一种复合材料介电常数计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种复合材料介电常数计算方法及系统。将复合材料划分为独立的立方体单元结构，对立方体结构进行了区域划分，对界面极化不规则区域进行了电路等效，考虑了不同材料间的界面极化，不但能计算高频段的介电谱，也能计算复合材料的中、低频段的介电谱；并且利用第二关系式，能够根据基体和填充物的介电谱线计算复合材料的介电常数频谱，亦可根据复合材料及其中一种材料的介电谱线反推另外一种材料的介电常数频谱，极大降低了工作量，节约了测试时间。约了测试时间。约了测试时间。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料介电常数计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及材料性能评价
，特别是涉及一种复合材料介电常数计算方法及系统。

技术介绍

[0002]随着现代科学技术的发展，在电力系统中出现了众多新型复合电介质材料，包括纳米粒子填充材料、发泡材料、纤维薄膜等，在其进行设计的过程中，组成两相复合介质的基体与填充物的介电常数具有很重要的参考价值，但由于基体材料孔隙的影响无法将基体与填充物分离分别进行介电响应测试来获得介电常数，所以需要通过整体的介电频谱反推组成部分的介电频谱。同时，介电响应测试时间很长，为了迅速对合成后的材料性能进行初步了解，需要通过复合材料的组成部分的介电频谱反推整体的介电频谱以提高研发效率，节约测试时间。
[0003]在电力系统中为保证电气设备的安全稳定可靠运行，则需要对这些材料进行绝缘性能监测，其中材料的介电性能是一项关键指标。在材料的绝缘状态诊断中发现，低频下的介电参数更能反应材料的缺陷，但是现有的预测多相复合材料介电特性模型主要表征材料的高频介电性能，并没有考虑不同材料的界面极化，仅能与实测谱在高频段内相吻合，而在中、低频段内则存在较大差异，无法分析材料在中、低频下的介电性能。并且不同结构的电介质材料需要分别进行介电响应测试，不能进行理论分析，操作繁琐、耗费时间。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种复合材料介电常数计算方法及系统，考虑了不同材料间的界面极化，能够高效计算高、中、低频段的介电谱，极大降低了工作量，节约了测试时间。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种复合材料介电常数计算方法，包括：
[0007]对复合材料进行单元划分，得到多个相同的立方体单元；每一个所述立方体单元均包括一个位于立方体单元中心位置处的填充物和设置在所述填充物外表面的基体；
[0008]将所述立方体单元划分为第一区域和第二区域，根据所述第一区域和所述第二区域生成等效电路；其中，所述第一区域包括第一基体，所述第二区域包括上基体、填充物和下基体；所述等效电路包括并联的第一等效电路单元和第二等效电路单元；所述第一等效电路单元根据所述第一基体确定，所述第二等效电路单元根据所述上基体、所述填充物和所述下基体确定；
[0009]根据所述等效电路的参数，建立基体介电常数和填充物介电常数与所述立方体单元的等效阻抗之间的关系式，得到第一关系式；
[0010]根据所述第一关系式，建立基体介电常数、填充物介电常数和复合材料介电常数之间的关系式，得到第二关系式；
[0011]获取基体、填充物、复合材料三种材料中的任两种材料的介电常数频谱，根据所述
第二关系式采用最小二乘法确定另一种材料的介电常数频谱。
[0012]可选的，所述根据所述第一区域和所述第二区域生成等效电路，具体包括：
[0013]根据所述第一区域生成第一等效电路单元；所述第一等效电路单元包括多个相互并联的第一RC并联电路，所述第一RC并联电路的参数根据所述第一基体确定；
[0014]在垂直于电场方向，将所述第二区域划分为多个第二子区域；
