[发明专利]一种固体电介质材料陷阱参数测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于电介质材料陷阱特性测量技术领域，涉及一种固体电介质材料陷阱参数测量装置及测量方法。

背景技术

聚合物绝缘材料具有诸如直流电阻高、介质损耗低等良好的介电性能，良好的热稳定性以及优良的机械加工性能，因而在电气绝缘领域得到广泛的应用。但随着电力系统电压等级的提高以及直流输电技术的发展，聚合物绝缘的空间电荷效应问题日渐突出，由此导致聚合物材料内部电场畸变，引发局部放电及电树枝发展，从而造成聚合物材料老化问题，如何抑制和消除聚合物绝缘中的空间电荷已经成为国内外电气绝缘领域的研究热点。

目前关于聚合物老化机理的研究很多，其中比较有代表性的是加拿大的高观志(Kwan-Chi Kao)和国内西安交通大学的屠德民等人提出的热电子引发聚合物降解理论。在高电场作用下，电子/空穴通过肖特基效应(Schottky effect)或福勒-诺德海姆效应(Fowler-Nordheim effect)从电极注入到聚合物中，由于材料禁带能隙内存在大量的陷阱态，电子/空穴的平均自由路径短，因此很快被陷阱俘获而形成空间电荷。在空间电荷的入陷/复合过程中，当电荷由高能态迁移到低能态时，多余的能量通过非辐射形式转移给另一个电子，使后者变成热电子。具有足够能量的热电子将导致分子降解而形成大量的大分子自由基，将进一步引发自由基链式反应，导致聚合物的进一步降解。热电子的产生和热电子的能量决定于陷阱的密度和深度，改变聚合物的陷阱深度或密度，就能改变热电子的形成几率和能量。因此空间电荷的注入、迁移、入陷/脱陷、复合等过程与材料内部陷阱特性密切相关，因此测量和分析材料的陷阱特性如能级、密度等，对于材料的空间电荷形成和抑制机理以及聚合物材料的老化状态表征和评估具有十分重要的意义。

另一方面，由于真空中沿面绝缘的击穿电压远低于绝缘子材料的体击穿电压，长期以来真空沿面闪络现象一直制约着真空绝缘性能的提高，增大了真空设备体积和费用，极大地限制了高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。真空绝缘用无机材料或有机复合材料中通常存在大量的缺陷，这些缺陷通常来自晶体缺陷、杂质以及无定形区域的原子杂乱排列等。大量缺陷的存在使得材料内部及表面形成大量的局域态能级，即陷阱。材料表面的陷阱会导致材料表面带电不均匀，进而畸变局部电场，另外陷阱电荷的注入和释放过程也会对沿面闪络现象产生重要影响。电介质的陷阱特性及表面带电特性长期以来一直受到广泛关注，认为其与真空条件下介质的沿面闪络特性密切相关。

申请号为200710017229.6的中国专利所公开的《一种聚合物材料陷阱参数的测试方法》适用于聚合物材料陷阱参数的测试，对于同属于固体电介质材料的无机绝缘材料，如氧化铝、可加工陶瓷等的陷阱参数测试则难于进行。

西安交通大学的张冠军等人认为不同能级的陷阱可能对闪络进展有着不同的贡献，低能级陷阱捕获电荷后容易短时释放，易引起闪络放电(华北电力大学李成榕和丁立健的观点与此一致)，而较深能级陷阱对于抑制材料表面的二次电子发射有一定的作用，通过提高深陷阱的密度可以在一定程度上提高沿面闪络电压，但由于陷阱电荷对电场的畸变作用，会使得一旦发生闪络后后续闪络容易发生。张冠军等人还认为陷阱参数可能是除表面电阻率、介电常数等参数外影响绝缘材料闪络电压的一个更本征的参数。

基于上述分析，陷阱特性十分显著地影响固体电介质材料的介电和放电特性，并可能成为一种更为本征的固体电介质材料性能表征参数，因此测量和分析固体绝缘材料的陷阱参数具有十分重要的意义。

加拿大的西蒙斯(J.G.Simmons)等人在上世纪70年代提出，可以通过受激励材料在等温条件下的电流衰减特性得到其任意能量水平的陷阱参数。此理论基于绝缘材料受激励后被陷阱俘获的载流子在恒温条件下的热脱陷过程，认为介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放；在恒温下热释放电流随时间而变化，这个电流反映了陷阱能级的分布规律。其优点在于不需要任何陷阱分布先验假设，测量的等温衰减电流随时间的变化关系能直接反映材料的陷阱分布。另外基于固体介质在电场下注入载流子形成的空间电荷位置分布形式，可以通过测量表面电位衰减特性来区分电子和空穴陷阱，从而得到单一载流子陷阱信息。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种固体电介质材料陷阱参数测量装置及测量方法，既适用于无机绝缘材料，如氧化铝、可加工陶瓷等绝缘材料陷阱的测试，同时也适用于聚合物绝缘材料陷阱的测试。

本发明是通过以下技术方案来实现：