复合材料的陷阱参数对其在真空中高压脉冲下沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象一直制约着真空绝缘材料性能的提高，极大地限制了高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。该文针对环氧基复合材料引入真空绝缘的背景，研究了脉冲电压作用下，复合材料的表面陷阱状况对其沿面绝缘特性的影响。通过对Simmons等温电流理论的进一步推导，完善了利用表面电位衰减测量材料表层陷阱能量分布的理论和方法，并分析了填料浓度对于材料表层陷阱的影响机制。在已有的二次电子发射雪崩(SEEA)闪络模型基础上，强调了深电子陷阱在沿面闪络过程中的作用，并定性分析了此过程中的物理机制和影响因素。复合材料中的深陷阱对于抑制材料表面的内二次电子发射有一定的作用，通过提高深陷阱的密度可以在一定程度上提高沿面闪络电压。     

强流脉冲电子束源陶瓷真空界面闪络特性及其抑制技术研究

作为强流电子束源的关键部件之一,真空界面的沿面闪络问题严重制约和影响强流加速器和高功率微波系统的性能。该文针对强流电子束源中的陶瓷真空界面性能提升需求,首先利用VSim仿真软件建立陶瓷真空界面沿面闪络动态仿真模型,分析二次电子发射系数、二次电子倍增与碰撞电离等过程,仿真研究表面二次电子发射系数、表面解吸附气体、表面积聚电荷等因素对陶瓷沿面闪络的影响;在此基础上,结合工程样机,分别从降低表面二次电子发射系数和抑制二次电子倍增的角度,提出高温涂层和表面非周期波纹提高陶瓷耐压水平、抑制闪络的方法。在500k V、100ns、20Hz重频长脉冲平台上分别对上述2种表面处理的陶瓷真空界面开展耐压测试,结果显示:表面涂层和表面非周期波纹结构均可提高脉冲条件下陶瓷闪络电压,闪络电压提升幅度分别为12.4%和14.7%,且重频运行稳定。论文研究工作为强流脉冲功率领域陶瓷真空界面的设计与运行提供了重要参考。     

等离子体射流处理对聚全氟乙丙烯薄膜沿面绝缘特性的影响研究

闪络现象严重制约电气设备的设计制造和安全稳定运行,而绝缘材料的表面状态及特性对闪络有着重要影响。为探索聚合物材料表面带电特性对真空闪络的影响规律,利用大气压等离子体射流对聚全氟乙丙烯薄膜进行表面处理,研究不同处理条件对材料表面绝缘特性的影响规律。对处理前后材料的表面化学组成、表面陷阱能级分布及空间电荷分布进行测量和分析。结果表明:表面处理在材料表面引入了含Si的无机基团,并使材料表面陷阱能级轻微变浅,材料表面陷阱密度明显增加,且陷阱密度增加趋势与空间电荷分布呈现出一定的正相关性。开展了处理前后薄膜材料的真空沿面闪络实验,实验结果表明:材料的真空沿面耐压随陷阱密度的增加出现先增加后降低的现象。研究结果表明,大气压等离子体表面处理能够在一定范围内调控材料表面陷阱参数,适当增加材料表面陷阱密度,有助于提高材料真空沿面耐压。     

含硅氧结构聚酰亚胺薄膜的高频沿面放电特性

用于高频电力变压器匝间绝缘的聚酰亚胺,因沿面放电而易发生绝缘失效,利用硅氧结构进行改性是有效的解决方法。该文研究高频电应力下含硅氧结构聚酰亚胺薄膜的沿面放电特性,通过向聚酰亚胺中引入5%等效摩尔含量的纳米SiO_2粒子(SiO_2-PI)和二硅氧烷GAPD(GAPD-PI),与纯聚酰亚胺(PI)一起进行沿面绝缘强度和全寿命沿面放电特性测试,并结合电阻率、紫外–可见光谱、SEM等测试技术开展比较分析。结果表明:在针–板电极的高频沿面放电中,电晕易向前发展,闪络破坏性更大,正半周比负半周放电更为剧烈,极性反转处放电强度大。放电幅值先出现波动而后到达峰值,单位时间内放电次数持续上升,密集放电比重逐渐增加。含硅氧结构改性聚酰亚胺的沿面绝缘强度均有所提升,其中GAPD-PI更好。SiO_2-PI前期的放电幅值与次数与PI相近,密集放电多于PI,但PI发展迅速,后期放电的剧烈程度超过SiO_2-PI。进一步研究给出材料改性对高频沿面放电特性的影响机制:放电前期,电阻率影响较大,大电阻率会抑制沿面放电发展;放电中后期,陷阱密度、深度的增加导致放电剧烈程度增加,此时光能影响较大,吸收光能一方面使材料电荷转移络合作用增强,另一方面减轻了光能对放电的促进作用。同时,材料化学结构也对沿面放电特性产生较大影响。     

