大气压等离子体薄膜沉积提高环氧树脂沿面耐压机理研究

发布时间：2020-11-18 10:27

　　 环氧树脂具备良好的电气性能和机械性能,已在高压绝缘领域得到广泛使用。处于高场强下的气-固交界处容易积聚表面电荷,造成电场畸变,一旦引发局部放电等现象,将直接影响环氧树脂的绝缘性能,进而导致沿面闪络甚至更严重的事故发生,威胁电力系统的安全稳定运行。因此,本文利用大气压等离子体对环氧树脂复合材料进行表面改性,并对比直接氟化技术,探究改性前后电荷消散、表面形貌、化学成分等因素提高环氧树脂沿面耐压性能的机理。首先,对比分析了三种处理条件和未处理样品的各项性质。DBD刻蚀、DBD沉积和直接氟化处理使积聚的表面电荷分别降至未处理样品最高值的60.1%,23.3%和42.0%。DBD沉积样品的表面粗糙度最低,表面形貌呈现出均匀的数百纳米高度的锥形峰,闪络电压提高约15%。而氟化样品受到放热反应的影响,表面部分区域膨化,且存在少量半微米级别的高尖峰,闪络电压提高不足10%。此外,不同形态的未处理样品沿面耐压性能有所不同,而经过砂纸打磨处理后,闪络电压均明显提高。其次,对比分析了不同处理时间下的DBD沉积和直接氟化样品储存5~100天后的性质。研究发现,DBD沉积样品储存25天后的电荷消散曲线出现明显变化,而氟化样品储存35天进行干燥处理后才出现较大改变。水接触角测试表明氟化样品的亲水性更强。此外,利用次大气压DBD处理方式发现,0.5~10分钟的处理时间对电荷消散曲线的影响很小。尽管刚处理完的样品电荷消散大幅加快,但闪络电压值较低,储存2天后,样品的闪络电压值有所提高。最后,通过设置合理的基底温度与氧含量对射流放电效果与薄膜性质进行改善。氧含量的适当增加可扩大放电通道,稳定放电过程,薄膜面积有效增加。通过化学基团分析,0~3分钟期间,薄膜厚度增加的同时也沿表面生长。通过形貌观察发现,氧气可提供更多的成核位点,加快薄膜生长,但原子团数量和方向较难控制,基底加热能有效抑制原子团聚现象,防止薄膜开裂,控制薄膜生长,从而形成更紧实致密的薄膜。经过热固化数天后的薄膜沉积样品,沿面耐压性能提升可达25%,说明薄膜有效成型至关重要。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ323.5
【部分图文】：

1.2 国内外研究现状与进展1.2.1 表面电荷积聚与消散特性的研究图 1.1 所示为电荷迁移的物理过程，表面电荷的来源包括场致发射、局部放电、气体电离、电极注入、晶格电离等方式，可分为气体侧、固体侧和固体表面传导三种途径，在干净的气体绝缘系统中，固体侧电导是绝缘子表面电荷的主要来源[18]-[22]。相应的，表面电荷消散可通过与气体离子中和，沿表面传输和沿基体传输，建立在图 1.2 的模型中，在位置向量 r 定义的位置处，式(1.1)可以描述表面电荷密度 (r,t)随时间的变化[23],[24]。表面电阻率较低时，俘获的电荷只沿表面移动，而当表面电阻率足够高时，电荷将积聚在表面，饱和电荷密度可由式(1.2)计算[25]。( r,t)J(r,t)J(r,t)(r,t)tVnGntS =++ (1.1)sat E E= 11n22n(1.2)

图 1.2 表面电荷消散机制及气体离子中和对表面电位的影响测量表面电荷的方法分为粉尘图法、Pockels 效应法和静电探头法，如图1.3 所示[26],[27]。粉尘图法利用颜色差距明显的带电粉尘定性表征电荷分布，由于对试样有破坏作用，一般只用作辅助验证。Pockels 效应法将激光通过晶体时的相位延迟转换为光强变化，得到与电荷密度的线性关系，具有测量速度快，精度和空间分辨率高的优势，但目前只能测量透明薄膜。无源静电探头基于静电感应和电容分压原理，需保证输入的阻抗足够大以减小泄漏电流的影响，且测量锥形和盆式绝缘子时无法取得准确的 Cps和 Cs值。有源静电探头和静电计的组合装置是近年来大部分学者采用的方法，当探头电位与被测表面电位不相等时，感应电极将产生感应电流，控制静电计中的电压源输出直流电压，使探头电位逐步靠近被测表面电位，直至感应电流为零。

1 绪论表面电荷的动态情况时刻改变着电场分布，影响绝缘材料的耐压性能。Qi 等人[28]利用步进电机和静电探头装置测量了不同电压幅值、脉冲次数和极性下的盆式绝缘子电荷分布情况，如图 1.4 所示，分析了积聚的电荷平均密度与闪络电压间的联系，结果表明随着电荷密度的上升，闪络电压值呈下降趋势。Li 等人[29]综述了电荷的积聚机理以及影响电荷输运的因素，并对不同的电压脉冲下表面电荷对沿面闪络电压的影响作了分析，结果表明凸面上累积的电荷更易引发闪络，表面电荷可以完全改变沿面闪络路径，并可能直接影响到表面电荷的稳定状态。西安交通大学、天津大学等研究单位也对不同外界条件下的电荷分布特性做了相应的研究[30]-[34]。除此之外，表面裂痕、毛刺、金属微粒等都是影响表面电荷分布的重要因素，金属微粒导致表面出现电荷斑，可能发生飞萤现象和竖立现象，造成气隙击穿电压的大幅下降[35],[36]。图 1.5 所示为电荷环与闪络路径的关系以及金属微粒引起的表面电荷斑。
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本文编号：2888615