1、本科毕业论文（20 届）非线性与线性介质夹层极化的仿真分析所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -非线性与线性介质夹层极化的仿真分析摘要非线性绝缘介质是指其电导率或（和）相对介电常数随电场变化而变化的绝缘介质，而在实际应用中，广泛使用非线性填料的复合介质。本文对添加了非线性填料的复合材料的内部极化机理进行研究，以电导率与电场强度为非线性关系的介质为研究对象，对其进行数学建模，并仿真分析了在阶跃电压和正弦电压下可能出现的响应。在以往的复合材料研究中已经发现：添加了非线性填料的复合材料介电特性与单一介质材料的特性
2、不同，由此推断复合材料交流介电特性可能由复合材料中微界面夹层极化机制所决定的。为证实上述推断，本文采用氧化锌阀片与环氧树脂聚合平板构造一维宏观层状复合体系模型，模拟非线性复合材料中的微界面，以宏观来验证微观。本文为进行对复合材料微界面的模拟，首先建立非线性氧化锌与线性环氧树脂的层状复合体系模型，并对模型进行数学分析，建立了层状介质模型输出电流与输入电压之间的微分关系式，由此应用 Simulink 软件建立了该层状介质的仿真模型，然后对模型进行不同条件下的仿真，得出在阶跃电压和标准正弦电压下的响应电流曲线，还通过时域电流分解法得出该一维宏观模型的阻性电流曲线与容性电流曲线，由此得出描述交流介电性
3、能的基本特性曲线。并与实验测试结果进行比较分析，由二者介电特性规律是否吻合，来判断说明复合材料响应特性确实是由复合材料中微界面夹层极化决定的。 关键词：层状复合体系；非线性电介质；仿真；响应电流；时域分解哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Simulation and Analysis of Interface Polarization of Linear and Non-linear materialsAbstractNon-linear dielectrics are the insulation dielectrics whose electric conductivity or/an
4、d relative dielectric constant change with electric field .NowComposite materials added with non-linear dielectrics are widely used in industry. In this paper, it has been researched on the internal polarization mechanism of composite materials and takes the dielectrics whose electric conductivity h
5、as a non-linear relationship with the electric field intensity as research object, builds up mathematics model and simulates possible response of the model under different excitation.It can be concluded in former research: the electric conductivity of composite is quite different from pure dielectri
6、c. So we can refer that AC dielectric property of composite materials is decided by the interlayer polarization of the micro surface to confirm the above conclusion ,this text use one-dimension macroscopic scale layered composite system made up of ZnO disc and polymerization panel to analog the micr
7、o-surface of composite materials and to prove the micro with the microscopic.It first builds up the mathematics model of micro-surface making up layered composite system with non-linear ZnO and linear epoxy resin in this paper. Then do the simulation under different conditions to get the current res