频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程,搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10~40 k Hz正弦电压下,测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命,然后采用恒压法开展沿面放电实验,记录了放电起始、发展至闪络的整个过程,获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图,并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论,对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明,电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短;高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型,在放电的不同阶段,放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律,可作为沿面放电发展程度的评估指标;绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响,是进一步揭示沿面闪络机理的关键。     

玻璃陶瓷表面浅陷阱分布对其真空沿面闪络特性的影响

长期以来沿面闪络现象一直制约着真空绝缘系统的整体性能,极大地限制了高压电真空设备的发展进程。针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景,研究了不同制备工艺的可加工陶瓷试品在进行表面氢氟酸处理前后其电学特性的变化。利用表面电位衰减法测量了材料表层陷阱分布,分析了表面酸处理对其陷阱分布的影响;采用光电结合的方法,测量了不同表面处理的材料在真空中的表面耐电情况,分析了材料表面陷阱的密度和能级对闪络特性的影响。发现玻璃陶瓷材料表面存在的玻璃相结构是造成存在大量浅陷阱的重要原因,而浅陷阱对沿面闪络特性造成不利影响。得知通过氢氟酸处理可以腐蚀掉材料表面的玻璃相结构,从而降低浅陷阱密度,进而明显提高材料表面闪络的稳定性和降低分散性。     

等离子体表面氟化处理环氧树脂及其沿面闪络特性研究

为加快绝缘子表面电荷消散,提升绝缘子沿面闪络电压,本研究提出了等离子体氟化改性技术,选用与绝缘子配方一致的环氧树脂试样,改变材料表面的处理时间,测试处理前、后试样的表面物理、化学及介电特性.结果表明:等离子体处理作为一种兼具表面物理改性及化学改性的方法,可以在试样表面引入亲水性基团,改变试样表面的浸润性,试样表面粗糙度随处理时间的增加呈先提高后降低的趋势,同时等离子处理可以在材料表面引入F元素,浅化表面陷阱,提升材料的表面电导率,减少表面电荷积聚;在选定参数下,处理9 min后,沿面闪络电压提升至最大值,威布尔分布计算表明提升了约37.17％;过长时间的等离子体表面处理会破坏材料结构,深化表面陷阱,降低表面电导率,降低沿面闪络电压.     

氧化铝陶瓷绝缘子真空沿面闪络过程中的陷阱机制

采用热刺激电流法(TSC)研究了不同烧结温度和掺有不同添加剂的氧化铝陶瓷的陷阱能级密度分布特性以及在负脉冲电压作用下的真空中表面带电和沿面闪络特性。研究发现，氧化铝陶瓷的陷阱分布与其真空中的表面带电和沿面闪络特性之间存在一定的内在联系，即材料中的陷阱密度越大，其表面电荷密度越高，且沿面闪络电压越低。上述结果表明，氧化铝陶瓷在真空沿面闪络过程中，除了电介质的二次电子发射作用外，载流子的入陷、脱陷机制也起着相当重要的作用。     

基于二元布气的大气压等离子体沉积TiO2功能层提高陶瓷表面绝缘性能

真空/固体介质界面的绝缘性能相对较低,真空沿面闪络现象时有发生,严重威胁高压电气设备、脉冲功率系统的安全可靠运行。为提高陶瓷材料在真空中的表面绝缘性能,该文采用大气压等离子体沉积技术,以钛酸四乙酯与乙醇的混合溶液为前驱物,利用二元布气的反应器在陶瓷表面沉积二氧化钛（TiO₂）薄膜。通过调控沉积条件,得到均匀致密的TiO₂功能层,并对沉积改性前后材料表面的理化特性、表面电荷特性、电荷陷阱分布以及在真空中的沿面闪络特性进行测量和表征。实验结果表明：当基底温度为25℃时,大气压等离子体沉积处理在陶瓷表面引入TiO₂功能层后,样品表面陷阱能级最低,电荷消散速度最快,与未处理样品相比,闪络电压提高39%;当基底温度升高至80℃时,TiO₂功能层致密均匀,样品表面陷阱能级最高,电荷陷阱逐渐变为深陷阱,闪络电压提高58%。通过大气压等离子体改性技术在绝缘材料表面沉积TiO₂功能层,能够有效提高陶瓷的表面绝缘性能,为后续工程应用提供新的改性途径。     

