0 引言
真空固体绝缘支撑结构被广泛应用于脉冲功率装置、高新技术装备以及电力系统真空高压设备等领域。真空固体沿面闪络将导致系统绝缘失效,现有的理论还不能完全阐释真空沿面闪络的机理[1-2]。
影响固体真空耐压性能的主要因素包括绝缘结构和表面状态。已有实验证明绝缘子外形结构将对闪络的耐压性能产生影响,绝缘结构设计的经验也已在许多脉冲功率装置中得到了体现,如将堆栈结构与45°圆锥角的设计应用于Z箍缩装置大尺寸轴向绝缘堆中,以保障绝缘堆能耐受MV数量级脉冲电压[3-5];微堆层绝缘子由多层绝缘材料和金属压接而成,具有很高的真空耐压绝缘强度,有望应用于介质壁加速器中[6-7];表面周期刻槽结构可有效提高固体的沿面耐电性能,已应用于高功率微波介质窗的结构设计中,能提高介质窗输出的辐射容量能力[8-10]。
除了绝缘结构因素外,材料表面的状态也是影响材料耐压水平的重要因素之一。研究人员对表面处理方法也进行了许多实验研究,主要采用的工艺是研磨和涂覆,但研究结论存在很大的分歧：研磨将改变材料表面的物理状态,Sudarshan通过实验发现Al2O3试品的晶粒越小,其闪络电压越高[11];丁立健研究团队提出用表面粗糙度来表征绝缘材料的表面状况,他们认为表面粗糙度越小,绝缘材料的闪络电压就越高[12],但Yananoto却发现了截然相反的结果[13];张冠军研究团队研究了表面粗糙度对有机玻璃材料真空沿面闪络特性的影响,认为对材料研磨方向也将影响材料的耐压性能[14]。涂覆主要是在绝缘体表面涂覆二次电子发射系数较低的固体材料,通过削弱二次电子崩的发展达到提高材料耐压水平的目的。Miller通过在Al2O3表面涂覆Gr2O3,提高了Al2O3的闪络电压[15],张冠军研究团队在可加工陶瓷原材料内掺杂Gr2O3和GuO来降低材料的二次电子发射系数,从而提高了材料的耐压水
平[16]。但由于涂层材料与本体材料本身的性能不同,在结合过程中必然会产生缺陷,且表面外加的涂层容易因为磕碰而发生脱落现象,从而导致表面电场分布发生畸变,进而降低材料的闪络电压,而且各种涂覆技术本身的工艺也存在很大的难度。因此材料表面处理方法并未广泛应用于工程设计中,还存在许多需要解决的物理问题。
除了固体介质被广泛用于电气设备绝缘外,液体介质也是常用的绝缘介质。其中,变压器油是应用最多的液体介质。变压器油具有较低的介电常数和良好的绝缘性能,被广泛应用于变压器、断路器、电缆等电力系统设备。针对油介质中的固体沿面闪络现象也开展了大量研究。Cherney等研究了直流电压下聚四氟乙烯材料油介质中沿面闪络电压与静压力的关系,研究发现随着静压力的增加,闪络电压也逐渐增加[17];Sharma等对百ns脉冲电压下变压器油中圆台形有机玻璃的沿面闪络特性开展了实验,结果表明当圆台锥角为45°时有机玻璃的耐压最高[18];周中升等研究了ns脉冲下变压器油绝缘的击穿与闪络特性,研究认为在油中引入有机玻璃后,其沿面闪络电压低于油介质的击穿电压,并用液体击穿二次电子崩理论解释了油中绝缘介质的沿面闪络过程[19];司马文霞等人研究了变压器油中添加纳米颗粒对变压器油击穿特性的影响,并分析了变压器油中流注的发展过程[20-21]。
通常认为油介质不适用于真空环境,若不局限于真空环境高要求的限制,则可将变压器油作为一种涂覆材料。通过将少量油介质引入真空介质与固体介质之间,涂覆于绝缘体表面,再应用于脉冲电压下的真空环境中,从而达到提高绝缘结构耐压特性的目的。早期曾有研究人员通过在有机玻璃上涂覆硅油来尝试提高其真空耐压,但实验结果表明硅油并不能提高有机玻璃的闪络电压,但可以减少多次闪络对材料表面的损伤[22]。俄罗斯的Gribov开展了真空涂覆绝缘体的实验[23],在压强为10-3 Pa的真空环境下,涂覆油介质的绝缘子耐压强度>300 kV,而无涂覆的干净绝缘子耐压强度约为160 kV。两者相比,涂覆油介质的绝缘子耐压强度是未涂覆绝缘子耐压强度的1.7倍,但Gribov并没有分析油介质对闪络物理过程的影响,因此需要开展进一步的研究。
