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電壓擊穿試驗(yàn)儀擊穿特性與外施條件的影響

更新時(shí)間:2023-02-20      點(diǎn)擊次數(shù):1257

1 工程電介質(zhì)絕緣擊穿特性和統(tǒng)計(jì)分析

擊穿特性

1.1 本征擊穿場強(qiáng)

聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)是決定其本征擊穿性能的關(guān)鍵因素本征擊穿主要指電子雪崩擊穿聚合物中的極性基團(tuán)、分子量、立構(gòu)規(guī)整性等結(jié)構(gòu)因素都會(huì)對電子加速造成影響進(jìn)而影響擊穿場強(qiáng)在聚合物中引入極性基團(tuán)能夠提高材料低溫區(qū)的擊穿場強(qiáng)這是因?yàn)?/span> 引入的偶極子會(huì)加強(qiáng)對加速電子的散射減緩電子雪 崩和碰撞電離的發(fā)展一般情況下聚合物的擊穿場強(qiáng) 會(huì)隨其分子量的增大而增大對于聚苯乙烯(polystyrene, PS)、高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)、低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)等聚合物擊穿場強(qiáng)與分子量之間的經(jīng)驗(yàn)公式 (工頻電壓與脈沖電壓下均成立)為:

E = A+ Bexp( K / m), (1) b

式中, A, B, K均為常數(shù)對于不同的聚合物取值不同; m 為分子質(zhì)量分子量較小時(shí)擊穿場強(qiáng)緩慢提高當(dāng)分 子量達(dá)到一定數(shù)值后擊穿場強(qiáng)迅速提高最后提高的 速度又緩慢下降.

1.2 外施條件對擊穿的影響

典型聚合物材料擊穿場強(qiáng)隨溫度的變化關(guān)系表明對非極性聚合物來講在某一特定溫度以下 著溫度的上升擊穿場強(qiáng)不變或略有增加如低密度聚 乙烯、聚異丁烯(polyisobutylene, PIB); 而在高溫區(qū)非極性聚合物的擊穿場強(qiáng)隨溫度的升高明顯下降 極性聚合物來講隨溫度的升高其擊穿場強(qiáng)下降 有明顯的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)擊穿場強(qiáng)的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)與非極 性聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)有關(guān)對線性聚合物 而言LDPE, 不同溫度區(qū)域的擊穿機(jī)理不同其與 聚合物的分子鏈狀態(tài)和形態(tài)有關(guān)低溫區(qū)(玻璃態(tài)),  子雪崩擊穿占主導(dǎo)此時(shí)極性聚合物的擊穿場強(qiáng)高于 非極性聚合物中溫區(qū)(橡膠態(tài)), 可能的擊穿機(jī)理為 電、熱或自由體積擊穿高溫區(qū)(黏流態(tài)), 熱擊穿或 -機(jī)械擊穿占主導(dǎo)聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)薄膜直流和脈沖擊穿場強(qiáng)隨溫度的變化表明 沖擊穿場強(qiáng)在低溫時(shí)基本不變高溫時(shí)出現(xiàn)下降這與 非極性聚合物擊穿場強(qiáng)隨溫度的變化類似但高于非 極性聚合物的擊穿場強(qiáng)這可能是由于偶極子對電子 散射所致直流擊穿場強(qiáng)在低溫時(shí)隨溫度有所增大高溫時(shí)明顯下降. PVC的直流擊穿場強(qiáng)高于脈沖擊穿 場強(qiáng)這可能是由直流電場下同極性空間電荷和偶極 子對電子的散射共同作用導(dǎo)致的在低溫區(qū)(<120°C), PVC的脈沖擊穿場強(qiáng)與溫度關(guān)系不大符合電子碰撞 電離擊穿機(jī)理(類似于非極性聚合物). PVC低溫時(shí) 的擊穿場強(qiáng)高于非極性聚合物這是由于其偶極子對 電子的散射增強(qiáng)導(dǎo)致的對拉伸和未拉伸的PVC試樣 而言其擊穿場強(qiáng)與溫度的關(guān)系類似值得注意的是,兩種試樣擊穿場強(qiáng)的區(qū)別在于不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的 擊穿結(jié)果不同比如直流擊穿場強(qiáng)與溫度的關(guān)系在拉 伸試樣中出現(xiàn)峰值研究指出這個(gè)擊穿場強(qiáng)的峰值 與空間電荷效應(yīng)有關(guān)在拉伸試樣中由于其電場方 向垂直于拉伸方向, PVC的形態(tài)表現(xiàn)為各向異性 低溫區(qū)隨著溫度的升高, PVC電極附近出現(xiàn)同極性 空間電荷積聚導(dǎo)致電荷注入降低改善界面電場分 擊穿場強(qiáng)增加隨著溫度繼續(xù)升高, PVC電極附近 和試樣中出現(xiàn)異極性電荷積聚導(dǎo)致電荷注入增強(qiáng) 場畸變增大擊穿場強(qiáng)下降同極性和異極性空間電荷 的競爭導(dǎo)致PVC拉伸試樣擊穿場強(qiáng)與溫度的關(guān)系出現(xiàn)峰值.

