空间电荷对沿面闪络电压影响研究

对电晕老化的硅橡胶材料注入电荷,去掉表面电荷后进行沿面闪络电压测试。结果表明:绝缘介质内空间电荷形成的电荷层对绝缘介质沿面流注的发展有重要的作用,加速了正负粒子的分离,使流注更贴近材料表面发展,受材料表面形貌的吸附和阻碍,平均沿面闪络电压提高了1%;大量积累空间电荷后,绝缘介质的松弛极化能量及释放的大量电荷对闪络的降低起主要作用,本实验条件下,平均沿面闪络电压下降了3%。     

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。     

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。     

纳米TiO2-MWCNTs掺杂提升环氧绝缘材料真空直流沿面闪络性能

选用两种纳米填料:纳米氧化钛(TiO2)和多壁羟基碳纳米管(MWCNTS),向环氧树脂中单独或同时加入两种粒子,制备16种不同的环氧纳米复合电介质.通过体积电阻率测试、表面电位衰减试验与真空直流沿面闪络试验,探究纳米粒子对环氧纳米复合电介质沿面闪络特性的影响.结果表明:环氧纳米复合电介质的沿面闪络电压与填料的质量分数有关,适量的纳米填料会提升复合电介质的沿面闪络电压.单独加入纳米TiO2与MWCNTS分别将闪络电压提升了14.49％和23.11％,同时加入两种填料可进一步将闪络电压提升至44.99 kV,提升幅度高达36.06％.通过表面电位衰减曲线计算了材料的表面陷阱特性.分析深陷阱与沿面闪络电压的关系发现,闪络电压与深陷阱能级线性相关,陷阱能级越深,闪络电压越高.同时添加两种纳米粒子可以提高材料的深陷阱深度,从而抑制材料表面电子发射和电荷输运过程,提高沿面闪络电压.     

环氧基碳纳米管纳米电介质的直流真空沿面闪络特性

气-固界面的沿面闪络电压低于同等条件下同种气体的击穿电压,从而制约着特高压电力设备的发展。对固体绝缘材料进行改性可以提高气-固绝缘系统的沿面闪络性能。为此,制备了8种不同的多壁碳纳米管(MWCNTS)掺杂环氧树脂,即掺杂质量分数分别为0%、0.02%、0.05%、0.1%、0.125%、0.15%、0.2%和0.5%的8种试样,并对试样进行了显微形貌、玻璃化转变温度、介电常数、表面粗糙度、电阻率、表面电位衰减特性(SPD)、直流真空沿面闪络特性的测试。试验结果表明:随着掺杂质量分数的提高,环氧复合材料的沿面闪络电压先上升后下降,并且在掺杂质量分数为0.1%时达到极大值,环氧复合材料的闪络电压比纯环氧树脂的提升了23.1%。通过分析发现,掺杂质量分数较低时,沿面闪络电压的上升与陷阱深度的增加及介电常数的下降有关;而掺杂质量分数较高时,沿面闪络的下降与浅陷阱密度的增加及介电常数上升有关。通过分析得到,介电常数会引起电场畸变,陷阱的深度和密度会影响载流子迁移过程,二者均对沿面闪络电压产生影响。     

空间电荷对油纸绝缘体击穿强度和沿面闪络的影响

换流变压器是直流输电工程的核心设备之一,其结构和工作状况比传统交流变压器更为复杂。针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,初步对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究。试验结果表明,极性反转现象同样存在于油纸绝缘系统中。即在直流电压下油纸绝缘中积聚的空间电荷畸变了周围的电场,导致油纸绝缘的直流击穿强度发生改变。同时,对油纸绝缘进行的沿面闪络试验表明,空间电荷的存在同样会影响油纸绝缘的沿面闪络。通过对上述试验结果进行讨论,发现传统交流变压器的设计理论和经验已不能满足换流变压器的要求,在换流变压器设计和制造中应给予空间电荷问题足够的关注。     

