连续高压脉冲下空间电荷对变频牵引电机绝缘老化影响的研究.doc

西南交通大学硕士学位论文连续高压脉冲下空间电荷对变频牵引电机绝缘老化影响的研究姓名：周力任申请学位级别：硕士专业：高电压与绝缘技术导教师：吴广宁20100501AbstractInverter-fed motor is an indispensable equipment for the development of high-speed railway in China. As a core component of AC drive electric locomotive, performance of inverter-fed motor directly influences the stability and reliability of locomotive running. However, Pulse Width Modulation (PWM) which was input from inverter is characterized by steep rising edge and high frequency, resulting in the too early failure of motor insulation. Presently, polyimide film characterized by high temperature resistance (400C), low temperature tolerance (-269C), radiation resistance and excellent dielectric properties widely applied in turn to turn insulation and turn to ground insulation of inverter-fed motors is a kind of basic insulating material. As traditional design method and theory for AC motor is not completely suitable for inverter-fed motor, consequently, research on the aging and failure mechanism of insulating material under high voltage pulse can provide theoretical foundation for the design of inverter-fed motor insulation structure and prolong service life.Space charge plays an important role in damaging insulation under high voltage pulse. Develop research work in accordance with influence of space charge on aging of inverter-fed motor insulation under high voltage pulse. Firstly, construct aging and space charge measurement system; measure space charge accumulation threshold field between corona-resistant (lOOCR) and common polyimide films (lOOHN) and analyze the influence of adding nano-particles on dielectric property of insulating material. Furthermore, space charge distribution in polyimide films under different temperature was measured, based on which