反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置和方法，包括內設有實驗平臺的真空箱，實驗平臺上從下至上依次設置有下電極、屏蔽層、待測試樣和上電極，上電極通過開關與直流充電模塊連接，上電極和下電極之間還連接反向偏壓下短路電流測量系統，反向偏壓下短路電流測量系統包括由選擇開關控制的擇一導通的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路，脫陷電流測量電路包括串聯的脫陷反向偏置電壓源和微電流計，微電流計的信號輸出端連接計算機，計算機控制連接選擇開關。本發明能夠通過等溫電流衰減理論計算得出試樣不同能級分布的陷阱密度，實驗結果更為準確。
【專利說明】反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電介質材料陷阱特性測量【技術領域】，尤其涉及一種基于等溫電流衰減理論的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]聚合物絕緣材料具有諸如直流電阻高、介質損耗低等良好的介電性能，良好的熱穩定性以及優良的機械加工性能，因而在電氣絕緣領域得到廣泛的應用。但隨著電力系統電壓等級的提高以及直流輸電技術的發展，聚合物絕緣的空間電荷效應問題日漸突出，由此導致聚合物材料內部電場畸變，引發局部放電及電樹枝發展，從而造成聚合物材料老化問題，如何抑制和消除聚合物絕緣中的空間電荷已經成為國內外電氣絕緣領域的研究熱點。
[0003]目前關于聚合物老化機理的研究很多，其中比較有代表性的是加拿大的高觀志(Kwan-Chi Kao)和國內西安交通大學的屠德民等人提出的熱電子引發聚合物降解理論。在高電場作用下，電子/空穴通過肖特基效應(Schottky effect)或福勒-諾德海姆效應(Fowler-Nordheim effect)從電極注入到聚合物中，由于材料禁帶能隙內存在大量的陷講態，電子/空穴的平均自由路徑短，因此很快被陷阱俘獲而形成空間電荷。在空間電荷的入陷/復合過程中，當電荷由高能態遷移到低能態時，多余的能量通過非輻射形式轉移給另一個電子，使后者變成熱電子。具有足夠能量的熱電子將導致分子降解而形成大量的大分子自由基，將進一步引發自由基鏈式反應，導致聚合物的進一步降解。熱電子的產生和熱電子的能量決定于陷阱的密度和深度，改變聚合物的陷阱深度或密度，就能改變熱電子的形成幾率和能量。因此空間電荷的注入、遷移、入陷/脫陷、復合等過程與材料內部陷阱特性密切相關，因此測量和分析材料的陷阱特性如能級、密度等，對于材料的空間電荷形成和抑制機理以及聚合物材料的老化狀態表征和評估具有十分重要的意義。
[0004]基于上述分析，陷阱特性十分顯著地影響固體電介質材料的介電和放電特性，并可能成為一種更為本征的固體電介質材料性能表征參數，因此測量和分析固體絕緣材料的陷阱參數具有十分重要的意義。
[0005]加拿大的西蒙斯(J.G.Simmons)等人在上世紀70年代提出，可以通過受激勵材料在等溫條件下的電流衰減特性得到其任意能量水平的陷阱參數。此理論基于絕緣材料受激勵后被陷阱俘獲的載流子在恒溫條件下的熱脫陷過程，認為介質中處于淺陷阱的陷阱載流子先釋放，而處于深陷阱的后釋放；在恒溫下熱釋放電流隨時間而變化，這個電流反映了陷阱能級的分布規律。其優點在于不需要任何陷阱分布先驗假設，測量的等溫衰減電流隨時間的變化關系能直接反映材料的陷阱分布。
[0006]為了能利用上述理論分析，首先要求實驗能單獨獲得電子電流或空穴電流。在進行偏壓下測量短路電流衰減時，對帶電介質試樣所施加的偏壓極性就不能是任意的了。當向開路端施加同向偏壓時，正負電荷將向體內遷移，載流子經體內輸運要發生耗散，這是不希望出現的。反之，如果對開路端施加異向偏壓，正負電荷將分別向鄰近電極移動，從而移出介質，這樣電荷分布狀態不會被破壞，向鄰近電極的短距離輸運可忽略耗散，而足夠高的偏置電場也使忽略脫陷載流子的再陷阱化比較接近實際情況。因此，施加異向偏壓是使理論分析能付諸實際應用的唯一選擇。外施偏置電場大小的選擇既要保證足夠高以忽略再陷阱化，又要避免偏壓太高引起電極注入影響實驗分析。因此一般選為不大于107v/m。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置和方法，既適用于無機絕緣材料，如氧化鋁、可加工陶瓷等絕緣材料陷阱的測試，同時也適用于聚合物絕緣材料陷阱的測試，能夠通過等溫電流衰減理論計算得出試樣不同能級分布的陷阱密度，實驗結果更為準確。
[0008]本發明采用下述技術方案:
[0009]一種反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置，包括設置有箱門的真空箱，真空箱內設置有實驗平臺，實驗平臺上從下至上依次設置有下電極、屏蔽層、待測試樣和上電極，上電極通過開關與直流充電模塊連接，上電極和下電極之間還連接反向偏壓下短路電流測量系統，所述的反向偏壓下短路電流測量系統包括由選擇開關控制的擇一導通的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路，脫陷電流測量電路包括串聯的脫陷反向偏置電壓源和微電流計，微電流計的信號輸出端連接計算機，計算機控制連接選擇開關。
[0010]所述的選擇開關采用磁耦合直線驅動器，磁耦合直線驅動器的運動端與上電極通過導線連接，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路的第一端分別連接與磁耦合直線驅動器運動端相配合的兩個靜觸點，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路的第二端均連接下電極。
[0011]所述的真空箱為真空恒溫箱，真空箱內下電極下方設置有金屬加熱盒，金屬加熱盒內設置有熱電偶。
[0012]所述的真空恒溫箱內還設置有石英紅外加熱管和干燥劑。
