唐昕宇(1994),男,硕士研究生,主要从事高电压绝缘与防护技术方面的研究工作,txyelectric@163.om;
0 引言
绝缘设备表面电荷的积聚引起表面电场分布畸变,是降低绝缘设备表面闪络电压的主要原 因[1-3]。在高速列车运行区间,存在大量直径从nm 到μm不等的粉尘,包括受电弓与接触网、车轮与钢轨摩擦产生的金属性粉尘[4],行驶于沙漠地区的高速列车的车顶绝缘子表面还可能包含大风沙引起的带电沙尘等[5]。当高速列车以200~350km/h(约55~100m/s)运行时,粉尘随高速气流运动,在颗粒间及颗粒与绝缘表面间发生摩擦、碰撞带电行为。带电颗粒沉积于绝缘子表面,或者带电颗粒与绝缘表面摩擦、碰撞产生的电荷交换,均是绝缘设备表面电荷的主要来源。
长期以来,国内外学者从电荷的积聚、电荷的消散以及表面的电荷输运特性等方面对绝缘材料的表面电位/电荷衰减特性以及绝缘介质表面电荷积聚机理开展了广泛的研究,并提出了各种模型和假设来描述表面电荷动力学过程。在绝缘材料表面电荷积聚方面主要有如下几种模型：体积电导模型[6]、法向场强模型[7]、切向场强模型以及空间电荷输运模型[8]。日本学者Iwabuchi测量了绝缘子的电荷密度分布及电导率,实测数据表明,表面电导的不均匀是引起电荷积聚的主要因素[9];德国学者Kindersberger等模拟气体中绝缘子表面电荷的衰减,并通过试验验证提出了表面电荷消散的3种物理机制：1）通过绝缘介质体传导;2）通过绝缘介质面传导;3）通过气体侧离子的复合[10-11]。实际工况下,3种机制是同时作用的,且不同工况下,占主导地位的消散机制不同。影响表面电荷消散的因素很多,包括环境因素(如气体氛围、压强、温度等)、材料本征性质等。Shahid Alam研究了不同类型硅橡胶片的表面电势衰减,通过实验和计算机模拟的方法,研究了固体材料中体积和表面导电的影响,并根据材料表面电势衰减特性推导出与场强有关的体电导率[12]。Sarath Kumara等对电晕充电的HTV硅橡胶表面电势衰减进行了实验研究,气体复合作用的增强是由于附近电晕提供的周围空气中游离离子的增加[13]。载流子一旦被陷阱中心捕获,载流子就存在脱陷行为,因此也有大量学者对载流子的入陷/脱陷动力学过程进行研究。S. Le Roy等人将表面电荷的消散分为了3个阶段：第I阶段主要是电荷捕获和去捕获过程;第III阶段以电荷传导为主;阶段II由I和III两个过程共同决定[14]。天津大学杜伯学等开展了材料温度对电荷衰减曲线的影响[15]。西安交通大学闵道敏、李盛涛等人基于陷阱调整机制的电荷输运模型,通过仿真计算了体陷阱深度对电荷密度和电场分布的影响,并获得了陷阱参数对电荷输运的影响规律,同时对基于空
间电荷调制下的体击穿模型进行了比较系统地研究,建立了击穿特性和体陷阱参数[16];清华大学张博雅等基于固-气界面电荷消散的3种途径研究发现,不同体电导率的绝缘材料消散机制不同[17]。以上文献多为静态气体环境下的表面电荷衰减特性研究,对气流环境下绝缘介质电荷消散特性与脱陷机制研究甚少,且主要的研究还是体现在消散与分布特性上的差异,并未对造成这种差异性的机理进行深入研究。张血琴等人发现气流环境下,正表面电荷消散速率受到气流的影响较大,气流速度越大,正电荷消散越快[18]。Yan Du等人观察了不同气流速度和不同极性直流电压下表面电荷的动态分布,发现表面电荷在正电压下的衰减时间比在负电压下的衰减时间要短得多[19]。
在气流环境下,固体表面由于强烈的气动效应而产生对流换热,表面温度发生剧烈变化[20]。这种温度的差异会导致绝缘材料禁带宽度发生改变,对表面电荷的迁移特性产生影响;同时,由流体力学可知[21],气流速度的上升会导致气体压强与气体密度下降。因此,处于气流环境的绝缘介质,其表面附近的离子流场和表面电荷在不同气压与不同温度的影响下,分布较静态气体时会有较大差异,同时其表面电荷输运特性也具有一定的差异性,因此有必要对气流环境下表面电荷消散特性与衰减机制开展研究工作。探明气流环境下绝缘设备表面电荷脱陷/入陷动力学过程,对深入理解高速气流下绝缘子闪络放电机理,提高高速列车车顶绝缘子绝缘性能有很大帮助。
