不同溫度下聚酰亞胺真空直流沿面閃絡特性

張振軍,鄭曉泉,吳文斌,楊沛,彭平,烏江

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安;2.福建省電力有限公司電力科學研究院, 350007, 福州)

不同溫度下聚酰亞胺真空直流沿面閃絡特性

張振軍1,鄭曉泉1,吳文斌2,楊沛1,彭平1,烏江1

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安;2.福建省電力有限公司電力科學研究院, 350007, 福州)

為了提高固體絕緣介質應用于復雜工程環境下的可靠性,以自制備的聚酰亞胺(PI)平板試樣為研究對象,實驗研究了PI在不同溫度(193～373K)范圍內的真空直流沿面閃絡特性,并分析其閃絡機理。結果發現:隨著溫度的升高,閃絡電壓呈現先降低、后升高、再降低的變化規律,且分別在273K與313K時達到最小、最大值;高溫區域(313～373K)的閃絡電壓較低溫區域(193～273K)的閃絡電壓有明顯提高。對實驗結果進行分析,認為高場強下陰極附近電子發射、固體絕緣介質體內的電荷輸運以及氣體解吸附都是影響固體絕緣介質真空直流沿面閃絡特性的重要原因,其中的氣體解吸附更是影響真空直流沿面閃絡特性的最關鍵因素。

閃絡;聚酰亞胺;溫度;電子發射;電荷輸運;氣體解吸附

聚酰亞胺(PI)材料以其良好的耐輻射、耐高低溫、抗電暈腐蝕等性能,在航空航天工業、電力系統絕緣、航海電氣設備結構、微電子及其他精密機械方面得到了廣泛的應用[1-3]。當固體絕緣材料應用在電力系統絕緣時,其沿面閃絡電壓遠低于絕緣材料本身的擊穿電壓,是制約絕緣系統電氣強度的最為關鍵因素[4]。真空沿面閃絡是一種發生在絕緣介質與真空交界面的復雜放電現象,引起了國內外眾多學者的研究,人們通過電氣實驗的方法研究了諸如施加電壓波形[5]、絕緣子形狀[6]、真空度[7]、介質表面狀況[8]、表面電荷分布[9]、溫度[10-11]、脫附氣體[12]、電極材料及電極結構[13]等影響因素,初步揭示了真空沿面閃絡的放電機理。目前,最受學者認可的真空中固體介質沿面閃絡放電模型是二次電子發射雪崩(SEEA)模型[14],以及電子觸發極化松弛(ETPR)模型[15]。

然而,通過檢索到的國內外研究資料發現,研究絕緣體在變溫條件下的閃絡規律及其少見,而且相關的研究結果因實驗條件的不同亦會有很大的區別。文獻[10]研究發現聚乙烯在-40～80℃之間的閃絡電壓值是單調下降的,文獻[16]發現100K時的閃絡電壓值比室溫時提高了大約30%,文獻[17]發現氧化鋁陶瓷絕緣體的陰極末端溫度從300K降到100K時可令其直流閃絡電壓提高25%,文獻[11]發現聚酰亞胺的直流沿面閃絡電壓在78～200K基本不變,在225～250K有所下降,之后又會隨溫度上升而有所上升。這些研究結果雖然在一定程度上揭示了介質材料在變溫下的沿面閃絡特性,但是在溫度對閃絡影響的機理方面并沒有進行深入而全面的闡述。

本文采用自行研制的模擬空間環境真空介質放電系統,重點研究了溫度變化對PI真空直流沿面閃絡電壓的影響規律,獲得了一些有價值的實驗結果和數據。

1 實 驗

1.1 試樣制備

實驗中所采用的PI試樣由粉體材料通過模壓方法制備而成,首先篩選中值粒徑為50μm的粉體材料,將粉體置于烘箱中干燥2 h(干燥溫度200℃),然后稱取預設質量的粉體置于內徑為100mm的模具中,通過液壓機進行冷壓成型(成型壓力為10～15 MPa、時間為15～20s),脫模后取出試樣,最后采用高溫高壓成型工藝,得到厚度為1 mm的PI片狀樣品。