本文基于指状电极结构,对油膜涂覆的绝缘体开展了真空沿面耐压的考核实验,通过对比涂覆与未涂覆这2种情况下绝缘体的真空沿面闪络电压,来评估涂覆油膜对绝缘体真空沿面闪络电压的影响机制,并分析油膜涂覆绝缘体沿面闪络的物理过程。
1 实验设计
1.1 油膜涂覆绝缘体的结构设计
真空固体沿面闪络研究中通常采用的电极结构一般包括平面电极和指状电极。考虑方便涂覆变压器油,本文选用了指状电极结构来开展实验研究。电极选用不锈钢材料,电极半球形顶部半径为5 mm,电极之间的间距为3 mm。绝缘体材料选择交联聚苯乙烯,脉冲功率装置中绝缘支撑部件常采用该种材料。交联聚苯乙烯样品为宽度3 cm、厚度3 mm的方形薄片。为了保证交联聚苯乙烯样品在功率源电压输出范围内闪络,在阴极区域增加了阴极针设计。将电极样品装配完成后,在实验前将油膜均匀涂覆于绝缘体和电极表面,油膜材料选取25号变压器油,油膜厚度<1 mm。
1.2 实验装置与实验流程
采用脉冲电压功率源对实验样品施加脉冲负电压,实验装置如
当实验腔真空度达到10-3 Pa后,开始对实验样品加载脉冲电压,每个电压等级下加载3次。3次均未发生闪络则提高样品的加载电压,直到样品发生首次闪络为止,并记录首次闪络的电压
2 实验结果
对2组样品开展的真空耐压考核实验结果如下（见
1）指状电极间距为3 mm时,未涂覆油膜时绝缘体自闪络的首次闪络电压约为27 kV,老练电压约为28 kV;涂覆油膜后绝缘体的首次闪络电压约为63 kV,老练电压约为65 kV。两者对比可知,涂覆油膜绝缘体的首次闪络电压和老练电压是未涂覆绝缘体的2.3倍。
2）未涂覆油膜绝缘体的耐受电压与涂覆油膜后绝缘体耐受电压均约为13 kV,两者水平基本
一致。
3）未涂覆油膜时绝缘体自闪络的首次闪络电压范围为16~43 kV,涂覆油膜后绝缘体的首次闪络电压范围为59~71 kV,前者闪络电压数据的分散性
较大。
3 分析与讨论
3.1 油介质对绝缘体真空沿面闪络电压的影响机理
涂覆油膜后,绝缘体的真空沿面耐压水平得到了明显提高,其原因主要是油介质涂层改善了绝缘体与电极的接触情况并抑制了闪络通道的形成。根据真空沿面闪络二次电子崩理论可知[2],阴极三相点处产生的电子在外加电场作用下不断向阳极运动
图1
实验回路示意图
Fig.1
Experiment circuit diagram
图2
典型电压波形
Fig.2
Typical waveform of voltage
图3
未涂覆油膜与涂覆油膜下交联聚苯乙烯 真空沿面闪络电压
Fig.3
Vacuum surface flashover voltage of crosslinked polystyrene with uncoated oil layer and coated oil layer
并逐渐形成二次电子崩,随着电子与解吸附气体层分子的碰撞电离,最终在解吸附气体层中形成了闪络贯穿通道。涂覆油膜对闪络通道形成产生的影响主要有2个方面：
1）减缓二次电子崩的发展。电子的产生位置由最初的电极-真空-绝缘体转换为电极-油-绝缘体,由于油介质的覆盖,初始电子向阳极运动的过程中,一部分将在靠近绝缘体的油介质中与油分子进行碰撞,另一部分仍有机会与绝缘体表面发生碰撞,从而降低绝缘体表面产生的二次电子数量。由于变压器油具有较大的密度和黏度,而电子的平均自由行程较小,积累能量较难,因此需要较高的电场强度来产生足够的初始电子,从而形成大量的二次电子崩。由于电子崩的形成发展难度增大了,因此可提高材料的耐压水平。
2）抑制绝缘体解吸附气体层的形成。绝缘体表面吸附的气体分子在受到电子激励后会发生脱附形成解吸附气体层。覆盖油膜后,油介质会使电子的运动速率降低,绝缘体表面由于缺乏电子激励,使得吸附气体的解吸附速率大大降低,从而抑制了解吸附气体的释放。少量的解吸附气体分子存在绝缘体与油膜界面处,电子与气体分子碰撞电离的机率也大幅度减小,从而减缓了闪络通道的形成。
3.2 油膜涂覆绝缘体真空沿面闪络过程的初步分析