等离子体改性纳米粒子对聚酰亚胺复合薄膜陷阱特性影响

聚酰亚胺(Polyimide,PI)纳米复合薄膜以其优越的绝缘性能广泛应用于变频牵引电机匝间绝缘。为研究纳米粒子表面改性对复合薄膜陷阱特性以及绝缘特性的影响,利用大气压空气等离子体对纳米粒子表面进行改性,采用原位聚合法制备聚酰亚胺纳米复合薄膜,通过去极化热刺激电流(thermally stimulated depolarization current,TSDC)分析薄膜内陷阱能级密度分布,利用电声脉冲法(pulsed electro acoustic method,PEA)得到了薄膜的空间电荷分布情况,并测试得到方波脉冲下复合薄膜的绝缘寿命。研究结果表明,纳米粒子经过等离子体改性后,聚酰亚胺纳米复合薄膜陷阱能级峰位移向低能级,浅陷阱密度由7.15×10~(19)(1/m~3)增至9.99×10~(19)(1/m~3),而深陷阱密度由7.63×10~(19)(1/m~3)降至5.33×10~(19)(1/m~3),浅陷阱密度的增加有效抑制了薄膜内空间电荷的积累,空间电荷密度最大值由6.93C/m~3降至3.59C/m~3,同时聚酰亚胺复合薄膜的绝缘寿命提高了28.06%;讨论分析了纳米粒子表面改性对聚酰亚胺复合薄膜内陷阱分布影响,并揭示了陷阱特性对薄膜空间电荷分布以及绝缘寿命的影响机理。     

真空沿面闪络全局模型与数值仿真综述

数值模拟技术广泛应用于真空沿面闪络机理及其抑制的研究中。文章回顾总结了真空沿面闪络全局模型与数值仿真所涉及的物理过程、常用建模方法、技术难点以及相应解决手段，并对真空闪络数值仿真的后续发展进行了讨论。首先介绍了基于二次电子发射雪崩理论的真空闪络全局模型，详细分析阴极三结合点处电子发射、介质表面二次电子倍增、介质表面气体解吸附以及最终沿面等离子体形成所包含的各物理过程，并按照闪络起始、发展和击穿，分3阶段介绍了对应粒子仿真所采用的建模理论、算法细节与仿真研究所得结果，主要包括阴极三结合点场致电子发射、介质二次电子发射、解吸附气体输运、电子-中性粒子碰撞等物理过程。文章随后回顾了基于全局模型的真空闪络抑制方法，主要包括通过电场优化降低场致发射，构造阻碍二次电子崩发展的表面微结构，以及抑制介质气体解吸附，并讨论了数值仿真在闪络抑制手段验证、开发中的重要作用。最后针对性地对其它非粒子模拟的分阶段闪络建模方法及其后续发展进行了讨论，包括动理学模型、流体模型、混合仿真模型以及体内体表联合模型。     

脉冲电压下油膜涂覆绝缘体真空沿面闪络特征

为进一步提高真空绝缘体沿面闪络电压,采用变压器油涂敷于真空绝缘体表面,实验研究了脉冲电压下油膜涂覆绝缘体的真空沿面耐压性能。实验结果表明:真空中油膜涂覆绝缘体首次沿面闪络电压和老练电压均有大幅度提高,但耐受电压与未涂覆绝缘体的耐受电压基本一致。根据实验结果结合真空沿面闪络二次电子崩理论和液体击穿二次电子崩理论,初步认为闪络发生在绝缘体与油膜交接面处,油介质的涂覆抑制了绝缘体表面二次电子崩的发展和解吸附气体的释放,提高了首次闪络电压和耐受电压,但较高的闪络电流释放的热量将可能在绝缘体表面形成固有闪络通道从而降低油膜涂覆绝缘体耐受电压,油介质的涂覆促使电极与绝缘体接触良好从而降低了闪络电压的分散性。该涂覆方法有希望应用于对真空无特殊要求的固体支撑结构来提高真空耐压性能,但油介质对真空的影响还有待进一步研究。     