將制作完成的試樣用酒精擦拭后,在超聲波振蕩器中用蒸餾水振蕩清洗30min,再將其置于真空干燥箱中(真空度優于10Pa、干燥溫度為120℃)脫氣并干燥處理24 h,取出試樣后在室溫條件下將其置于干燥皿中靜置12 h。最后,通過離子濺射儀將處理好的試樣用冷濺射的方式得到兩個間隔1 mm、直徑為20mm、厚度約為0.1 μm的金膜薄電極。

1.2 實驗裝置

本實驗在高真空(極限真空度為10-5Pa)、高低溫(120～450K)介質放電實驗系統中進行。實驗系統通過充滿氦氣的壓縮機實現制冷,通過石英加熱燈管輻射進行升溫。測量裝置采用1 000∶1電阻分壓器和示波器,陽極通過一個50Ω的無感電阻接地,閃絡電流通過Tektronix DPO3000示波器采集到的無感電阻上的電壓信號換算得出,實驗系統示意見圖1。

圖1 實驗系統圖

2 實驗結果

在193～353K溫度范圍內,每間隔20K進行一組閃絡特性實驗,每個溫度點取5組樣品,為確保試樣溫度與系統測試溫度一致,在真空腔內溫度達到測試值10min后開始閃絡放電實驗,在真空度優于10-4Pa的真空腔內連續閃絡直到穩定,加壓梯度為100V/s,相鄰兩次閃絡時間間隔為60s。圖2是PI試樣在193～353K溫度范圍內的沿面閃絡特性,閃絡電壓通過所有閃絡數據的平均值及標準差表示。由圖2可以看出,PI試樣的真空直流閃絡電壓隨溫度升高呈現先降低、后升高、再降低的變化規律,在193～273K范圍時閃絡電壓呈下降趨勢,273～313K區域時呈上升趨勢,且分別在273K與313K時達到最小、最大值,在313～353K范圍內再次隨溫度上升而下降。

圖2 不同溫度下的直流沿面閃絡電壓

3 分析討論

從圖2的實驗結果可以看出,在193～353K范圍內,PI閃絡電壓隨溫度上升呈現先下降、后上升、再下降的趨勢,在273K時達到最小值,313K時達到最大值。對此,本文分3個區域進行討論,即193～273K為第1區域,273～313K為第2區域,313～353K為第3區域,并從陰極熱電子發射、絕緣介質體內的電荷輸運以及氣體解吸附3個方面進行分析討論。

3.1 陰極熱電子發射影響

在通常情況下,純凈的固體絕緣介質禁帶較寬,電子從價帶受熱激發到導帶是十分困難的,導致其本征電子電流很小。當固體絕緣介質中存在雜質時,會在較寬的禁帶中引入中間能級,這將使得雜質能級中的電子較易受熱激發進入導帶(或者使價帶中的電子受熱激發到雜質能級中),增加了電子電流。此外,從金屬電極向介質(或真空)發射電子時,由于兩者界面處存在電位勢壘,在高溫情況下,一部分電子由于熱作用具有較高的動能,可以克服電位勢壘向介質(或者真空)發射熱電子,形成熱發射電流。在外施電場情況下,三結合(陰極末端、真空、介質表面)點處的電場畸變,極大地增強了該區域電場強度,外施電場將降低電位勢壘,使熱電子更易發射,這一現象也稱為肖特基效應[18]。由肖特基電流方程可得出場助熱電子發射電流密度為

(1)

式中:A為與電子質量與電量有關的常數;T為溫度;k為波爾茲曼常數(k=1.38×10-23J/K);ΦD為金屬的逸出功;e是電子電量;ε0為真空介電常數(ε0=8.85×10-12F/m);εr為介質相對介電常數。由式(1)可以看出,當溫度T升高時,肖特基熱電子發射使得電子電流增加,即參與沿面閃絡過程的初始電子增加,電子的動能亦會隨著溫度的上升而增加,引起碰撞電離加速并形成電子崩,降低了PI介質材料的沿面閃絡電壓。區域1、3中閃絡電壓下降,說明其可能與肖特基熱電子發射有密切關聯。