1 试验设置与结果
1.1 试验样本与设备
为研究气流环境下表面电荷消散特性,试验时采用厚度为3mm的HTV硅橡胶材料,并通过如
图1
气流环境表面电荷测试平台
Fig. 1
Airfolw environment surface charge test platform
1.2 试验方法
为了避免残留电荷对试验结果的影响,在试验前用无水乙醇、去离子水擦拭样品表面,并在干燥箱内放置24h以上,确保表面干燥,通过实验确认表面没有残存电荷。试验时,将硅橡胶试样置于铜板上,对针极和栅极分别施加±10kV和±2kV的直流电压,对试样充电3min。针电极距栅电极、栅电极距试样表面均为5mm,探头与试品表面距离为3mm,并通过数据采集模块采集电压信号。试验在环境温度20℃±2℃,相对湿度40%±3%的条件下开展。充电完成后,开启气流,施加气流的时间与自然消散的时间相同,通过传送带将试样移置静电探头下,在气流环境下,每隔30s测量一次表面电位值。最后,通过数据采集系统机理,并绘制表面电位衰减曲线与陷阱密度分布曲线。
1.3 试验结果
为了探明气流环境对表面电荷消散特性的影响,开展不同气流速度下正负极性表面电荷消散试验研究,并得到不同气流速度下正负表面电荷消散特性曲线,如
为了方便分析,可以通过
图2
正表面电荷时间消散曲线
Fig. 2
Positive surface charge time dissipation curve
图3
负表面电荷时间消散曲线
Fig. 3
Negative surface charge time dissipation curve
$D=\frac{V(0)-V(t)}{V(0)}\times 100%$ (1)
式中：
通过式(1)分别计算正负表面电荷消散速率,正电晕充电,无气流时的消散率为54.29%,气流速度10m/s时消散率为78.51%,气流速度30m/s时消散率为88.12%,气流速度60m/s时消散率为92.19%;而对于负电晕充电,无气流时的消散率为46.92%,气流速度10m/s时消散率为76.56%,气流速度30m/s时消散率为79.13%,气流速度60m/s时消散率为85.85%。
通过上述讨论发现,不论是正极性表面电荷,还是负极性表面电荷,在有气流环境的情况下,电荷累积量小于没有气流时的相应值,同时随着时间的增加,在气流环境下,表面电荷的消散速度明显高于非气流环境下的电荷消散速率,在高气流速度的情况下的累积电荷量小于在低气流速度的情况下的累积电荷量,这表明随着气流速度的增加,绝缘介质表面电荷将会减少。由于电荷的极性对电荷衰减特性没有显著的影响[22],因此本文主要讨论负极性的表面电荷。
2 气流环境表面电荷传导机制分析
2.1 表面电荷入陷/脱陷动力学过程
聚合物材料中拓扑结构无序性和化学无序性(或物理和化学缺陷)会导致材料中能带出现间断点,进而形成安德森局域态即陷阱[23]。介质中的电荷迁移和电荷捕获过程受到聚合物介质材料中的陷阱状态的影响。如果部分电荷被陷阱捕获,将减少自由移动载流子的密度,降低载流子有效迁移率,一般情况下陷阱能级越高,载流子在陷阱中滞留的时间越长。自由电荷在移动过程中会受到陷阱的影响,在扩展态和局域态(陷阱)之间进行电荷交换,即电荷被捕获,电荷脱离陷阱束缚,通常用电荷入陷/脱陷动力学过程来描述这一电荷交换过程,如
图4
载流子的入陷/脱陷过程
Fig. 4
Carrier trap/detrap process
通常认为,陷阱电荷服从费米狄拉克分布[24],由Shockley捕获模型可以得到载流子被捕获的概率
${{f}_{n}}=1/\{1+\exp [(E-F)/(kT)]\}$ (2)
${{f}_{p}}=1-{{f}_{n}}=1/\{1+\exp [(F-E)/(kT)]\}$ (3)
式中：
假设
捕获截面
${{S}_{c}}=\frac{{{q}_{e}}}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{r}}{{E}_{\text{appt}}}}$ (5)
