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油纸绝缘频域介电谱解释方法研究

中国电机工程学报 2015年第4期35卷 1002-1008页

作者：董明刘媛任明吴雪舟程涣超李金忠电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049 中国电力科学研究院北京市海淀区100192

为了探索频域介电谱测试结果的解释方法,提升其应用于油纸复合绝缘状态无损检测效果,在深入研究频域介电响应理论的基础上,首先在实验室内构建了油纸绝缘频域介电谱试验平台,然后分析了电导及极化损耗的机制及特性,重点讨论了复介电常... 详细信息

为了探索频域介电谱测试结果的解释方法,提升其应用于油纸复合绝缘状态无损检测效果,在深入研究频域介电响应理论的基础上,首先在实验室内构建了油纸绝缘频域介电谱试验平台,然后分析了电导及极化损耗的机制及特性,重点讨论了复介电常数与电场频率之间的关系,提取了典型损耗特性规律,并建立了基于电导及极化损耗模型的频域介电谱理论解释方法。研究表明:复介电常数谱在低频段的特征主要因电导损耗作用所致,可用Dyre模型解释;在高频段的特征主要是因极化损耗作用所致,可用H-N模型解释;而中频段特征则是因电导及极化损耗共同作用所致,可用两种理论模型联合解释。通过该方法可获得复介电常数重构曲线,其与频域介电谱实测曲线具有良好的一致性。所提出的频域介电谱解释方法依据FDS测试结果对油浸纸板复介电常数谱进行分析与拟合,分别获得了电导为主、极化为主的损耗与电场频率之间的统计函数关系,可进一步应用于介电响应特征参数提取,从而为油纸绝缘状态定量评估奠定一定的理论基础。

关键词：油纸绝缘频域介电谱复介电常数电导损耗极化损耗

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变压器油纸绝缘频域介电谱的虚部分析

电工技术学报 2019年第4期34卷 847-854页

作者：张大宁刘孝为詹江杨李晓霞田杰穆海宝西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国网陕西省电力公司电力科学研究院西安710100 国网浙江省电力公司电力科学研究院杭州310014 深圳供电局有限公司深圳518000

频域介电谱(FDS)绝缘诊断方法由于具有无损测试、包含绝缘信息丰富等特点被广泛应用在现场测试。但FDS测量结果易受到多种因素影响,如杂质离子含量、温度变化、变压器结构等。而当前研究中,水分含量、杂质离子浓度对油纸绝缘的介电特性... 详细信息

频域介电谱(FDS)绝缘诊断方法由于具有无损测试、包含绝缘信息丰富等特点被广泛应用在现场测试。但FDS测量结果易受到多种因素影响,如杂质离子含量、温度变化、变压器结构等。而当前研究中,水分含量、杂质离子浓度对油纸绝缘的介电特性影响机理的解释并不完善,因此需要更加合理的介电响应特性仿真和实验分析。本文首先依据实际变压器的测试结果得到扩展Debye模型的参数,并借助Matlab仿真分析扩展Debye模型中纸(板)的绝缘参数的变化对FDS曲线的影响。仿真和实验表明,FDS电导过程的变化规律受杂质离子影响规律明显与水分不同,杂质离子主要影响复电容虚部的低频段。

关键词：频域介电谱电导损耗扩展Debye模型杂质离子 Matlab建模

水分含量与分布对油纸绝缘频域介电谱影响的有限元仿真与研究

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高电压技术 2014年第11期40卷 3403-3410页

作者：董明刘媛任明吴雪舟李金忠程涣超西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 中国电力科学研究院北京100192

利用频域谱法估计含水量从介电响应的角度上为油纸绝缘的状态诊断提供了新的思路。以实验室内油纸复合绝缘频域介电谱实测结果为基础,利用有限元仿真探索了油纸绝缘系统中水分存在与分布情况对变压器主绝缘频域介电谱特性的影响。研究... 详细信息

利用频域谱法估计含水量从介电响应的角度上为油纸绝缘的状态诊断提供了新的思路。以实验室内油纸复合绝缘频域介电谱实测结果为基础,利用有限元仿真探索了油纸绝缘系统中水分存在与分布情况对变压器主绝缘频域介电谱特性的影响。研究结果表明:绝缘系统损耗与水分分布情况密切相关,复介电常数-频率(ε*-f)曲线可反映油纸绝缘内部损耗的改变。随着绝缘油电导率增加,低频域电导损耗特性逐渐向高频扩展,复介电常数实部?'在低频域增大,虚部ε''在整个频域内均增大;随着纸板中水分增加,低频域电导损耗及高频域极化损耗均有显著变化,ε'在低频域增大,而ε''-f曲线在全频段内逐渐增高,且中高频域的曲线"凸起"逐渐平缓消失;随着局部水分含水量增加,极化损耗明显增大,ε''值在高频域显著增大;随着纸板水分分布不均匀程度增加,ε'-f曲线低频域变化明显,而ε''-f曲线在高频域变化明显。

