本發(fā)明涉及一種空間電荷測(cè)量方法，特別是涉及一種多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷測(cè)量方法。

背景技術(shù)：
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電力設(shè)備中多采用多層復(fù)合電介質(zhì)材料作為絕緣材料，如電力電纜、環(huán)氧浸漬紙干式套管、電力變壓器中的油浸紙主絕緣結(jié)構(gòu)等。多層復(fù)合電介質(zhì)材料在直流電壓作用下，其內(nèi)部界面會(huì)由于介電常數(shù)、電導(dǎo)率的不連續(xù)而產(chǎn)生界面電荷，同時(shí)各介質(zhì)內(nèi)部會(huì)由于電極注入、雜質(zhì)電離等原因積聚空間電荷。電聲脈沖法是目前廣泛應(yīng)用的一種空間電荷測(cè)試方法，但傳統(tǒng)的空間電荷測(cè)試方法僅針對(duì)單一均勻的電介質(zhì)。對(duì)于多層復(fù)合電介質(zhì)由于界面電荷的折反射和各層相關(guān)參數(shù)的不連續(xù)的影響，應(yīng)用傳統(tǒng)的電聲脈沖法無法測(cè)量得到多層復(fù)合電介質(zhì)材料內(nèi)部真實(shí)的空間電荷分布。因此，為了能測(cè)量得到多層復(fù)合電介質(zhì)中的真實(shí)空間電荷分布，需要消除測(cè)量中干擾，對(duì)測(cè)量信號(hào)校正進(jìn)行校正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷測(cè)量方法，以消除應(yīng)用電聲脈沖法進(jìn)行空間電荷時(shí)試樣內(nèi)部界面電荷聲波反射造成的干擾，對(duì)多層復(fù)合材料相關(guān)參數(shù)不連續(xù)造成空間電荷測(cè)量結(jié)果偏離進(jìn)行校正。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過采取以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷測(cè)量方法，包括如下步驟：

1)制備非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣，從試樣結(jié)構(gòu)上消除界面電荷反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

2)應(yīng)用電聲脈沖法，根據(jù)試樣接地電極電荷的脈沖響應(yīng)獲得測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)；忽略多層固體電介質(zhì)介電常數(shù)、聲速和厚度等材料參數(shù)不同，利用上述獲得的測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)，計(jì)算得到多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣內(nèi)部空間電荷分布的未校正信號(hào)；

3)在獲得多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣內(nèi)部電荷分布的未校正信號(hào)后，以剛加壓時(shí)的界面電荷峰為界限，對(duì)試樣空間電荷分布的未校正信號(hào)進(jìn)行分層劃分；考慮不同層電介質(zhì)的介電常數(shù)、聲速和厚度對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響，對(duì)材料參數(shù)不同引起的空間電荷密度值偏離進(jìn)行分層校正；對(duì)聲波在多層固體電介質(zhì)內(nèi)部傳遞時(shí)由折射引起的電荷密度偏離進(jìn)行分層校正。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，制備非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣，其中復(fù)合材料試樣的層數(shù)為n層，設(shè)第i層材料的厚度為d_i，聲波在第i層材料中傳遞的聲速為v_i，為了消除多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料界面電荷聲波反射造成的干擾，制備的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足如下要求：

其中，i＝2，3，…，n，為多層固體電介質(zhì)的層號(hào)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，先將步驟1)中制備的多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料試樣兩個(gè)表面分別緊密覆蓋一層同心且直徑相同的表面電極，電極直徑不能小于空間電荷測(cè)試設(shè)備最小的電極直徑；然后將多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料試樣第1層介質(zhì)的表面電極緊貼測(cè)試裝置中安裝有壓電傳感器的下電極放置，第n層的表面電極則與測(cè)試裝置的上電極緊密接觸；應(yīng)用電聲脈沖法，根據(jù)試樣接地電極電荷的脈沖響應(yīng)獲得測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)；忽略多層固體電介質(zhì)介電常數(shù)、聲速和厚度等材料參數(shù)不同，利用上述獲得的測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)，計(jì)算得到多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣內(nèi)部空間電荷分布的未校正信號(hào)ρ₀(x)，式中x為試樣內(nèi)部距離第1層介質(zhì)表面電極的距離。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)中，以剛加壓時(shí)的界面電荷峰為界限，將步驟2)中測(cè)量得到的電荷分布信號(hào)ρ₀(x)進(jìn)行不同層劃分，得到不同層的空間電荷分布ρ_i(x)，式中i為第i層固體電介質(zhì)的層號(hào)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)中，對(duì)不同層的空間電荷分布信號(hào)ρ_i(x)進(jìn)行分層校正，由于未校正電荷分布信號(hào)ρ₀(x)是以第1層電介質(zhì)介電常數(shù)ε₁、聲速v₁和試樣厚度d為參數(shù)計(jì)算的，對(duì)于第i層中校正后的電荷密度ρ_i'(x)按如下公式進(jìn)行分層校正：

式中，ε_i為第i層中固體電介質(zhì)的介電常數(shù)，v_i為第i層中固體電介質(zhì)的聲波傳遞速度，d_i為第i層中固體電介質(zhì)的厚度。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)中，對(duì)校正得到的電荷分布ρ_i'(x)按折射系數(shù)進(jìn)行分層校正，其中第i層中校正后的真實(shí)電荷密度如下：

式中，K_i,i-1為聲波從第i層傳入第i-1層交界面時(shí)的折射系數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

(1)有效地消除了多層固體電介質(zhì)中界面電荷反射對(duì)空間電荷測(cè)量造成的干擾。

以三層固體電介質(zhì)為例，制備圖1所示的多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料試樣，試樣結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足如下要求：

