连续高压脉冲下空间电荷对变频牵引电机绝缘老化影响的研究.doc

西南交通大学硕士学位论文连续高压脉冲下空间电荷对变频牵引电机绝缘老化影响的研究姓名：周力任申请学位级别：硕士专业：高电压与绝缘技术导教师：吴广宁20100501AbstractInverter-fed motor is an indispensable equipment for the development of high-speed railway in China. As a core component of AC drive electric locomotive, performance of inverter-fed motor directly influences the stability and reliability of locomotive running. However, Pulse Width Modulation (PWM) which was input from inverter is characterized by steep rising edge and high frequency, resulting in the too early failure of motor insulation. Presently, polyimide film characterized by high temperature resistance (400°C), low temperature tolerance (-269°C), radiation resistance and excellent dielectric properties widely applied in turn to turn insulation and turn to ground insulation of inverter-fed motors is a kind of basic insulating material. As traditional design method and theory for AC motor is not completely suitable for inverter-fed motor, consequently, research on the aging and failure mechanism of insulating material under high voltage pulse can provide theoretical foundation for the design of inverter-fed motor insulation structure and prolong service life.Space charge plays an important role in damaging insulation under high voltage pulse. Develop research work in accordance with influence of space charge on aging of inverter-fed motor insulation under high voltage pulse. Firstly, construct aging and space charge measurement system; measure space charge accumulation threshold field between corona-resistant (lOOCR) and common polyimide films (lOOHN) and analyze the influence of adding nano-particles on dielectric property of insulating material. Furthermore, space charge distribution in polyimide films under different temperature was measured, based on which space charge characteristics under high voltage pulse were researched. Secondly, by means of Scanning