被认为是性能最好、最经济的绝缘和储能材料，在电气绝缘领域有着广泛的应用。然而在使用过程中，聚合物材料的电老化现象困扰着电气工程人员，聚合物绝缘材料表现出的短时耐电强度很高，但长期耐电性能却较差，这已成为制约其进一步应用和发展的一个重要因素。传统观点认为，聚合物的电老化起始于其内部电气性能薄弱区域的局部放电，并由此逐步发展成为电树枝，直到材料击穿。Kao和Tu等人认为，在高电场作用下，电子和/或空穴通过Schottky或Fowler-Nordheim效应从电极注入到聚合物中，在电子/空穴的入陷与复合过程中，促使热电子的产生，而热电子引起聚合物的降解过程。Bamji等人认为，聚合物的电老化主要是电荷在复合过程中发出的紫外光，引起聚合物的降解。但不管怎样，聚合物的老化与其分子链的运动和断裂有着密切关系，从而形成大分子自由基，引起陷阱密度的增加。

Simmons等人于上世纪70年代提出，可以通过受激励材料在等温条件下的电流衰减特性得到其任意能量水平的陷阱参数。此理论基于绝缘材料受光刺激后被陷阱俘获载流子在恒温条件下的热脱陷过程，认为介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放；在恒温下热释放电流随时间而变化，这个电流反映了陷阱能级的分布规律。

聚合物的老化是一个相当复杂的过程，与很多因素有关，目前还缺乏有效的表征方法。因而很有必要测量其陷阱的分布，如陷阱能级、陷阱密度等，这对于建立聚合物的陷阱参数与其绝缘老化之间的关系、掌握聚合物的老化规律具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种绝缘材料表面陷阱参数测量方法与系统，能够有效测量绝缘材料的陷阱参数分布。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法，其特征在于，该方法将一多针电极置放在保温箱内，使多针电极位于待测聚合物绝缘试样上方，通过导电硅脂将待测聚合物绝缘试样粘在保温箱内的接地的金属圆盘电极上，采用高压直流电源施加在多针电极上，多针电极产生电晕放电对待测聚合物绝缘试样进行充电，充电一定时间后，撤掉外施电压并移走多针电极后，将另一接地的金属圆盘电极放在聚合物绝缘试样上对其进行短路放电，以去除表面自由电荷，通过一个绝缘旋转支架将电容式静电探头移至聚合物绝缘试样表面充电区域，测量聚合物绝缘试样的表面电位，通过信号调理电路和数据采集电路输入计算机，通过计算得出绝缘材料的陷阱能级和陷阱密度分布参数。

在每次充电结束后，撤去高压直流电源的电压和移去多针电极，将一接地的金属圆盘电极放在聚合物材料表面，保持短路约1min以去除试样表面沉积的自由电荷，然后再移去短路电极。

移去短路电极后，通过绝缘旋转支架将电容式静电探头移至聚合物绝缘试样表面充电区域，采用非接触测量试样的表面电位，探头与聚合物绝缘试样表面的距离约为2mm。

实现上述方法的系统，包括一个保温箱，其特征在于，保温箱内部有接地的金属圆盘电极，金属圆盘电极上有通过导电硅脂粘接的聚合物绝缘试样，金属圆盘电极的上方还设有一多针电极，该多针电极上连接有高压直流电源；保温箱内还设有绝缘旋转支架，该绝缘旋转支架上有电容式静电探头，电容式静电探头依次和保温箱外部设置的信号调理电路、数据采集电路及其计算机相连。

所述的多针电极的结构包括一金属板，该金属板上密布金属针，针的直径约为1mm，长度约为25mm，针尖曲率半径约为5μm，相邻针间的距离约为5mm，针与材料表面距离约为2mm，尽量使针分布均匀，以保证针电极放电和对聚合物绝缘试样充电得均匀性。

所述的高压直流电源的施加电压分别为+1.5kV或-1.5kV的直流电压，每次放电和充电的时间约为2min。

本发明的聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统，为研究聚合物绝缘材料的介电特性提供帮助，可测量聚合物绝缘材料的陷阱能级和陷阱密度分布，并可区分出电子型和空穴型两种陷阱，具有稳定性好和抗电磁干扰能力强的优点。