8、ponse. It gives the response line under step voltage and sin voltage. Finally we can receive equivalent electric conductivity by the way of time decomposition. Compared with the results from experiences, if they fit each other, it means that AC electric conductivity of composite materials is decided
9、 by the polarization on the micro-surface of composite materials. If they dont fit, we can deny the former conclusion.Keywords : layered composite system；Non-linear insulating 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -dielectrics；simulation；current response；time domain decomposition哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第一
10、章 绪论 .11.1 课题研究的背景目的及意义 .11.2 非线性绝缘材料的国内外研究及应用现状 .21.3 电介质物理中的慢效应及其展望 .41.4 本文主要研究内容 .5第 2 章 宏观层状介质界面极化仿真原理 .62.1 层状介质界面极化仿真流程框图 .62.2 Simulink 仿真软件简介 .72.2.1 Simulink 中的信源、信宿 .82.2.2 示波器仿真属性的设置 .92.2.3 Simulink 仿真的设置 .102.3 层状结构中的氧化锌非线性材料伏安特性的实验研究 .112.3.1 实验样品制备以及伏安特性测试实验数据处理 .112.3.2 氧化锌阀片的电导率-电场
11、曲线拟合 .142.4 层状介质微分方程的建立 .152.5 本章小结 .17第 3 章 仿真过程及结果分析 .183.1 仿真模型的建立 .183.1.1 建立仿真模型的元件简介 .183.1.2 仿真模型中系数的设定 .193.2 阶跃电压下仿真分析 .203.3 正弦电压下仿真分析 .243.4 层状介质等效基本特性曲线 .293.4.1 响应电流的时域分解原理 .293.4.2 响应电流的分解 .303.4.3 层状介质的等效基本特性曲线 .343.5 本章小结 .38结论 .40致谢 .41参考文献 .42附录 .45哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第一章 绪论1.1 课题研究的
12、背景目的及意义我国是个幅员辽阔，地域分散性大，人口众多的用电大国。随着经济社会的不断发展，对电力工业也提出了新的要求。大容量、远距离输电对各种电气设备及传输电路的绝缘耐压等级和可靠性要求越来越高，而传统的绝缘材料已经满足不了目前的绝缘需求，研究和发展多种性能优良的绝缘材料成为目前电气绝缘材料发展的普遍趋势 1。绝缘材料是保证电工设备安全运行和提高电工设备技术水平不可缺少的关键材料 2。对绝缘材料性能的研究，无论在电力传输、电力防护等方面都有着不可忽视的基础作用。近年来随着材料学的发展，我们有能力突破了传统线性材料的束缚，非线性材料在材料工业中得到越来越广泛的应用。非线性电介质是指随电场强度的改
13、变，相对介电常数或（和）电导率也随之变化的绝缘介质，它的突出优点是具有在不均匀电场下自行均匀电场分布的能力，抑制产生空间电荷，提高绝缘结构的电气性能，因而又被称为“ 智能绝缘材料” 3。基于非线性材料的优异性能，运用先进技术制备线性材料与非线性材料的复合绝缘材料，能有效在不均匀电场下自行均化电场的分布并限制空间电荷的产生，因而在绝缘结构整体性能不发生明显下降的同时可大大提高绝缘结构的寿命或介电强度 4，将是今后绝缘材料的一个主要方向，为电力工业提供更加可靠安全的保障。由于人们对实际应用中绝缘系统的各种各样的性能要求，使得组合绝缘成为绝大多数场合下的主要绝缘形式。同时绝缘材料也倾向于由两相或两相
14、以上复合而成。然而在这样的复合绝缘中由于介质的不连续或相间界面存在，给体系的介电和电气性能带来了影响 5。正如人们在目前广泛应用并不断开发的聚合物复合材料中发现的那样。因而在层状复合材料中分析界面处的极化形式及电场分布影响十分重要。界面极化是研究界面引入对复合绝缘电性能影响的首要问题。分析界面极化在何时出现对于材料的设计与使用很重要，其中材料的电导率以及界面的组成和状态非常值得重视。 随着非线性绝缘材料在工业中的广泛应用，对非线性材料自身特性的研究已日臻完善，大批科学工作者在聚合物基非线性复合材料研究领域也以取得了较大进展，而对线性材料与非线性材料复合介质的微观界面极化特性研究还有待深入。经多