3.2 介質電荷輸運影響

由于本文所采用的PI試樣為極性非晶態無定型聚合物,非晶態介質中局域態密度很大,電子大多處于局域態中,依據Mott-CFO能帶理論可知,局域態間的電子運動形式是以跳躍遷移為主。電子通過與晶格相互作用的熱振動獲得動能,跳躍過局域態之間的勢壘,此過程也是一個熱活化過程[18]。電子在兩個相鄰局域態之間的跳躍遷移率可表示為

(2)

式中:μ0為T→∞時電子的遷移率;u0為電子需要跳躍過的勢壘高度。當溫度很低時,電子獲得能量較少,較難從晶格振動中獲得能量發生躍遷,跳躍遷移率很低;隨著溫度的升高,電子動能增加,使跳躍遷移率增大,電子電導增加。在外電場作用下,介質體內增加的電子在向陽極遷移輸運過程中會與介質分子及雜質離子等發生碰撞電離,形成新的載流子及內二次電子,由SEEA理論可知,二次電子發射增加會降低沿面閃絡電壓。圖2中的第1、3區域現象也印證了此分析。

3.3 氣體解吸附影響

在高真空環境下,氣體分子間的平均自由程遠大于實驗中的電極間距離(1 mm),意味著氣體放電理論中的放電擊穿由電子碰撞背景環境下的氣體分子電離所致已不能發生[19]。由于固體表面會吸附多層氣體分子,在外施電場的作用下,這些被吸附的氣體分子會與電子或正離子發生碰撞而被電離或激發,形成解吸附氣體,為電子崩的發展提供充分的條件,形成類似湯遜放電形式從而發生擊穿[20]。閃絡實驗過程中真空度基本維持不變,依據相關界面與吸附的理論可得,固體表面吸附等壓線的吸附量與溫度的典型關系曲線[21]如圖3所示。

圖3 固體表面吸附氣體吸附等壓線

通常,真空直流沿面閃絡可依據SEEA假說理論解釋。首先,陰極末端三結合點處由于電場畸變產生初始電子,在外施電場作用下,初始電子向陽極遷移,在此過程中,電子會碰撞絕緣體表面導致絕緣體表面吸附的氣體解吸附,形成解吸附氣體層,電子在解吸附氣體層中與氣體分子發生碰撞電離;此外,電子也可碰撞絕緣體表面,形成新的二次電子發射,當電離足夠強時就會發展成電子崩,最終形成閃絡放電通道。因此,真空直流沿面閃絡的根本機理是絕緣體表面脫附氣體層電離,從而形成等離子體放電通道。

電極與PI材料表面的氣體吸脫附及碰撞電離的形成與溫度有密切的聯系。在高真空系統中,由于范德瓦爾斯力等作用,潔凈材料表面吸附的氣體分子層厚度通常在3nm左右。在實際情形下,由于固體絕緣介質表面微觀形態上的凹凸不平,其真正表面積遠大于宏觀測量數值,再考慮到真空中的各種附屬物(如真空泵揮發的油霧),其真實吸附的氣體遠大于幾何學上的測量結果[22]。隨著環境溫度的升高,固體表面吸附氣體將獲得更多的熱能,氣體分子的活躍程度上升,導致絕緣體表面吸附的氣體快速解吸附形成脫附氣體層;同時,溫度上升又會導致氣體分子內能增加,分子熱運動加劇,使碰撞電離加劇。

