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絕緣油體積電阻率測(cè)試儀

電阻率測(cè)量通常是在施加一個(gè)激勵(lì)信號(hào)后的zhi定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)榻^緣材料的電阻率一般不會(huì)迅速收斂于一個(gè)穩(wěn)定值，這就要求任何的電阻率技術(shù)指標(biāo)都必須對(duì)應(yīng)電阻測(cè)量時(shí)間點(diǎn)。 除非另作說明，我們通常是在輸入一個(gè)激勵(lì)信號(hào) (帶電) 60 秒后開始進(jìn)行電阻率測(cè)量 (根據(jù) ASTM D257 標(biāo)準(zhǔn))。 由于電阻率測(cè)量會(huì)受到環(huán)境溫度和濕度的影響，因此有必要記錄每一次測(cè)量的數(shù)據(jù)，以方便用戶比較不同材料的電阻率測(cè)量結(jié)果。

電阻率：

電阻率是半導(dǎo)體材料最重要的特性參數(shù)之一，通過對(duì)其測(cè)量，可以掌握樣品中雜質(zhì)濃度的分布情況。因此，在半導(dǎo)體工業(yè)中，必須快速、準(zhǔn)確地對(duì)硅晶圓片電阻率進(jìn)行測(cè)量和分檔。 本文首先詳細(xì)分析了四探針電阻率測(cè)試原理，在比較了幾種測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，確立了矩形四探針法，與國(guó)內(nèi)廠家現(xiàn)在普遍采用的直線四探針法相比，用矩形四探針法可以獲得更小的測(cè)量微區(qū)，而且其游移偏差也小于直線四探針測(cè)量所產(chǎn)生的偏差。 在此基礎(chǔ)之上，將直流四探針測(cè)試方法與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出數(shù)字化智能四探針電阻率測(cè)試儀，詳細(xì)說明了各部分電路的組成及功能，以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)依據(jù)直流四探針法原理，采用由16位單片機(jī)MSP430控制的高穩(wěn)定度可編程恒流源電路和低溫漂、低噪聲可編程放大器電路，以及自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路等部分構(gòu)成測(cè)量回路，使得該儀器能夠自動(dòng)識(shí)別待測(cè)樣品的電阻率，并根據(jù)電阻率大小自動(dòng)切換量程，既可以獨(dú)立工作，又可以通過RS-232接口與PC機(jī)通信，大大提高了該測(cè)試儀的數(shù)據(jù)處理能力和測(cè)量精度，而且操作十分方便高效。該測(cè)試儀有較高的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。

      1、電力系統(tǒng)中應(yīng)用的絕緣介質(zhì)種類非常多，根據(jù)形態(tài)可以分為3類，即：固體絕緣介質(zhì)、液體絕緣油、 絕緣氣體?，F(xiàn)在已知的液體絕緣油主要有3類： 礦物絕緣油、合成絕緣油、植物絕緣油。

液體絕緣油廣泛應(yīng)用于電力變壓器、斷路器、電 壓互感器等充油高壓電氣設(shè)備，通過油浸和填充來消除設(shè)備內(nèi)絕緣的氣隙，起到絕緣、散熱冷卻和熄滅電弧等作用。

絕緣油在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，因熱老化等原因引起品質(zhì)劣化會(huì)造成充油電氣設(shè)備絕緣性能下降，介電性能偏離，給電氣設(shè)備安全運(yùn)行帶來隱患。 傳統(tǒng)油浸式變壓器大多是采用以石油為原料的礦物 絕緣油作為絕緣介質(zhì)。

介質(zhì)損耗因數(shù)反映的是，交流電場(chǎng)下，油中內(nèi)部電荷不平衡而導(dǎo)致的與施加電壓同相位阻性泄露電流產(chǎn)生的有功損耗；體積電阻率反映的是，直流電場(chǎng)下，油中電離雜質(zhì)極性分子引起的損耗電流，即電導(dǎo)電流通過電極兩端的能力。兩者都是評(píng)判絕緣 油的固有質(zhì)量和污染程度的重要指標(biāo)，可用于解釋絕緣油介電特性發(fā)生偏離的原因，也可解釋其對(duì)于使用該液體的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生的潛在影響。