关键词：变压器主绝缘频域介电谱有限元水分分布电导损耗极化损耗

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基于时频域介电响应的绝缘油弛豫过程分析

电工技术学报 2022年第9期37卷 2355-2365页

作者：徐晴川王圣康林福昌李化强电磁工程与新技术国家重点实验室脉冲功率技术教育部重点实验室(华中科技大学)华中科技大学电气与电子工程学院武汉430074

该文测量并分析了不同水分和老化程度绝缘油的时频域介电响应,通过频域介电谱分析绝缘油弛豫时间较小的弛豫过程,通过极化电流分析绝缘油弛豫时间较大的弛豫过程和直流电导过程,并研究水分含量和老化程度对弛豫过程特征参数的影响。研... 详细信息

该文测量并分析了不同水分和老化程度绝缘油的时频域介电响应,通过频域介电谱分析绝缘油弛豫时间较小的弛豫过程,通过极化电流分析绝缘油弛豫时间较大的弛豫过程和直流电导过程,并研究水分含量和老化程度对弛豫过程特征参数的影响。研究表明,绝缘油频域介电谱可以分为直流电导频段、弛豫极化频段和高频极化频段三个频段。直流电导频段和高频极化频段的实部恒定,虚部与频率成反比,表现为电阻特性。但两个频段的损耗机制不同,前者以电导损耗为主,由直流电导率决定;后者以极化损耗为主,由高频电导率决定。绝缘油的水分含量对直流电导率影响较大,老化程度对高频电导率影响较大。绝缘油频谱在弛豫极化频段的实部和虚部斜率随频率发生变化,表现为明显的弛豫过程。水分含量会减小绝缘油的弛豫时间,老化程度对弛豫时间影响较小。

关键词：绝缘油弛豫过程频域介电谱极化电流电导损耗极化损耗

ZnO纳米颗粒改性变压器油介质损耗模型研究

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西安交通大学学报 2014年第2期48卷 50-55页

作者：缪金董明温福新吴雪舟沈谅平王浩西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 湖北大学物理学与电子技术学院武汉430062

为了了解添加纳米颗粒对变压器油介质损耗角正切值的影响情况,采用ZnO半导体纳米颗粒制备改性变压器油,在此基础上,研究了纳米改性变压器油介质损耗角正切值随纳米颗粒体积分数和环境温度的变化规律,提出了基于电导损耗和纳米颗粒松弛... 详细信息

为了了解添加纳米颗粒对变压器油介质损耗角正切值的影响情况,采用ZnO半导体纳米颗粒制备改性变压器油,在此基础上,研究了纳米改性变压器油介质损耗角正切值随纳米颗粒体积分数和环境温度的变化规律,提出了基于电导损耗和纳米颗粒松弛极化损耗的理论模型,并用来解释纳米改性变压器油介质损耗角正切值的变化机理。实验结果表明,添加ZnO纳米颗粒将明显增大纳米改性变压器油的介质损耗角正切值,且介质损耗角正切值随纳米颗粒体积分数线性增长,随环境温度呈指数型增大;同时所提模型的计算值较好地吻合了实验测量数据。进一步分析表明,ZnO纳米颗粒改性变压器油介质损耗角正切值主要取决于电导损耗,纳米颗粒松弛极化损耗的影响很小。

关键词：纳米改性变压器油介质损耗角正切电导损耗

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微波加热金属液体的实验研究

工程科学学报 2019年第12期41卷 1583-1590页

作者：苏晓峰吴博威刘建华刘建庄昌凌北京科技大学工程技术研究院北京100083 中冶华天南京工程技术有限公司南京210019 东北特殊钢集团股份有限公司大连116011 贵州大学材料与冶金学院贵阳550025

研究微波加热液态金属的升温特征,在MobileLab-W-R型微波工作站中进行了微波直接加热铜液和铁液的实验研究,实现了微波直接加热铜液和铁液实验,对比研究了微波直接加热和间接加热铜液与铁液的加热效果,并研究了微波功率、金属液质量、... 详细信息

