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1、哈尔滨理工大学学士学位论文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
2、，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
3、系；非线性电介质；仿真；响应电流；时域分解Simulation and Analysis of Interface Polarization of Linear and Non-linear materialsAbstract Non-linear dielectrics are the insulation dielectrics whose electric conductivity or/and relative dielectric constant change with electric field .NowComposite materials added with non-li
4、near 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 has a non-linear relationship with the electric field intensity as research object, builds up mathem
5、atics 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 dielectric. So we can refer that AC dielectric property of composite materials is decided by the interlayer
6、 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 micro-surface of composite materials and to prove the micro with the microscopic.It first builds up th
7、e 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 response. It gives the response line under step voltage and sin voltage. Finally we can receive equiv
8、alent 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 by the polarization on the micro-surface of composite materials. If they dont fit, we can deny th
9、e former conclusion.Keywords: layered composite system；Non-linear insulating dielectrics；simulation；current response；time domain decomposition不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第一章 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
10、.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29
11、3.4.1 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45千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第一章 绪论1.1 课题研究的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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、，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，