当外施电场变小时,热作用将占主导,此时对应的捕获截面变换为
${{S}_{c}}=q_{e}^{4}/[16\pi {{({{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{r}}kBT)}^{2}}]$ (6)
特别地,当外施电场或温度趋于∞时,载流子将不会被陷阱捕获。如果陷阱已经被部分填充,那么随着陷阱逐步被填充,载流子的被捕获概率将逐步减小,载流子的寿命将越来越长。而陷阱的深浅由陷阱能级确定。根据Simmon理论[26],可以根据式(7)、(8)计算得到陷阱能级与陷阱密度：
${{E}_{T}}={{k}_{B}}\ln ({{v}_{\text{ATE}}}t)$ (7)
${{N}_{t}}=\frac{{{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{r}}t}{{{k}_{B}}T{{f}_{0}}({{E}_{T}})\delta {{L}_{q}}}\frac{\text{d}{{V}_{s}}}{\text{d}t}$ (8)
由式(7)、(8)可以看出,在时间一定的情况下陷阱能级与陷阱密度均与温度有关。
聚合物中的陷阱随能级呈现高斯分布,
图5
硅橡胶电子陷阱分布曲线
Fig. 5
Silicone rubber electronic trap distribution curve
为了进一步探明气流环境下表面电荷的消散机理,接下来将对表面电荷消除的传导机制进行了讨论。大量的研究表明,在气体环境中,绝缘介质表面电荷主要通过以下途径消散：1）通过绝缘介质内部消散;2）通过绝缘介质表面消散;3）与气体中带电粒子复合作用消散,如
图6
表面电荷消散的3种方式
Fig. 6
Three ways to dissipate surface charge
电荷通过绝缘介质内部消散时,与绝缘介质体积电阻率
电荷沿绝缘子表面消散时,在绝缘子表面形成电流,表面电流密度可由式(9)得出。
${{j}_{s}}(t)={{E}_{||}}/{{\rho }_{s}}$ (9)
式中：
通过式(9)可知,切向电场强度越大,表面电阻率越小,则电荷消散速度越快。
当电荷通过与气体中的离子复合进行消散时,其消散速度与气体中的离子密度以及离子迁移率有关。离子密度越大,离子迁移率越大,则电荷消散速度越快。
理论分析和实验结果都表明[27-28],介质中的空间电荷主要集中在试品表面1~2μm的表层中,因此积聚的电荷主要集中在介质薄层中,如
图7
气流环境表面电荷消散示意图
Fig. 7
Schematic diagram of surface charge dissipation in airflow environment
2.2 电荷通过气流环境复合消散
自然或特定环境中的大气因宇宙辐射、紫外线照射等外界因素的作用致使空气分子发生电离,使得大气中含有相当量的正负离子。气体中的离子数量应该由相对的碰撞截面和气体密度来决定。
这些正负离子在电场中发生复合、附着、迁移、扩散等过程,形成离子流场。根据理想气体、绝热气体和理想气体的伯努利方程、能量方程和稳态运动方程[21],可以推导出来流速度与来流压强的关系：
$\left\{ \begin{align} \frac{{{v}^{2}}}{2}+\frac{\gamma }{\gamma -1}\frac{P}{\rho }=C(\psi ) \\ \frac{P}{{{\rho }^{\gamma }}}={{\eta }^{\gamma }}(\psi ) \\ P=\rho RT \\ \end{align} \right.$ (10)
式中：
根据式(10)可以得到气流速度与密度的关系,如
图8
气流速度与密度的关系
Fig. 8
Airflow velocity and density relationship diagram
没有气流时的空气密度。
由气体放电[29]可知道,在气体中,一个半径为
$s=\pi {{({{r}_{1}}+{{r}_{2}})}^{2}}$ (11)
