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测试体电荷密度随电场强度的变化趋势

作者:pokerking官网 发布时间:2020-07-14 09:39 点击数:

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  为无机纳米粒子具有优异的耐电晕性能, 也有可能是因为在聚合物基体中掺杂的无机纳米成分改变了薄膜的介电性能, 进而提高了其耐电晕能力。

  随着电 力 电 子 技 术 的 发 展, 脉 宽 调 制 (PWM) 逆变器凭借其技术优势被广泛应用于家用电器( 如空调、 冰箱) 、 工业生产( 如机床、 水泵) 、 风力发电及轨道交通( 高速动车) 等领域。绝缘 栅 双 极 型 晶 体 管 (IGBT) 输出的高频高压脉冲方波与工频正弦电压波存在很大的区别, 因此, 在变频调速系统的推广应用过程中, 出现了大量变频电机绝缘过早失效的情况。虽然聚酰亚胺薄膜凭借其优异的耐热、 机械、 介电性能在电气电子行业得到了广泛应用, 但在高频脉冲电压下, 其寿命大大缩短, 无法满足变 频 条 件 下 的 使 用 要 求。1 994 年, Du p ont 、ABB、 Siemens合 作 研 制 的 耐 电 晕 聚 酰 亚 胺 薄 膜( 1 00CR) 在20MV /m 交流电场强度下的使用寿命10h, 其耐电晕性能与粉云母接近, 解决了变频电机绝缘耐电晕性能差的缺点, 因此该薄膜得到了广泛的应用。研究发现, 杜邦耐电晕聚酰亚胺薄膜的击穿电压比普通聚酰亚胺薄膜( 1 00HN) 的击穿电压低,但在高频脉冲电压下其寿命却大幅提高,该耐电晕机理成为国内外学者研究的热点问题

  雷清泉 等 人 研 究 了 电 晕 老 化 前 后1 00HN 和100CR聚酰亚胺薄膜的电导电流特性。结果发现, 电晕老化前, 1 00CR 薄膜的 O hm 区电流明显大于1 00HN薄膜, 而空间电荷限制电流区电流则明显小于1 00HN 薄膜; 电晕老化后, 1 00HN 薄膜陷阱载流子密度和电老化阈值均减小, 而1 00CR 薄膜的对应值均增大。分析可得, 在聚合物中掺杂无机纳米粒子可能会增大导带热激发自由电子浓度以及聚合物中电荷陷阱的深度和密度。张沛红等人研究了纳米复合聚酰亚胺薄膜的介电性能、 高场电导特性、 电老化阈值及局部放电对表面形貌的影响。屠德民等人认为, 在复合材料中添加无机纳米粒子可提高其浅陷阱密度, 注入的电子被陷阱捕获后, 在材料表面形成屏 蔽 电 场, 提 高 了 材 料 的 耐 局 部 放 电 性能。李鸿岩等人研究了复合材料中纳米 A l 2O 3 的含量对其介电性能的影响规律, 随着纳米 A l 2O 3 含量的增加, 其介电常数和介质损耗角正切均显著增大, 体积电阻率和击穿电场强度略有降低, 耐电晕性能显著增强。查俊伟等人研究了聚酰亚胺纳米复合薄膜的表面电位衰减特性, 发现其表面电位衰减速率比纯聚酰亚胺薄膜快的多, 纳米粒子的引入增强了电荷在材料体内的输运能力, 加快了电荷的消散, 提高了材料的耐电晕特性

  K aufold等人认为变频电机匝间绝缘的击穿主要是由局部放电引起的, 当存在局部放电时, 聚酰亚胺薄膜会在较短时间内被击穿; 当不存在局部放电时, 即使在很高的电应力和热应力作用下, 老化2a以上的 聚 酰 亚 胺 薄 膜 也 没 有 发 生 击 穿 现 象。T anaka教授等人基于层状纳米材料的研究成果提出了耐电晕机理的多核模型, 在层状纳米材料的作用下, 局部放电的破坏通道被延长, 提高了材料的耐电晕性能。此外, T anaka 教授等人提出了耐电晕性能和介电常数的关系, 当局部放电作用于具有较高介电常数的纳米材料时, 由于无机纳米粒子具有较好的耐局部放电性能, 因此提高了复合材料的耐电晕能力。Y inW 等人认为, 添加纳米粒子在提高聚酰亚胺耐电晕性能方面的作用是多方面的, 是电场均化、 热稳定性能提高、电子及紫外线屏蔽作用等多种效应共同作用的结果。以上学者都从某一方面研究了复合材料中添加的纳米粒子对其介电性能的影响, 但缺乏对纳米复合聚酰亚胺薄膜耐电晕机理的系统研究

  杜邦 公 司 生 产 的 纳 米 耐 电 晕 聚 酰 亚 胺 薄 膜1 00CR是对40 00多种物质进行反复实验后, 选出具有抗电晕放电产物腐蚀能力的无机物和聚酰亚胺杂化制成的。为分析1 00CR 薄膜的整体结构, 采用液氮( -196°C) 冷 却 后 进 行 脆 断 处 理, 获 得 整 齐 的1 00CR薄膜断面结构

