基于复介电常数实虚部联合分析的频域介电谱解谱方法与流程

专利2026-02-01  12


本发明属于电力设备绝缘优化领域。


背景技术:

1、频域介电谱(frequency-domain spectroscopy, fds)法是一种交流的检测方法,这种方法通过检测某几个频率的电缆介电参数,实现电缆绝缘状态的检测,有安全、提取特征量容易的优点。介电常数是衡量介质电容量的基本电气参数。首先,从定义上来讲,电介质与导体一个重要区别在于,其电荷在电场力的作用下会出现贮存和累积现象,从而在材料内部形成外施电场的反向“抵消电场”,这一现象被称为极化。理论上,理想电介质材料内部的电荷仅出现积聚过程,然而,由于实际材料不可避免的结构缺陷,如晶体内部晶格缺陷或杂质掺杂等情况,电荷在电场作用下还会出现定向转移运动,即电导过程。凝聚态物理中相关理论认为,传导和积聚是电介质内电荷的两种主要运动形式。如果对材料施加交变电压u(t)=umsinωt,极化过程电荷聚集而产生的响应电流将超前电压相位90°,呈容性,而由于介质的能量损耗,还会存在一个与电压同相位的阻性电流ir。

2、由于材料内部存在微观电荷的极化与电导运动,交流电场中的介质响应电流将包含容性和阻性电流两个分量,其中,阻性响应电流与激励电压的相位保持一致,而容性响应电流的相位则比激励电压相位提前90°,二者的共同作用导致实际响应电流与激励电压之间存在一个锐角相位差φ,因此电介质物理学在复平面内基于介电常数的概念衍生出复介电常数ε*这一参量,通过单位复数i表征激励电压、响应电流与复介电常数的关系。

3、复介电常数ε*(ω)和介质损耗tanδ(ω)是相关专家学者在进行fds分析时最常用的介电参量,除此之外,也衍生出对介电模量m*(ω),复电导率σ*(ω),复极化率χ*(ω)等参量的研究,然而,由于一方面缺乏对宽频带内绝缘材料介电响应微观机理的充分理解,另一方面缺乏对这些宏观参量所反映的物理实质进行深入论证和分析,现阶段在针对实测的fds曲线中某些现象或曲线特征进行分析时,采用不同参量时常出现一定的争议。


技术实现思路

1、为解决上述技术问题,本发明在分析复介电常数与介电弛豫过程关联关系的基础上,首先提出了频域复介电常数实、虚部的联合分析方法,将pplp薄膜的fds曲线分解为不同介电弛豫过程的独立谱线;再通过对pplp薄膜的tsdc偏置电压法测量,确定了其内部不同弛豫过程的数量及产生电荷类型;之后,以势垒能级为关键参量,联系起频域介电谱法(fds)与热激励去极化电流法(tsdc)两种测量方法,从而有效揭示了pplp薄膜fds的微观机理,由此建立了具有明确物理意义的fds分析模型。

2、本发明提供了如下技术方案:一种基于复介电常数实、虚部联合分析的频域介电谱解谱方法,包括:

3、对电介质样品输出一系列频率不同的交变电压,以获得相应频率的响应电流;

4、结合所述响应电流和输出电压的波形信息,以获得各参量的频域介电响应曲线;

5、将所述频域介电响应曲线分解为不同介电弛豫过程的独立谱线;

6、对所述电介质样品按照热激励去极化电流法进行测量,确定其内部不同弛豫过程的数量及产生电荷的类型;