研究微波加热液态金属的升温特征,在MobileLab-W-R型微波工作站中进行了微波直接加热铜液和铁液的实验研究,实现了微波直接加热铜液和铁液实验,对比研究了微波直接加热和间接加热铜液与铁液的加热效果,并研究了微波功率、金属液质量、温度等对微波直接加热效果的影响,探讨了微波直接加热金属液体的机理.结果表明,微波可以以较快的升温速度直接加热铜液和铁液,且升温速率与微波加热功率呈近似线性递增关系;在相同微波直接加热条件下,同等质量的铜液和铁液的升温速度相近,但不同质量铁液加热时,由于其表面积、微波场强分布等因素的影响,铁液质量对微波加热效果的影响没有明显的线性关系.理论分析认为,铜和铁在熔化后电阻率增大,磁导率明显下降,导致微波在铜液和铁液内部的趋肤深度显著大于固态铜和铁;电导损耗是实现微波直接加热液态金属的主要机制,液态金属可通过电子与原子核碰撞、表面快速更新、内部缺陷阻碍电子运动、原子运动及碰撞等形式吸收微波,将微波能量转化为自身热量.

关键词：液态金属微波加热趋肤深度电导损耗碰撞

金属配位聚合物衍生镍基复合材料的制备及吸波性能研究

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金属配位聚合物衍生镍基复合材料的制备及吸波性能研究

作者：马燕宁宁夏大学

学位级别：硕士

随着电子工业的迅猛发展,各种各样的电子、电器设备应用于军事、医疗、通信等领域,空间中存在的大量电磁波不仅会影响电子设备的正常运行,还会对人们的身体健康有一定影响。研究电磁吸波材料作为一种可以有效改善电磁干扰等问题的通用策... 详细信息

随着电子工业的迅猛发展,各种各样的电子、电器设备应用于军事、医疗、通信等领域,空间中存在的大量电磁波不仅会影响电子设备的正常运行,还会对人们的身体健康有一定影响。研究电磁吸波材料作为一种可以有效改善电磁干扰等问题的通用策略,受到了大家广泛关注。为了研发出“厚度薄、质量轻、频带宽和吸收强”的吸波材料,本论文以非晶态镍金属配位聚合物的衍生物为研究对象,成功制备了 NiO/Ni、Ni/C、NiO/Ni@PANI、Ni/C@PANI粒子,并对上述材料的电磁吸波性能进行研究,主要内容如下:(1)利用间苯二甲酸通过溶剂热法合成了非晶态镍金属配位聚合物(Ni-CPs),将其在空气中高温煅烧以后得到球状核壳结构的NiO/Ni复合粒子。NiO/Ni粒子主要依靠界面极化、电偶极子极化的介电损耗,以涡流损耗和自然共振为主的磁损耗及特殊结构的多重散射机制增加材料对电磁波的吸波。当NiO/Ni粒子在石蜡基体中的填充比例为50 wt%时,其反射损耗的最小值RLmin=-41.44 dB,对应的频率为16.5 GHz,厚度为5.5 mm,并在5.5 mm厚度下表现出最大的有效吸波频宽为1.94 GHz。(2)将非晶态Ni-CPs在氩气中高温煅烧制备Ni/C复合材料,Ni/C粒子对电磁波的吸收除介电损耗、磁损耗及多重散射机制外,由于Ni-CPs粒子经高温煅烧后碳包覆在Ni粒子周围,因此在Ni/C粒子内部形成三维导电网络引发强烈的导电损耗,增加材料对电磁波的吸收。当Ni/C粒子在石蜡基体中的填充比例为50 wt%时,反射损耗的最小值RLmin=-21.2dB,对应的频率为4.8 GHz,厚度为5.3 mm,并在2 mm厚度下表现出最大的有效吸波频宽为3.5 GHz。(3)为降低NiO/Ni和Ni/C粒子的涂层厚度并拓宽其有效吸波频宽,通过原位聚合法分别制备了 NiO/Ni@PANI和Ni/C@PANI复合材料,聚苯胺(PANI)作为一种有机高分子材料,在吸波领域,由于具有良好的导电性而使其在电磁场中具有一定的电导损耗,即从增加材料损耗机制方面提高其电磁吸波性能。当NiO/Ni@PANI粒子在石蜡基体中的填充比例为20wt%时,在厚度为4.5 mm时,样品在频率为4.6 GHz时反射损耗达到-67.1dB,最大有效吸波频宽为2.1 GHz;Ni/C@PANI粒子在石蜡基体中的填充比例为20 wt%时,厚度为3.1 mm时,样品可以在频率为8.8 GHz时反射损耗达到-48.2 dB,最大有效吸波频宽为5.0 GHz。