  用F eisirion扫描电子显微镜( SEM) 观察1 00CR薄膜的断面形貌。由于100CR薄膜电导率很低, 为避免在观察时产生电荷积累, 观察前在试样上喷涂1层金膜, 以获得良好的观察衬度, 使图像具有较强的立体感。1 00CR薄膜由3层组成。分别对薄膜上层、 中间层及下层成分进行能谱分析可知, 薄膜的上层和下层除了含有C、 O元素外还含有大量的A l元素, 其纳米添加剂应为 A l 2O 3, 而中间层几乎不含 A l元素, 为C、 O结构。在1 00CR薄膜的3层结构中, 无机纳米粒子分布在薄膜表层。与聚酰亚胺基体相比, 无机纳米成分具有更好的耐电晕性能和耐受电晕放电产物腐蚀的能力, 对薄膜内部的聚酰亚胺分子结构具有很好的保护作用; 而中间的聚酰亚胺层则保证薄膜具有较高的机械强度和电气强度, 使其整体具有良好的耐热、 机械和电气性能以及耐电晕能力。对1 00CR薄膜进行脉冲电压下的电晕老化, 老化前首先进行寿命实验以确定化时间。当频率为1kHz、 电压幅值为2kV、 温度为1 00°C时, 100CR 薄膜的寿命为1 31min。因 此, 在 相 同 实 验 条 件 下 老 化 1h, 即100CR薄膜进入老化中期时,进行扫描电镜分析。 随着电晕老化过程的发展, 薄膜表面的有机成分被逐渐腐蚀, 整个表面几乎完全被无机纳米粒子絮状物取代, 形成保护层。无机纳米层的形成进一步提高了薄膜耐受电晕放电产生的带电粒子的轰击能力, 阻止了电晕放电对内部聚酰亚胺基体的进一步侵蚀, 起到了很好的保护作用

  目前, 在薄膜中掺杂无机纳米粒子提高其耐电晕放电的机理尚无统一观点, 这可能是因为无机纳米粒子具有优异的耐电晕性能, 也有可能是因为在聚合物基体中掺杂的无机纳米成分改变了薄膜的介电性能, 进而提高了其耐电晕能力

  利用L CR测试仪分别测试杜邦1 00CR 薄膜和1 00HN薄膜的介电常数随频率的变化趋势,1 00CR 薄膜的相对介电常数明显大于1 00HN薄膜。一方面, 由于加入的无机纳米成分比聚酰亚胺有机成分具有更大的相对介电常数, 因此对于两相材料, 该复合材料具有复相非均质材料的性能, 即ε m inεε m ax( 其中, ε为复合材料的介电常数; ε m in为复合材料各成分的最小介电常数;ε m ax为复合材料各成分的最大介电常数) ; 另一方面,由于复合材料中许多界面存在大量缺陷, 电荷在界面中的分布发生变化, 在特定频率电场作用下, 薄膜内部正负电荷分别向两极移动, 在界面缺陷处聚集,形成电偶极矩, 即异号电荷位移产生松弛极化, 导致纳米复合材料的介电常数增大

  在外电场作用下, 介质极化产生极化电荷, 其电场方向与外加电场方向相反, 削弱了介质中的电场。由于 A l 2O 3 的介电常数大于聚酰亚胺的介电常数,故在 A l 2O 3 纳米颗粒内形成的退极化场强度比聚酰亚胺中的大; 薄膜表面的A l 2O 3 纳米颗粒产生了大量的极化电荷, 屏蔽了薄膜中的电场, 因此极化电荷起到了削弱聚酰亚胺薄膜中电场的作用。纳米复合聚酰亚胺薄膜中的无机纳米粒子-聚合物间的势垒可以阻止电荷的注入

  在复合材料中掺杂无机纳米会使其电导率增大, 1 00CR薄膜的电导率比1 00HN 薄膜大1个数量级( 在2 3℃时, 100CR、 100NH 薄膜的单位体积电阻率分别为2.3×10 1 6、 1.4×10 1 7Ω·c m, 其单位面积电阻率分别为3.6×10 1 6、 1×10 1 7Ω) 。这可能是因为复合材料中的 A l 2O 3 纳米粒子是以微晶形式存在的,具有较宽的导带和较小的禁带宽度, 更易发生电子的热激发, 进而增大复合材料中自由载流子的密度;此外, 纳米粒子表面电荷更易电离形成自由电荷, 该自由电荷形成自由载流子, 导致电阻率下降。在老化过程中, 根据 T anaka提出的纳米电介质电晕老化模型, 在1 00CR薄膜中的无机纳米颗粒界面区内存在具有一定导电性的松散层, 电晕老化导致有机物烧蚀, 进而相互连通形成网状结构, 使薄膜的电导率增大