Electrical Microscope (SEM), effects of aging time and frequency on surface and section morphology were analyzed, based on which the cause for nano-particles improving corona-resistant property was researched. Finally, conduct experiment, including electrical breakdown, thermal breakdown and electrical tree breakdown, on magnet wires; meanwhile combining with SEM and energy spectrum analysis, the corresponding breakdown mechanisms were analyzed.All the done work lays a strong foundation for the fiirther study of failure mechanism of inverter-fed motor insulation under high voltage pulse; meanwhile it also provides theoretical support for using inorganic nano-particles improving corona-resistant property.key words: pulse voltage, space charge, inverter-fed motor, polyimide, SEM西南交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1. 保密，在年解密后适用本授权书;2. 不保密“使用本授权书。 (请在以上方框内打“V） 学位论文作者签名曰期：2010. S.2指导老师签名：曰期：7水叫西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1) 测量了耐电晕型聚酰亚胺薄膜(100CR)和普通聚酰亚胺薄膜（100HN)空间电荷 积聚的阐值场强，并分析了纳米粒子的加入对绝缘材料介电性能的影响；2) 测量了不同温度下，聚酰亚胺薄膜中空间电荷的分布，以此研究了连续高压脉 冲下空间电荷的特性；3) 利用扫描电镜，分析老化时间和频率对薄膜表面和断面形貌的影响，以此研究 了纳米粒子提高薄膜耐电晕性能的原因4) 以电磁线为实验对象，进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿实验，结合扫描 电镜和能谱分析研究了相应的击穿机制。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名： 日期：2010. r.第1章绪论1.1变频调速牵引电机及其绝缘技术1.1.1变频调速牵引电机的特点目前，我国铁路面临的问题是运输能力远远不能满足国民经济和社会发展的要求， 大力建设铁路以缓解运输能力不足已迫在眉睫。国务院批准实施的中长期铁路网规 划中决定，到2020年将投资5万多亿元，铁路运营里程增加到12万公里，建设 时速200 kmyh及以上（最高达到350 km/h)的“四横四纵”高速客运专线等1.6万公 里。高速牵引机车是高速铁路发展的关键，随着大功率开关器件的开发及应用，出现 了采用调节频率和电压的交流电机调速方式，从而将机车牵引传动带入了交流传动时 代。交流传动机车对于提高牵引、制动性能和实现高速度，以及减轻費下重量、改善 动力学性能、提高机车运行经济性具有传统直流传动机车难以企及的优越性，已经成 为轨道交通牵引动力的发展方向，成为我国铁路提速、重载必需的装备。近年来，牵引电机正逐渐向大功率化、小型轻量化、快速化、高速化方向发展。 变频交流电机通过变频器完成输出电压幅值、频率的调制，这个调制主要是逆变器按 脉宽调制的方式来完成的，因而逆变器起着重要的作用。70年代中期以前，逆变器几 乎都采用无自关断能力的晶阐管，到70年代中期以后，随着电力电子技术的发展，逆 变器由具有自关断能力的主开关元件组成，出现了脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)的控制方式，从而大大提高了机车的功率，同时机车速度也获得了 巨大提升，达到了 300km/h以上。