space charge characteristics under high voltage pulse were researched. Secondly, by means of Scanning Electrical Microscope (SEM), effects of aging time and frequency on surface and section morphology were analyzed, based on which the cause for nano-particles improving corona-resistant property was researched. Finally, conduct experiment, including electrical breakdown, thermal breakdown and electrical tree breakdown, on magnet wires; meanwhile combining with SEM and energy spectrum analysis, the corresponding breakdown mechanisms were analyzed.All the done work lays a strong foundation for the fiirther study of failure mechanism of inverter-fed motor insulation under high voltage pulse; meanwhile it also provides theoretical support for using inorganic nano-particles improving corona-resistant property.key words: pulse voltage, space charge, inverter-fed motor, polyimide, SEM西南交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1. 保密，在年解密后适用本授权书;2. 不保密“使用本授权书。 (请在以上方框内打“V） 学位论文作者签名曰期：2010. S.2指导老师签名：曰期：7水叫西南交通大学硕士研究生学位论文第53页西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1) 测量了耐电晕型聚酰亚胺薄膜(100CR)和普通聚酰亚胺薄膜（100HN)空间电荷 积聚的阐值场强，并分析了纳米粒子的加入对绝缘材料介电性能的影响；2) 测量了不同温度下，聚酰亚胺薄膜中空间电荷的分布，以此研究了连续高压脉 冲下空间电荷的特性；3) 利用扫描电镜，分析老化时间和频率对薄膜表面和断面形貌的影响，以此研究 了纳米粒子提高薄膜耐电晕性能的原因4) 以电磁线为实验对象，进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿实验，结合扫描 电镜和能谱分析研究了相应的击穿机制。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名： 日期：2010. r.第1章绪论1.1变频调速牵引电机及其绝缘技术1.1.1变频调速牵引电机的特点目前，我国铁路面临的问题是运输能力远远不能满足国民经济和社会发展的要求， 大力建设铁路以缓解运输能力不足已迫在眉睫。国务院批准实施的中长期铁路网规 划中决定，到2020年将投资5万多亿元，铁路运营里程增加到12万公里，建设 时速200 kmyh及以上（最高达到350 km/h)的“四横四纵”高速客运专线等1.6万公 里。高速牵引机车是高速铁路发展的关键，随着大功率开关器件的开发及应用，出现 了采用调节频率和电压的交流电机调速方式，从而将机车牵引传动带入了交流传动时 代。交流传动机车对于提高牵引、制动性能和实现高速度，以及减轻費下重量、改善 动力学性能、提高机车运行经济性具有传统直流传动机车难以企及的优越性，已经成 为轨道交通牵引动力的发展方向，成为我国铁路提速、重载必需的装备。