关键词：非晶态配位聚合物衍生物核壳结构电导损耗吸波性能

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轻质碳基材料的制备与微波吸收性能研究

轻质碳基材料的制备与微波吸收性能研究

作者：员超陕西师范大学

学位级别：硕士

近些年,随着电磁辐射的加剧及军用隐身技术的快速发展,吸波材料受到越来越多的关注。吸波材料的开发要求兼具“薄、轻、宽、强”的技术要求,形貌的设计是提升材料的吸波性能的主要手段。尤其是碳基材料的中空及多孔结构可以有效降低材... 详细信息

近些年,随着电磁辐射的加剧及军用隐身技术的快速发展,吸波材料受到越来越多的关注。吸波材料的开发要求兼具“薄、轻、宽、强”的技术要求,形貌的设计是提升材料的吸波性能的主要手段。尤其是碳基材料的中空及多孔结构可以有效降低材料的密度,优化阻抗匹配,引入较强的电导损耗,提升吸波性能。当前碳基吸波材料的研究非常广泛,但仍存在一些需要探讨和研究的问题:(1)人工合成较大尺寸的中空结构存在困难;(2)中空结构对微波吸收性能的影响;(3)电磁波吸收中吸波剂的尺寸效应;(4)碳基材料的抗氧化性。基于以上问题,我们制备了中空立方碳、不同尺寸的核壳结构SiO@C、片状SiC/C等碳基吸波材料。通过对其显微结构、介电性能、电导率大小等研究,分析了中空结构、尺寸大小和材料被氧化后的吸波性能,本文的主要研究结果如下:(1)采用简单且环保的NaCl为模板包覆有机聚合物,成功制备了含有丰富介孔结构的中空立方碳(HCCs),平均尺寸～3.5μm,厚度～22.9 nm。Raman和XRD结果显示,HCCs的石墨化程度较低,有合适的电导率,负载比仅为1.5 wt.%时,获得了优异的吸波性能,实现了工程上对材料的轻质化要求。HCCs/石蜡复合材料(1.5 wt.%)的最小反射损耗(RLmin)达到-46.0 d B(4.5 mm),有效吸收带宽(EAB)达到6.6 GHz(2.8 mm),覆盖了整个Ku波段。低温环境下100 KHz-1MHz频率范围内测试发现,HCCs750/石蜡复合材料的tanδe峰随着温度的上升,向高频移动,证明了热激活弛豫极化的存在,较低的活化能,说明HCCs在与电磁波相互作用中存在偶极子极化。电磁参数的分析结果显示,HCCs复合材料优异的吸波性能源于电导损耗,对比破损的HCCs发现未破损的HCCs拥有两种电导损耗路径:一个是HCCs之间连接成的导通网络结构,另一个是完整的HCCs在电磁场的作用下表面产生的感应电流,两者的协同效应实现HCCs复合材料优异的微波吸收性能。(2)采用经典的st(?)ber法合成不同尺寸的SiO模板,包覆有机聚合物后成功制备了三种不同尺寸的核壳结构SiO@C,在相同负载比下(30.0 wt.%)的复合材料RLmin和SiO@C尺寸成正比。最大尺寸的(～0.56μm)SiO@C石蜡复合材料(SS3)RLmin达到-53.1 d B(3.5 mm),EAB达到6.9 GHz(3.3 mm);较小尺寸的(～0.43μm)SiO@C/石蜡复合材料(SS2)RLmin达到-41.5 d B(2.6mm),EAB达到7.9 GHz(3.2 mm),由于相同阻抗匹配下,SS2拥有更大的衰减常数,因此其EAB更宽。研究去除SiO模板后的HCBs/石蜡复合材料,相同碳壳数量下,HCBs的负载比明显下降(2.0 wt.%),HCSs/石蜡复合材料仍然具有优异的微波吸收性能,RLmin达到-30.0 d B(2.5mm),EAB为6.75 GHz(3.0 mm),满足工程上对吸波剂的轻质化需求。Cole-Cole曲线表明,SiO@C/石蜡复合材料存在极化损耗和较弱的电导损耗,HCBs/石蜡复合材料Cole-Cole曲线上翘的尾部表明更强的电导损耗,这是由于去除SiO模板后碳壳的内层和外层都存在自由电子的流动,增强了电导损耗。(3)浸渍聚碳硅烷(PCs)有机混合溶液在模板上,成功制备片状SiC/C。XRD和Raman结果表明,片状SiC/C主要由微晶SiC(晶粒尺寸为～3.2 nm)、非晶SiC和石墨化程度较低的自由碳组成。SiC是一种轻质耐高温的材料,设计片状结构也更易形成完整的导通网络结构。在30.0 wt.%的负载比下SiC/C/石蜡复合材料的RLmin达到-45.5 d B(2.5 mm),EAB达到6.0 GHz(3.0 mm),覆盖了整个Ku波段。为了探究SiC/C氧化后的吸波性能,高温空气环境下1200°C对SiC/C进行处理。氧化处理后的片状SiC/C的XRD图谱21.5°处出现一个宽衍射峰,这是由于SiC/C表面产生一层致密的SiO膜,SiO膜阻止了内层的继续氧化,SiC/C-1200的RLmin为-16.0 d B(5.0 mm),有望成为一种高温吸波材料。