陷阱分布对Al2O3陶瓷介质在真空中沿面闪络特性的影响

真空中绝缘介质的沿面闪络一直是制约真空中电绝缘强度的重要因素，文中采用等温衰减电流法（IDC）研究了在不同烧结温度和掺有不同添加剂情况下氧化铝陶瓷试样的陷阱分布，利用试验装置测量了陶瓷试样的沿面闪络特性，试验结果表明，烧结温度和添加剂显著影响了氧化铝陶瓷的陷阱分布；不同的陷阱分布影响着绝缘介质的沿面闪络特性，根据试验结果，笔者从固体能带理论出发，将陷阱分布和氧化铝陶瓷的沿面闪络特性联系在一起，解释了一些沿面闪络发展过程中的疑难问题。     

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。     

Ti02/环氧复合材料脉冲真空沿面闪络特性

为了揭示微米TiO2填料对环氧复合材料真空快脉冲作用下的沿面闪络特性的影响,并探讨相关影响因素的作用机理,制备了6种不同填料含量的TiO2/环氧复合材料,测试了各种试样在30 ns(脉冲前沿)/200ns(半高宽)脉冲作用下的真空沿面闪络电压,并测量了介电频谱和热刺激去极化电流(TSDC)。结果显示,TiO2质量分数(wt%)的变化对Ti02/环氧复合材料的闪络电压有显著影响,但两者之间并不是线性关系;随着填料质量分数的增加,复合材料的介电常数和电导率都逐渐增加;所有实验材料都存在深、浅两种不同的陷阱能级,深陷阱电荷量和浅陷阱电荷量随填料质量分数的变化呈现出不同的变化规律。分析认为,Ti02/环氧复合材料的真空快脉冲沿面闪络特性不能由介电常数和电导率等影响因素的变化趋势单独解释,而针对闪络的深浅陷阱共同作用模型可以很好地解释闪络电压的实验结果。同时,根据实验结果对闪络的深浅陷阱共同作用模型进行完善,提出了当填料质量分数较低时,浅陷阱将显著降低材料的闪络强度,而当填料质量分数较高时,深陷阱对闪络强度的增强作用更为明显。     

电子束辐照处理环氧纳米复合材料沿面闪络性能提升及机理

为了提升环氧复合材料的沿面闪络性能,并揭示表层陷阱对沿面闪络的影响机制,制备4种环氧/TiO2纳米复合材料,并对其在30 keV电子束下进行了5 min和10 min的表面处理,采用三电极法测试了材料的表面电导,采用表面电位衰减系统提取了材料的表层陷阱特性,并在真空环境中测试了环氧纳米复合材料直流沿面闪络电压。研究结果表明,添加适量的纳米粒子或采用电子束辐照处理,可以有效降低材料表面电导,提高材料的表层深陷阱的能级和密度,并提升环氧复合材料的沿面闪络性能。经过电子束辐照处理10 min后,质量分数为2%的环氧/TiO2纳米复合材料的沿面闪络电压比未经辐照的纯环氧树脂沿面闪络电压提高了27.4%。适当地添加纳米粒子,可以改变纳米粒子界面区的能级和势垒分布,而采用电子束辐照处理,可以在环氧分子链锻形成大量的侧基、端基、自由基,二者均会提高环氧复合材料表层深陷阱能级和密度。随着深陷阱能级的提高,二次电子发射变得更加困难,表层电荷输运受到抑制,表面电导下降,沿面闪络电压上升。因此,电子束辐照处理主要是通过调控表层深陷阱特性来提高环氧纳米复合材料的沿面闪络电压。     

