基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法
阅读说明：本技术 基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法 (Insulation material aging state evaluation method based on linear boosting and isothermal relaxation current ) 是由 尹毅 范路 王亚林 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：一种基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法,在不同升压速率的线性升压下测量电流,计算测试样品在测试系统中的等效电阻和等效电容,从而确定反映测试样品体极化状态的第一时间常数τ-(1)；对测试样品进行等温松弛电流测量,在第一时间常数τ-(1)为已知量的基础上采用三阶指数衰减函数拟合等温松弛电流；根据拟合结果计算老化因子,评估测试试样的老化状态；再通过绘制I(t)*t～lg(t)曲线分析测试样品的陷阱能态密度。本发明通过不同速率线性升压下的电流测量准确地获取了第一时间常数,得出的老化因子更准确。(An insulation material aging state evaluation method based on linear boosting and isothermal relaxation currents comprises the steps of measuring currents under linear boosting with different boosting rates, calculating equivalent resistance and equivalent capacitance of a test sample in a test system, and determining a first time constant tau reflecting the polarization state of a test sample body 1 (ii) a Isothermal relaxation current measurements are taken of the test sample at a first time constant τ 1 Fitting isothermal relaxation current by adopting a third-order exponential decay function on the basis of a known quantity; calculating an aging factor according to the fitting result, and evaluating the aging state of the test sample; and analyzing the trap energy state density of the test sample by drawing I (t) t-lg (t) curves. The invention accurately obtains the first time constant through current measurement under different rate linear voltage boosting, and the obtained aging factor is moreIs accurate.)
技术领域
本发明涉及的是一种绝缘测试领域的技术，具体是一种基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法。
背景技术
等温松弛电流法(IRC)是一种非破坏性绝缘材料老化性能评估方法，常用于电机线棒、电缆以及绝缘子等绝缘设备的老化状态评估。评估方法常采用软件对等温松弛电流曲线进行三阶指数衰减函数拟合，老化因子由拟合结果计算获取。第一时间常数与测试样品以及测量系统有关，反映测试样品在测量系统中的体极化状态，该参数受测试系统及测试环境的影响较大。由于第一时间常数相比于第二时间常数和第三时间常数小很多，且第一时间常数对应的第一系数具有较高幅值，因此在第一时间常数存在小偏差时将极大影响第二时间常数、第三时间常数以及老化因子的计算。