  电导率增大所造成的主要影响为: ( 1) 表面电导率的增大使得表面电荷衰减速度加快, 残余电荷更少; ( 2) 薄膜内部空间电荷更不易积累; ( 3) 局部放电腐蚀气隙表面的有机物在气隙表面形成无机纳米粒子层, 气隙表面电导率的增大使得放电产生的电荷的衰减速度加快, 当脉冲电压极性反转时,气隙表面电荷形成的反向电场减弱, 使得平均放电量减小

  分别对1 00HN、 100CR薄膜施加频率为1kHz、占空比为5 0%的双极性脉冲方波电压, 脉冲方波电压峰-峰值从2 50V( 即宏观电场强度1 0kV /mm) 逐级升高到20 00V( 即宏观电场强度8 0kV /mm) , 测试体电荷密度随电场强度的变化趋势。根据所得数据绘制体电荷密度随介质电场强度的变化曲线, 得到空间电荷积聚的阈值电场强度。未老化的1 00HN 薄膜和1 00CR 薄膜中体电荷密度随电场强度的变化情况。当介质内部无空间电荷聚集时, 体电荷密度和电场强度呈线性关系。若曲线斜率发生变化, 则变化点的电场强度值即为 阈 值 电 场 强 度。未 老 化 的1 00CR薄膜、 1 00HN薄膜的空间电荷积聚的阈值电场强度分别为3 8、 32.5kV /mm。Ⅰ区为O hm区, 所测得的体电荷密度是试样固有的载流子密度,因为在实际的聚酰亚胺薄膜中, 总是存在一定量的能够自由迁移的正( 负) 带电粒子。Ⅱ 区为陷阱作用区, 曲线斜率k反映了空间电荷的积聚速率, k越大则空间电荷在介质中的聚集速率越快。1 00CR薄膜的k值明显大于1 00HN薄膜, 说明前者内部空间电荷积聚速率较快, 含有更多的浅陷阱。热电子的产生几率及其能量大小由陷阱密度和深度决定。增加浅陷阱密度、 减小深陷阱密度, 可增加电子落入浅陷阱的概率, 减小电子落入深陷阱的概率, 进而减小电子脱陷时形成高能量热电子的几率, 降低高能电子对聚合物的破坏作用。1 00CR 薄膜中存在更多的浅陷阱, 这可能是其耐电晕性能较好的重要原因

  高温是导致绝缘材料电气性能、 机械性能和寿命降低的主要原因之一, 提高电机中绝缘材料的导热性能是改进电机绝缘、 降低损耗的重要措施之一

  一般来说, 聚合物材料本身的热导率较低, 导热性能较差, 填加高导热性填料是提高聚合物材料导热性能的重要途径。当填料用量较少时, 填料完全被聚合物基体所包裹, 热阻很大, 热导率主要取决于基体的热导率, 因此高热导率填料对复合材料热导率的影响甚微。当填料用量超过某一临界值时, 聚合物基体中的部分填料或填料聚集体相互接触, 形成局部的导热链或导热网。随着填料用量的进一步增加, 聚合物基体中的导热链或导热网相互联结贯穿, 形成相互贯穿的网状结构, 显著提高复合材料的导热性能

  在高频脉冲电压下, 温度的升高会使局部放电活动加剧。这是因为温度的升高加快了聚合物材料内部空间电荷的运动, 使陷阱捕获的电荷更易脱陷,形成放电的初始电子, 致使放电次数增加; 此外, 温度的升高会加快聚合物的分解, 挥发出低分子物质,促进局部放电的发展。在高压方波脉冲幅值3.5kV、 频率1 0kHz、 占空比5 0%条件下, 利用研发的连续高压脉冲方波下局部放电测试系统得到聚酰亚胺薄膜的局部放电特性, 不同温度下的局部放电特征参量变化。随着温度的升高, 平均放电量、 最大放电量、 放电次数和放电能量均呈增长趋势。局部放电活动的增强导致其对薄膜的破坏作用加剧, 加速薄膜的老化过程。因此, 掺杂无机纳米使局部放电产生的热量更易散出,可有效降低高温对局部放电的促进作用

  空间电荷的存在、 转移和消失都会改变电介质内部的电场分布, 削弱或加强电介质内部的局部电场。空间电荷的存在会导致聚合物内部电场发生畸变, 对绝缘材料的电导、 老化、 击穿特性产生明显的影响

  采用厚度为0.125mm 的聚酰亚胺薄膜, 施加峰-峰值电压为4kV、 频率为1kHz、 占空比为5 0%的双极性脉冲方波电压进行老化, 分别在2 5、 80、 140°C条件下, 利用空间电荷测试仪测量不同老化时间薄膜的空间电荷分布。随着温度的升高, 电荷入陷的位置逐渐向介质内部移动, 这是因为随着温度的升高, 电荷的迁移率增大, 电荷需移动更长的距离才会被陷阱捕获。当老化时间相同时, 随着温度的升高, 体电荷密度呈逐渐增大趋势。随着老化程度的加深, 更多的分子链断裂或降解, 导致薄膜内部陷阱密度和深度增大, 进而使薄膜内部聚集更多的空间电荷。温度的升高使聚酰亚胺薄膜内部空间电荷的注入深度和密度均呈增加趋势


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