由式(11)可以看出,单个分子的碰撞截面与气体密度、压强和温度无关,而气体分子的总碰撞截面
${{s}_{N}}=\pi {{({{r}_{1}}+{{r}_{2}})}^{2}}N=1/\bar{\lambda }$ (12)
式中：
$\bar{\lambda }=\frac{1}{\pi {{({{r}_{1}}+{{r}_{2}})}^{2}}N}=\frac{M}{\pi {{({{r}_{1}}+{{r}_{2}})}^{2}}\rho {{N}_{A}}}$ (13)
式中：
由
根据式(14)可知,增大的平均自由程会使得扩散系数
$D=\frac{1}{3}\bar{\lambda }\bar{v}$ (14)
式中$\bar{v}$为离子的平均速度,因此气流环境下离子的扩散加剧,使得空气中的离子更容易运动到绝缘介质表面。
电荷向周围气体中消散主要是通过与气体中的离子复合进行的,其消散速度由气体中的离子密度以及离子迁移率决定。根据气体运动论,分析推导出离子在气体中的迁移率为
${{\mu }_{i}}=0.815\frac{e\bar{\lambda }}{M{{v}_{\text{rms}}}}{{(\frac{M+{{M}_{\text{a}}}}{M})}^{1/2}}$ (15)
式中：
由式(10)可以推导出：
${{T}_{g}}={{T}_{0}}{{(1+\frac{\gamma -1}{2}M_{\text{a}}^{\text{2}})}^{-1}}$ (16)
从式(16)可知,随着气流速度的增加,气体温度在下降,即可得到均方根速度
离子密度
${{n}_{i}}=\sqrt{\frac{\text{d}n/\text{d}t}{{{k}_{r}}}}$ (17)
而复合系数可以表示为
${{k}_{r}}=\pi \frac{d_{0}^{3}}{\lambda }\sqrt{\bar{v}_{+}^{2}+\bar{v}_{-}^{2}}$ (18)
式中：${{\bar{v}}_{+}}$,${{\bar{v}}_{-}}$分别为正负离子的平均运动速度;
综合以上分析,气流速度的增加会导致扩散系数
2.3 电荷通过介质表面薄层消散
高速气流环境中,物体的表面与气体由于强对流,发生剧烈摩擦,造成温度上升;在物体表面形成一个热边界层,通常被称作温度边界层。该边界层内法线方向上的梯度,即温度变化最大点为此时物体的表面温度。当绝缘介质处于高速运动的气体中时,由于空气粘性作用,高速运动的气体会由于黏附力而附着在介质沿面,此时动能转化为热能,导致介质温度上升,在边界层理论中被称作气动加热。在热平衡条件下,介质表面的最大温度可由 式(19)表示[30]。
${{T}_{s}}={{T}_{\infty }}{{(1+0.2\beta {{M}_{\text{a}}})}^{3}}$ (19)
式中：
为了更直观地获取气流速度与表面温度的关系,通过外红热成像仪测试了不同气流速度下绝缘介质表面温度,表面温度与气流变化的关系如
图9
气流速度与表面温度的关系
Fig. 9
Airflow velocity and surface temperature relationship diagram
图10
不同气流速度下绝缘介质表面温度
Fig. 10
Surface temperature of insulating medium under different airflow velocities
通过
载流子迁移率与载流子脱陷概率是影响表面电荷消散的2个重要参量,下面将分别讨论气流环境下这2个参量的变化,以及它们对电荷消散的影响。
在凝聚态物质中,离子的迁移率通常要跳跃势垒,根据
$v=\mu {{E}_{\text{appl}}}$ (20)
其中
\(\mu =\frac{q}{kT}{{v}_{0}}{{\delta }^{2}}\exp [-{{E}_{d}}/(kT)]\) (21)
式中：