近年来，牵引电机正逐渐向大功率化、小型轻量化、快速化、高速化方向发展。 变频交流电机通过变频器完成输出电压幅值、频率的调制，这个调制主要是逆变器按 脉宽调制的方式来完成的，因而逆变器起着重要的作用。70年代中期以前，逆变器几 乎都采用无自关断能力的晶阐管，到70年代中期以后，随着电力电子技术的发展，逆 变器由具有自关断能力的主开关元件组成，出现了脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)的控制方式，从而大大提高了机车的功率，同时机车速度也获得了 巨大提升，达到了 300km/h以上。交-直-交流电传动系统的优越性非常显著，其主要优点有：起动牵引力较大， 恒动调节速度的范围较宽，有良好的粘着利用特性和自动防车轮空转的性能。三相 异步交流电机，功率大，体积小，重量轻，维修简单，可减轻簧下重量，有利于列车 高速运行。机车的功率因素接近于1.0(交-直流传动系统为0.85)，谐波电流小，减轻 了对通信系统的干扰。在机车制动时，可使交流电返回电网，实现再生制动，节省 能源。1.1.2变频调速牵引电机绝缘技术变频调速传动系统电压波形变化如图1-1所示2。变压器把电网的高等级电压变成 低等级电压然后输入整流器中，经过整流器交流正弦电压变成直流电压f，随后 逆变器把直流逆变成频率可调的方波脉冲，通过电缆驱动电机运行。变频牵引电机广 泛采用PWM调制驱动，逆变器输出波形不再是正弦波，而是一系列不同脉宽的方波电压，通过对该电压波形进行调制使电机绕组内通过的电流波形接近正弦，变频器输 出的PWM波形，在电机绕组内相对应的电压和电流波形如图1-2所示2i。 变压甚整流器逆变器电链电动机Tr _ 11 1 1 1 1 f 1 f 1 r 1i 丄 1 (1 1 t 1 1 1 ( 1 i * i_ 4 SISmB-50 - 25 0 25 50 K探预电压场强图1-3聚乙煤的直流预电压场强和脉冲击穿强度28】预电压极性效应表明空间电荷积聚对击穿强度的严重影响，促使学者们和制造商 对空间电荷在绝缘材料老化和击穿研究中的作用开展持续深入的研究。直流高压设备 在直流运行中存在极性反转过程，必须重视预电压极性效应问题。抑制空间电荷的积 聚成为直流固体绝缘电缆研究的关键因素之一27】2. 微观形态的影响微观形态对聚合物的电导3】、击穿31】以及树枝状放电老化【32等都有强烈影响。因 此，研究微观形态对空间电荷特性的影响，从而研究微观形态和空间电荷对介质电特 性的影响有重要意义。Lindgren33和Mizutani34】通过添加剂来改变材料的微观形态，并 进行添加剂、微观形态与空间电荷相关性的研究，后者发现密度越小的聚乙烯中空间 电荷运动和衰减得越快，并且表明陷讲和空间电荷主要存在于无定形区。党智敏35研 究了添加剂三梨糖醇对聚乙烯空间电荷特性的影响，表明三梨糖醇添加剂影响聚乙稀 的微观形态，从而影响其空间电荷特性，适量的三梨糖醇可以起到抑制空间电荷积聚 的作用。李吉晓36】研究了交联聚乙稀的结构形态与空间电荷分布的关系，认为晶区和 非晶区界面的支链、端基和杂质等是形成空间电荷陷讲的主要来源。张柏乐37】用不同 冷却方式和成核剂改变聚丙稀微观形态，研究了微观形态对聚丙稀电晕驻极特性的影 响。王宁华研究了微观形态对高场强下聚乙炼的空间电荷特性的影响，发现高结晶 度试品更易积聚异极性空间电荷。添加剂和热处理是在实际工业生产如聚乙炼电力电缆制造过程中所必须的，因此 研究添加剂和热处理与微观形态和空间电荷特性之间的关系，不但具有理论意义，也 具有重要的工程意义27。3. 空间电荷包现象所谓空间电荷包现象，是指在一定高场强下，空间电荷的出现是以相对孤立的包 的形式进行迁移的一种动态行为。1994年Ho_i39首先发现当场强超过100 kV/mm 时，在XLPE电缆中出现正空间电荷包现象。空间电荷包的起始、运动和消散过程会 严重影响介质内部的场强，使电导电流产生振荡4。，同时也可造成介质内部的物理化 学变化，影响电介质击穿和老化特性。因此，空间电荷包现象受到广泛关注，研究内 容主要集中于空间电荷包的起源机制、起始场强、极性、速率、迁移方式、对电导和 击穿的影响等27】。