用于脈沖功率領(lǐng)域中三種典型的有機絕緣材料在不同溫度下介電特性的研究

用于脈沖功率領(lǐng)域中三種典型的有機絕緣材料在不同溫度下介電特性的研究有機絕緣材料由于其優(yōu)良的電性能、易加工等性能被廣泛用于脈沖功率領(lǐng)域的絕緣系統(tǒng)。固體絕緣的引入，會形成固體介質(zhì)與氣體、液體或真空等組成的多相體并聯(lián)復(fù)合絕緣系統(tǒng)，其中真空-固體的沿面絕緣往往是限制脈沖功率系統(tǒng)整體絕緣性能的瓶頸。研究表明，真空絕緣子的材料類型對其沿面閃絡(luò)特性的影響顯著。為了提高真空中絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓，通常選用相對介電常數(shù)較低的絕緣材料，并對絕緣材料進行加熱烘烤等處理，同時盡量降低其表面解吸附氣體。由于絕緣材料的介電特性在真空脈沖功率的應(yīng)用場合會發(fā)生變化，需進行相關(guān)研究。1實驗設(shè)計選取3種目前應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域的典型有機絕緣材料：環(huán)氧樹脂（來自廣東東莞某廠家，厚度2mm）、聚乙烯（PE，來自美國進口，厚度為1mm）和交聯(lián)聚苯乙烯（XCPS，來自深圳科瑞沃科技有限公司，厚度2mm），3種樣品是直徑均為100mm的圓片。實驗前用酒精和去離子水將樣品進行超聲波清洗，然后放置到50℃烘箱中烘2h。圖1為改進的標準三電極系統(tǒng)，可以進行溫度控制（室溫~300℃）。電極尺寸按照國家標準設(shè)計，上電極的內(nèi)電極直徑為50mm，外環(huán)電極內(nèi)徑為54mm、外徑為74mm，下電極直徑為90mm。下電極與鋁外殼中間加一片氧化鋁陶瓷板以絕緣，然后通過陶瓷螺絲固定。所有引線均采用耐高溫導(dǎo)線并用陶瓷接線柱引出。絕緣材料在不同溫度下的表面電阻率和體積電阻率采用標準三電極法用高阻計（ZC36型，上海安標電子有限公司）進行測試。在不同溫度/頻率下的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗采用絕緣診斷測試儀（IDAX-206，瑞典保加瑪公司）進行測試。IDAX-206可輸出頻率10-3~103Hz范圍的峰值可調(diào)的正弦電壓到樣品上，同時測量流過樣品的電流信號，從而獲得不同頻率下樣品的復(fù)電容和介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ），測試電路如圖2所示。實驗時將樣品放在下電極與上電極和環(huán)電極之間，將三電極系統(tǒng)置于真空腔中，電極通過耐高溫導(dǎo)線連接到真空腔體的接線柱上，并與介電參數(shù)測試儀相連接。實驗時，通過溫控儀和熱電阻控制樣品的溫度，測試樣品在20~100℃內(nèi)的介電參數(shù)。試驗中介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的測試頻率范圍為50~1000Hz，施加的正弦電壓有效值為140V。2結(jié)果與分析2.1耐溫特性將環(huán)氧樹脂、聚乙烯和交聯(lián)聚苯乙烯3種材料的樣品分別放入80℃烘箱中烘烤2h，發(fā)現(xiàn)聚乙烯有嚴重變形，直徑明顯縮小，繼續(xù)在90℃下烘烤2h，交聯(lián)聚苯乙烯和環(huán)氧樹脂基本沒發(fā)生變化。2.2相對介電常數(shù)不同溫度/頻率下3種絕緣材料的相對介電常數(shù)如圖3所示。從圖3(a)可以看出，環(huán)氧樹脂的εr隨著頻率的升高而減小，隨著溫度的升高而增大，其主要原因是在較低的頻率下，可以完成更多的極化過程，而隨著施加電壓頻率的升高，一些較慢的極化過程由于跟不上電場變化而來不及完成，造成εr逐漸減小。在較低頻率范圍內(nèi)，溫度對相對介電常數(shù)的影響十分顯著，εr急劇變大的頻率區(qū)域隨著溫度的升高向高頻方向移動。根據(jù)低頻彌散理論，介質(zhì)的εr在彌散區(qū)域急劇變化，而溫度對介質(zhì)彌散區(qū)域有很大影響。當溫度升高時，彌散區(qū)域向高頻方向移動，εr快速變小的頻率區(qū)域也相應(yīng)向高頻移動；反之，當溫度降低時，彌散區(qū)域向低頻方向移動。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：當溫度升高時，弛豫時間減小，可以和弛豫時間相比擬的電場周期變短，彌散區(qū)域頻率升高。在環(huán)氧樹脂整個工作溫度區(qū)間內(nèi)，溫度升高對其建立松弛極化的促進作用始終大于熱運動對其的阻礙作用，因此εr隨溫度的升高而增大。對比圖3中三種材料的介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化趨勢可以看出，交聯(lián)聚苯乙烯和聚乙烯與環(huán)氧樹脂有所差別，前兩者隨頻率的變化不明顯，隨溫度的變化趨勢和環(huán)氧樹脂相反。