从式(21)可以看出,如果介质中存在陷阱,在陷阱态中迁移率与陷阱能级密度分布、陷阱填充状态和温度等有关,则需要考虑陷阱对自由电荷的捕获效应,电荷捕获效应一般会降低载流子的迁移率,这种受陷阱控制的能带迁移率称为载流子有效迁移率[31]。
${{\mu }_{\text{eff}}}=\frac{{{\mu }_{0}}}{1+\exp [({{E}_{c}}-{{E}_{T}})/({{k}_{B}}T)]}$ (22)
式中
因此,可以看出在气流环境下,不断上升的速度会使得绝缘介质表面温度上升,从而载流子有效迁移率增大。同时,由式(6)可知,上升温度会使得捕获截面
由于聚合物介质的导带宽度窄,导带中的电子在经过较短的行程后被陷阱捕获。载流子需较长的时间并需克服较大的陷阱势垒才能脱陷。绝缘介质中电子的脱陷系数[32]可以表示为
${{P}_{\text{de}}}={{v}_{\text{ATE}}}\cdot \exp (-\frac{{{E}_{T}}}{{{k}_{B}}T})$ (23)
式中：
图11
气流环境下载流子捕获截面模型
Fig. 11
Cross-section model of the carrier capture in airflow environment
陷阱中载流子尝试逃逸频率,其大小与介质表面温度成正比。
从式(23)可知,载流子的脱陷概率受到陷阱能级深度与温度的影响,其中陷阱能级深度也可表示为式(24),同时绘制气流环境下深、浅陷阱能级曲线,如
图12
不同气流速度下电子陷阱分布曲线
Fig. 12
Distribution curve of electron traps under different airflow velocities
${{E}_{T}}={{E}_{c}}-{{k}_{B}}T\ln vt$ (24)
从式(24)可以看出,时间一定时,温度越高,陷阱能级
对比不同气流速度下的电子陷阱能级中心。如
为了使得文中给出的试验速度与时间高速列车运行之间的关系更直观、更有意义,通过实际车顶车绝缘子模型,对其进行气流场仿真,获取其不同区域的速度分布,如
图13
不同气流速度下陷阱能级中心变化趋势
Fig. 13
Trend of trap energy level center under different airflow velocities
来流速度/(m/s)
图14
车顶绝缘子表面气流分布图
Fig. 14
Airfolw distribution on the surface of the roof insulator
复兴号高速列车(350km/h≈97.2m/s)。获取了不同绝缘子区域的速度分布,如
图15
车顶绝缘子不同区域速度分布曲线
Fig. 15
Speed distribution curves of roof insulators in different areas
综上所述,对于气流环境下电荷通过介质薄层的消散方式,气流改变了绝缘介质表面温度,气流越大,温度越高,上升的温度使得载流子迁移率增大,深、浅陷阱能级中心下降,脱陷概率增加,因此气流环境下电荷更容易消散。
3 结论
本文通过开展气流环境下硅橡胶片表面电荷消散特性试验,研究了气流环境不同传导方式对表面电荷的影响,分析了表面电荷入陷脱陷动力学过程,得出以下结论：
1）表面电荷消散速率会随着气流速度的增加而加快,且由浅陷阱能级减小造成的消散速率高于由深陷阱能级造成的消散速率。气流环境下表面电荷消散机制主要受到气体侧离子复合以及通过介质表面薄层传导消散两种方式影响。
2）对于气体侧复合而言,增大的气流速度使得气体分子密度减小,进而增大了气体分子的平均自由程使得离子的扩散系数、离子迁移率和离子浓度增大,从而使得通过气体侧复合的消散速率加快。
3）对于介质表面薄层传导而言,气流摩擦绝缘介质表面使得表面温度上升,且速度越快,温度越高,高速气流减小了陷阱的捕获半径,使得深浅陷阱能级前移,增大了载流子的迁移率和脱陷概率,使得气流环境下通过介质薄层传导消散的电荷消散速率加快。
在线出版日期：2020-10-28。
参考文献
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