工程固体电介质绝缘击穿研究现状及发展趋势
发布时间：2021-04-11 22:47
绝缘击穿是高性能工程电介质材料发展的关键基础科学问题.顺应第三代电网的发展要求,超/特高压交直流电力设备、智能电网、电力物联网和极端条件下电力设备的需求对工程电介质的击穿性能提出了更高的要求.本文综述了工程电介质材料击穿的研究现状,围绕电介质击穿和理论机理、性能演变规律、性能改善提升、新型高性能纳米复合电介质和聚合物微观分子设计/调控等内容展开论述.首先,基于电介质击穿和劣化的时空层次关系,论述了强场空间电荷击穿以及能量累计效应,拓展了电、热、电-机械击穿理论.其次,阐述了电介质击穿特性以及统计分析规律,分析了聚合物电介质本征击穿场强与温度、电压形式、空间电荷积聚和试样厚度的关系.再次,论述了高性能电介质材料的击穿特性以及性能调控方法;阐释了纳米复合电介质的研究现状和界面区作用机理,分析了聚合物微观分子设计的调控方法,以及对击穿的改性作用.最后,结合未来电力设备的发展需求,总结了高击穿性能电介质的关键问题和发展趋势,为新能源电力系统中工程电介质的发展提供依据和思路.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(31)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
(网络版彩色)空间电荷特性与击穿的关系.(a)电荷注入、入陷/脱陷、迁移和空间电荷积聚到击穿[42];(b)电荷积聚量与电场强度的关系[25]
纳米粒子掺杂到聚合物基体中主要通过直接掺杂和表面偶联改性后掺杂.偶联剂主要有胺基硅烷、三乙氧基乙烯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷等.从结构来看,偶联剂的分子量较低且带有端基.端基可以将粒子与基体通过化学键联接一起,增强二者间的作用强度,红外光谱结果可以证明此点[63].图4为纳米Si O2经不同偶联剂改性后掺杂到交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)中所形成的复合物击穿特性.可以看出,经偶联剂处理后,所有Si O2/XLPE试样的击穿强度增大,提高的效果为:triethoxyvinylsilane(TES)>aminopropyl-trimethoxysilane(AEAPS)>hexamethyldisilazane(HMDS).进一步的研究表明[63],纳米试样的Tg比纯XLPE高5°C;纯XLPE、未经改性和经过AEAPS改性的试样,三种试样的结晶度都约为44%～45%;经TES改性后,试样的结晶度约为60%.介电谱测试结果显示,未处理和TES处理后,试样的活化能约为(0.18±0.09) e V,经AEAPS和HMDS处理后,试样的活化能约为0.31～0.34 e V.热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)测试结果同样显示,未处理和TES处理试样的C4峰的陷阱能级约为0.37～0.41 e V,经AEAPS和HMDS处理试样的陷阱能级约为2.0～2.4 e V.这些结果表明,偶联剂类型影响粒子的表面状态,进而影响粒子与基体间的相互作用强度、交互区内分子链的排列及运动性能和交互区内的陷阱等,从而影响着材料的击穿性能.纳米粒子的含量、粒径和类型影响纳米复合电介质的体击穿性能[64～66].很多研究结果表明,少量纳米粒子可以提高复合材料的击穿场强.LDPE/Al2O3[67]纳米复合电介质的击穿研究表明,击穿场强随纳米Al2O3含量增加先增大后减小.类似结果也出现在LDPE/Ti O2[67,68]、(聚酰亚胺)PI/Si O2[69]、(环氧树脂)epoxy resin EP/Si O2[70]等纳米电介质中.纳米粒子的含量决定着界面区体积分数和相互作用.少量纳米粒子在基体中形成较为独立的界面区,界面区体积分数较大,粒子间相互作用较弱,界面区效应明显,有利于提高击穿场强.粒径较小的纳米粒子,界面区的体积分数较大[71],金属纳米粒子与聚合物基体间界面区体现的库仑阻塞效应较明显,其击穿场强较大,这点可以在EP/Ag纳米电介质中得到证实[72].然而也有研究表明,掺杂少量纳米粒子降低了材料的击穿场强,如在EP中分别添加纳米Al2O3和Ti O2,粒子含量为0.1、0.5、1、5和10 wt%,复合材料的击穿场强降低了[65].