交联聚苯乙烯表面CF_4等离子体改性及其真空沿面闪络性能

绝缘材料的真空沿面闪络性能是目前电气工程领域的研究热点,为此采用大气压介质阻挡放电技术,对交联聚苯乙烯(CLPS)进行CF_4等离子体表面改性。通过静态水接触角、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术,分析改性前后CLPS的表面特性;同时测量改性前后的真空沿面闪络性能,讨论了表面微观形貌在纳米尺度上的变化及表面氟含量与闪络电压的关系。结果表明:CF_4等离子体可以改变材料表面微观形貌并对表面进行氟化,使得CLPS真空沿面闪络电压提高50%以上。表面高度特征参数Ra随改性时间增加先增加后减小,引入氟以单氟接枝碳原子(C—F)的形式存在,纳米尺度下增加Ra以及在表面分子链中引入C—F键可提高CLPS真空沿面闪络电压。     

基于气压及间距变化的微间距放电特性分析*

微间距放电特性是影响设备微型化发展的重要因素之一,为深入探究微间距放电在不同环境下的特性,搭建试验平台,进行了微间距不同气压气体放电及沿聚酰亚胺薄膜(PI)表面放电试验。在1~100 kPa气体放电试验中,发现电极间距大于10 μm时的击穿电压随气压的走势与间距小于10 μm时的走势存在较大差异,主要原因是电极间距小于10 μm时,击穿过程受到离子增强场致发射效应影响。间距大于10 μm时,击穿电压随气压变化的敏感度与电极间距成正相关;而间距小于10 μm时,由于碰撞电离程度较低,其敏感度显著降低,且随着气压的升高而下降。大气压下对比纯气隙与沿PI表面放电,电极间引入PI薄膜后,击穿电压有了一定的降低,相较于纯气隙放电,沿面击穿电压对电极间距的敏感度更低。     

TiO_2和SiO_2纳米掺杂聚酰亚胺复合薄膜的电学性能研究

采用原位聚合法制备了PI/TiO_2和PI/SiO_2纳米复合薄膜。研究质量分数均为10%的两种纳米掺杂对PI复合薄膜介电性能的影响,采用光刺激放电电流法(PSD)表征两种纳米颗粒对PI复合薄膜陷阱能级的影响,通过陷阱理论对介电性能的影响机制进行探讨。结果表明:TiO_2和SiO_2纳米掺杂提高了PI的电导率和介电常数,介质损耗相应增加,耐电晕寿命明显提高,电气强度虽有所下降但仍满足实际需要。两种纳米掺杂都在PI基体中引入了大量的浅陷阱,PI/TiO_2和PI/SiO_2复合薄膜的陷阱能级范围分别为1.83~2.85 e V和2.13~2.83e V,且SiO_2纳米颗粒引入的浅陷阱密度低于TiO_2纳米颗粒。在此基础上,通过陷阱理论分析了两种复合薄膜的耐电晕老化机制。     

聚酰亚胺薄膜的等离子体改性及其机理探究

为了研究大气压空气介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)对聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜的表面改性,文中首先利用搭建的介质阻挡放电平台测试了不同材料、不同气隙距离下的DBD电气特性及其放电图像,并获得了较为均匀的DBD放电模式。之后利用得到的等离子体对PI薄膜进行不同时间的处理,并测试了其接触角、表面能以及傅里叶红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR),揭示了等离子的作用机理。研究结果表明:相对于玻璃和环氧树脂,陶瓷作为阻挡介质时其放电更为均匀;随着陶瓷间气隙距离的增大,放电持续时间和放电均匀度均减小,但放电功率密度增大,较小的气隙距离更适合于聚合物的表面改性;随着等离子体处理时间的增加,PI薄膜表面的接触角减小,而表面能增加。研究发现,等离子体处理在PI薄膜表面引入的-OH、-NH2等极性亲水基团以及刻蚀造成的粗糙度增加是其亲水性和表面能增加的主要原因。     