[0015]将所述第二子区域等效为第二等效电路子单元；所述第二等效电路子单元为相互串联的第二RC并联电路、第三RC并联电路和第四RC并联电路，所述第二RC并联电路的参数根据所述上基体确定，所述第三RC并联电路的参数根据所述填充物确定，所述第四RC并联电路的参数根据所述下基体确定；
[0016]将多个所述第二等效电路子单元并联，生成第二等效电路单元；
[0017]将所述第一等效电路单元和所述第二等效电路单元并联，生成等效电路。
[0018]可选的，所述根据所述等效电路的参数，建立基体介电常数和填充物介电常数与所述立方体单元的等效阻抗之间的关系式，得到第一关系式，具体包括：
[0019]根据所述第一RC并联电路的参数，采用如下公式确定第一区域的第一RC并联电路的等效阻抗：
[0020][0021]其中，
[0022][0023][0024]式中，ΔZ1为第一区域的第一RC并联电路的等效阻抗，ΔR1为第一区域的第一RC并联电路的等效电阻，ΔC1为第一区域的第一RC并联电路的等效电容，ω为角频率，ε'
m
为基体的复介电常数的实部，ε”m
为基体的复介电常数的虚部，a为立方体单元的边长，Δs为为第一区域离散化为多个微元的微元底面积；
[0025]根据所述第二RC并联电路的参数、所述第三RC并联电路的参数和第四RC并联电路的参数，采用如下公式确定第二子区域的等效阻抗：
[0026]ΔZ2＝Z
2a
+Z
2m
+Z
2b
[0027]其中，
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034]式中，ΔZ2为第二子区域的等效阻抗，Z
2a
为上基体等效阻抗，Z
2b
为下基体等效阻抗，ΔR
2a
为上基体的等效电阻，ΔR
2b
为下基体的等效电阻，ΔC
2a
为上基体的等效电容，ΔC
2b
为下基体的等效电容，R为填充物的半径，r为第二区域横截面上任一点到该横截面中心的距离，r<R，Z
2m
为填充物的等效阻抗，ΔR
2m
为填充物的等效电阻，ΔC
2m
为填充物的等效电容，ε'
f
为填充物的介电常数实部，ε”f
为填充物的介电常数虚部；
[0035]根据所述第一区域的第一RC并联电路的等效阻抗和所述第二子区域的等效阻抗，采用如下公式确定所述立方体单元的等效阻抗，得到第一关系式：
[0036][0037]式中，Z
eq
为立方体单元的等效阻抗。
[0038]可选的，所述根据所述第一关系式，建立基体介电常数、填充物介电常数和复合材料介电常数之间的关系式，得到第二关系式，具体包括：
[0039]对所述立方体单元的等效阻抗采用如下公式进行分解，得到所述立方体单元的等效电阻和所述立方体单元的等效电容：
[0040][0041][0042]其中，
[0043]Z
eq
＝Z'
eq
‑
jZ”eq
[0044]式中，C
eq
为立方体单元的等效电容，R
eq
为立方体单元的等效电阻，Z'
eq
为立方体单元的等效阻抗实部，Z”eq
为立方体单元的等效阻抗虚部；
[0045]根据所述立方体单元的等效电阻和所述立方体单元的等效电容，采用如下公式计算复合材料的介电常数，得到第二关系式：
[0046][0047][0048]式中，ε'
eff
为复合材料的介电常数实部，ε”eff
为复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料介电常数计算方法，其特征在于，包括：对复合材料进行单元划分，得到多个相同的立方体单元；每一个所述立方体单元均包括一个位于立方体单元中心位置处的填充物和设置在所述填充物外表面的基体；将所述立方体单元划分为第一区域和第二区域，根据所述第一区域和所述第二区域生成等效电路；其中，所述第一区域包括第一基体，所述第二区域包括上基体、填充物和下基体；所述等效电路包括并联的第一等效电路单元和第二等效电路单元；所述第一等效电路单元根据所述第一基体确定，所述第二等效电路单元根据所述上基体、所述填充物和所述下基体确定；根据所述等效电路的参数，建立基体介电常数和填充物介电常数与所述立方体单元的等效阻抗之间的关系式，得到第一关系式；根据所述第一关系式，建立基体介电常数、填充物介电常数和复合材料介电常数之间的关系式，得到第二关系式；获取基体、填充物、复合材料三种材料中的任两种材料的介电常数频谱，根据所述第二关系式采用最小二乘法确定另一种材料的介电常数频谱。