[0013]所述的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路中采用的線纜均為同軸屏蔽電纜。
[0014]一種利用權利要求1所述的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數裝置進行測量的方法，包括以下步驟:
[0015]A:打開真空恒溫箱箱門，將待測試樣放置在上電極和屏蔽層之間，保證待測試樣與上電極的接觸面潔凈，然后關閉真空恒溫箱門；
[0016]B:利用加熱盒對待測試樣進行預熱，然后利用直流充電模塊對上電極施加直流充電電壓,對待測試樣注入電荷；注入電荷完畢后,停止對上電極施加直流充電電壓；
[0017]C:利用計算機控制選擇開關，將短路泄放自由電荷電路導通，通過短路泄放自由電荷電路去除待測試樣表面的自由電荷；
[0018]D:利用計算機控制選擇開關，斷開短路泄放自由電荷電路，將脫陷電流測量電路導通，使待測試樣、微電流計和脫陷反向偏置電壓源形成導通的串聯電路，利用微電流計測量等溫短路電流衰減并通過計算機進行采樣和記錄，然后利用測得的等溫短路電流衰減，通過等溫電流衰減理論計算得出試樣不同能級分布的陷阱密度，計算方法為:假設熱釋放的載流子不再陷阱化，陷阱能級Et以及等溫電流密度J與陷阱密度Nt的關系為:
【權利要求】
1.一種反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置，其特征在于:包括設置有箱門的真空箱，真空箱內設置有實驗平臺，實驗平臺上從下至上依次設置有下電極、屏蔽層、待測試樣和上電極，上電極通過開關與直流充電模塊連接，上電極和下電極之間還連接反向偏壓下短路電流測量系統，所述的反向偏壓下短路電流測量系統包括由選擇開關控制的擇一導通的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路，脫陷電流測量電路包括串聯的脫陷反向偏置電壓源和微電流計，微電流計的信號輸出端連接計算機，計算機控制連接選擇開關。
2.根據權利要求1所述的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置，其特征在于:所述的選擇開關采用磁耦合直線驅動器，磁耦合直線驅動器的運動端與上電極通過導線連接，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路的第一端分別連接與磁耦合直線驅動器運動端相配合的兩個靜觸點，短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路的第二端均連接下電極。
3.根據權利要求2所述的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置，其特征在于:所述的真空箱為真空恒溫箱，真空箱內下電極下方設置有金屬加熱盒，金屬加熱盒內設置有熱電偶。
4.根據權利要求3所述的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置，其特征在于:所述的真空恒溫箱內還設置有石英紅外加熱管和干燥劑。
5.根據權利要求4所述的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數的裝置，其特征在于:所述的短路泄放自由電荷電路和脫陷電流測量電路中采用的線纜均為同軸屏蔽電纜。
6.一種利用權利要求1所述的反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數裝置進行測量的方法，其特征在于，包括以下步驟: A:打開真空恒溫箱箱門，將待測試樣放置在上電極和屏蔽層之間，保證待測試樣與上電極的接觸面潔凈，然后關閉真空恒溫箱門； B:利用加熱盒對待測試樣進行預熱，然后利用直流充電模塊對上電極施加直流充電電壓，對待測試樣注入電荷；注入電荷完畢后，停止對上電極施加直流充電電壓； C:利用計算機控制選擇開關，將短路泄放自由電荷電路導通，通過短路泄放自由電荷電路去除待測試樣表面的自由電荷； D:利用計算機控制選擇開關，斷開短路泄放自由電荷電路，將脫陷電流測量電路導通，使待測試樣、微電流計和脫陷反向偏置電壓源形成導通的串聯電路，利用微電流計測量等溫短路電流衰減并通過計算機進行采樣和記錄，然后利用測得的等溫短路電流衰減，通過等溫電流衰減理論計算得出試樣不同能級分布的陷阱密度，計算方法為:假設熱釋放的載流子不再陷阱化，陷阱能級Et以及等溫電流密度J與陷阱密度Nt的關系為:
其中Et為陷阱能級，k為Boltzmann常數，T為絕對溫度，Y為電子振動頻率，t為時間為等溫電流密度，q為電子電量，d為試樣的厚度，f0(E)為陷阱初始占有率，Nt(Et)為陷阱能量分布函數；電子陷阱的能量以導帶底為零點計算，空穴陷阱的能量以價帶頂為零點計算。
7.根據權利要求6所述的利用反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數裝置進行測量的方法，其特征在于:所述的步驟B中，利用加熱盒對待測試樣在50°C _60°C的溫度下預熱 20min-30min。
8.根據權利要求7所述的利用反向偏壓下測量短路電流衰減計算陷阱參數裝置進行測量的方法，其特征在于:所述的步驟B中，在對待測試樣注入電荷時，注入場強為40kV/mm,注入時間30min,注入溫度50°C。
【文檔編號】G01N27/60GK104198570SQ201410458113
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】張偉政, 李智敏, 穆海寶, 季國劍, 趙林, 李元, 申文偉, 張冠軍 申請人:國家電網公司, 國網河南省電力公司鄭州供電公司, 西安交通大學
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