表面离子交换对可加工陶瓷真空沿面耐电特性的影响

真空中沿固体绝缘材料表面的闪络电压通常远低于绝缘材料自身及相同长度真空间隙的击穿电压,长期以来这一现象极大地限制了高压电真空设备的发展进程。鉴于此,将一种具有优良的可加工性能及表面耐电特性的可加工陶瓷引入真空绝缘领域,进而通过离子交换的方式改变可加工陶瓷的表面元素分布,以降低其表面的二次电子发射系数。并采用Cu+置换可加工陶瓷表面的Na+,考察了经不同离子交换时间后试品的表面形貌、介电特性及沿面耐电特性。结果发现:Cu+离子交换Na+能够提高可加工陶瓷的沿面闪络电压,随离子交换时间延长试品的沿面闪络电压有提高的趋势,并且出现闪络电压最高点,当离子交换时间过长时,闪络电压会有所降低。这为通过表面改性无机材料提高其表面耐电强度提供了一种新的方法。     

纳秒脉冲介质阻挡放电特性及其聚合物材料表面改性

介绍了大气压空气下纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)的特性及其对聚酰亚胺(PI)材料表面进行的亲水性改善。利用单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,通过电气特性测量和发光图像拍摄研究了纳秒脉冲DBD的特性,获得了均匀模式的放电,并分析了气隙距离对放电特性和均匀性的影响。利用大气压下均匀放电改性PI薄膜表面,对改性前后的薄膜表面进行水接触角、表面形态和表面成分分析,并与丝状放电的改性效果进行了比较。结果表明单极性纳秒脉冲DBD电流呈双极性,放电电流、介质电压和瞬时功率等随气隙距离的增大而减小,窄间隙条件下易获得均匀放电。经DBD处理后PI表面粗糙度明显增加,静态水接触角明显减小,亲水性含氧基团被引入,从而改善了薄膜表面亲水性,且均匀放电比丝状放电处理效果更为显著。     

等离子体改性对环氧树脂材料表面电荷动态特性的影响

等离子体对环氧树脂材料的表面改性在未来高压输电设备制造有着广泛的应用前景,基于此,采用次大气压辉光放电等离子体处理环氧树脂材料,通过表面电荷测量系统测量表面电位值、表面(体)电导率、闪络电压等手段分析改性表面电荷动态特性。实验结果表明:等离子体对环氧树脂材料的改性处理能有效加快其表面电荷的消散;改性处理后的材料表面电位衰减加快、沿面闪络电压升高;从陷阱能级分布曲线可知,陷阱能级变浅,密度变大,且随着改性时间增长,浅能级深度陷阱密度减小。此外,处理后材料的表面电导率升高一个数量级,体电导率无明显变化。分析表明:一方面浅陷阱能级不利于电荷被材料表面的陷阱所捕获,但有利于被捕获电荷的脱陷;另一方面,材料表面电导率的升高加快了表面电荷沿面迁移的速率。在这两方面的共同作用下,处理后环氧树脂材料表面电荷消散加快,绝缘性能提高。     

低温等离子体处理对聚酰亚胺纳米复合薄膜表面特性的影响

本文利用介质阻挡放电(DBD)试验平台产生低温等离子体,用低温等离子体改性聚酰亚胺(PI)纳米复合薄膜,对低温等离子体改性前后的纳米复合薄膜进行表面形貌、化学键结构、表面电导及耐电晕性能测试,研究薄膜表面特性的变化规律.结果表明:表面改性后,纳米复合薄膜表面逐渐变粗糙,并出现微孔、不连续凸起物.合理的等离子体改性时间可以在薄膜表面引入极性基团.随着改性时间的增加,接触角逐渐减小,表面能和表面电导率逐渐加大,耐电晕寿命增加到一定程度随后逐渐减小.当等离子体改性时间为10 s时,改性后的纳米复合薄膜的耐电晕寿命比未改性的纳米复合薄膜提高了15.7％.经过低温等离子体改性后,纳米复合薄膜表面相比纯PI薄膜表面更加均匀,改性后的纳米复合薄膜具有表面能小、表面电导率大的特性.较大的表面电导率会加快纳米复合薄膜表面电荷消散的速度,避免局部场强的集中产生表面放电,从而提高了薄膜的耐电晕寿命.要获得相同的改性效果,纳米复合薄膜需要的低温等离子体处理时间比纯PI薄膜稍长.