茂金属聚乙烯改善低密度聚乙烯的介电性能

针对高压、超高压直流塑料电缆中存在的空间电荷效应,大多数直流电力电缆常采用改性方法提高其介电性能,如空间电荷特性、体积电阻率和击穿强度等。常用的改性方法主要有添加剂、共混、接枝和二元共聚4种。共混技术较广泛用以改性聚乙烯电缆,提高其介电性能。因此用电声脉冲法(PEA)测量了MPE与LDPE共混试样中的空间电荷分布;用高阻计测量了共混物的体积电阻率,用阶梯电压测量了共混物的交流击穿场强。试验结果表明,1%MPE与LDPE共混能有效降低空间电荷效应,提高交流击穿场强7.9%,略降低体积电阻率。最后讨论了共混物的物质结构、电荷陷阱及介电性能间的关系。     

电声脉冲法研究热老化对160kV直流电缆绝缘材料陷阱特性的影响

交联聚乙烯(XLPE)老化会引起内部陷阱特性的变化,进而造成空间电荷分布的变化,威胁直流电缆的安全运行。对160k V直流电缆切片进行了90℃和135℃不同程度的热老化试验,并利用电声脉冲法(PEA)探究了热老化对直流电缆空间电荷分布的影响。通过分析空间电荷的衰减规律并结合等温松弛理论,提出了利用PEA法分析绝缘材料陷阱特性的方法,并对老化前后试样内的陷阱特性进行了分析研究。研究结果表明,90℃热老化前期由于后交联反应,试样部分深陷阱转为浅陷阱,直流电缆内部空间电荷消散特性变好;但随着老化时间的进一步增加,试样内的陷阱深度及密度均有一定程度的增长,空间电荷积累量也随之增加。试样在135℃高温热老化情况下,内部发生强烈的热氧反应,结晶形态遭到严重破坏,陷阱能级及密度均大大增加。     

高能电子辐照后高聚物内部空间电荷和介电性能研究

电介质材料被广泛地应用到各种辐射环境下,当它们受到高能电子辐射时,不仅会在其内部和表面积累电荷并引起放电现象,而且辐射会导致介质的物理和化学结构发生不可逆变化.本文采用自行研制的可用以在真空电子束辐射环境下进行空间电荷测量的脉冲电声法测量系统,离线测量并分析了在大气环境下,经不同能量高能电子束辐照后几种介质材料内部空间电荷分布规律,对其辐照后的介电常数和损耗特性进行了实验研究.     

Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite

Space charge accumulation in low-density polyethylene film containing a small amount of MgO nanoparticles (LDPE/MgO nanocomposite film) subjected to an electric field greater than 100 kV/mm has been studied using an improved pulsed electroacoustic (PEA) system. No marked space charge accumulation was observed in LDPE/MgO nanocomposite films. To determine the mechanism of no space charge accumulation in the LDPE/MgO nanocomposite film, we compared electric potential wells produced by a permanent dipole moment such as that of carbonyl groups (C=0) and an induced dipole consisting of MgO nanoparticles (spherical dielectrics) under a high electric field to create a trapping site for electric charge carriers. The trapping depth created by the permanent dipole moment such as that of the carbonyl groups (C=0) of chemical defects is approximately 0.45 eV. However, the potential well induced by high-permittivity dielectric nanoparticles (MgO) is about 1.5 to 5.0 eV, which is much deeper than that induced by chemical defects. The suppression of space charge formation is explained using the potential well model consisting of a dipole induced by a high-permittivity dielectric nanoparticle. We explained the suppression mechanism of charge accumulation in the LDPE/MgO film that contains deep traps.     

A rational consideration of space charge

Space charge formation and its increase with field under DC conditions is not a mystical phenomenon. The increase in space charge with applied field is an obvious and inevitable result of the interaction of field-dependent current density with spatially inhomogeneous resistivity. For common polymeric dielectrics, the current density makes a transition from a linear function of field to an exponential function of field at around 10 kV/mm. This causes a similar transition in the sample space charge in the same field region. However, this transition has no obvious connection with aging, and if it does prove to have a connection, the driving force is the rapidly increasing current density and not the space charge, which is a result thereof. As to the issue of the accuracy of space charge measurements, it may be more important to focus on providing a physical mechanism for 1-eV deep traps at an average separation of 3 nm within a polymeric dielectric. This would bring about the ability to engineer important dielectric properties as well as improved understanding of the physical basis of aging and other important phenomena in dielectrics.     