空间电荷包的起源目前还没有定论，几种可能的来源分别是电极注入【39、试品内 部场致电离以及场致发射引起的电子、空穴从电极共同注入和相互作用的结果41。 空间电荷包的出现需要一定场强。目前空间电荷包研究的主要对象基本局限于聚乙稀。 而关于聚乙稀中空间电荷包出现的起始场强，文献给出的结果不甚一致。Hozumi39S 现场强超过lOOkV/mm时，XLPE电缆中出现正空间电荷包现象。之后Hozumi4G还报 道，外加直流电场超过70 kV/mm时XLPE和Low Density Polyethylene (LDP薄膜试 品中出现空间电荷包现象。&011【42】指出外加直流电场超过120 kV/mm时，在LDPE试 品中观察到负空间电荷包。See43】给出XLPE中正空间电荷包起始阈值场强为140 kV/mm。Doi 研究了的kV/mm下LDPE内的空间电荷包现象。郑飞虎45则发现在 50 kV/mm的场强下LDPE中就可产生空间电荷包。刘鸿斌【用概率方法研究了 50 llOkV/mm范围内，不同负直流场强下LDPE试品中空间电荷包的出现概率。研究空间 电荷包起始场强闽值，对研究空间电荷包的起源、控制有重要意义。空间电荷包运动速率的研究主要集中在运动速率和场强的关系，以及用此速率来 估算载流子迁移率【47。一些试验结果表明，空间电荷包的运动速率可随局部场强增大 而减小，即出现所谓负微分迁移率48。.？.011彷等49引用半导体GaAs中的耿氏效应 (Gurm effect)来解释这种负微分迁移率。空间电荷包迁移的本质、迁移率的意义及负微 分迁移率的深层原因的阐释仍需更多研究。4.空间电荷动态测量、局部电场强度与击穿过程依据空间电荷分布和Poisson方程可获得介质内部的局部电场分布，结合击穿场强 可以研究击穿是起始于介质内部还是界面。Mizutani【5G】在预电压脉冲击穿场强结合空间 电荷分布的研究中发现，假设击穿发生在阴极附近场强最大时比假设击穿发生在整个 试品内部场强最大时更符合脉冲击穿电压的试验结果。高速、动态的空间电荷测量是随着示波器技术的提高而在近年才出现的技术，为 空间电荷、局部场强和击穿特性之间关系的研究提供了薪新的有力的手段。Mitsumoto 等【51研究了 LDPE加压至击穿前的空间电荷分布，发现两个电极附近都产生同极性电 荷，阳极的正电荷向阴极移动并直至消失，而后阳极出现负电荷并向阴极移动，直至 发生击穿。文章认为异极性电荷的出现导致场强的增加可能是击穿即将发生的特征标 志之一。Fukuma【52研究了 LDPE在临近击穿前的空间电荷分布，认为是阳极积聚的正 极性电荷向阴极扩展导致阴极附近场强的增加，进而使得阳极附近的负电荷扩展，最 终导致击穿的发生。Matsui【53研究了 LDPE试品击穿前后的空间电荷分布。发现空间 电荷包的运动与电极材料有关，且击穿发生在电荷包运动导致的场强最大时刻，在击 穿发生的同时，内部空间电荷分为两部分向两侧电极迁移。Matsui54】研究了 100400 kV/mm外加场强下，击穿过程空间电荷分布，发现阳极积累的正电荷逐渐向阴极移动， 无论外加场强多大，都是直至试品局部场强达到5 MV/cm时发生击穿，该数值可能反 映材料的本征击穿场强。Fukuma55】进行预电压的LDPE试品击穿过程的空间电荷观测， 认为阳极附近的空间电荷积聚和场强畸变控制了击穿过程。空间电荷动态运动过程、 局部场强与击穿的控制因素方面，目前的研究还远远不够，随着空间电荷测量技术的 不断改进，可望取得新的进展5.基于空间电荷研究对绝缘材料的开发和评估随着研究的深入，空间电荷对绝缘材料电特性的影响越来越受到重视，被直接应 用于绝缘材料的开发和评估。降低空间电荷的积聚水平，或者促进积聚空间电荷的消 散，成为评价和开发绝缘材料的一个重要指标和手段2力。16108111111356通过抑制空间电荷积聚,开发了两种含有添加剂的XLPE用于250kV 电缆。下3161&57】使用空间电荷特性评估250kV直流固体绝缘电缆。屠德民58】发现在聚 乙稀中添加EVA能够减少空间电荷积聚从而提高起始树技化电压。张冶文【59则指出任 何增加浅陷讲减少深陷讲的添加剂可以提高起始树枝化电压。Oiio发现两种共混聚 乙烯由于积聚更多的空间电荷而击穿强度较低。811211【61】通过添加剂抑制HDPE中空 间电荷的积聚，提高了击穿场强。