升壓速率是影響介質(zhì)擊穿場強(qiáng)的重要因素隨著 升壓速率的增加電樹起始電壓下降負(fù)極性的電樹起 始電壓高于正極性[38]. 這表明升壓速率提高更容易引 發(fā)電樹枝從而降低擊穿場強(qiáng)電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)與介質(zhì) 厚度有關(guān)研究表明介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)隨厚度的增加而 降低擊穿場強(qiáng)與介質(zhì)厚度的變化規(guī)律可以用類指數(shù)關(guān)系來描述。

1.3 空間電荷積聚與擊穿

很多研究表明 , 空間電荷與擊穿有密切關(guān)系一般認(rèn)為介質(zhì)體內(nèi)空間電荷的減小可降低 介質(zhì)內(nèi)部的電場畸變從而提高介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)同極 性空間電荷可以提高介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)而異極性空間 電荷可以降低介質(zhì)的擊穿場強(qiáng).

3為典型空間電荷與擊穿關(guān)聯(lián)的示意圖高場下絕緣介質(zhì)空間電荷特性與擊穿的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著電場增加電子和空穴注入明顯增加介質(zhì)內(nèi)部存在較多的空間電荷積聚如圖3(a)所示電荷注入后會(huì)被電極/ 質(zhì)界面的陷阱捕獲形成電子和空穴陷阱電荷積聚 著注入的加強(qiáng)陷阱被填滿形成界面空間電荷積聚隨時(shí)間增加注入電子向介質(zhì)內(nèi)部遷移繼續(xù)入陷/ 形成復(fù)雜的空間電荷包同時(shí)介質(zhì)內(nèi)部電荷輸 運(yùn)包括電子-空穴復(fù)合、電荷遷移和陷阱填充效應(yīng)當(dāng) 時(shí)間增加到某一時(shí)刻時(shí)空間電荷包向介質(zhì)內(nèi)部不斷 遷移在某一個(gè)特定的位置空間電荷包停止遷移 介質(zhì)材料試樣內(nèi)部的電場畸變嚴(yán)重內(nèi)部電場達(dá)到 最大(LDPE中可達(dá)5.5 MV/cm), 進(jìn)而導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生擊穿后空間電荷包分成了兩部分向電極處擴(kuò) 擊穿短時(shí)間后空間電荷包消失研究認(rèn)為 場下介質(zhì)材料的擊穿與空間電荷復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為密 切相關(guān)電荷包的形成是擊穿發(fā)生的前期過程電荷包 遷移運(yùn)動(dòng)及造成的電場畸變是擊穿發(fā)生的中間過程空間電荷積聚造成的電場畸變導(dǎo)致介質(zhì)材料電子加 速、電荷倍增和能量積聚進(jìn)而引發(fā)介質(zhì)材料分子鏈 斷裂是擊穿發(fā)生的最后階段.

image.png 

3

3(b)為介質(zhì)材料內(nèi)部空間電荷積聚量和電場強(qiáng) 度的關(guān)系可以看出施加電壓后低壓、低溫和升壓 速率較快時(shí)介質(zhì)內(nèi)部無空間電荷積聚(區(qū)域Ⅰ), 此時(shí)電 荷積聚量少隨著電荷積聚量增加如電壓增加時(shí) 荷注入增強(qiáng)界面陷阱捕獲造成電極/試樣界面形成同 極性空間電荷(區(qū)域Ⅱ). 此時(shí)界面電場降低減弱了 電荷注入而介質(zhì)內(nèi)部電場增加有利于提高擊穿場強(qiáng)隨著電荷量進(jìn)一步增加界面電荷出陷和抽出增加介質(zhì)內(nèi)部雜質(zhì)電離導(dǎo)致電極/試樣界面形成異極性空間 電荷(區(qū)域Ⅲ). 異極性電荷導(dǎo)致界面電場增強(qiáng)增加了電荷注入導(dǎo)致內(nèi)部電場降低溫度和電壓上升速率等 可以影響電荷注入以及同極性和異極性電荷特性進(jìn) 而影響擊穿場強(qiáng)升壓速率快時(shí)電荷積聚少或形成 同極性電荷擊穿場強(qiáng)高升壓速率慢時(shí)有利于空間 電荷積聚和遷移形成異極性電荷擊穿場強(qiáng)低.