這是因為交聯(lián)聚苯乙烯為弱極性材料，存在位移極化和松弛極化，但松弛極化較弱，以位移極化為主，聚乙烯為非極性材料，只存在位移極化。位移極化的時間為10-15~10-16s，可瞬時完成，松弛極化的時間為10-6~10-2s，比位移極化時間長。因此交聯(lián)聚苯乙烯的介電常數(shù)隨頻率的變化不明顯，隨著激勵頻率的增加εr略有下降，聚乙烯的介電常數(shù)幾乎不隨頻率的變化而變化；溫度的升高一方面能加快松弛極化的建立使εr增大，另一方面使分子熱運動加劇而阻礙極性分子在電場中的定向，從而使εr降低。對于交聯(lián)聚苯乙烯和聚乙烯，因其松弛極化很弱，溫度升高的影響主要體現(xiàn)在阻礙極性分子在電場中的定向，所以εr隨著溫度的升高而減小。2.3介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）電介質(zhì)的介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）可表示為：tanδ=(γ+g)/(ωε0εr)式中，γ為電導(dǎo)損耗的等效電導(dǎo)率；g為介質(zhì)松弛極化損耗的等效電導(dǎo)率。3種絕緣材料的tanδ隨溫度和頻率的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，3種材料的tanδ均隨頻率的增加而減小，隨溫度的升高而增大。由式可知，ω起主導(dǎo)作用，因而tanδ隨頻率增加而減小。隨著溫度的升高，tanδ逐漸增大，其主要原因是：溫度升高，樣品中會產(chǎn)生較多的跳躍載流子，低頻彌散效應(yīng)增強，此外導(dǎo)電粒子平均動能增加，運動速度加快，粒子遷移率增大，樣品電導(dǎo)率增加也會導(dǎo)致?lián)p耗部分所占比例變大，使tanδ增大。2.4電阻率3種絕緣材料的表面電阻率和體積電阻率隨溫度的變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，3種材料的電阻率隨溫度的變化趨勢規(guī)律性不強，在測試溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，電阻率數(shù)量級基本不變，電阻率變化不明顯。2.5烘烤對材料介電參數(shù)的影響在加熱前測試20℃下材料的介電參數(shù)，加熱至100℃再測試其介電參數(shù)，然后自然冷卻到20℃再次測試其介電參數(shù)，以研究烘烤對絕緣材料介電性能的影響。圖6為環(huán)氧樹脂20℃烘烤前后εr和tanδ的變化情況，表1為烘烤前后電阻率的變化情況。圖7為交聯(lián)聚苯乙烯20℃烘烤前后εr和tanδ的變化情況，表2為烘烤前后電阻率的變化情況。從圖6、圖7和表1、表2可以看出，烘烤后介電參數(shù)均有一定程度的下降，但降幅不大；交聯(lián)聚苯乙烯的下降幅度比環(huán)氧樹脂小，基本沒有變化；但在100℃下測試聚乙烯介電參數(shù)后變形嚴重，所以其烘烤冷卻后的介電參數(shù)就沒有測量。圖6環(huán)氧樹脂烘烤前后介電參數(shù)的變化圖圖7交聯(lián)聚苯乙烯烘烤前后介電參數(shù)的變化圖3討論有機絕緣材料被廣泛應(yīng)用于高壓真空電氣設(shè)備中，應(yīng)避免其發(fā)生沿面閃絡(luò)，因此需選擇合適的絕緣材料。研究人員在實驗中得到了沿面閃絡(luò)電壓與材料介電常數(shù)呈反比的結(jié)論，介電常數(shù)越大，陰極三結(jié)合點處的電場畸變越嚴重，越有利于初始場致電子發(fā)射，但不利于抑制沿面閃絡(luò)。因此要抑制三結(jié)合點處的電場強度，減少場致電子發(fā)射以提高閃絡(luò)水平，須選用相對介電常數(shù)低的絕緣介質(zhì)，另外要降低絕緣介質(zhì)的表面電阻率，從而減少沿面閃絡(luò)過程中的殘余電荷積累，減小局部電場畸變，提高沿面閃絡(luò)電壓。綜合比較3種材料的εr和tanδ，聚乙烯最小，交聯(lián)聚苯乙烯次之，環(huán)氧樹脂最大；比較表面電阻率，交聯(lián)聚苯乙烯最大，環(huán)氧樹脂次之，聚乙烯最小；比較體積電阻率，交聯(lián)聚苯乙烯較大，環(huán)氧樹脂和聚乙烯處于同一數(shù)量級。3種材料中聚乙烯的εr、tanδ和表面電阻率均最小，在電性能上適合用做真空器件的絕緣子。但是聚乙烯的耐熱性較差，機械強度不高，質(zhì)地較軟，而交聯(lián)聚苯乙烯的電性能和聚乙烯差不多，且其機械強度和耐熱性能均優(yōu)于聚乙烯，因此交聯(lián)聚苯乙烯的性能最好。對材料進行烘烤并且抽真空可以有效去除絕緣介質(zhì)表面吸附的氣體和體內(nèi)的水分含量等，對提高絕緣材料性能有一定的作用。4結(jié)論（1）真空及不同溫度/頻率下環(huán)氧樹