现有技术在进行绝缘材料老化状态评估时，一般以最优拟合效果为目标对等温松弛电流进行三指数衰减函数拟合，三个时间常数均由软件在经验范围内自动获取，但其获取的第一时间常数不能准确反映测试样品在测试系统中的体极化状态，比真实结果偏低。老化因子计算结果和老化状态的评估存在偏差。
发明内容
本发明针对现有等温松弛电流在三阶指数衰减函数拟合时存在第一时间常数未能准确反映测试样品真实体极化状态的不足，提出一种基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法，通过不同速率线性升压下的电流测量准确地获取了第一时间常数，得出的老化因子更准确。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法，在不同升压速率的线性升压下测量电流，计算测试样品在测试系统中的等效电阻和等效电容，从而确定反映测试样品体极化状态的第一时间常数τ1；对测试样品进行等温松弛电流测量，在第一时间常数τ1为已知量的基础上采用三阶指数衰减函数拟合等温松弛电流；根据拟合结果计算老化因子，评估测试试样的老化状态；再通过绘制I(t)*t～lg(t)曲线分析测试样品的陷阱能态密度。
所述的不同升压速率的线性升压，具体是指：施加电压Uk＝Kt，其中升压速率K分别设为0.25,0.5,1,2,4,8,16,32,64kV/min，施加电压升至5kV后停止升压，以防止测试过程发生局部放电影响电流测量结果，单次升压结束后将测试样品短路20min。
所述的线性升压下的电流Ik，包含容性电流分量IC和阻性电流分量IR， 其中容性电流分量IC为常量，对应于起始电流值Ik0，阻性电流分量IR线性升高。
所述的等效电容C，由起始电流值Ik0和升压速率K关系曲线的斜率确定， 在所有物理量均采用标准单位的情况下，等效电容
所述的等效电阻R，由施加电压Uk与阻性电流分量IR关系曲线的斜率确定，由 可得单一升压速率下的电阻取不同升压速率下电阻Rk的平均值作为等效电阻R。
所述的第一时间常数τ1＝RC，反映测试样品在测试系统中的体极化状态。
所述的等温松弛电流测量是指：在常温密闭环境下对测试试样施加10kV电压，加压30min，短路30min。取短路30min的电流结果作为等温松弛电流I(t)，等温松弛电流I(t)的采样速率设为500采样点/秒。
所述的三阶指数衰减函数拟合是指：拟合等温松弛电流其中：I0为直流稳态电流；a1为第一系数，τ1为第一时间常数，τ1＝RC，a1和τ1表示测试样品在测试系统中的体极化分量；a2为第二系数，τ2为第二时间常数，a2和τ2表示测试样品中晶区和无定形区之间的极化分量；a3为第三系数，τ3为第三时间常数，a3和τ3表示测试样品老化引起的极化分量。
所述的第二和第三时间常数τ2、τ3在确定第一时间常数τ1的基础上，根据最佳拟合优度R2获取，具体是指：设定τ1为已知量；根据经验设定τ2和τ3的拟合区间，以最佳拟合优度R2为目标确定τ2和τ3。
所述的三阶指数衰减函数拟合，拟合优度R2＝1-(回归平方和/总平方和)，R2越接近1，拟合效果越好。
所述的老化因子其中：晶区和无定形区之间界面极化的决定量 老化引起极化的决定量 所述的老化因子越大，测试样品老化状态越严重，老化因子小于1.75表明测试样品处于未老化状态。
所述的I(t)*t～lg(t)曲线，其横坐标为lg(t)，纵坐标为I(t)*t，通过I(t)*t～lg(t)曲线获取测试样品的陷阱能态密度分布。
技术效果
本发明通过不同升压速率的线性升压确定测试样品的等效电阻和等效电容，求取第一时间常数。在第一时间常数已知的基础上对等温松弛电流进行三阶指数衰减函数拟合。在不同升压速率线性升压下测量电流，由起始电流值和升压速率的斜率确定测试样品的等效电容，由不同升压速率下电压电流曲线斜率的均值确定测试样品的等效电阻，第一时间常数为等效电容和等效电阻的乘积。固定第一时间常数对等温松弛电流进行三指数衰减函数拟合，确定其余拟合参数，并计算老化因子评估测试样品的老化状态。绘制I(t)*t～lg(t)曲线获取测试样品的陷阱能态密度分布。
与现有技术相比，本发明在不同升压速率的线性升压下测量电流，求取测试样品在测试系统中的等效电阻和等效电容，从而确定反映测试样品体极化状态的第一时间常数τ1；对测试样品进行等温松弛电流测量，在第一时间常数τ1为已知量的基础上采用三阶指数衰减函数拟合等温松弛电流，根据拟合结果计算老化因子，评估测试试样的老化状态；再通过绘制I(t)*t～lg(t)曲线分析测试样品的陷阱能态密度。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为测试系统装置示意图；