纳米电介质对击穿的提升机理和陷阱特性与纳米粒子和聚合物分子链之间形成的复杂界面区密切相关.图6为纳米粒子添加到聚合物中后与分子链的作用、界面区及陷阱分布特性.纳米粒子位于聚合物基体中的无定形区或结晶区中,其小尺寸效应和大的比表面积导致其与聚合物分子链发生较强的相互作用,形成界面区.如图6(a)所示,纳米粒子的引入造成界面区分子链重排或定向,改变结晶区和无定形区的分子链形态,从而改变基体的结晶度、玻璃化转变过程.另外,研究表明,界面区是一个分子链运动受束缚、有较强化学键合的过渡区,这会导致基体自由体积发生变化,分子链与纳米粒子表面形成较强的势垒层,以及界面区双电层分布.图6(b)是聚合物基绝缘介质的能级结构模型和陷阱分布特性.研究表明,深浅陷阱分布影响载流子入陷/脱陷,进而改变聚合物基体材料的电荷输运过程.深陷阱位于能级结构中费米能级附近,载流子在深陷阱入陷概率小,出陷概率小,影响载流子在电场下参与电导的数目和平均自由行程,减小了导电载流子在电场中加速,积累能量,增大了击穿场强.纳米粒子引入的界面区效应导致体系深陷阱深度或密度增加,或引入了新的深陷阱,改善了击穿特性[73].浅陷阱分布在导带和价带边缘,入陷的载流子容易脱陷,参与电荷输运过程,促进了击穿的发生.图6 (网络版彩色)纳米复合电介质界面区及对能级结构和陷阱的影响[73].(a)纳米粒子对聚合物基结构的影响和界面区模型;(b)能级结构和陷阱
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于工程电介质中几个经常涉及的问题与思考[J]. 雷清泉,李盛涛. 高电压技术. 2015(08)
[2]聚烯烃化合物电老化中的电子动力学机理[J]. 屠德民,王新生. 西安交通大学学报. 1993(02)
本文编号：3132093
【文章来源】：科学通报. 2020,65(31)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
(网络版彩色)空间电荷特性与击穿的关系.(a)电荷注入、入陷/脱陷、迁移和空间电荷积聚到击穿[42];(b)电荷积聚量与电场强度的关系[25]
纳米粒子掺杂到聚合物基体中主要通过直接掺杂和表面偶联改性后掺杂.偶联剂主要有胺基硅烷、三乙氧基乙烯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷等.从结构来看,偶联剂的分子量较低且带有端基.端基可以将粒子与基体通过化学键联接一起,增强二者间的作用强度,红外光谱结果可以证明此点[63].图4为纳米Si O2经不同偶联剂改性后掺杂到交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)中所形成的复合物击穿特性.可以看出,经偶联剂处理后,所有Si O2/XLPE试样的击穿强度增大,提高的效果为:triethoxyvinylsilane(TES)>aminopropyl-trimethoxysilane(AEAPS)>hexamethyldisilazane(HMDS).进一步的研究表明[63],纳米试样的Tg比纯XLPE高5°C;纯XLPE、未经改性和经过AEAPS改性的试样,三种试样的结晶度都约为44%～45%;经TES改性后,试样的结晶度约为60%.介电谱测试结果显示,未处理和TES处理后,试样的活化能约为(0.18±0.09) e V,经AEAPS和HMDS处理后,试样的活化能约为0.31～0.34 e V.热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)测试结果同样显示,未处理和TES处理试样的C4峰的陷阱能级约为0.37～0.41 e V,经AEAPS和HMDS处理试样的陷阱能级约为2.0～2.4 e V.这些结果表明,偶联剂类型影响粒子的表面状态,进而影响粒子与基体间的相互作用强度、交互区内分子链的排列及运动性能和交互区内的陷阱等,从而影响着材料的击穿性能.纳米粒子的含量、粒径和类型影响纳米复合电介质的体击穿性能[64～66].很多研究结果表明,少量纳米粒子可以提高复合材料的击穿场强.LDPE/Al2O3[67]纳米复合电介质的击穿研究表明,击穿场强随纳米Al2O3含量增加先增大后减小.类似结果也出现在LDPE/Ti O2[67,68]、(聚酰亚胺)PI/Si O2[69]、(环氧树脂)epoxy resin EP/Si O2[70]等纳米电介质中.纳米粒子的含量决定着界面区体积分数和相互作用.少量纳米粒子在基体中形成较为独立的界面区,界面区体积分数较大,粒子间相互作用较弱,界面区效应明显,有利于提高击穿场强.粒径较小的纳米粒子,界面区的体积分数较大[71],金属纳米粒子与聚合物基体间界面区体现的库仑阻塞效应较明显,其击穿场强较大,这点可以在EP/Ag纳米电介质中得到证实[72].然而也有研究表明,掺杂少量纳米粒子降低了材料的击穿场强,如在EP中分别添加纳米Al2O3和Ti O2,粒子含量为0.1、0.5、1、5和10 wt%,复合材料的击穿场强降低了[65].
纳米电介质对击穿的提升机理和陷阱特性与纳米粒子和聚合物分子链之间形成的复杂界面区密切相关.图6为纳米粒子添加到聚合物中后与分子链的作用、界面区及陷阱分布特性.纳米粒子位于聚合物基体中的无定形区或结晶区中,其小尺寸效应和大的比表面积导致其与聚合物分子链发生较强的相互作用,形成界面区.如图6(a)所示,纳米粒子的引入造成界面区分子链重排或定向,改变结晶区和无定形区的分子链形态,从而改变基体的结晶度、玻璃化转变过程.另外,研究表明,界面区是一个分子链运动受束缚、有较强化学键合的过渡区,这会导致基体自由体积发生变化,分子链与纳米粒子表面形成较强的势垒层,以及界面区双电层分布.图6(b)是聚合物基绝缘介质的能级结构模型和陷阱分布特性.研究表明,深浅陷阱分布影响载流子入陷/脱陷,进而改变聚合物基体材料的电荷输运过程.深陷阱位于能级结构中费米能级附近,载流子在深陷阱入陷概率小,出陷概率小,影响载流子在电场下参与电导的数目和平均自由行程,减小了导电载流子在电场中加速,积累能量,增大了击穿场强.纳米粒子引入的界面区效应导致体系深陷阱深度或密度增加,或引入了新的深陷阱,改善了击穿特性[73].浅陷阱分布在导带和价带边缘,入陷的载流子容易脱陷,参与电荷输运过程,促进了击穿的发生.图6 (网络版彩色)纳米复合电介质界面区及对能级结构和陷阱的影响[73].(a)纳米粒子对聚合物基结构的影响和界面区模型;(b)能级结构和陷阱
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于工程电介质中几个经常涉及的问题与思考[J]. 雷清泉,李盛涛. 高电压技术. 2015(08)
[2]聚烯烃化合物电老化中的电子动力学机理[J]. 屠德民,王新生. 西安交通大学学报. 1993(02)
本文编号：3132093
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3132093.html
教材专著