基于空間電荷與介質(zhì)材料擊穿的實(shí)驗(yàn)和理論研究可以分析介質(zhì)材料交流擊穿和直流擊穿的差異研究指出空間電荷積聚造成介質(zhì)內(nèi)部電場畸變是擊穿的重要影響因素直流下由于空間電荷積聚介質(zhì)內(nèi)部最大電場總發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部擊穿的引發(fā)出現(xiàn)在介質(zhì) 內(nèi)部的分子鏈斷裂和電流激增通常介質(zhì)內(nèi)部的體特性穩(wěn)定且難以破壞直流下?lián)舸┍憩F(xiàn)為介質(zhì)的體擊穿對聚合物介質(zhì)材料而言介質(zhì)本征擊穿強(qiáng)度很高因此直流下介質(zhì)擊穿場強(qiáng)高交流電壓下由于電荷注 入類型和輸運(yùn)方向隨著交流電場交變而變化由此造成介質(zhì)界面形成異極性空間電荷積聚此時(shí)界面電場增強(qiáng)擊穿起始于界面弱點(diǎn)然后很快發(fā)展到介質(zhì)內(nèi)部最終導(dǎo)致整個(gè)介質(zhì)擊穿因此交流下介質(zhì)擊穿場強(qiáng) 較低.

2.2 擊穿統(tǒng)計(jì)分析

聚合物電介質(zhì)的擊穿過程實(shí)際上受到許多因素的影響介質(zhì)材料擊穿實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)在同一種情況下 呈現(xiàn)出分散性因此作為表征介質(zhì)材料性能的短時(shí)擊 穿強(qiáng)度在大多數(shù)情況下只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值研究者對擊 穿的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)擊穿電壓或場強(qiáng)在測 試標(biāo)準(zhǔn)下服從統(tǒng)計(jì)學(xué)概率分布并提出了可以采用統(tǒng) 計(jì)學(xué)方法來研究介質(zhì)材料的擊穿性能. Weibull 分布是瑞典物理學(xué)家Weibull在研究材料的疲勞試驗(yàn)中 提出來的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布事實(shí)證明, Weibull分布如今已 成為可靠性分析工程中應(yīng)用廣泛的壽命概率分布之 在外電壓的作用下聚合物電介質(zhì)材料的擊穿強(qiáng)度 和在固定場強(qiáng)下?lián)舸┧璧臅r(shí)間都滿足Weibull統(tǒng)計(jì)分 它反映了材料在一定電場下被擊穿的概率或在一 定電場作用時(shí)間后失效的概率研究者通過引入力 學(xué)、熱力學(xué)因子對Weibull分布的修正得到了相對完善 的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型采用這種Weibull分布的統(tǒng)計(jì)模型可以 分析電介質(zhì)材料擊穿場強(qiáng)的大小和分散性獲得介質(zhì) 材料發(fā)生擊穿的穩(wěn)定性分析結(jié)果.

典型Weibull分布概率統(tǒng)計(jì)在電介質(zhì)擊穿中的應(yīng)用 表明兩參數(shù)和三參數(shù)Weibull分布都可以表征材料的擊穿性能兩參數(shù)Weibull分布結(jié)果中橫坐標(biāo)表示 擊穿場強(qiáng)對數(shù)縱坐標(biāo)表示擊穿概率兩參數(shù)Weibull 布可用一直線擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直線的斜率是形狀參數(shù)β, 表示擊穿的數(shù)據(jù)分散性從與X軸截距可以計(jì)算出α,  得試樣的特征擊穿場強(qiáng)三參數(shù)Weibull分布結(jié)果中橫坐標(biāo)表示擊穿場強(qiáng)縱坐標(biāo)是擊穿概率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明三參數(shù)Weibull分布可以更好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)據(jù)此可獲得特征擊穿場強(qiáng).

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