一种基于电声脉冲法计算绝缘材料陷阱能级分布的方法

摘要

本发明涉及一种基于电声脉冲法计算绝缘材料陷阱能级分布的方法，属于绝缘材料的电气性能表征领域。该方法根据空间电荷消散存在快慢的特点，一是提出对快速和慢速消散的空间电荷分别进行电荷衰减规律的指数拟合分析方法，将传统空间电荷随消散时间的一阶动力学关系式改进为空间电荷随消散时间的二阶动力学关系式；二是基于获得的二阶动力学关系式中快、慢电荷初始衰减密度及衰减时间常数，通过改进的具有区分深、浅陷阱能级分布的计算公式分别获得快、慢电荷对应的深、浅陷阱的能级分布，进而实现判断引起深、浅陷阱能级分布改变的原因属于物理缺陷还是化学缺陷。

说明书

技术领域

本发明属于绝缘材料的电气性能表征领域，涉及一种基于电声脉冲法计算绝缘材料陷阱能级分布的方法。

背景技术

绝缘材料内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关，空间电荷可以导致介质内部电场分布的畸变，对局部电场起到削弱或加强的作用，若电场畸变严重，将引起绝缘材料的击穿和老化，直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。空间电荷与绝缘介质中的陷阱分布密切相关，准确计算绝缘材料陷阱能级分布，区分材料物理缺陷和化学缺陷，是掌握绝缘材料性能的关键。

1)掌握陷阱能级分布特性对理解空间电荷行为极为重要

A.空间电荷的主要来源

由于制造工艺等原因，生产出的绝缘介质内部存在着微小的物理缺陷或杂质等。由于外加电场和极化的影响，电子或空穴逸出电极的势垒降低，从电极发射的电子或空穴在外加电场的作用下产生迁移，在迁移过程中被介质中杂质所形成的陷阱所捕获而成为空间电荷。

B.空间电荷对绝缘性能的危害

空间电荷效应是影响电介质材料绝缘介电强度的主要因素。对于运行中的直流输变电设备(换流变压器、直流电缆)，因直流电场分量的长期作用，油浸绝缘纸或电缆聚乙烯材料内部会产生空间电荷注入现象。注入的电荷将在材料体内进行运输、积累、消散，这些过程中空间电荷都将削弱外部电场并加强体内局部电场，在介质体内产生场强分布畸变影响，引起早起绝缘损伤，加速绝缘介质的老化，严重时会引起电导电流增大、局部放电等现象，导致设备损伤甚至失效，严重威胁设备的安全运行。特别是直流电力设备在进行反极性操作时，由空间电荷引起的电场畸变更容易造成绝缘的损伤，诱导绝缘故障并影响设备正常运行。

C.掌握陷阱能级分布对理解绝缘材料空间电荷行为的重要性

对绝缘材料的空间电荷注入、运输、积聚、衰减特性进行研究，可以理解绝缘材料内部空间电荷的输运特性及机理，有助于研究空间电荷在绝缘介质老化和绝缘损伤行为中所起的作用和影响，从而更加深刻的认识材料物理化学微观结构和电气性能之间的关系，以便于改进绝缘材料的绝缘性能，为提升绝缘材料的热稳定性能和延长电力设备使用寿命提供参考依据。

空间电荷与绝缘介质中的陷阱分布密切相关。在空间电荷的消散过程中，由于陷阱内的电荷消散(脱陷)速率不同，有的在去压后10分钟内可以消散，有的需要数小时才能消散，因此判定陷阱的能级不同，并将陷阱分为深陷阱和浅陷阱两类。深陷阱中的空间电荷消散的快，而浅陷阱中的电荷消散的快。陷阱的产生主要由绝缘材料中的缺陷决定。绝缘材料中的缺陷可分为物理缺陷和化学缺陷。由于生产工艺的原因，绝缘材料内部会有微小的物理缺陷，而随着绝缘材料的老化，微观结构的破坏又会产生新的物理缺陷。同时在老化过程中，绝缘材料的化学物质(如油纸绝缘中的纤维素，LDPE材料中的聚乙烯)发生断链，生成新的小分子物质，产生化学缺陷。由于深、浅陷阱的能级分布以及密度与绝缘介质中空间电荷的聚集、迁移、消散行为紧密相连，因此，准确计算绝缘材料陷阱能级分布，区分材料物理缺陷和化学缺陷，是掌握绝缘材料性能的关键。