结合真空沿面闪络二次电子崩理论和液体击穿二次电子崩理论,初步探讨真空中油膜涂敷绝缘体沿面闪络产生的位置和发展过程。由于在真空和变压器油中,电极、绝缘材料和背景介质的介电常数不同,因此施加电压后在三相点区域将形成不均匀电场,从而会在阴极三相点处产生初始电子。油膜涂敷在绝缘体表面之后,阴极三相点区域将包含2个：绝缘体-电极-油介质三相点和真空-电极-油介质三相点。初始电子将从这2个阴极三相点区域产生。与绝缘体接触的阴极电极区域有阴极针设计,电极尖端区域的电场畸变程度较高,因此绝缘体三相点区域的电场强度最高,绝缘体阴极三相点区域的初始电子数量较多,该区域电子将分别与油介质分子和绝缘体表面进行碰撞。由于油介质密度和黏性较大,而电子崩发展速度较缓,因此少量的电子在绝缘体上碰撞促使解吸附气体释放,同时电子也可以与气体分子之间产生碰撞电离。随着外加电场的增大,初始电子的能量和数目都将得到提高,从而进一步促进了电子与绝缘体的碰撞而产生二次电子和解吸附气体的释放,使得局部解吸附气体逐渐从阴极区域向阳极区域发展,而脱附的气体分子将不断与电子发生碰撞电离,促使闪络通道的形成。此外,高场强下油介质将电离分解出气体而形成气泡[24-26]。由于油膜涂敷较薄,因此绝缘体表面也将可能附着气泡。气泡中的气体分子也可以与绝缘体表面的电子崩发生碰撞电离,从而进一步促使电子崩的发展。气泡中的气体分子将与解吸附气体分子互相混合,最终会在绝缘体与油介质界面处的气体层中发生贯穿性闪络。
3.3 涂覆油膜绝缘体耐受电压水平较低的原因分析
涂覆油膜绝缘体的首次闪络电压与耐受电压都得到了明显提高,但耐受电压水平却与未涂覆绝缘体自闪络的电压水平一致。分析认为,产生这种现象的原因是较高的闪络电流改变了绝缘体和油介质交界面的微观特性。实验回路虽有限流电阻限制闪络电流,但闪络电流峰值仍达到约2 kA。较高的闪络电流将在闪络通道内放出大量的热量,从而促进绝缘体表面释放更多的解吸附气体,油介质中也将产生更多的气泡。经过首次闪络和老练闪络之后,绝缘体表面和油介质之间已经形成了气体层,但是由于油介质的覆盖,因此气体分子向外部扩散的数量减少,而且主要集中在绝缘体与油介质之间。随着气体分子数量的增多,即使在较低的电压下电子也可以与足够的气体分子发生碰撞电离,从而促使闪络发生。另一方面,闪络电流释放的热量也促使部分油介质或绝缘体表面发生碳化,从而形成固有的闪络通道,因此在多次高压闪络之后加载较低的电压仍会不断发生闪络。
3.4 油膜涂覆对绝缘体闪络电压分散性的影响
实验结果表明,未涂覆油膜的绝缘体闪络电压数据分散性较大,而涂覆油膜后绝缘体闪络电压数据的分散性有所降低。其原因是油介质优化了绝缘体-电极-油介质的三相点区域的接触状态。未涂覆油膜时,电极与绝缘体之间总会存在微小的间隙,三相点处电场强度较高,因此促进了电子的发射。不同样品与电极接触的微观状态是有差异的,其中,强场区域的分布将有所不同,同时电子发射的区域也是变化的,并且不同样品的表面微观状态也有所差异,因此闪络数据必然存在一定的分散性。将油膜涂覆于电极与样品表面时,三相点区域电极与绝缘体之间的微小间隙将由油介质填充,液体使两者之间接触良好,因此电子发射将集中从最强电场区域产生,而闪络的初始位置相对固定,从而减少了闪络电压数据的分散性。
4 结论
1）真空中油膜涂覆绝缘体的首次闪络电压和耐受电压都得到了大幅度提高。
2）油介质通过抑制绝缘体表面电子崩的发展和绝缘体解吸附气体的释放来提高闪络电压,
3）基于真空SEEA理论和液体击穿SEEA理论分析认为,油膜涂覆绝缘体真空沿面闪络发生在油介质与绝缘体交界面处。考虑油介质电离分解的气泡对闪络发展的影响,下一步将结合光信号诊断实验进一步验证油膜涂覆绝缘体闪络产生的位置和发展规律。
4）较高的闪络电流会使绝缘体表面释放更多的解吸附气体,从而促使油介质中产生气泡,并可能形成固有闪络通道从而降低绝缘体的耐受电压
水平。
5）油介质优化了电极绝缘体的接触状态,从而降低了闪络电压的分散性。
6）可考虑将油膜涂覆方法应用于对真空环境无特殊要求的固体耐压支撑结构中,以提高支撑结构的可靠性,但油膜对真空的影响还需要进一步研究。
编辑 曹昭君 何秋萍
参考文献
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