本文的實驗結果可以做如下解釋:當溫度變化范圍處在區域1時(見圖3,下文同),由于溫度較低,PI材料表面吸附的氣體分子層數較多,隨著溫度的升高,氣體活躍程度迅速增加,導致PI表面氣體解吸附快速上升,產生大量的脫附氣體分子,在外加電場作用下,由電子(包含三結合點場致發射電子、二次電子、電離產生的電子等)碰撞所致的解吸附氣體在固體介質表面形成局部高氣壓氣體分子層,在高場強的作用下迅速發生電離形成等離子體放電層,形成閃絡通道。同時,由于溫度升高導致氣體分子熱運動加劇,促進了脫附氣體分子間的碰撞電離,加速形成電子崩,也會使得沿面閃絡電壓下降。即在193～273K范圍內,閃絡電壓隨溫度上升而下降的原因是由陰極三結合點附近熱電子發射增加、電子跳躍率上升以及氣體解吸附快速上升共同作用所致。當溫度變化范圍處于區域2時,隨著溫度的進一步升高,分子熱運動加劇,導致固體表面吸附的氣體層數減少并趨于相對穩定值,PI試樣表面變得更加清潔,在電子碰撞作用下產生解吸附氣體脫附量大為減少,碰撞電離的發生幾率減小,難以形成電子崩。此時,熱電子的增加以及電子跳躍率的上升已經不起主導作用,表面吸附氣體數量減少是導致閃絡電壓升高的主要因素。當溫度變化范圍處于區域3時,由于介質材料處在高溫下,聚合物材料本身的微孔會擴張并增加,使得介質表面吸附的氣體量并不比區域2時有明顯降低。這從圖3中的典型關系曲線可以看出,此時陰極三結合點附近熱電子發射與電子跳躍率隨溫度的上升快速增加;同時,高溫下氣體分子的熱運動加劇,由電子碰撞而產生的脫附氣體層更易形成,脫附氣體分子間的劇烈碰撞電離也更易加速形成電子崩,導致沿面閃絡電壓降低。此外,對比溫度區域1時,介質表面處于溫度區域3時的氣體吸附量大為減少,這使得閃絡過程中的氣體脫附效率大大降低。根據相關文獻研究可知,氣體脫附率的降低可以大幅提高沿面閃絡電壓[23],圖2中的結果也證實了此結論。由此可見,沿面閃絡過程中的解吸附氣體是影響閃絡電壓的最關鍵因素。

4 結 論

(1)在高真空背景下,當溫度在193～353K范圍內時,PI閃絡電壓隨溫度上升呈現先下降、后上升、再下降的趨勢,在193～273K范圍內閃絡電壓呈下降趨勢,273～313K范圍內呈上升趨勢,且在273K時達到最小值,313K時達到最大值,此后在313～353K范圍內又隨溫度上升而下降。

(2)PI閃絡電壓在整個溫度區域內呈現的上述變化是受陰極三結合點處熱電子發射、電子跳躍率以及氣體解吸附三者共同作用的結果。在193～273K溫度范圍內,三者都隨溫度上升而上升,導致閃絡電壓降低;在273～313K范圍內,解吸附氣體減少起主導作用,導致閃絡電壓升高;在313～353K范圍內,熱電子發射與電子跳躍率的上升又會導致閃絡電壓降低。

(3)實驗結果中得到313～353K范圍內的沿面閃絡電壓明顯高于193～273K范圍內的閃絡電壓,表明了解吸附氣體是影響沿面閃絡過程的最關鍵因素。

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(編輯 杜秀杰)

DCSurfaceFlashoverCharacteristicsofPolyimideinVacuumatDifferentTemperatures

ZHANG Zhenjun1,ZHENG Xiaoquan1,WU Wenbin2,YANG Pei1,PENG Ping1,WU Jiang1

(1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.Electric Power Research Institute of Fujian Electric Power Company Limited, Fuzhou 350007, China)

To enhance the reliability of solid dielectric insulation in complex engineering environments, the self-made polyimide (PI) sample in vacuum is taken as the object, and the DC surface flashover characteristics at different temperatures (193-353K) are experimentally researched.It is found that the DC surface flashover voltage firstly decreases then increases and finally decreased again with the increasing of temperature.The DC flashover voltage reaches the maximum at 313K and minimum at 273K.the flashover voltages are significantly heightened in high temperature region (313-373K) compared with that in lower temperature region (193-273K).The experiments suggest that the electron emission near the cathode, charge transport of dielectric insulators and gas desorption are important to affect DC flashover voltage of PI in vacuum, and the gas desorption plays the key factor.

flashover; polyimide; temperature; electron emission; charge transport; gas desorption

2013-09-17。

張振軍(1984—),男,博士生;鄭曉泉(通信作者),男,教授。

國家自然科學基金資助項目(51377126)。

時間:2014-01-10

10.7652/xjtuxb201404009

TM85

:A

:0253-987X(2014)04-0047-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140110.1746.002.html