高场强方波电压对聚酰亚胺陷阱参数的影响

变频电机绝缘长期承受高场强方波电压的作用,出现了绝缘过早失效的情况。聚酰亚胺是变频电机中重要的绝缘材料,为了解它不同承受电压形式时其绝缘老化过程和失效机理与传统交、直流电压下存在的很大差异,在高场强方波电压下对聚酰亚胺膜进行电老化,测试了不同老化时间后聚酰亚胺膜的电导电流和热刺激电流(TSC)以分析聚酰亚胺膜活化能和陷阱密度等微观参数的变化规律。结果表明:聚酰亚胺膜TSC曲线可能由2个单峰曲线叠加而成,随着电老化时间的增长,聚酰亚胺膜活化能发生变化,浅陷阱可发展成深陷阱,导致浅陷阱密度逐渐减小,深陷阱密度逐渐增大,总体陷阱密度逐渐增大。     

Study of space charge accumulation in polyolefins submitted to acstress

The aim of the present study was to follow space charge formation under ac field (50 Hz) in polyolefins. The thermal step method was used, and charge accumulation was observed in crosslinked polyethylene (XLPE), very low density polyethylene (VLDPE), isotactic polypropylene (PP) and a PE /PP copolymer, the temperature varying from 45 to 90°C. It was found that the amount of charge accumulated under ac conditions may reach a maximum value at a given temperature, while the highest space charge was found in the polyolefin with the lowest crystallinity ratio. The conduction current characteristics of XLPE specimens show the existence of traps in the polymer at a level deeper than the potential barrier electrode/dielectric, explaining the accumulation of injected charge in the material. The injection and conduction mechanisms observed were interpreted by Schottky and Poole-Frenkel processes and used to explain the maximum accumulation of charge occurring at certain temperatures     

拉伸对电缆接头双层介质中空间电荷的影响

为了研制冷收缩预制式电缆接头并改善其介电性能,研究了拉伸对乙丙橡胶和交联聚乙烯所组成的双层介质中空间电荷的影响。将不同拉伸状态下的乙丙橡胶试样分别和交联聚乙烯试样组成双层介质试样,测量了不同双层介质在加压和短路后的空间电荷分布。实验结果表明,从空间电荷的角度看,一定的拉伸有利于减少聚合物中空间电荷量;分析了实验现象和机理以及在电缆中的应用价值。     

Principle of surface charge measurement for thick insulatingspecimens

We discuss the method for measuring surface charge density accumulated on the surface of a solid dielectric (insulating specimen) such as a supporting spacer in gas and vacuum insulated equipment. For such thick specimens, the probe response does not correspond to the charge density directly below the probe, so the measurement necessitates multipoint data together with the aid of numerical field calculations. The probe gives either induced charge or floating potential in response to the surface charge. We compare various previously proposed techniques and give a reasonable procedure for analyzing the data     

聚合物电介质薄膜的能量归一化光激电流谱

为了利用光激电流谱准确地表征聚合物电介质材料中的电荷陷阱密度按能量分布的情况,需要将原始光激电流谱对光激发能量进行归一化.依据光激电流强度与陷阱电荷释放量以及激发光强的关系,给出了能量归一化光激电流谱的定义及其测量原理.根据这一原理设计了实际的测量系统,该系统由波长可调谐的激光器、光能量计、静电计和测试样品室构成.系统由基于LabVIEW开发的软件控制,实现激发光波长的线性扫描和电流与光能量信号的实时采集.利用该系统测量了聚酯薄膜的能量归一化光激电流谱,测量结果发现在聚酯薄膜中电荷陷阱能量主要分布在4.08～5.17 eV之间,在4.22 eV处具有陷阱态密度最大值,并计算出该能量附近的电荷陷阱密度为5×10~(14)cm~(-3)数量级.