2)计算绝缘材料陷阱能级分布的传统方法

普遍用于分析绝缘材料陷阱能级分布的方法主要有两种，一是热刺激电流法；二是基于电声脉冲法的陷阱能级分布计算方法。

A.热刺激电流(TSC)法

热刺激理论是在介质物理的基础上发展起来的，这一理论的方法比较简单实用而且又能较准确地测量出某些物质(如电介质、绝缘材料、半导体、驻极体等)的微观参数。热刺激电流法是一面对材料升温一面进行测量。由于材料中的荷电粒子微观参数(如活化能H、松弛时间τ等)不同，用热刺激法就容易将材料中的各种不同H或τ的荷电粒子分离开来，从而求出各自的参数。

热刺激电流法是一种热分析方法。先在某一温度下给试样施加直流电压，使试样极化；在加压的情况下，迅速将试样冷却至一个低温以冻结电荷；然后去掉极化电压，试样短路一定时间以消除杂散电荷的影响。最后线性升温，测量外电路的短路电流，该电流与温度的曲线为热刺激电流曲线。

根据TSC曲线，有下面最基本的热刺激电流理论简化公式可确定陷阱参数

B为动力学级数；n为对应于t时刻(或温度T时)介质陷阱电子的数目；E为陷阱深度；T为绝对温度值；k为波尔茨曼常数；s为频率因子；n₀为最初时刻(或最低温度)所对应的陷阱数目。

热刺激电流法可以分别出电流的来源，即介质中的载流子的性质和极性，这是热刺激电流法的优点之一。但是由于该方法需要对样品进行降温以及加热，对样品具有破坏性。

B.传统基于电声脉冲法的陷阱能级分布计算方法

电声脉冲法被广泛地用来测量固体电介质的空间电荷特性。简而言之，其原理为由外部脉冲电场所产生的库仑力使得介质内部电荷震荡产生声信号，该声信号波被外部的压电式换能器所接收并将其转化为电信号，经过信号以及数学方法处理后可得出电介质内部电荷分布情况。

传统基于电声脉冲法的陷阱计算方法具体如下

当移除外加电场后，绝缘材料中的入陷电荷随时间的增加而减少，该现象被称为电荷脱陷。陷阱中的电荷密度(电位衰减)的变化可以近似为指数衰减规律，如式(2)所示：

σ＝A·e^-t/τ(2)

σ为表面电荷密度，A为初始表面电荷密度，τ为电荷消散时间常数，t为入陷电荷消散时间。

可进一步得到含有衰减时间常数的电流密度变化规律，如式(3)所示：

|j(t)|为电流密度，r’为平均电荷重心，为120pm。L为样品厚度。

当外施电压撤去后，绝缘介质中被浅陷阱入陷的载流子先释放，处于深陷阱中的载流子后释放，在不同温度下随时间衰减的载流子释放电流反映了试样表面的陷阱能级分布规律。可得出陷阱能级E_t及电流密度j与陷阱密度N_t的关系：

E_t＝KTln(νt)(4)

v为电子振动频率3×10¹²s^-1，K为波尔茨曼常数8.568×10^-5eV/K，T为绝对温度(开氏温度)。f₀(E_t)为介质中陷阱的初始占有率—1/2，e为电子电荷1.6×10^-19C。