交-直-交流电传动系统的优越性非常显著，其主要优点有：起动牵引力较大， 恒动调节速度的范围较宽，有良好的粘着利用特性和自动防车轮空转的性能。三相 异步交流电机，功率大，体积小，重量轻，维修简单，可减轻簧下重量，有利于列车 高速运行。机车的功率因素接近于1.0(交-直流传动系统为0.85)，谐波电流小，减轻 了对通信系统的干扰。在机车制动时，可使交流电返回电网，实现再生制动，节省 能源。1.1.2变频调速牵引电机绝缘技术变频调速传动系统电压波形变化如图1-1所示2。变压器把电网的高等级电压变成 低等级电压然后输入整流器中，经过整流器交流正弦电压变成直流电压f，随后 逆变器把直流逆变成频率可调的方波脉冲，通过电缆驱动电机运行。变频牵引电机广 泛采用PWM调制驱动，逆变器输出波形不再是正弦波，而是一系列不同脉宽的方波电压，通过对该电压波形进行调制使电机绕组内通过的电流波形接近正弦，变频器输 出的PWM波形，在电机绕组内相对应的电压和电流波形如图1-2所示2i。 变压甚整流器逆变器电链电动机Tr _ 11 1 1 1 1 f 1 f 1 r 1i 丄 1 (1 1 t 1 1 1 ( 1 i * i_ 4 <丨丨IHH从长J©1fn1111iLim_1 1m1输入电;£逆变器输出电E 变频调速传动系统各部分电压波形压基波分呈图1-2 PIW变频电源输出电压和电流示意图高频方波脉冲上升沿很结（可达20kV/p),载波频率范围从几百Hz到几千Hz, 甚至最高可达到20 kHz。变频电机绝缘需要承受高频和不同脉宽的方波电压冲击，在 电机转子中由高频电流所导致的集肤效应可使转子电阻增大，则转子导体的铜耗也隨 之增加,导致电机绕组发热增大,不仅对电机绝缘不利同时也降低了电机的利用效率11。 因此，变频电机工作在高频和睹哨的上升沿方波电压下，与传统的电压形式截然不同， 所面临的问题也远比传统电机复杂背刻，这使变频电机的绝缘系统相对于传统电机绝 缘有了很大的特殊性。©n由于牵引电机受机车安装空间的制约，其体积受到严格限制，因此只能尽量减薄 绝缘厚度，提髙槽满率，从而达到增加牵引电机功率的目的|】，过去牵引电机采用B-F 级绝缘结构，绝缘等级低，耐热等级只能达到130150°C,机械性能、绝缘结构的整 体性能都较差，经常导致电机局部过热.破坏绝缘结构，从而引发故障，严重影响行 车安全。近年来随着绝缘材料的不断发展和更新，更高射热等级的绝缘材料不断应用在牵引电机上，如环氧树脂、聚酯树脂、聚醜亚胺树脂和聚二苯魅树脂等。变频电机 绝缘除了要有良好的耐热性能外，还需要具有优良的耐电晕能力。绝缘性能的提高是变频牵引电机技术进步的关键。采用合理、有效的绝缘结构及 先进的绝缘工艺和材料是实现牵引电机大功率化和小型轻量化的重要途径。近几年， 我国在大功率机车牵引电机绝缘系统幵发以及绝缘工艺等方面取得了长足的进步，电 机的某些关键技术经济指标，如功率系数和槽满率已接近或达到了国外先进水平，但 与国外同类型牵引电机总体绝缘技术水平相比，尚有较大差距。这就要求积极开发更 高耐温等级的绝缘系统，研制新型的耐高温、耐电晕的绝缘材料，以缩短与国外产品 的差距。1. 2变频调速牵引电机绝缘的研究现状 1.2.1国内外变频调速牵引电机绝缘破坏分析在交流变频电机的推广应用过程中，曾出现大批交流变频调速电机绝缘早期损坏 的情况。许多交流变频电机运行的寿命只有12年，有的只有几个星期，甚至在试运 行中电机绝缘就出现损坏【34】，这引起了国内外学者的广泛关注【15_16。1.局部放电以Kaufhold为代表4的学者认为局部放电是导致变频电机绝缘破坏的最主要原因。 模拟了变频电机的运行条件，在不同电压、频率、温度、脉冲电压波形下，对以聚酷 亚胺为绝缘材料的电磁线进行了测试，分析了绝缘材料的破坏时间和局部放电的发生 机率，研究发现：由于电磁线在制造过程中不可避免存在一些微小的缺陷，这些缺陷 往往是电场集中的地方，容易导致局部放电产生。由于绕组间电压分布的不均匀，首 II线圈往往承受最大的电压，而且该电压随着脉冲波形上升延旳缩短而增加17】如果 电缆长度不理想，导致电缆波阻抗与电机特征阻抗不匹配，这种情况会更加严重。对 变频电机而言，有时候阻间绝缘承受的电场强度为普通电机的10倍以上，如果采用变 频器供电后，对电机的1间绝缘不进行加强处理，阻间绝缘将会很快失效。