15、年专家研究资料可以猜测，非线性材料和线性材料微界面处的极化形式必定和以往的传统复合材料间的极化形式有所不同。由李景德教授研究的文献可知，以往熟知的凝聚物质各种物理效应仅哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -限于快效应，而在事实上还存在完全不同的另一类效应，称为慢效应，它既不遵守已被公认的普遍理论，甚至也不能用传统的方法来描述 6。而这种新发现的效应理论很可能用来解释非线性材料和线性材料复合绝缘的微界面极化效应。电力设备或器件中材料的损坏多起源于材料的老化，而材料老化特性又与材料间的电化学反应密切相关，随非线性材料与线性材料填充复合绝缘结构的出现，研究非线性材料与线性材料的微界面慢极化效应机理已十
16、分重要。同时，分析其界面间介电特性与两线性材料复合绝缘的差异可为日后改进性能的非线性材料应用于工业生产及电力设备中提供可靠的参考依据。对慢效应的研究有助于预言和防止材料的老化和疲劳，因而对改进材料性能有基础作用。由于非线性材料性能的约束，使得我们不能利用传统的数学推导方法进行非线性材料的研究，目前对其性能的研究只能依赖于软件仿真。Simulink 是描述非线性方程、进行非线性性能仿真的有力工具，本文正是基于 Simulink 仿真来进行非线性材料与线性材料微界面极化方式的研究。在以往的非线性材料与聚乙烯构成的复合材料的实验中发现：复合材料交流等效电导率随频率增加而增加。由此推断复合材料交流介电
17、特性由复合材料中微界面夹层极化机制所决定。本文为证实上述推断，用氧化锌阀片与聚合平板构造一维宏观模型，以宏观来验证微观，通过仿真结果得出的等效介电参数与复合材料测试结果进行比较，若二者相吻合，则说明上述推断正确。1.2 非线性绝缘材料的国内外研究及应用现状在电力系统中使用的绝缘材料具有优异的绝缘性能，其电导率低，击穿强度很高。在工程应用中，这样低的电导率，使材料内部积聚的空间电荷很难扩散，造成局部区域场强增大，进而引发电树枝生长，局部放电等一系列加速绝缘老化的现象，极大地降低材料的使用寿命。如果绝缘材料的电导特性具有场强依赖性，既当局部电场很高的时候，相应区域的电导率也会随之增加，空间电荷就能
18、得到扩散，场强分布重新变的均匀。因此对非线性绝缘材料的研究日益受到人们的重视 7。从目前国内外的研究成果来看，非线性绝缘介质大致可以分成两类，一类为电导率随电场的增加呈现非线性的增长，而介电常数变化很小；一类是介电常数随电场的增加呈现非线性的增长，而电导率变化很小。而电导率与介电常数均具有非线性的电介质才是具有普遍意义的非线性绝缘介质，因此Steven Boggs针对介电常数和电导率都随场强发生变化的非线性电介质，采用了如下的数学模型： 哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -(1-1),t,t, ,dEdEJEt t式中：J为电流密度； 为介电常数； 为电导率； E为场强。这个数学模型假设在我们
19、讨论的频率范围内，既工频50Hz和300kHz（标准光脉冲的上升时间）之间，电导率和介电常数是与频率无关的量。Steven Boggs 同时指出在高场强作用下，大部分电介质的电导率与场强都存在指数增长关系，因此可以把电导率的数学模型设为一个指数模型 8,9：(1-2)BEAe式中 （E）电导率；A未加电场时的电导率； B非线性系数，它表征非线性绝缘介质的电导率随场强提高而增加的能力。相对介电常数采用多项式模型：(1-3)2r01+n式中 B待定系数；E场强在电力系统中应用的绝缘材料具有优异的绝缘性能，因其较低的电导率及较高的击穿强度，内部容易积聚空间电荷 10，造成局部区域电场增加，加速绝缘老
20、化，降低材料的绝缘性能。如果绝缘结构的电导特性能够具有场强依赖性，即当材料中局部场强很高时，此区域相应的电导率也随之增大，则空间电荷得到扩散，重新均匀化场强的分布。因此，对电导非线性的材料的研究与开发受到了人们的重视 11，目前此类非线性电介质主要是通过在聚合物中添加氧化锌氧化铝，碳化硅或纳米管等无极材料制备而成，但其介电常数基本保持不变，场强渗流阈值与基料，无机填料以及他们之间的配比有着密切的联系。从上世纪八十年代开始，以环氧树脂为基料添加碳化硅以及顺丁橡胶为基料添加碳化硅制备的电导非线性材料在绝缘结构中都得到了广泛的应用 12。近期国内外的一些研究着发现 13，以聚乙烯和 XLPE 为基料
21、，添加氧化锌，氧化铝等无机填料可大大降低空间电荷的产生，将该复合体系应用在高压直流电缆的绝缘中具有潜在的优势。有研究人员 14指出，在聚合物基非线性复合材料制备过程中施加电，磁应力能对复合材料的电导非线性特性产生影响。电导率非线性电介质也被用于电缆终端，改善电缆终端的电场分布 15。还有一类非线性材料，它的介电常数随电场强度的变化而明显变化，但电导率随电场强度的变化基本保持不变 16,17。目前，人们主要是通过在聚合物中添加钛酸钡，锆钛酸铅和二氧化钛等无机填料来制备介电常数非线性的电介质。通常这类材料都属于高介电材料，由于产生很强的极化效应，因而在外场作用下产生与外场方向相反的附加电场，附加电