2絕緣油體積電阻率測(cè)試儀簡(jiǎn)介與校準(zhǔn)規(guī)范說明

2．1測(cè)試儀器簡(jiǎn)介與公式說明

絕緣油介質(zhì)損耗及體積電阻率測(cè)試儀是測(cè)量絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率的儀器。其包括油杯、溫控系統(tǒng)、測(cè)量電路(信號(hào)處理單元及信號(hào)測(cè)量 單元)、交直流高壓電源、電容標(biāo)準(zhǔn)器、體積電阻率測(cè)量系統(tǒng)等|。

對(duì)絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)及體積電阻率測(cè)試儀的示值誤差校準(zhǔn)，其中體積電阻率示值誤差公式為：△ρ=ρ_m-ρ_n

式中：△ρ為體積電阻率示值誤差，Ω·m；ρ_m為測(cè)試儀體積電阻率示值，Ω·m；ρ_n為體積電阻率標(biāo)準(zhǔn)值，Ω·m。

測(cè)試儀體積電阻率示值ρ_m從被校準(zhǔn)測(cè)試儀屏幕直接讀取，體積電阻率標(biāo)準(zhǔn)值ρ_n需要換算。文獻(xiàn)給出了體積電阻率換算公式ρ=0.113C₀R            （1）

式中：ρ為絕緣油體積電阻率，Ω·m；C₀為油杯的空杯電容值，pF；R為絕緣油絕緣電阻值，Ω。

可知，只有先得到油杯的空杯電容值，才能計(jì)算得到體積電阻率標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而校準(zhǔn)被測(cè)儀器的體積電阻率示值誤差。式(1)直接給出了結(jié)果而沒有給推導(dǎo)過程，為了給出推導(dǎo)過程，先引人電阻率和電流密度的概念。

絕緣材料的體積電阻率是在材料內(nèi)直流電場(chǎng)強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)電流密度的比值，其定義為電阻性材料中某一點(diǎn)的直流電場(chǎng)強(qiáng)度E與該點(diǎn)電流密度J的比值。即某一點(diǎn)體積電阻率為：

ρ=E/J     (2)

電流密度，用來描述導(dǎo)體橫截面上一特定點(diǎn)的電荷流動(dòng)情況。對(duì)于橫截面的每個(gè)面元，電流密度的大J等于通過該面元每單位面積的電流?？梢詫懽?span>J·dA，其中dA為面元的面積矢量，它垂直于面元。通過該面的總電流為i=∫_AJ·dA。如果電流均勻流過該面且平行于dA，則J也是均勻的且平行于dA。則有：

i=∫_AJ·dA=J∫J·Da=JA， 即J=i/A，將E=U/d及J=i/A代入式（2），

得ρ=E/J=(U/d)/(i/A)=R·A/d  （3）

將電容公式C₀=ε₀A/ d代入式（3），得體積電阻率為

ρ= R·A/d= R C₀/ε₀=0.113 C₀ R

式中：ε₀為真空介電常數(shù)，取8.85×10^-12F/M。

以上為體積電阻率計(jì)算公式的推導(dǎo)過程。絕緣電阻標(biāo)準(zhǔn)值尺可以由標(biāo)準(zhǔn)電阻箱直接給出，所以得到準(zhǔn)確空杯電容值C₀才能換算出準(zhǔn)確體積電阻率標(biāo)準(zhǔn)值。

2．2油杯模型簡(jiǎn)介

大多數(shù)油杯為三電極結(jié)構(gòu)。利用高壓電極對(duì)絕緣油施加電壓，通過測(cè)量電極測(cè)出絕緣油中產(chǎn)生的電流，根據(jù)油杯幾何尺寸進(jìn)而求出絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)與體積電阻率。同 時(shí)在測(cè)量電極上部設(shè)置保護(hù)電極，將絕緣油表面電流直接引人大地，以消除體電流影響。保 護(hù)電極與測(cè)量電極共同構(gòu)成內(nèi)電極，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不同廠家生產(chǎn)測(cè)試儀信號(hào)接口不同，很難直接使用LCR數(shù)字電橋測(cè)出測(cè)量電極與高壓電極間的電容值(即空杯電容值)。