KLaufhoM 等观察到局部放电是从相互接触的电磁线之间的气隙开始的，局部放电将导致绝缘材 料的腐烛和电磁线绝缘材料表面空间电荷的积累。对不同电磁线间距之间的击穿强度 和空气层的电场强度进行了计算后发现：随着施加电压的升高，局部放电机率提高， 当电压降低至某个数值下，不发生局部放电。Kaufhold等认为，要使低压变频电机中 电磁线绝缘材料不过早损坏，就必须消除绝缘材料的局部放电现象或设计耐局部放电 的绝缘材料，类似于高压电机中的云母绝缘绕组。为提高电磁线的热性能和机械性能， 经常使用绝缘树脂进行浸绩处理，Kaufhold等在研究中发现，经过浸渍处理的电磁线 的局部放电初始电压比不浸绩的提高60%,这是由于电磁线间的空隙被绝缘树脂部分 埴充Bellomo等18在研究方波电压下聚酰亚胺的寿命时发现：变频电机中绝缘材料的寿 命主要由局部放电所控制。这些研究结果对局部放电理论提供了有力的支持。Beeckman 等19】对已破坏电机的绝缘进行分析后发现，电晕使得电磁线外表变得粗糖，从薄膜的 外面开始由外部向内部导致绝缘逐渐地劣化，直到发生电介质破坏，这种现象符合局 部放电破坏的情况。2.空间电荷在局部放电理论的基础上，国内外一些研究人员认为，空间电荷对脉冲电压下绝 缘的破坏扮演着重要角色，髙频下电荷迅速的注入和抽出导致绝缘旳破坏，这主要是 空间电荷理论支持，具有代表性的有电荷的注入和抽出理论2。】、热电子理论21】、光降 解理论【22等。电荷注入和抽出理论认为空间电荷脱陷时，伴随电机械能的释放是导致 聚合物分子链断裂的原因，而热电子理论和光降解理论则认为电荷的注入导致高能粒 子或射线的出现，使得聚合物大分子链断裂，引起绝缘老化。C.Hudon等人【23】用热刺 激电流等方法(TSC)对经过电热联合老化的亜间绝缘进行了测试，发现TSC测量对于 由电热联合老化引起的电介质结构变化更灵敏，而较大TSC电流可能与在电热联合老 化后绝缘材料中形成的较多的陷讲数量有关。据此，他认为电机绝缘的损坏机理是在 脉冲电压条件下，电荷的反复注入一捕获一释放过程所引起的机械损伤。Foulon等人 24釆用针-板电极，对聚酷亚胺薄膜在脉冲电压条件下进行试验，提出距间绝缘的破坏 是由于空间电荷的作用导致绝缘形成的针孔引起。Bellomo等人在脉冲电压条件下 对聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺薄膜和聚乙稀进行老化实验，用表面电位计观察 在不同脉冲电压增加速率作用后薄膜的表面电位变化，结果发现电压幅值增加越快， 表面电荷累积越严重，表面电位差越大，其主要原因是由于脉冲电压下的快速上升延 作用，而导致部分偶极子跟不上外施电场快速变化造成的，由于形成了较大的表面电 位差，从而可能形成表面或内部放电，因而造成绝缘材料过早破坏。关于空间电荷对 聚合物老化的作用目前还没有统一的观点，仍需要进一步的研究。在较高的脉冲电压下，空间电荷的存在还会对局部放电行为产生较大的影响。 G.C.Montanari等人3对脉冲电压下空间电荷与局部放电的关系进行了研究。以低压变 频电机阻间绝缘为研究对象，首先研究了不同频率下空间电荷的注入情况，通过电声 脉冲法测量空间电荷的数量，发现频率越高，电荷注入越少。此外，空间电荷对局部 放电的影响也进行了研究，通过等温松弛法测量了不同材料的退极化电流，发现脉冲 电压下电荷的运动能力和陷讲能级对局部放电的平均放电量有较大影响，这主要是由 于脉冲电压的快速反向所导致的电场叠加作用，如果材料具有较强的电荷输运能力， 那么空间电荷不容易积累，则电荷反向后形成的电场叠加作用会减小，因此不同电荷 输运能力的材料的平均放电量有着较大差别。因此，在脉冲电压下，空间电荷的存储 对局部放电行为影响比较大，从而影响绝缘寿命。3.热效应WeijunYin等人通过对不同电压、频率、波峰上升速度、温度等因素的研究后认为： 变频电机中电磁线绝缘材料的破坏并不是传统意义上的电晕作用，而主要是热击穿的 结果25】。其主要依据是电晕要在有空气存在的情况下才能发生，而变频电机中绝缘材 料的破坏不需要空气仍能发生，尽管温度对传统意义上的电晕有一定的影响，但并不 是最重要的影响因素，而在变频电机中，温度对绝缘材料破坏的影响非常大。传统意 义上的电晕老化是一个相对较长的老化过程，而变频电机中绝缘材料的破坏可以发生 在很短的时间内。据此Weijun Yin等指出脉冲电压引起的短时间内温度快速上升是导 致变频电机中绝缘材料破坏的主要原因。