附图说明

图1为本发明的测量系统的结构示意图，图1中的符号表示：1-高压直流电源；2-保温箱；3-多针电极；4-试样；5-导电硅脂；6-金属圆盘电极；7-绝缘旋转支架；8-电容式静电探头；9-信号调理电路；10-信号采集电路；11-计算机。

图2为本发明的系统与方法测量的聚丙烯绝缘薄膜的表面电位曲线，其中(a)为施加正极性电压，(b)为施加负极性电压。

图3为本发明的系统与方法测量的聚丙烯绝缘薄膜的陷阱参数分布。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，本发明的系统包括一个保温箱2，保温箱2内部有接地的金属圆盘电极6，金属圆盘电极6上有通过导电硅脂5粘接的聚合物绝缘试样4，金属圆盘电极6的上方还设有一多针电极3，该多针电极3上连接有高压直流电源1；保温箱2内还设有绝缘旋转支架7，该绝缘旋转支架7上有电容式静电探头8，电容式静电探头8依次和保温箱2外部设置的信号调理电路9、数据采集电路10以及计算机11相连。

实验时用导电硅脂5将聚合物绝缘试样4贴在金属圆盘电极6上，多针电极3与聚合物绝缘试样4表面距离约为2mm，在多针电极3上的高压直流电源1分别施加±1.5kV的直流高压。在施加电压作用下，在针尖处会出现电晕放电，空气被电离从而产生大量的带电质点，针尖处会形成电离区。以施加负极性电压为例，在电场作用下电子向聚合物绝缘试样4表面漂移，漂移的电子会在电极与聚合物绝缘试样4之间形成漂移区，部分电子将被聚合物绝缘试样4内部的陷阱俘获。在充电过程中，总是浅的陷阱先被充满，然后是深的陷阱。当采用单针电极时，充电的作用范围将仅局限于某一半径的圆形区域内，漂移区的电子密度并不均匀，聚合物绝缘试样4表面正对针尖的部分将会被明显充电，随着离开充电的中心区域，充电效果将逐渐减弱。为了克服这种充电的不均匀性，本发明中采用多针电极以使聚合物绝缘试样4获得较为均匀的表面充电效果。

每次实验中，充电约2min后，去掉施加的电压并移去多针电极3，再将聚合物绝缘试样4的充电表面短路1min，以清除表面沉积的自由电荷，然后移去短路电极，将电容式静电探头8移至聚合物绝缘试样4表面的充电区域，对聚合物绝缘试样4的表面电位进行非接触测量，电容式静电探头8输出的信号由信号调理电路9进行调理后接入与计算机11相连的数据采集模块10中，就可以对聚合物绝缘试样4的表面电位进行连续采样，实验中将设备设定为每5s采样一次。表面电位的衰减特性受环境影响极大，所以实验在保温箱2中进行，以保持箱2内温度和湿度基本不变。当撤去外施电压后，介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放。在恒温下热释放电流随时间而变化，这个电流的变化反映了陷阱能级的分布规律。

在等温条件下测到的聚合物绝缘试样4表面电位衰减数据，可以计算出等温衰减电流，并进而计算出聚合物绝缘试样4的陷阱能级和陷阱密度的分布参数。

本发明在实验室完成一套样品。

参照图2和图3，这是本发明的一个具体的实施例。图2是聚丙烯绝缘薄膜的表面电位曲线，分别为在聚丙烯绝缘薄膜上施加+1.5kV和-1.5kV直流高压放电进行充电2min，而后短路放电1min，然后测量其表面电位的衰减，分别如图2(a)和(b)所示，横坐标为测量表面电位的时间，单位为s，纵坐标为表面电位值，单位为V。图3为聚丙烯绝缘薄膜的陷阱参数分布，横坐标为测量到的电子和空穴陷阱的能级水平，单位为eV，纵坐标为陷阱的密度，单位为m^-3(eV)^-1。