液氮下雜化薄膜材料的直流擊穿性能研究

劉志凱 李衛國 魏 斌 丘 明 高興軍 高 超 趙勇青 李 松

（1. 華北電力大學電氣與電子工程學院 北京 102206 2. 中國電力科學研究院電工與新材料所 北京 100085）

1 引言

超導電力技術的實際應用，能大幅降低電網損耗，提高電力系統運行的穩定性和可靠性。與交流（AC）條件下的超導電力裝置相比，直流（DC）條件下的超導電力裝置具有零阻抗的優勢，因而直流超導電力技術得到了廣泛關注[1,2]。

超導電力技術應用的可靠性主要由超導材料、制冷技術和絕緣材料3個因素決定[3-6]。液氮下絕緣材料的電性能對提高超導電工設備的技術經濟指標和運行穩定性起到十分重要的作用。因而DC高溫超導電力設備設計需了解絕緣材料在液氮下的 DC擊穿特性，分析液氮下絕緣DC擊穿特性具有十分重要的意義。

目前主要對環氧、聚丙烯層壓紙（PPLP）、純聚酰亞胺薄膜（PI）和NomexT410等材料在常溫和液氮下進行了電氣性能試驗研究[7,8]。對于新型的杜邦復合薄膜材料100CR（在100HN內均勻摻雜納米材料）、150FCR019、150FN019、NomexT418（在NomexT410內均勻摻雜云母）在液氮下的DC擊穿特性卻鮮有報道。

本文測試了 NomexT410、NomexT418、100CR、100HN、150FCR019、150FN019薄膜在液氮下 DC擊穿場強，并對非雜化薄膜和雜化薄膜的DC擊穿性能進行了對比分析。為超導電力裝置的絕緣設計提供了參考。

2 實驗裝置

2.1 試驗發生裝置

圖1給出了實驗裝置接線圖。實驗電源為50kV/5kV·A的交直流兩用實驗變壓器。圖中高壓套管中裝有高壓硅堆，串接在高壓回路中作半波整流，以獲得直流高電壓。當用一短路桿將高壓硅堆短接時，可獲得工頻高電壓，作為交流輸出狀態；取消短路桿時，作為直流輸出狀態。進行直流實驗時，串聯一個阻值為300kΩ的水電阻用于保護硅堆，并聯一臺0.05F的濾波電容。一臺分壓比為1 000:1的交直流兩用分壓器和高精度萬用表用于測量擊穿電壓。采用快速升壓法進行實驗，以1kV/s的升壓速度加壓直到試品擊穿。一個長、寬、高分別為400mm、300mm、400mm的立方體型泡沫容器用于盛放液氮。實驗時電極系統放置于盛有液氮的泡沫容器中。

圖1 直流擊穿測試裝置Fig.1 Test set up for the DC breakdown tests

2.2 單層薄膜的擊穿試驗

試驗電極如圖2所示。高壓電極為直徑15mm、高25mm的圓柱體，低壓電極為直徑75mm、高15mm的圓柱體。電極的設計標準根據IEC 60243—1，測試的試品有 100HN（0.025mm）、100CR（0.025mm）、150FN019（0.038 1mm）、150FCR019（0.037 5mm）、NomexT410（0.076 2mm）、NomexT418（0.076 2 mm）。為防止沿閃，試品的尺寸裁成 100mm×100 mm。試品加壓前，需冷卻25min，以避免液氮中氣泡的影響。測試次數為10次，試驗數據采用Weibull分布進行處理。

圖2 測試電極Fig.2 The test electrode

圖3 測試樣品Fig.3 Test samples

3 試驗結果和分析

3.1 Weibull分布模型

由于試品的擊穿場強具有分散性，一般在相同條件下測試多個樣本的擊穿場強，再用概率模型統計分析。目前，通常采用兩參數 Weibull分布或對數正態分布對固體絕緣擊穿的測試數據進行處理分析，本文用Weibull分布評估液氮下薄膜的擊穿場強。

參數Weibull的累積概率分布表達式為

式中，F(x)為數據的累積概率值；x為擊穿場強隨機變量；β為形狀參數，其表征數據的分散性，β越大說明試品的試驗數據分散性越小；α為尺度參數，其代表累積概率值為 63.2%的擊穿值。通常取63.2%擊穿場強作為平均擊穿場強。由式（1）可得

ln(-ln(1-F(x)))=βlnx-βlnα （2）

令Y=ln(-ln(1-F(x)))，X=lnx，則X與Y呈線性關系，采用最小二乘法計算直線的斜率和節距。

3.2 100HN和100CR直流擊穿特性

100HN和100CR的直流擊穿場強Weibull分布圖如圖 4所示，其 10次測量數據的均值及 Weibull分布參數如表1所示。100HN和100CR的63.2%擊穿概率擊穿場強分別為422.9kV/mm、451.1kV/mm。100CR的63.2%擊穿場強是100HN的1.1倍。上述表明摻雜納米材料的聚酰亞胺薄膜 100CR的直流擊穿性能優于純聚酰亞胺薄膜100HN，即納米材料的摻雜使100CR的耐受直流電壓性能好于100HN。

圖4 100HN和100CR的直流擊穿場強Weibull分布圖Fig.4 Weibull plot of DC breakdown strength for 100HN and 100CR

表1 試品的測量均值及Weibull分布參數Tab.1 The mean of ten times breakdown strengths and Weibull parameter for samples

3.3 NomexT410和NomexT418直流擊穿特性

圖5顯示了NomexT410和NomexT418的直流擊穿場強的Weibull分布圖，其10次測量值的均值及Weibull分布參數見表2。NomexT410和Nomex-T418的1%、25%、50%、63.2%、75%和99%概率的擊穿場強及二者擊穿場強比值見表3。