设η1与η2皆为常数。则

可见，陷阱能级密度N(E_t)与电荷密度的衰减时间常数和衰减时间密切相关。

基于电声脉冲法的陷阱能级分布计算方法，首先是获得空间电荷随去压时间的衰减规律，获得空间电荷的初始衰减密度及衰减衰减常数；然后根据获得参数，按照式(3-6)计算绝缘材料的陷阱能级分布。当现有方法仅获得一个指数规律的衰减时间常数，从而将陷阱能级单一化，无法准确表现出绝缘材料内部存在深、浅两种陷阱，同时也无法对引起深、浅陷阱能及分布特性改变的原因进行准确判断。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电声脉冲法计算绝缘材料陷阱能级分布的方法，针对现有绝缘材料陷阱能级分布测量和计算方法存在的不足：一是热刺激电流法属于有损测试；二是传统基于电声脉冲法的陷阱计算方法获得一个指数规律的空间电荷衰减时间常数，将陷阱能级分布单一化，无法准确表现出绝缘材料内部存在深、浅两种陷阱，同时也无法对引起深、浅陷阱能及分布特性改变的原因进行准确判断；实现绝缘材料深、浅陷阱能级分布及其能级密度分布的计算，又实现判断引起深、浅陷阱能级分布改变的原因属于物理缺陷还是化学缺陷。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电声脉冲法计算绝缘材料陷阱能级分布的方法，包括以下步骤：

S1：运用电声脉冲空间电荷测量方法获得绝缘材料的空间电荷消散行为；

S2：获得不同消散时间对应的空间电荷量；

S3：对空间电荷衰减特性进行二阶动力学指数拟合分析，获得包含快速和慢速空间电荷消散规律的二阶动力学指数拟合公式；

S4：根据提出区分深、浅陷阱能级分布的计算公式，计算获得快、慢电荷对应的深、浅陷阱的能级分布；

S5：根据深、浅陷阱的能级分布特性，判断缺陷类型。

进一步，在步骤S3中，所述二阶动力学指数拟合分析的具体拟合公式为

式中，σ_fast与σ_slow分别为表面快电荷，即浅陷阱中电荷与表面慢电荷，即深陷阱中电荷；A_fast与A_slow分别为表面快电荷初始密度与表面慢电荷初始密度；τ_fast与τ_slow分别为快电荷与慢电荷的电荷消散时间常数；|j_fast(t)|与|j_slow(t)|分别为快电荷与慢电荷的电流密度；|j(t)|为电流密度；r'为平均电荷重心；L为样品厚度；t为入陷电荷消散时间。

进一步，所述步骤S4具体为：

式中，e为电子电荷1.6×10^-19C；K为波尔茨曼常数8.568×10^-5eV/K；T为绝对温度；f₀(E_t-fast)与f₀(E_t-slow)分别为浅陷阱与深陷阱的初始占有率；N(E_t-fast)为快电荷不同能级的陷阱密度，N(E_t-slow)为慢电荷不同能级的陷阱密度；η_1-fast与η_1-slow皆为常数；η_2-fast与η_2-slow皆为常数E_t-fast与E_t-slow分别为快电荷与慢电荷的陷阱能级，E_t-fast＝KTln(νt)，E_t-slow＝KTln(νt)；v为电子振动频率3×10¹²s^-1。

进一步，所述步骤S5具体为：

绝缘材料的深陷阱能级密度越大，越偏向于化学缺陷；绝缘材料的深陷阱能级密度越小，越偏向于物理缺陷。

本发明的有益效果在于：

(1)提出通过对快速和慢速消散的空间电荷分别进行电荷衰减规律的指数拟合分析，将传统空间电荷随消散时间的一阶动力学方程改进为空间电荷随消散时间的二阶动力学方程；

(2)提出区分深、浅陷阱能级分布的计算公式，根据二阶动力学关系式中快、慢电荷初始衰减密度及衰减时间常数，计算获得快、慢电荷对应的深、浅陷阱的能级分布，实现判断引起深、浅陷阱能级分布改变的原因属于物理缺陷还是化学缺陷。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明流程图；

图2(a)为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性；图2(b)为老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性；

图3(a)为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性拟合分析；图3(b)为老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性拟合分析；

图4(a)为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)传统基于电声脉冲法的陷阱计算结果；

图4(b)为老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)传统基于电声脉冲法的陷阱计算结果；

图5(a)为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性；图5(b)为老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性；

图6(a)为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性拟合分；图6(b)为老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)在不同场强下的空间电荷消散特性拟合分析；

图7(a)为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)改进的基于电声脉冲法绝缘材料陷阱能级分布的计算结果；图7(b)为老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)改进的基于电声脉冲法绝缘材料陷阱能级分布的计算结果。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明流程图。第一步：运用电声脉冲空间电荷测量方法获得绝缘材料的空间电荷消散行为；第二步：获得不同消散时间对应的空间电荷量；第三步：对空间电荷衰减特性进行二阶动力学指数拟合分析，获得包含快速和慢速空间电荷消散规律的二阶动力学指数拟合公式；第四步：根据提出区分深、浅陷阱能级分布的计算公式，计算获得快、慢电荷对应的深、浅陷阱的能级分布；第五步：根据深、浅陷阱的能级分布特性，判断缺陷类型。

