用于脉冲功率领域中三种典型的有机绝缘材料在不同温度下介电特性的研究

用于脉冲功率领域中三种典型的有机绝缘材料在不同温度下介电特性的研究有机绝缘材料由于其优良的电性能、易加工等性能被广泛用于脉冲功率领域的绝缘系统。固体绝缘的引入，会形成固体介质与气体、液体或真空等组成的多相体并联复合绝缘系统，其中真空-固体的沿面绝缘往往是限制脉冲功率系统整体绝缘性能的瓶颈。研究表明，真空绝缘子的材料类型对其沿面闪络特性的影响显著。为了提高真空中绝缘子的沿面闪络电压，通常选用相对介电常数较低的绝缘材料，并对绝缘材料进行加热烘烤等处理，同时尽量降低其表面解吸附气体。由于绝缘材料的介电特性在真空脉冲功率的应用场合会发生变化，需进行相关研究。1实验设计选取3种目前应用于脉冲功率领域的典型有机绝缘材料：环氧树脂（来自广东东莞某厂家，厚度2mm）、聚乙烯（PE，来自美国进口，厚度为1mm）和交联聚苯乙烯（XCPS，来自深圳科瑞沃科技有限公司，厚度2mm），3种样品是直径均为100mm的圆片。实验前用酒精和去离子水将样品进行超声波清洗，然后放置到50℃烘箱中烘2h。图1为改进的标准三电极系统，可以进行温度控制（室温~300℃）。电极尺寸按照国家标准设计，上电极的内电极直径为50mm，外环电极内径为54mm、外径为74mm，下电极直径为90mm。下电极与铝外壳中间加一片氧化铝陶瓷板以绝缘，然后通过陶瓷螺丝固定。所有引线均采用耐高温导线并用陶瓷接线柱引出。绝缘材料在不同温度下的表面电阻率和体积电阻率采用标准三电极法用高阻计（ZC36型，上海安标电子有限公司）进行测试。在不同温度/频率下的介电常数及介质损耗采用绝缘诊断测试仪（IDAX-206，瑞典保加玛公司）进行测试。IDAX-206可输出频率10-3~103Hz范围的峰值可调的正弦电压到样品上，同时测量流过样品的电流信号，从而获得不同频率下样品的复电容和介质损耗因数（tanδ），测试电路如图2所示。实验时将样品放在下电极与上电极和环电极之间，将三电极系统置于真空腔中，电极通过耐高温导线连接到真空腔体的接线柱上，并与介电参数测试仪相连接。实验时，通过温控仪和热电阻控制样品的温度，测试样品在20~100℃内的介电参数。试验中介电常数和介质损耗的测试频率范围为50~1000Hz，施加的正弦电压有效值为140V。2结果与分析2.1耐温特性将环氧树脂、聚乙烯和交联聚苯乙烯3种材料的样品分别放入80℃烘箱中烘烤2h，发现聚乙烯有严重变形，直径明显缩小，继续在90℃下烘烤2h，交联聚苯乙烯和环氧树脂基本没发生变化。2.2相对介电常数不同温度/频率下3种绝缘材料的相对介电常数如图3所示。从图3(a)可以看出，环氧树脂的εr随着频率的升高而减小，随着温度的升高而增大，其主要原因是在较低的频率下，可以完成更多的极化过程，而随着施加电压频率的升高，一些较慢的极化过程由于跟不上电场变化而来不及完成，造成εr逐渐减小。在较低频率范围内，温度对相对介电常数的影响十分显著，εr急剧变大的频率区域随着温度的升高向高频方向移动。根据低频弥散理论，介质的εr在弥散区域急剧变化，而温度对介质弥散区域有很大影响。当温度升高时，弥散区域向高频方向移动，εr快速变小的频率区域也相应向高频移动；反之，当温度降低时，弥散区域向低频方向移动。产生这种现象的主要原因是：当温度升高时，弛豫时间减小，可以和弛豫时间相比拟的电场周期变短，弥散区域频率升高。在环氧树脂整个工作温度区间内，温度升高对其建立松弛极化的促进作用始终大于热运动对其的阻碍作用，因此εr随温度的升高而增大。对比图3中三种材料的介电常数随频率和温度的变化趋势可以看出，交联聚苯乙烯和聚乙烯与环氧树脂有所差别，前两者随频率的变化不明显，随温度的变化趋势和环氧树脂相反。