图3为不同升压速率线性升压示意图；
图4为升压速率为1kV/min时的电流测量结果图；
图5为升压速率与起始电流值的关系图；
图6为等温松弛电流及三指数衰减函数的拟合结果图；
图7为I(t)*t～lg(t)曲线图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于线性升压和等温松弛电流的绝缘材料老化状态评估方法，具体步骤为：
步骤1、设计电流测量装置并放置测试样品：以未老化电缆的等温松弛电流测量为例，如图2所示，当开关2置于直流高压源4侧时，直流高压源4通过保护电阻3为电缆1的内导体提供高电压。加压一定时长后，通过开关2切换至接地侧对电缆1短路处理。加压和短路期间由电流表5测量回路电流并通过采集装置6存储至计算单元7，采样速率为500采样点/秒。测试过程处于等温密闭环境，采集装置置于密封腔体外。
步骤2、在不同升压速率的线性升压下测量电流：分别设定直流高压源4的升压速率为0.25,0.5,1,2,4,8,16,32,64kV/min，施加电压升至5kV后将样品短路，加压示意图如图3所示，利用电流表5测量线性升压下的电流Ik，其包含容性电流分量IC和阻性电流分量IR， 其中容性电流分量IC为常量，对应于起始电流值Ik0，阻性电流分量IR线性升高。升压速率为1kV/min时的电流测量结果如图4所示，其中起始电流值Ik0为7.6pA，电流Ik随着施加电压的增加而线性抬升。
步骤3、计算测试样品的等效电容C和等效电阻R，求取时间常数τ1。绘制升压速率K和起始电流值Ik0的关系曲线，如图5所示，升压速率K和起始电流值Ik0成线性关系。起始电流值Ik0和升压速率K的关系为：等效电容由线性拟合结果可得等效电容C为0.4783pC。线性拟合单次线性升压的电压电流曲线，由可得电阻 取不同升压速率下电阻Rk的平均值作为等效电阻R，等效电阻R＝3.03*1012Ω。第一时间常数τ1由等效电容C和等效电阻R确定，τ1＝RC＝1.45s。
步骤4、测量等温松弛电流I(t)：在常温密闭环境中对测试试样施加10kV电压，加压30min，短路30min。短路30min的电流测量结果即为等温松弛电流I(t)，等温松弛电流I(t)的采样速率设为500采样点/秒。
步骤5、对等温松弛电流I(t)进行三阶指数衰减函数拟合，表达式为 其中：第一时间常数τ1为步骤3得出的1.45s，设定第二时间常数τ2和第三时间常数τ3的经验范围分别为5～100s和30～500s。利用origin2020软件的三指数衰减模型基于拟合优度R2确定最优拟合参数τ2为7.77s，τ3为32.55s，a1＝-923.22，a2＝-420.9，a3＝-50.37，I0＝-18.38。
如图6所示，等温松弛电流I(t)和拟合曲线基本重合，R2＝0.99815表明拟合效果较好。图中的拟合信息如下表：
表1
步骤6、计算老化因子A判断测试样品的老化状态。采用计算老化因子，其中表示测试样品中晶区和无定形区之间的界面极化决定量；表示老化引起的极化决定量。所述的老化因子越大，材料老化状态越严重，根据步骤5中的结果可得老化因子A为1.4906，小于1.75，说明测试样品处于未老化状态。
步骤7、绘制I(t)*t～lg(t)曲线获取陷阱能态密度，如图7所示，陷阱能态密度主要集中在lg(t)＝1处，说明测试样品内部主要为浅陷阱，不存在老化引起的深陷阱分布，其与步骤6中得出测试样品处于未老化状态的结论一致。
经过具体实际实验，在步骤4中得出的等温松弛电流I(t)，本发明采用不同升压速率线性升压获取的第一时间常数τ1为1.45s，老化因子A为1.4906，本案例中老化因子A＜1.75，测试样品处于未老化状态。而采用现有技术获取的第一时间常数τ1为0.84s，老化因子A为1.268，现有技术会造成老化因子计算结果偏低，在测试样品存在老化时将导致老化等级评估存在误差。
与现有技术相比，本方法在不同升压速率线性升压下测量电流，计算测试样品在测试系统中的等效电容和等效电阻，由此获取的第一时间常数准确反映测试样品的体极化状态。在确定第一时间常数的基础上对等温松弛电流进行三指数衰减函数拟合确定其余拟合参数。采用多次线性升压下的电流测量准确地获取了第一时间常数τ1，得出的老化因子准确反映了测试样品的老化状态。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
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