高压电晕放电后孔洞与微米功能电介质材料的表面电荷动态衰减特性分析.pdf

第33卷第5期
东北电力大学学报
Vol33 No 5
2013年10月
Journal Of Northeast Dianli University
Oct.,2013
文章编号:1005-2992(2013)05-0036-03
高压电晕放电后孔洞与微米功能电介质材料的
表面电荷动态衰减特性分析
赵珩,张嘉辉,单良3,姜智文4,刘少洋
(1.东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;2.中铝宁夏能源集团六盘山热电厂,宁夏固原7560003.吉
林省电力勘测设计院,长春130022;4.吉林省电力有限公司自山供电公司,吉林白山134300)
摘
要:通过对具有孔洞和掺杂微米颗粒的不同功能电介质材料的表面电荷动态特性进行比较,
研究了材料内部孔洞结构和微米颗粒结构对于其电荷陷阱,表面电荷稳定性能的影响。得出了电介质
材料内部孔洞对于电荷的存储和保持具有重要的作用,同时,在聚合物基体中掺杂少量微米颗粒能够起
到抑制电荷形成,增大表面电荷衰减率的效果。该研究成果对于绝缘和功能电介质材料的应用基础具
有重要的参考价值和现实意义。
关键词:微米颗粒;电介质材料;表面电荷;动态特性
中图分类号:TM851
文献标识码
功能电介质材料的表面电荷衰减动态特性是电荷储存稳定性的重要表征之一,也是是驻极体最重
要的质量指标之
选择合理的表面电荷测试方法,正确评价功能电介质材料表面电荷的保持性
能,是深人研究材料电荷迁移特性和内部电荷抑制性能所必需的基础性工作?。同时,功能电介质中
的特殊结构,如孔洞和微小颗粒等均对材料的表面电荷衰减特性具有重要的影响作用。文献[8]针对
聚合物薄膜表面粗糙度对于表面电荷衰减的影响进行了研究讨论。文献[9]讨论了厚度的变化对于薄
膜驻极体内储存的电荷密度、内电场、体电导率和脱阱电荷的迁移率的直接影响,分析了厚度因素对于
材料电荷储存稳定性和电荷储存能力的影响。文献[10]对于真空与大气条件下的聚合物表面电荷分
布状况进行了分析。但目前,对于具有孔洞结构以及掺杂微米颗粒的功能电介质材料的表面电荷特性
比较和分析国内外尚未报道,而这些性质对材料在绝缘材料及功能电介质方面的应用至关重要。本文
较系统地讨论了孔洞结构与微米颗粒对孔洞聚丙烯( Cellular Pol propylene,PP)和硅( Silicon)薄膜驻极
体表面电荷衰减性能的影响。为新型驻极体传感器材料的研发以及绝缘材料的内部电荷积聚效应研究
提供了理论和技术支持。
1试验系统
1.1试验样品
采用的试验样品分别为厚度为50um,面积为40mx40mm的孔洞聚丙烯( Cellular PP)和硅(Si
con)以及制作过程中掺入2%wtFe3O2微米颗粒的硅( Silicon+2%Fe2O2)。所有样品均被单面真空蒸
镀50nm厚的金电极。
1.2直流负电晕放电系统
该试验系统中的栅控负电晕放电系统由高压发生器、电极、金属格栅及样品组成。点电晕放电时间
收稿日期:2013-07-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51307016
作者简介:赵珩(1982-),女,山东省聊城市人,东北电力大学电气工程学院讲师,硕士,主要研究方向:电力系统及其自动化
第5期
赵珩等:高压电晕放电后孔洞与後米功能电介质材料的表面电荷効态衰减特性分析
为10分钟,放电温度为室温条件。电极电压和栅极电压分别为-30kV和-4kV,针电极距样品高度为
4cm,金属格栅位于针电极与样品之间,其作用是保证样品表面电荷的均匀分布。
1.3表面电荷测量系统
数字示波器
表面电荷测量系统如图所示。该系统由数字示
波器、非接触式静电电压计、静电探头以及被测样品
组成。被测样品表面电荷衰减由示波器进行实时记
r静电电压计
录。并按换算成标准表面电荷衰减率。通过量测不
同样品电荷衰减率,比较得到各个样品对于表面电
荷的抑制性能的强弱。同时,为了客观、精确、系统
地比较各个样品表面电荷的衰减率,采用放电过后
静电探头
5000秒内连续测量以及24小时内连续测量两种方
式进行表面电荷衰减率的比较。
图1表面电荷测量系统2)
3结果和讨论
表面电荷的衰减特性是驻极体电荷储存稳定性的重要质量指标之一,图2(a和b)显示出了经负电
晕放电后的孔洞聚丙烯薄膜,硅薄膜以及掺人2%Fe:O,的硅微米薄膜的表面电荷动态衰减特性。测量
时间范围分别为放电后5000秒以及24小时以内。
100
100
登进皮
Celular Pp
? Celular PP
%ofe
--siicon
Silicon+ 2%Ne,0)
40
40
世
0500100015002000250030003500400045005000
时间/s
时问h
(a)0-50008衰减曲线
b)0-24h衰减曲线
图2电荷等效表面电位衰减曲线
对比可知,在相同时间范围内,孔洞薄膜驻极体的电荷衰减率明显小于非孔洞功能电介质以及掺入
微米颗粒的电介质材料。同时,在1-4h的时间范围内,具有非孔洞结构的硅薄膜的电荷衰减率又小于
掺人2%Fe:O4微米颗粒的硅薄膜。而在经栅控负电晕针极放电4小时后,硅薄膜与掺杂微米颗粒的硅
薄膜的表面等效电位均已处于低值,而孔洞电介质的表面电荷却仍然保持在80%以上的较高水平。此
外,对于掺杂2%微米颗粒的硅薄膜,其表面电位相对稳定区域位于1h-2h间,而硅薄膜的表面电位
稳定区域则相对滞后,处于2hー3h的时间段内。
该试验结果表明功能电介质薄膜中的孔洞能有有效存储电荷,由于在电晕放电过程中,单个孔洞发
生 Paschen击穿,孔洞内部的上下壁则组成了存储电荷的微小单元,增加了电荷陷阱数和电荷脱阱能
量,从而使得电介质内部和表面的电荷电位升高2-。与此同时,在聚合物基体内部嵌入的微米颗粒
不但对电荷密度增强的贡献很小,而且导电纳米颗粒使得功能电解质材料电导率上升,从而引起薄膜内
可储存电荷密度的明显下降叫。这也是掺杂微米颗粒的硅薄膜表面电位衰减比硅薄膜快,且其表面电
荷的电位稳定区域滞后于硅薄膜的原因。
本文通过测量不同结构的功能电介质材料的表面电荷动态特性,反映了材料内部孔洞结构和微米
颗粒结构对于其电荷陷阱数量,表面电荷稳定性性能的影响效果。结果表明电介质材料内部孔涧对电
荷的存储和保持具有重要的作用,同时,在聚合物基体中掺杂少量微米颗粒能够起到抑制电荷形成,増
大表面电荷衰减率的效果。