这是因为交联聚苯乙烯为弱极性材料，存在位移极化和松弛极化，但松弛极化较弱，以位移极化为主，聚乙烯为非极性材料，只存在位移极化。位移极化的时间为10-15~10-16s，可瞬时完成，松弛极化的时间为10-6~10-2s，比位移极化时间长。因此交联聚苯乙烯的介电常数随频率的变化不明显，随着激励频率的增加εr略有下降，聚乙烯的介电常数几乎不随频率的变化而变化；温度的升高一方面能加快松弛极化的建立使εr增大，另一方面使分子热运动加剧而阻碍极性分子在电场中的定向，从而使εr降低。对于交联聚苯乙烯和聚乙烯，因其松弛极化很弱，温度升高的影响主要体现在阻碍极性分子在电场中的定向，所以εr随着温度的升高而减小。2.3介质损耗因数（tanδ）电介质的介质损耗因数（tanδ）可表示为：tanδ=(γ+g)/(ωε0εr)式中，γ为电导损耗的等效电导率；g为介质松弛极化损耗的等效电导率。3种绝缘材料的tanδ随温度和频率的变化趋势如图4所示。由图4可知，3种材料的tanδ均随频率的增加而减小，随温度的升高而增大。由式可知，ω起主导作用，因而tanδ随频率增加而减小。随着温度的升高，tanδ逐渐增大，其主要原因是：温度升高，样品中会产生较多的跳跃载流子，低频弥散效应增强，此外导电粒子平均动能增加，运动速度加快，粒子迁移率增大，样品电导率增加也会导致损耗部分所占比例变大，使tanδ增大。2.4电阻率3种绝缘材料的表面电阻率和体积电阻率随温度的变化趋势如图5所示。由图5可知，3种材料的电阻率随温度的变化趋势规律性不强，在测试温度范围内，随着温度的升高，电阻率数量级基本不变，电阻率变化不明显。2.5烘烤对材料介电参数的影响在加热前测试20℃下材料的介电参数，加热至100℃再测试其介电参数，然后自然冷却到20℃再次测试其介电参数，以研究烘烤对绝缘材料介电性能的影响。图6为环氧树脂20℃烘烤前后εr和tanδ的变化情况，表1为烘烤前后电阻率的变化情况。图7为交联聚苯乙烯20℃烘烤前后εr和tanδ的变化情况，表2为烘烤前后电阻率的变化情况。从图6、图7和表1、表2可以看出，烘烤后介电参数均有一定程度的下降，但降幅不大；交联聚苯乙烯的下降幅度比环氧树脂小，基本没有变化；但在100℃下测试聚乙烯介电参数后变形严重，所以其烘烤冷却后的介电参数就没有测量。图6环氧树脂烘烤前后介电参数的变化图图7交联聚苯乙烯烘烤前后介电参数的变化图3讨论有机绝缘材料被广泛应用于高压真空电气设备中，应避免其发生沿面闪络，因此需选择合适的绝缘材料。研究人员在实验中得到了沿面闪络电压与材料介电常数呈反比的结论，介电常数越大，阴极三结合点处的电场畸变越严重，越有利于初始场致电子发射，但不利于抑制沿面闪络。因此要抑制三结合点处的电场强度，减少场致电子发射以提高闪络水平，须选用相对介电常数低的绝缘介质，另外要降低绝缘介质的表面电阻率，从而减少沿面闪络过程中的残余电荷积累，减小局部电场畸变，提高沿面闪络电压。综合比较3种材料的εr和tanδ，聚乙烯最小，交联聚苯乙烯次之，环氧树脂最大；比较表面电阻率，交联聚苯乙烯最大，环氧树脂次之，聚乙烯最小；比较体积电阻率，交联聚苯乙烯较大，环氧树脂和聚乙烯处于同一数量级。3种材料中聚乙烯的εr、tanδ和表面电阻率均最小，在电性能上适合用做真空器件的绝缘子。但是聚乙烯的耐热性较差，机械强度不高，质地较软，而交联聚苯乙烯的电性能和聚乙烯差不多，且其机械强度和耐热性能均优于聚乙烯，因此交联聚苯乙烯的性能最好。对材料进行烘烤并且抽真空可以有效去除绝缘介质表面吸附的气体和体内的水分含量等，对提高绝缘材料性能有一定的作用。4结论（1）真空及不同温度/频率下环氧树