兩個(gè)表面分別濺射同心且直徑相同的金電極，濺射電極直徑不能小于測(cè)試設(shè)備最小的電極直徑，本實(shí)施例中直徑為16mm；然后將多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料試樣的第1層表面電極緊貼測(cè)試裝置中安裝有壓電傳感器的接地電極，第3層表面電極與測(cè)試裝置高壓電極緊密接觸；應(yīng)用電聲脈沖法測(cè)量多層固體電介質(zhì)中的空間電荷分布。為了對(duì)比本發(fā)明的效果，選取對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三層固體電介質(zhì)材料的空間電荷測(cè)量結(jié)果作為對(duì)比。

(2)綜合考慮多層介質(zhì)的介電常數(shù)、聲波傳遞速度的不同和不同界面處的聲波折射效應(yīng)，對(duì)多層介質(zhì)空點(diǎn)電荷測(cè)量結(jié)果的進(jìn)行分層校正。為了避免空間電荷注入與積聚的影響，選取剛加壓時(shí)的空間電荷測(cè)量數(shù)據(jù)為分段依據(jù)，測(cè)量結(jié)果如附圖5所示。按照?qǐng)D5中的空間電荷峰位置，將測(cè)量結(jié)果分為三段，分別按照本發(fā)明方法，對(duì)1-2界面和2-3界面部分、2-3界面和(+)電極部分的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，經(jīng)過校正后的測(cè)量結(jié)果如附圖6所示。對(duì)比附圖5和附圖6可以看出，經(jīng)過分段校正后的空間電荷分布明顯補(bǔ)償了靠近上電極部分的空間電荷分布。

附圖說明：

圖1為多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷測(cè)量方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明中制備的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為制備的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)三層環(huán)氧/紙復(fù)合材料試樣斷面掃描電鏡(SEM)圖像。

圖4為對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷分布測(cè)量結(jié)果。

圖5為校正前的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷分布測(cè)量結(jié)果。

圖6為校正后的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷分布測(cè)量結(jié)果。

圖7為校正后的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷分布測(cè)量結(jié)果云圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

按照?qǐng)D1所示的多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷測(cè)量方法的流程示意圖，首先制備非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣，以制備3層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣為實(shí)施例。如圖2非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣結(jié)構(gòu)示意圖所示，設(shè)3層復(fù)合材料的厚度分別為d₁、d₂和d₃，聲波在其中的傳播速度分別為v₁、v₂和v₃，為了消除多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料界面電荷聲波反射造成的干擾，制備的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足如下要求：

按照上述方法制備的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)3層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣的掃面電鏡(SEM)圖像如圖3所示。然后將所制備的3層固體復(fù)合電介質(zhì)材料兩個(gè)表面分別濺射同心且直徑相同的金電極，濺射電極直徑不能小于測(cè)試設(shè)備最小的電極直徑，本實(shí)施例中直徑為16mm；然后將多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料試樣的第1層表面電極緊貼測(cè)試裝置中安裝有壓電傳感器的接地電極，第3層表面電極與測(cè)試裝置高壓電極緊密接觸；應(yīng)用電聲脈沖法測(cè)量多層固體電介質(zhì)中的空間電荷分布，獲得多層固體電介質(zhì)內(nèi)部電荷分布的原始測(cè)試信號(hào)ρ₀(x)，其中x為試樣內(nèi)部距離第1層介質(zhì)表面濺射電極的距離。圖4和圖5分別為對(duì)稱結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)3層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷分布測(cè)量結(jié)果。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果，可以看出通過設(shè)計(jì)復(fù)合材料試樣的分對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以消除圖4中界面1-2和界面2-3產(chǎn)生的聲波反射干擾。具體來說，附圖4為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三層固體電介質(zhì)的空間電荷分布，由于沒有采用任何措施，在測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)了反射聲波干擾；而圖5是按照本發(fā)明方法進(jìn)行試樣制備、試樣測(cè)試安裝后的測(cè)試結(jié)構(gòu)，可以看出，本發(fā)明可以有效的消除反射聲波干擾。

以剛加壓時(shí)的界面電荷峰為界限，對(duì)電聲脈沖法測(cè)量得到的電荷分布信號(hào)ρ₀(x)進(jìn)行不同層劃分，得到不同層的空間電荷分布ρ_i(x)。由于未校正電荷分布信號(hào)ρ_i(x)是以第1層電介質(zhì)介電常數(shù)ε₁、聲速v₁和試樣厚度d為參數(shù)計(jì)算的，對(duì)于第2層和第3層電荷密度按如下公式進(jìn)行分層校正：

式中ε₁、ε₂和ε₃分別為第1、2和3層中固體電介質(zhì)的介電常數(shù)，v₁、v₂和v₃分別為第1、2和3層中固體電介質(zhì)的聲波傳遞速度，d、d₂和d₃分別為試樣、第2和3層中固體電介質(zhì)的厚度。

對(duì)校正得到的電荷分布ρ₂'(x)和ρ₃'(x)按折射系數(shù)再進(jìn)行分層校正，校正后的真實(shí)電荷密度如下：

式中K_2,1為聲波從第2層傳入第1層交界面時(shí)的折射系數(shù)，K_3,2為聲波從第3層傳入第2層交界面時(shí)的折射系數(shù)。

經(jīng)過上述校正后，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)3層固體電介質(zhì)復(fù)合材料試樣內(nèi)部空間電荷分布如圖6所示，圖7為校正后的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)多層固體復(fù)合電介質(zhì)材料空間電荷分布測(cè)量結(jié)果云圖。