3 空杯電容值的理論計(jì)算

文獻(xiàn)[19，20]介紹了計(jì)算電容可直接溯源到準(zhǔn)確度更高的長(zhǎng)度基準(zhǔn)的一種應(yīng)用。以下根據(jù)油杯幾何尺寸計(jì)算油杯電容值。

由電容定義，導(dǎo)體帶的電荷量Q與電勢(shì)V的比例常量反映導(dǎo)體容納電荷的能力，用C表示。即C=Q/V

電容只取決于電容器的幾何結(jié)構(gòu)而不取決于兩板的電荷與電勢(shì)差。

高斯定理表明穿過一閉合面(高斯面)電通量與該面所包圍的電荷的關(guān)系。基于高斯定理，對(duì)于不同幾何結(jié)構(gòu)電容器，其電容值計(jì)算步驟如下：

1)假定在兩極板上有電荷q； 2)應(yīng)用高斯定理根據(jù)此電荷計(jì)算兩極板之間 電場(chǎng)強(qiáng)度E； 3)根據(jù)E計(jì)算兩極板間電勢(shì)差； 4)最后根據(jù)式計(jì)算電容C。

為方便計(jì)算，將該油杯模型簡(jiǎn)化為成圓錐體與圓柱體電容的并聯(lián)模型，電容值為兩部分的并聯(lián)。其中具體尺寸由某一型號(hào)絕緣油介質(zhì)損耗與體積電阻率測(cè)試儀的油杯實(shí)際測(cè)量得到。油杯測(cè)量電極上半部分為圓柱體，圓柱體電極gao度L₂為50.64 mm；下半部分為圓錐體，圓錐體母線長(zhǎng)度L₁為32.40mm。測(cè)量電極外半徑a為30.00 mm，高壓電極內(nèi)半徑b為32.00 mm，內(nèi)外油杯間距僅有2.00 mm，遠(yuǎn)小于電極尺寸，電場(chǎng)在極板邊緣處的邊緣效應(yīng)可以忽略。

3．1 圓錐體電容值的理論計(jì)算

取一高斯面使它剛好包圍住高壓極板上的電荷。

根據(jù)高斯定理有:   ε₀∮E·Da=q

q是高斯面所包圍的電荷，而蟲層∮E·dA是穿過該面的凈電通量。當(dāng)電通量穿過高斯面時(shí)，E大小均勻且和dA總是平行的。于是可得：

q=ε₀ EA   （4）

由電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式：

V_b-V_a=-∫^b_aEds    （5）

為了方便，選擇一條從測(cè)量電極到高壓電極的電場(chǎng)線路徑。因矢量E和ds方向相反，用V表示電勢(shì)差，可把式(5)改寫為：

V=∫⁺_- Eds   （6）

把式(4)中的q和式(6)中的V代入q=CV，可得到

C=ε₀A/d    (7)

對(duì)于圓錐面，側(cè)面積為A=ΠRL

式中：R為圓錐底面半徑；L為母線長(zhǎng)度。代入式 (7)，可得圓錐體電容值的理論計(jì)算公式

C=ε₀A/d=ε₀ΠRL/ d   (8)

3．2圓柱體電容值的理論計(jì)算

因圓柱體母線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于內(nèi)電極半徑(L》b)， 則可以忽略柱面兩端的電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，假設(shè)每個(gè)極板帶有大小為q的電荷。選擇一長(zhǎng)度為L半徑為r 的圓柱面作為高斯面，如圖3所示。

對(duì)于該圓柱體，除去兩端蓋的側(cè)面積為：A=2ΠrL

代入式(4)得出：

q=ε₀ EA=ε₀ E（2ΠrL）即 E= q/2Πε₀rL   （9）

將式（9）中的E代人式(6)，得