Yoshifiiji62通过控制空间电荷改性了 HDPE绝缘。 Matsu严】比较了三种聚乙炼，发现其中空间电荷注入最少的一种有最高的击穿强度。空间电荷也用于绝缘材料的老化评估。Dakka【M发现在最初几小时中积聚空间电荷 越多，老化击穿的时间就越短。HozumP】发现从交流老化电缆中切割的XLPE试品， 积累的空间电荷量与交流击穿强度等其他电特性相对应，从而提出空间电荷可用于电 缆绝缘老化评估。1.3本文研究的主要内容本文以变频调速牵引电机定子绕组绝缘用聚酰亚胺薄膜和电磁线为研究对象，搭 建了试样老化和空间电荷测量系统；测量了耐电晕型聚醜亚胺薄膜(100CR)和普通聚 酷亚胺薄膜(100HN)空间电荷积聚的阈值场强，以此分析了纳米粒子的加入对绝缘材 料介电性能的影响；测量了不同温度下，聚酷亚胺薄膜中空间电荷的分布，以此研究 了连续高压脉冲下空间电荷的特性；利用扫描电镜，分析老化时间和频率对薄膜表面 和断面形貌的影响，以此研究纳米粒子提高薄膜耐电晕性能的原因；以电磁线为实验对象，进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿实验，结合扫描电镜和能谱分析研究了 相应的击穿机制。第2章高压脉冲下空间电荷的实验硏究2.1空间电荷及输运理论2.1.1空间电荷的形成与本质聚合物电介质中由于不可避免地存在缺陷和杂质，使介质的电性能大大地偏离它 的本征性能。这些缺陷用能带表征时，它们处在介质能带的导带和价带间，如图2-1 所示，一般以局域能级表示，又称为陷讲。在电场作用下，注入的载流子（电子和空穴） 会被局域于这些能级中形成空间电荷。空间电荷一般指陷讲电荷，即被陷讲捕获后停 留在介质体内的那部分电荷，也可指由于不均勻极化引起的极化电荷。本论文所讨论 的空间电荷特指陷拼电荷。Ec0 QO E五导带;电子陷讲能级；价带 费米能级；tp空穴陷讲能级 图2-1能带结构示意图 电极注入被认为是空间电荷形成的主要原因，陷讲形成可以是由于生产过程中的 污染、机械加工时的引入或在应用过程中产生等。注入的空间电荷的极性除与电极极 性有关外，还依赖于注极电极的材料、注极的时间和注极材料的性质，而注入空间电 荷的分布则与注极的温度、退火温度和时间以及注极时的电场等因素有关M。对于在 高电场下使用的绝缘介质，电场作用下有机物的热离解、不同材料界面处的各向异性 效应以及电介质在应用过程中的引入等都能引起空间电荷的积累。电荷被陷讲捕获， 一般发生在介质杂质处、介质的物理缺陷处、各种不同化学续界面处、晶体一无定型 界面处以及聚合物分子链间。在晶体中，位错和本征阴阳离子对陷讲的贡献不大，而 在所有陷拼中，替位陷讲是陷讲形成的主要原因。替位陷讲中有两类陷讲中心6力，第 1类所谓被动陷讲中心与阴离子空位有关，这一类陷讲中心能通过分析吸收与发射谱 线的方法进行分辨，此类中心一般在200C以下能稳定存在。第2类所谓主动陷讲中 心，与替位阳离子有关。这一类陷讲中心很难用光学方法分辨，但却是介质受应力的 主要来源，与材料的老化有关。电荷从电极注入到介质中后，空间电荷在电场作用下获得动能t/e (以电子为例)， 通过与声子相互作用，失去能量，变成陷讲电荷，这一过程可用Landau的激化子形成 模型来描述68】。由Landau理论，只有以移动电荷为中心，在半径= 2;rr。27/方 以外的介质电子能被运动电子极化。而如果Me变化非常大，那么r,00，没有介质电 子被极化，相当于运动电子在真空中运动，这时没有陷讲电荷形成。如果We非常小， 那么相当于运动电子变成有效质量为/n*的重粒子，最后失去能量变成陷讲电荷，而这 时运动电荷引起周围介质晶格的畸变和介质电子云的变形。若设介质的介质常数 在/r丨时为e丨，在时为幻，那么根据Landau理论，运动电子局域能可表示为阶f(丄-丄) + ff4T 与（2-1)若取/，f广rp，rp为极化半径，那么局域能变成=-(-)- (2-2) 4 疋 ！ rp所以局域半径越小，局域能越大，即陷讲越深。2.1.2空间电荷对绝缘老化和击穿的影响聚合物的一切老化现象说到底是材料结构的变化，空间电荷对聚合物的老化和击 穿的研究主要集中在对电树枝的影响上。归纳起来主要有3种理论。1. 电荷的注入和抽出理论Tanaka教授在1978年提出此理论f2a】。