2.根据权利要求1所述的复合材料介电常数计算方法，其特征在于，所述根据所述第一区域和所述第二区域生成等效电路，具体包括：根据所述第一区域生成第一等效电路单元；所述第一等效电路单元包括多个相互并联的第一RC并联电路，所述第一RC并联电路的参数根据所述第一基体确定；在垂直于电场方向，将所述第二区域划分为多个第二子区域；将所述第二子区域等效为第二等效电路子单元；所述第二等效电路子单元为相互串联的第二RC并联电路、第三RC并联电路和第四RC并联电路，所述第二RC并联电路的参数根据所述上基体确定，所述第三RC并联电路的参数根据所述填充物确定，所述第四RC并联电路的参数根据所述下基体确定；将多个所述第二等效电路子单元并联，生成第二等效电路单元；将所述第一等效电路单元和所述第二等效电路单元并联，生成等效电路。3.根据权利要求2所述的复合材料介电常数计算方法，其特征在于，所述根据所述等效电路的参数，建立基体介电常数和填充物介电常数与所述立方体单元的等效阻抗之间的关系式，得到第一关系式，具体包括：根据所述第一RC并联电路的参数，采用如下公式确定第一区域的第一RC并联电路的等效阻抗：其中，其中，式中，ΔZ1为第一区域的第一RC并联电路的等效阻抗，ΔR1为第一区域的第一RC并联电
路的等效电阻，ΔC1为第一区域的第一RC并联电路的等效电容，ω为角频率，ε'
m
为基体的复介电常数的实部，ε
″
m
为基体的复介电常数的虚部，a为立方体单元的边长，Δs为第一区域离散化为多个微元的微元底面积；根据所述第二RC并联电路的参数、所述第三RC并联电路的参数和第四RC并联电路的参数，采用如下公式确定第二子区域的等效阻抗：ΔZ2＝Z
2a
+Z
2m
+Z
2b
其中，其中，其中，其中，其中，其中，式中，ΔZ2为第二子区域的等效阻抗，Z
2a
为上基体等效阻抗，Z
2b
为下基体等效阻抗，ΔR
2a
为上基体的等效电阻，ΔR
2b
为下基体的等效电阻，ΔC
2a
为上基体的等效电容，ΔC
2b
为下基体的等效电容，R为填充物的半径，r为第二区域横截面上任一点到该横截面中心的距离，r<R，Z
2m
为填充物的等效阻抗，ΔR
2m
为填充物的等效电阻，ΔC
2m
为填充物的等效电容，ε'
f
为填充物的介电常数实部，ε
″
f
为填充物的介电常数虚部；根据所述第一区域的第一RC并联电路的等效阻抗和所述第二子区域的等效阻抗，采用如下公式确定所述立方体单元的等效阻抗，得到第一关系式：式中，Z
eq
为立方体单元的等效阻抗。4.根据权利要求3所述的复合材料介电常数计算方法，其特征在于，所述根据所述第一关系式，建立基体介电常数、填充物介电常数和复合材料介电常数之间的关系式，得到第二关系式，具体包括：对所述立方体单元的等效阻抗采用如下公式进行分解，得到所述立方体单元的等效电阻和所述立方体单元的等效电容：
其中，Z
eq
＝Z
′
eq
‑
jZ
″
eq
式中，C
eq
为立方体单元的等效电容，R
eq
为立方体单元的等效电阻，Z'
eq
为立方体单元的等效阻抗实部，Z
″
eq
为立方体单元的等效阻抗虚部；根据所述立方体单元的等效电阻和所述立方体单元的等效电容，采用如下公式计算复合材料的介电常数，得到第二关系式：合材料的介电常数，得到第二关系式：式中，ε'
eff
为复合材料的介电常数实部，ε
″
eff
为复合材料的介电常数虚部。5.一种复合材料介电常数计算系统，其特征在于，包括：复合材料划分模块，用于对复合材料进行单元划分，得到多个相同的立方体单...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄猛，宋翰林，吴延宇，吕玉珍，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：