从微观角度分析绝缘材料老化和击穿原因--空间电荷测量装置

从微观角度分析绝缘材料老化和击穿原因--空间电荷测量装置

  使用声学技术的空间电荷测量已成为研究固体材料介电性能的常用方法。脉冲电声（PEA）方法已用于各种工业应用。例如用于离子导电材料的，高压绝缘材料，材料的内部电荷、电场和电势分布的研究和分析，可以实时检测电荷分布并将其转换为空间电荷分布，用于绝缘体，静电树脂，有机光电导体，离子迁移等。典型的PEA系统可以以毫秒级的重复速率测量样品厚度方向上的空间电荷分布。从微观角度分析绝缘材料老化和击穿原因—研制了一套基于电声脉冲法（PEA）直接测量聚合物中空间电荷分布的试验装置。

   电声脉冲法是一种无损的空间电荷测量技术。它用于描述聚合物绝缘材料内部的空间电荷分布、积累及其整体行为。空间电荷观测正在成为评估直流绝缘应用(尤其是高压电缆)中的聚合物材料测试时，使用广泛的技术。实际上，经过充分的评估，空间电荷的存在是导致高压直流聚合物电缆过早失效的主要原因，而且也是防止此类电缆快速劣化的主要原因。而且，已经表明可以通过空间电荷测量来诊断在使用应力下的绝缘劣化。但是，仍然缺少由空间电荷测量并且也与绝缘体的电气性能有关产生大量数据，来帮助总结和解释。

工作原理：

  在绝缘材料样品的电极之间施加周期性的高压脉冲。这种脉冲的特点是上升时间很快，持续时间很短。绝缘材料的试样也要经受高压直流电(等级取决于试样的厚度和形状)，这会导致绝缘材料层中的空间电荷积聚。每个脉冲产生的电场扰动绝缘材料中的内部电荷。这些电荷在每一层都产生相应的声压波。压电传感器检测声波，利用传感器信号获得空间电荷分布。为了描述空间电荷分布及其时间特性，可以对施加每个高压脉冲后检测到的此类信号进行详细分析。目前，绝大多数的电声脉冲法(pulsed electro- acoustic method，PEA)空间电荷测量装置均使用β相的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)有机聚合物薄膜作为压电传感器。在温度低于90℃时，PVDF才能保持其压电性能稳定。在70℃~90℃范围内，其压电应变常数(d33)随温度升高反而减小。因此，现有的绝大多数空间电荷测量只在70℃以内进行。

   华测仪器选择新型耐高温共聚物压电传感器、重新设计电极系统，开发了适用于高温下(≤110℃)的PEA法空间电荷测量系统，分析了温度对压电传感器性能、声信号的传播特性和穿过介质特性的影响，得出了对放大器输出的电压信号和空间电荷密度值的影响因素，进而校正了温度对PEA测量系统的影响。利用建立的高温PEA法空间电荷测量系统，测量了纯环氧试样在不同温度下空间电荷产生、积聚及消散的特性。