圖5 NomexT410和NomexT418的直流擊穿場強Weibull分布圖Fig.5 Weibull plot of DC breakdown strength for NomexT410 and T418

表2 試品的10次測量值的均值及Weibull分布參數Tab.2 The mean of ten times breakdown strengths and Weibull parameter for samples

表3 不同概率的擊穿場強及兩種材料的擊穿場強比值Tab.3 The different probability’s breakdown strength and ratio of that for two kinds of sheets

由表3可知，NomexT418的63.2%擊穿場強高出NomexT410纖維紙100%。表明云母的摻雜極大地提高了NomexT418的直流擊穿特性。

3.4 150FN019和150FCR019直流擊穿特性

圖6顯示了150FN019和150FCR019的直流擊穿場強的 Weibull分布圖，其 10次測量值的均值及Weibull分布參數見表4。150FN019和150FCR019的不同概率的擊穿場強及兩種材料擊穿場強的比值見表5。子的電極控制[10]。

圖6 150FN019和150FCR019的直流擊穿場強Weibull分布圖Fig.6 Weibull plot of DC breakdown strength for 150FN019 and 150FCR019

表4 試品的平均擊穿場強及Weibull分布參數Tab.4 The average breakdown strength and Weibull parameter for samples

假定在穩態直流電壓介質內載流子遷移率μ與位置無關，略去載流子的擴散通過介質的電流密度為[11]

式中，L表示薄膜厚度。若樣品的一個電極與之構成歐姆接觸，即可認為此電極是無限載流子源。這意味著歐姆電極附近電場為零，則邊界條件為[11]

由式（3）和式（4）可得

表5 不同概率的擊穿場強及兩種材料的擊穿場強比值Tab.5 The different probability’s breakdown strength and ratio of that for two kinds of sheets

從表5可知，150FCR019的63.2%擊穿場強是150FN019的1.2倍。說明納米粒子的摻雜降低了載流子的遷移率，延長流注在 150FCR019的發展時間，增強了150FCR019直流耐壓性能[9]。

4 機理分析

低電場時，即加壓初期電介質的電流–電壓特性符合歐姆定律，當電壓（或電場強度）達到某一數值時，注入的載流子濃度增大，出現了空間電荷的大量積累，引起空間電荷限制電流，使得流過電介質的電流由歐姆電流區向空間電荷限制電流區轉變。電流受材料本身空間電荷控制而不受注入載流

對式（7）積分并將其積分表達式與式（5）聯立可得

式（8）表示無陷阱電介質的空間電荷限制電流與電壓的關系式。但在含有陷阱空間電荷的固體介質中，固體介質存在一定的陷阱空間電荷密度nt(x)，參與導電的數目 n(x)，單位體積載流子的總數為n(x)+ nt(x)，則

在不能給出陷阱空間電荷分布的情況下，簡單的解決方法是引入一個系數θa來代表與陷阱密度的有關修正系數，θa表達式如下

對注入電荷將大部分被陷阱捕獲，形成陷阱空間電荷的情況，將式（3）、式（5）和式（9）聯立并考慮 θa＜＜1[11]，故可簡單地將式（8）改寫為

式（12）表示存在陷阱空間電荷的介質空間電荷限制電流與無陷阱介質空間電荷電流的關系式。上述中，無陷阱的介質可看作無任何缺陷的介質，有陷阱空間電荷的介質可看作通過對無任何缺陷介質進行摻雜或其他處理使原無缺陷介質產生缺陷且與無缺陷介質厚度相同的介質。由式（10）、式（12）可知，以無缺陷的介質為參照物，陷阱空間電荷密度越大的介質，其空間電荷限制電流越小；這說明陷阱電荷密度越大的介質導電性能越弱，在直流電壓作用下越不易形成導電通道以致其擊穿場強越大。本文中，100HN的厚度與100CR的相等、NomexT410的厚度與NomexT418的相等、150FN019的厚度比150FCR019的略高0.6μm，它們近似相等且雜化薄膜均是通過對相應非雜化薄膜進行摻雜處理得到的；因此雜化薄膜的陷阱密度遠高于與其對應的非雜化薄膜，直流高壓下的雜化薄膜中被陷阱捕獲形成的陷阱空間電荷密度大于其對應的非雜化薄膜的陷阱空間電荷密度。故液氮下非雜化薄膜的空間電荷限制電流大于與之對應的雜化薄膜的空間電荷限制電流。這說明與非雜化薄膜相比，在直流電壓下雜化薄膜的導電性能較差，更不易形成導電通道。從而促使雜化薄膜的擊穿場強高于與之對應的非雜化薄膜。本文測試結果顯示：雜化納米材料的聚酰亞胺薄膜 100CR的擊穿場強高于純聚酰亞胺薄膜100HN；摻雜云母的NomexT418的擊穿場強高于純諾梅克斯纖維紙NomexT410；下層摻雜納米材料的150FCR019的擊穿場強高于 150FN019。測試結果表明雜化薄膜的擊穿場強大于與之對應的非雜化薄膜的擊穿場強，與推理分析結果一致。

5 結論

（1）在液氮下，100CR的63.2%直流擊穿場強是100HN的1.1倍，NomexT418的63.2%直流擊穿場強是NomexT410的2.0倍，150FCR019的63.2%直流擊穿場強是150FN019的1.2倍。測試結果表明，在液氮下雜化薄膜的直流擊穿性能優于非雜化薄膜材料。

（2）雜化薄膜的直流擊穿性能好于非雜化薄膜材料，主要是由于摻雜材料增加了陷阱密度使雜化薄膜的空間電荷限制電流小于非雜化薄膜，致使耐受電壓大于純薄膜材料引起的。

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