7、基于所述独立谱线和产生电荷的类型,结合频域介电谱法与热激励去极化电流法两种测量方法,以建立频域介电谱分析模型。

8、优选地,所述电介质样品为聚丙烯复合纸,其具有较高的介电强度,低温下具有良好的机械性能。

9、优选地,通过测量设备获得所述响应电流,所述测量设备包括:宽频介电与阻抗谱仪、介质谱分析仪。

10、优选地,所述响应电流的相关参数包括:响应电流的幅值和相位。

11、优选地,所述方法采用二电极系统实施。

12、优选地,所述各参量包括:介质损耗角tanδ、复电容量c*以及复介电常数ε* 中的至少一者。

13、优选地,所述聚丙烯复合纸的结构为“三明治”几何结构,由两层牛皮纸和一层pp膜复合而成。

14、优选地,所述介质谱分析仪,施加电压的幅值范围为0~200v。

15、优选地,所述介质谱分析仪,频率范围为0.1mhz~10kh。

16、优选地,频域介电谱法包括:将材料放置在一个电容器的电极板之间,然后施加不同频率的电信号,随着频率的变化,电极板之间的电场也会发生变化,从而引起材料的极化,通过测量电极板之间的电容变化,可以计算出材料的介电常数。

17、优选地,热激励去极化电流法包括:通过对材料在一个持续的升温过程中进行其热刺激电流的测量,能够将材料内部具有不同松弛时间τ、极化强度p0或势垒能级h等微观参量的电荷运动分离开来,并进行各自的求解。

18、对于fds测量结果,本发明通过综合观察和分析实、虚部数据特征,在确定弛豫过程数量及相应频率范围的基础上,灵活地基于经典方程对各独立介电过程分别拟合,可以有效减小对电导损耗计算的误差。

19、考虑到从本质上讲,频域内介质的响应电流和升温过程中介质的去极化电流均源于介质内部各种电荷的弛豫运动,是同一物理现象在不同条件变量下的响应形式。因此提出借助tsdc在介质微观运动机理分析方面的成熟理论,可以为fds的机理解释提供可靠判据。

20、本发明的技术优点如下:本发明在分析复介电常数与介电弛豫过程关联关系的基础上,首先提出了频域复介电常数实、虚部的联合分析方法,以势垒能级为关键参量,联系起fds与tsdc两种测量方法,从而有效揭示了pplp薄膜fds的微观机理,由此建立了具有明确物理意义的fds分析模型。



技术特征:

1.一种基于复介电常数实、虚部联合分析的频域介电谱解谱方法,其特征在于,所述方法包括:

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,优选的,所述电介质样品为聚丙烯复合纸。

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,通过测量设备获得所述响应电流,所述测量设备包括:宽频介电与阻抗谱仪、介质谱分析仪。

4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法采用二电极系统实施。

5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述各参量包括:介质损耗角tanδ、复电容量c*以及复介电常数ε*中的至少一者。

6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述聚丙烯复合纸的结构为“三明治”几何结构。

7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述介质谱分析仪,施加电压的幅值范围为0~200v。

8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述介质谱分析仪,频率范围为0.1mhz~10kh。

9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,频域介电谱法包括:将材料放置在一个电容器的电极板之间,然后施加不同频率的电信号,随着频率的变化,电极板之间的电场也会发生变化,从而引起材料的极化,通过测量电极板之间的电容变化,可以计算出材料的介电常数。

10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,热激励去极化电流法包括:通过对材料在一个持续的升温过程中进行其热刺激电流的测量,能够将材料内部具有不同松弛时间τ、极化强度p0或势垒能级h等微观参量的电荷运动分离开来,并进行各自的求解。


技术总结
本发明公开了一种基于复介电常数实、虚部联合分析的频域介电谱解谱方法,包括:对电介质样品输出一系列频率不同的交变电压,以获得相应频率的响应电流;结合所述响应电流和输出电压的波形信息,以获得各参量的频域介电响应曲线;将所述频域介电响应曲线分解为不同介电弛豫过程的独立谱线;对所述电介质样品按照热激励去极化电流法进行测量,确定其内部不同弛豫过程的数量及产生电荷的类型;基于所述独立谱线和产生电荷的类型,结合频域介电谱法与热激励去极化电流法两种测量方法,以建立频域介电谱分析模型。本发明综合了FDS与TSDC两种测量方法,有效揭示了PPLP薄膜FDS的微观机理,建立了具有明确物理意义的FDS分析模型。

技术研发人员:黄华,李红雷,苏磊,焦婷,徐晴川
受保护的技术使用者:国网上海市电力公司
技术研发日:
技术公布日:2024/12/17
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