关键词：中空结构电导损耗核壳结构导电网络阻抗匹配

微波退火条件下Ni(Si,Ge)薄膜的表征分析与微波退火的理论研究

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微波退火条件下Ni(Si,Ge)薄膜的表征分析与微波退火的理论研究

作者：胡成复旦大学

学位级别：硕士

微波退火作为一种可以降低热预算的新兴的退火方式,近年来受到了越来越多的关注,在杂质激活、非晶硅结晶以及硅化物形成等方面都有广泛的研究,并获得了许多有意义的成果。比如在较低的温度下实现杂质激活,而杂质的扩散较RTP却有明显下降... 详细信息

微波退火作为一种可以降低热预算的新兴的退火方式,近年来受到了越来越多的关注,在杂质激活、非晶硅结晶以及硅化物形成等方面都有广泛的研究,并获得了许多有意义的成果。比如在较低的温度下实现杂质激活,而杂质的扩散较RTP却有明显下降,在较低的温度下实现非晶硅的结晶和低电阻率硅化物的形成等。虽然对微波退火应用的研究仍然在不断深入,但是对微波退火理论的研究却相对滞后。本文意在以一定的实验数据为基础,研究微波退火的加热机制并分析其能够降低热预算的原因。实验材料选择Ni/epi-Si0.81Ge0.19,这主要是因为该材料系统在RTP情况下的反应特性和热力学特性均已得到了较好的表征。具体的研究方式和分析过程如下：先将样品分别进行MWA和RTP退火,且保证两种退火方式的温度曲线基本一致,以充分反映两种退火方式的异同。实验结果显示,MWA退火可已在相比于RTP较低的温度下生成低电阻率的NiSi1-xGex,而且同样可以在较低的温度下使NiSi1-xGex,结块,使单晶Si0.81Ge0.19中的应力得到一定程度的释放并产生大量缺陷。这充分说明了MWA退火在我们的样品条件下已经降低了为达到实验目的所须得热预算,同时由于低电阻硅化物的形成和结块以及应力的释放和缺陷的产生都是热的作用,该现象也说明了MWA和RTP退火在退火机制的细节上必然存在不同。随后分析了微波退火的加热机制,重点讨论电导和介质两种损耗,首先分析电导损耗。在分析电导损耗时,不考虑物体被加热后的热辐射和热对流以及相邻薄膜间的热传导,而只考虑物体由于吸收微波而产生的温度上升的速度。首先计算了在微波垂直入射情况下,单层良导体薄膜在微波场中的功率吸收公式和加热速度公式。将公式应用我们的样品,发现在对将样品中Ni和Si单独加热的情况下,Ni层的温度将远远高于衬底Si的结论,这在一定程度上已经能够解释我们实验中的现象了。然后为了严谨起见,推导了双层相邻良导体薄膜在微波场中分别的功率吸收公式和加热速度公式,发现在同时加热的情况下,如果不考虑热辐射和二者之间的热传导,Ni层的温度依然远远高于衬底硅。虽然实际情况下的热传导和热辐射以及热对流将使二者之间的温差减小,我们仍然相信在温差被热传导和热辐射消耗的同时,高温Ni层的温度依然会作用于材料界面并使目标反应得以实现,从而在衬底温度较低的情况下实现了目标反应,降低了材料整体的热预算。由于RTP也是靠辐射电磁波加热,将推导的公式用于RTP,发现其对Ni层和Si衬底的加热效果的区别远小于MWA,因此认为MWA和RTP在电导损耗上的差别是导致它们之间退火差别的主要原因之一。然后从晶格缺陷和偶极子方面定性的分析了介质损耗,发现在微波频率范围内介质损耗较为明显,而在RTP所采用的频率范围内却基本可以忽略,虽然介质损耗不会像电导损耗那样造成Ni层和Si衬底间明显的温度差别,但是由于晶格缺陷通过偶极子吸收微波产生的局部高温对原子扩散以及化学反应更具有较强的针对性,因此也将电介质损耗作为产生MWA和RTP退火差别的一个原因。

关键词：微波退火快速热退火硅化物源漏电导损耗介电损耗