由于外来杂质电极等与聚合物的热延伸系数 不同，在交流电场作用下，Maxwell应力作用于介质上，使聚合物出现微裂缝，吸收和 包藏有气体，在电荷的注入过程中，产生局部放电，使有机物高分子链裂解，生成低 分子和气体，从而为下一次的电子注入创造了条件，最终形成一个中空的通道。这就 是树枝的幵始。Tanaka教授还给出了电树枝引发的时间定量计算式，虽然不够精确， 但能解释一些低压下有机电介质应用过程中的一部分现象。2. 热电子理论热电子理论考虑到有机材料陷讲电荷活化能一般为数eV的量级，例如Teflon是 1.9 eV，聚醋是1.8 eV，聚乙稀是1.5 eV，聚醜亚胺是1.2 eV。经计算，当电场高达107 V/cm时，电子仍不能获得足够的能量与晶格相互作用，使晶格温度升高，达到击穿时 的临界温度。从而K.C.Kao提出电子非辖射能量转移的击穿理论21】，屠德民等人对此 进行了实验验证。电子非辖射能量转移击穿理论的核心是当电子被注入到介质后，经散射使电子被 陷讲俘获，而多余能量以非福射形式传给另一个电子，使其成为热电子，热电子使聚 合物大分子发生分解，用反应式表示为：AB+e (热）一（分解）A+B+e (冷）一A+B+e (陷讲）+ 能量 热电子与聚合物大分子相互作用使聚合物分子形成自由基。随后在聚合物中引发自由 基反应，导致聚合物的降解，生成低分子产物，并形成局部低密度区。低分子和低密 度区的形成又使聚合物的无序性和陷讲密度增加。随着陷讲密度的增加，电子入陷的 概率随之增加，产生热电子的概率也增加，从而加速上述过程。当低密度区中产生局 部放电时，将会最终导致聚合物的击穿。如果除电场外，同时还有热的作用，电荷注 入及自由基反应将因热的作用而加剧，聚合物的寿命将大大降低。3.光降解理论Bamji认为，热电子对电树枝的起始影响甚微，从而提出光降解理论。此理论认为， 在交流电场下，对于针尖-平板电极结构，当针尖处于负半周时，电子被深浅不同的电 子陷讲所俘获，形成非辖射松她现象。当针尖处于正半周期时，注入的空穴与电子复 合产生辉光，并且随外加电压和载流子注入量的增加，一些局域态由陷讲态转变成复 合中心，将产生更短波长的光，电压越高，紫外线的强度和能量越大，紫外线和氧的 作用使聚合物迅速降解，产生电树枝。2.1.3电荷输运的类型及特点载流子的注入、传导与绝缘材料的老化、失效过程密切相关，学者在这方面进行 了广泛的研究：乂3611161等69测试了发射电极一阴极的功函数较低（小于2eV)的情 况下，三种发射机理（热电子发射、随穿、弹道发射）的电流密度与外施电场强度的 关系。Y. Feng和J. P. Verboncoeurf7*提出从Fowler-Nordheim场致发射过渡到空间电 荷限制电流的过程是平缓的，在实际的电场中，其传输电流密度不可能超过空间电荷 限制电流的密度。1：1；866&6等711研究了直接隊穿到场致发射的过渡，结论是电流一 电压特性的变化过程与梯形势鱼变化到三角形势全的过程保持一致。G. G 113口等72】 测量了聚酷亚胺薄膜（Kapton)的吸收电流、解吸电流、传输电流（温度为50C 200C电场最高至12MV/in)，并发现高温下介质体内的载流子是由电离产生的。 R. W. I. de Boer和A. F. Morpurgo73认为要全面理解空间电荷限制电流，表面陷讲的 影响不可或缺。在高纯度的试样中，所有的表面陷讲可以控制所有的介质体内陷讲， 因此表面陷讲可以改变体内的静电分布。T.vanWoudenbergh等74认为在低电场下， 穿过聚合物异质结的电流取决于电场强度，这是因为费米能级的增大有效地改变了势 全；而在高电场下，由于没有电像力的效应，电流与电场强度的关系大大降低。1.肖特基与普尔一弗兰凯尔效应当电子由电极（金属）向介质内发射时，由于两者的界面处有势垒存在，电流受 到限制，在外加电场下，可使势鱼下降69】，电子容易发射。这一现象就是“肖特基效 应”（Schottky Effect)，具有电极限制特性，如图2-2所示。图中，A0为势鱼降低的高度，等于Achi气其电流密度可表示为【75】：jATvKPschE(2-3)其中，/一电流密度；J一发射常数；r一绝对温度；五一电场强度：一经验常数；yemTuef/少; 办)和vO；)为椭圆函数，其近似值76分别为f(y)=l+0.1107x/33、 由式(2-5)可知，与1/五成线性关系。