去电压后，介质中的电荷有一部分在较短的时间内消散，而另一部分电荷需要很长的时间消散，因此将介质内的陷阱分为浅陷阱与深陷阱两类；浅陷阱的电荷消散块，深陷阱内的电荷消散慢。因此，一是首先将上述所示的一阶动力学方程改进为二阶动力学方程，二是提出区分深、浅陷阱能级分布的计算公式。对传统一阶动力学方程的改进具体步骤如表1所示：

表1改进的基于电声脉冲法绝缘材料陷阱能级分布的计算新方法

以油浸绝缘纸为例，进行本发明实现过程的具体讲述：

一、传统基于电声脉冲法的陷阱能级分布计算方法

1)实测新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的在不同场强下的空间电荷消散特性如下：

图2为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的在不同场强下的空间电荷消散特性。

2)对不同场强下新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的空间电荷消散规律进行一阶动力学指数拟合分析，拟合曲线(离散点是实测值，实线是拟合曲线)及具体拟合公式如下：

图3为采用传统基于电声脉冲法的陷阱计算方法，新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的在不同场强下的空间电荷消散特性拟合分析。

表2传统基于电声脉冲法的陷阱计算方法空间电荷消散一阶动力学指数拟合公式

3)根据拟合方程，提取电荷衰减初始密度及衰减时间常数的参数，计算陷阱能级分布，结果如下：

E_t＝KTln(νt)(4)

图4为传统基于电声脉冲法的陷阱计算结果。

4)通过上述陷阱能级分布结果可见，利用一阶动力学方程仅一个衰减时间常数计算的陷阱能级分布仅一个峰，是深浅陷阱的平均化反映，因此无法区分是深陷阱还是浅陷阱。

二、改进的基于电声脉冲法计算绝缘材料陷阱能级分布的新方法

1)实测新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的在不同场强下的空间电荷消散特性如下：

图5为新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的在不同场强下的空间电荷消散特性。

2)对不同场强下新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的空间电荷消散规律进行二阶动力学指数拟合分析，获得快速和慢速消散的空间电荷的衰减规律，拟合曲线(离散点是实测值，实线是拟合曲线)及具体拟合公式如下：

图6为采用改进的基于电声脉冲法绝缘材料陷阱能级分布的计算新方法，新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的在不同场强下的空间电荷消散特性拟合分析。

表3：改进的基于电声脉冲法绝缘材料陷阱能级分布的计算新方法二阶动力学指数拟合公式

可以看出，与传统基于电声脉冲法的空间电荷消散一阶动力学拟合方法相比，二阶动力学指数拟合分析方法在电荷消散后期，具备更佳拟合效果(拟合实线与实测离散点吻合)，拟合优度高于表2(传统基于电声脉冲法的陷阱能级分布计算方法)。

3)提出区分深、浅陷阱能级分布的计算公式，根据二阶动力学关系式中快、慢电荷初始衰减密度及衰减时间常数，计算获得快、慢电荷对应的深、浅陷阱的能级分布，实现判断引起深、浅陷阱能级分布改变的原因属于物理缺陷还是化学缺陷。具体如下：

可见，通过改进的具有区分深、浅陷阱能级分布的计算公式，获得了快、慢电荷对应的深、浅陷阱的能级分布。深陷阱中的空间电荷消散的快，而浅陷阱中的电荷消散的快。对比图7中新油纸绝缘介质(新油+新绝缘纸)和老化油纸绝缘介质(老化油+新绝缘纸)的深、浅陷阱能级部分结果，可见，老化油纸绝缘介质的深陷阱能级密度显著大于新油纸绝缘介质，此主要因为绝缘油老化引起的化学缺陷所致。因此，改进的基于电声脉冲法绝缘材料陷阱能级分布的计算新方法，可实现判断引起深、浅陷阱能级分布改变的原因属于物理缺陷还是化学缺陷。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。