22、场的强度会随外施电场的增加而非线性增加，起到了均化电场的作用 18，现已应用在高压套管和电缆终端中。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -近些年来，对非线性填料的绝缘材料的研究已有了很多成果，自 1994年起，在 B. R. Varlow 等人分别在聚酯树脂溶液中添加不同浓度的氧化锌(ZnO)、氧化铝 (Al2O3)、碳化硅 (SiC)粉末，在 80C 下固化成型而得到聚酯树脂/ 无机填料复合体系，并对该复合体系的导电特性进行了深入研究，发表了大量文献 22-25后，国内外对非线性添加复合材料的研究日益深入，成果主要如下：Martensson 等人通过研究三元乙丙橡胶(EPDM)/SiC 和EP
23、DM/(SiC+CB)复合材料的伏安特性发现，无机半导电颗粒的粒径对复合材料的电导特性也有一定的影响；B. R. Varlow 等人从 1997 年开始对LDPE/ZnO 复合材料的直流伏安特性进行研究 26，从实验结果得到 ZnO 浓度超过 l0wt%时，复合材料具有明显的非线性伏安特性；1998 年，刘泽等人对掺杂了纳米 BaTiO3 粉末的 EPR 复合体系进行了介电性能的测试，结果发现：随着填料粒子体积浓度的增大，复合材料的相对介电常数呈非线性增加 27。2001 年，Tetsushi Okamoto 等人发现在聚丁二烯树脂中加入SiC 和 Fe3O4 两种填料时，伏安特性的非线性行为
24、是由 Sic 决定的，而且出现非线性的阈值场强随 Fe3O4 掺量的增大向高场方向移动 28。2006 年，尹毅等人对掺杂不同浓度纳米 SiOx 的 SiOx/LDPE 复合材料的伏安特性进行了测量，并系统研究了其温度特性。通过对实验结果的分析表明，纯聚乙烯的电导以空间电荷限制电流为主，而对于掺杂纳米 SiOx 的复合介质的强场电导以离子跳跃电导为主；温度增加将导致载流子的跳跃距离增大29,30。综上，对非线性材料的研究及应用目前国内外多以非线性电介质材料为基的添加复合材料的研究为主，人们研究了不同属性的无机填料、填料浓度、填料粒径对非线性复合材料性能的影响，且已有所成果，而研究又主要以其性能
25、研究实验测试为主，涉及内部极化形式的内容较少，而这一方面也将是非线性材料日后应用的主要问题之一，因而对非线性材料与线性材料复合介质中极化机理有必要做深入的研究，以使线性材料和非线性材料复合绝缘具有更优异的电气绝缘性能。1.3 电介质物理中的慢效应及其展望近代材料的研究技术应用中出现了许多新的电介质。比之传统技术应用的电介质，其中的慢极化效应往往更为显著。慢极化效应基础研究虽不能直接创造经济效益，但可打开电介质物理学的一个新局面，为日后对材料的应用研究与开发技术打下基础。慢效应在物理学中目前还只是处于开始认识的阶段 31，有研究表明，材料和器件的老化，承载结构的力学疲劳，静电的积累，某些类型的电
26、化学反应等都是慢效应，它发展到一定程度可对设备造成伤害。慢效应规律的认识将有助于预言和防止其发生，延长器件使用寿命，减少器件非正常损坏，保证器件及设备的正常可靠工作。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -慢效应的知识，使得在介电，压电，热释电和驻极体等方面的一些早期形成的概念明确起来，使材料和理论研究减少了许多容易误入的歧途 32。晶体中的缺陷，畴界，晶界都可以提供慢效应。慢效应中应该采用时域方法去研究，传统的频域方法在此会产生较大差异，时域谱学方法使聚合物结构的研究发生重大变化，还提供了研究液体结构的新方法。时域介电谱方法渴望在工业中得到广泛应用 33。中山大学物理学习等五院校从 1982 年
27、起，先后参加了对电介质物理慢效应的联合研究 34，国外从材料研究角度虽已发现慢效应在许多尖端技术应用中造成的严重障碍，但局限于在研究快效应中形成的概念，还未能明确提出关于快效应与慢效应的定义。中山大学李景德教授提出了与传统频域方法不同的时域方法 35来表征界面慢极化，应用更为广泛，包含了快极化和慢极化，可用于线性和非线性效应，它是描述效应的动态过程的有效方法。使得慢效应得以表征和定义。时域参数的物理意义十分明确，它把不同微观结构在极化响应中提供的信息分开了 36，从而使研究宏观特性与微观结构的关系显得特别方便，但是时域介电谱理论还很年轻，还有待于不断发展和完善 37。本课题以环氧树脂和非线性氧
28、化锌阀片为研究对象，通过研究其界面的介电特性研究慢极化性质及其意义。1.4 本文主要研究内容本文主要研究内容包括：1.研究对象选为氧化锌阀片与环氧树脂材料的层压介质，对其中氧化锌阀片的介电特性由实验给出结果。 2.建立层状介质研究模型的数学方程，应用 simulink 仿真软件进行数学仿真，得到电流响应曲线。3.对层状介质的不同激励下响应曲线进行分析，在此基础上综合分析层状介质界面发生的极化现象对整个层状介质在不同激励下响应的影响。4.将不同频率下的正弦电压下的响应电流分解为阻性电流和容性电流，并以此得到表征整个层状介质特性的基本特性曲线。 5.验证假设是否成立，即复合材料的响应特性是否是由内部非线性材料与线性材料微界面的界面极化决定的。