根据试验测得的数据作图，如果上述 两者的对应关系为一条直线，则说明载流子是由隧穿效应注入介质中的。(a是场致发射；b是热电子场致发射；C是热电子发射） 图2-4电子注入介质的过程3.离子跳跃传导离子跳跃传导可由式(2-6)表示【77：j = levnX exp(-) / kT) sinh(eA： / 2kT)(2-6)离子密度；I一跳跃距离；r电荷量；跳跃频率； 由式(2-6)可知，根据电场大小的不同，可分为低电场和高电场两种情况分别讨论。在低电场下，电流密度与电场强度成正比，如式(2-7)所示：J) = evnXE / kT exp / kT)(2-7)在髙电场下，如式(2-8)所示：j = evnX exp(-# / kT) expeXE / 2kT)(2-8)脚越式(2-8)是基于离子的双稳态模型78而得到的，在此模型中，离子占据了能井中的 两个稳定的、相距;I的位置，在热激发的作用下，以频率V从一个位置跳到另一个位 置，如图2-5所示。式(2-8)中的exp(-(2V奶与电场强度无关，可以将其看作一个相对 于电场强度来说的常量，因此/一对应关系是一条斜率为的直线，并可由此 斜率计算得到离子跳跃的距离。位置图2-5离子跳跃传导示意图4.空间电荷限制电流空间电荷通常是指以一种净的正电荷或负电荷填充的空间，它对电流或对单位时 间内从一个电极至另一个电极穿过的载流子数目有限制。例如，如果阴极每秒内发射 的电子超过空间所能接纳的数目，剩下的就会形成负的空间电荷，从而造成一个降低 电子从阴极发射速率的电场。因此，电流不受注入电子的阴极的控制，而受材料内部 空间中载流子迁移率的控制，具有体限制的特性。要观测到空间电荷限制电流，电极 与绝缘体的接触必须服从欧姆接触。当介质中没有陷讲的时候，一种载流子注入下的空间电荷限制电流可以由式(2-9) 表示【74】：脊户(2-9)其中，一载流子的迁移率；r一外施电压：X介质的厚度；当介质体内存在陷讲的时候，空间电荷限制电流可由式(2-10)表示72】：字厂 2(2-10)其中，h自由载流子密度与总载流子（自由和受俘获的）密度之比；随着外加电压的升高，注入的载流子不断地被陷讲捕获。陷讲填充限制 (traps-filled limit, TFL)是代表受俘获的/一特性过渡到无陷讲J一K特性的条件，显 然，当全部陷讲被填满后，往后注入的载流子就可以自由地在介质内运动。因此，当正好达到此过渡状态的临界电压时，电流就从陷讲限制值迅速跳高至填满陷讲的 空间电荷限制电流值。图2-6为整个过程的/一r特性示意图，rrfx即为填满陷讲所 需要的电压。陷讲填满后 -电流的跃变厂m厂图2-6空间电荷限制电流的特性因为固体电介质中总是不可避免地存在陷讲，因此图中的虚线部分为理想情况 (无陷阱固体)，无法观测到。在全部陷讲填充后（意味着电压超过VtfiX得到图中 的实线部分。2. 2试样及实验过程 2. 2.1试样本文研究对象为两组试样，第一组：耐电晕型聚酰亚胺薄膜(100CR)、普通聚酰 亚胺薄膜(100HN)和普通聚醜亚胺薄膜(500HN)，第二组：定子绕组绝缘用电磁线。聚酷亚胺薄膜作为一种特种工程塑料薄膜，具有耐高温(400C)、低温(-269C)、 耐福射和优良的介电性能79】，对变频电机的轻型化和小型化十分有利，目前被广泛应 用于变频电机对地绝缘和距间绝缘中，是变频电机的基础绝缘材料。聚酷亚胺薄膜最 重要的优点是其厚度比一般绝缘材料小得多，容易加工，可以在通用设备上进行操作。 在绕组的导线上进行绕包，使用烘箱或热处理机械在350。C-400。C加热绝缘，就可以 得到性能优异的整体绝缘和防护层。耐电晕型纳米聚酷亚胺薄膜的出现开辟了电介质 新的应用领域，与非纳米薄膜比较，纳米膜的电、热、机械性能有了很大的改善。美 国杜邦公司研制的耐电晕纳米聚酷亚胺薄膜(FCR),其耐电晕水平接近云母纸水平80】。 第一组试样采用由杜邦公司生产的Kapton 100CR和100HN，尺寸为 SOmmxSOmm,厚度均为0.025mm; Kapton500HN的厚度为0.125mm。第二组试样为 变频调速牵引电机定子绕组绝缘用电磁线，其外观如图2-7所示，电极周围采用杜