此外，变频器输出的电压在电机终端造成高 次谐波，这些谐波在定子绕组和转子绕组中产生谐波电流，高次谐波电压和电流会使 电机产生铁耗、机械损耗、铜耗以及介质损耗的增加，这些损耗绝大部分转变成热能， 导致了变频电机温升的增加【26。由于电介质的导热系数低，当热量达到一定值后，在 电场的协同作用下，可使大分子链发生化学变化，从而导致某些化学结构的破坏，甚 至能增加高分子电介质的导电性，最后令其完全丧失绝缘性能。1.2. 2国内外空间电荷的研究在空间电荷的研究方面，研究最多的材料是以电缆绝缘为背景的聚乙稀。研究内 容和方式包括27】：场强、加压时间、电极形状、电压形式、温度、湿度、添加剂、 微观形态等各种因素对空间电荷积聚、分布、迁移和衰减机制；空间电荷包现象； 空间电荷与击穿强度、击穿过程的关系及击穿机理；空间电荷与电导的关系； 基于空间电荷对绝缘材料的开发和评估；空间电荷老化破坏机理。1.预电压极性效应当一个极性的直流电压施加在XLPE(Crosslinked Polyethylene)电缆上一段时间后， 其另一个极性的击穿电压会显著下降。这种直流预电压后反极性的击穿电压发生变化 的现象被称为预电压极性效应或预电应力现象。BradweU28等研究了聚乙炼的直流预电 压场强与脉冲击穿强度的关系，如图1-3所示，发现明显的极性效应：与预压电场极 性相同的脉冲击穿强度比未经预压时强度高，而与预压电场极性相反的脉冲击穿强度 比未经预压时强度低。预电压极性效应被归因为直流预压时产生的同极性空间电荷积聚（与邻近电极极 性相同的空间电荷积聚）。由Poisson方程可以计算得知，1 jiC/cm3的空间电荷可以对 其附近Imm距离的地方产生50kV/imn的场强29】。因此，如果空间电荷足够多，则足 以导致局部电场的畸变，从而使得击穿强度发生明显的改变：当外加电场与预压电场 极性相同时，试样内部靠近试样一电极界面部分的场强被同极性空间电荷削弱，使得 脉冲击穿场强提高；当外加电场与预压电场极性相反时，施加脉冲电场时，试样内部原先的同极性积聚就反而呈现异极性效应，试样内部靠近试样一电极界面部分的场强 被加强，降低脉冲击穿场强。DC击穿电_场_强_度_ 恢复时间> SIS'mB-50 - 25 0 25 50 K探预电压场强图1-3聚乙煤的直流预电压场强和脉冲击穿强度28】预电压极性效应表明空间电荷积聚对击穿强度的严重影响，促使学者们和制造商 对空间电荷在绝缘材料老化和击穿研究中的作用开展持续深入的研究。直流高压设备 在直流运行中存在极性反转过程，必须重视预电压极性效应问题。抑制空间电荷的积 聚成为直流固体绝缘电缆研究的关键因素之一27】2. 微观形态的影响微观形态对聚合物的电导3"】、击穿31】以及树枝状放电老化【32等都有强烈影响。因 此，研究微观形态对空间电荷特性的影响，从而研究微观形态和空间电荷对介质电特 性的影响有重要意义。Lindgren33和Mizutani34】通过添加剂来改变材料的微观形态，并 进行添加剂、微观形态与空间电荷相关性的研究，后者发现密度越小的聚乙烯中空间 电荷运动和衰减得越快，并且表明陷讲和空间电荷主要存在于无定形区。党智敏35研 究了添加剂三梨糖醇对聚乙烯空间电荷特性的影响，表明三梨糖醇添加剂影响聚乙稀 的微观形态，从而影响其空间电荷特性，适量的三梨糖醇可以起到抑制空间电荷积聚 的作用。李吉晓36】研究了交联聚乙稀的结构形态与空间电荷分布的关系，认为晶区和 非晶区界面的支链、端基和杂质等是形成空间电荷陷讲的主要来源。张柏乐37】用不同 冷却方式和成核剂改变聚丙稀微观形态，研究了微观形态对聚丙稀电晕驻极特性的影 响。王宁华研究了微观形态对高场强下聚乙炼的空间电荷特性的影响，发现高结晶 度试品更易积聚异极性空间电荷。添加剂和热处理是在实际工业生产如聚乙炼电力电缆制造过程中所必须的，因此 研究添加剂和热处理与微观形态和空间电荷特性之间的关系，不但具有理论意义，也 具有重要的工程意义27。3. 空间电荷包现象所谓空间电荷包现象，是指在一定高场强下，空间电荷的出现是以相对孤立的包 的形式进行迁移的一种动态行为。1994年Ho_i39首先发现当场强超过100 kV/mm 时，在XLPE电缆中出现正空间电荷包现象。空间电荷包的起始、运动和消散过程会 严重影响介质内部的场强，使电导电流产生振荡4。，同时也可造成介质内部的物理化 学变化，影响电介质击穿和老化特性。因此，空间电荷包现象受到广泛关注，研究内 容主要集中于空间电荷包的起源机制、起始场强、极性、速率、迁移方式、对电导和 击穿的影响等27】。空间电荷包的起源目前还没有定论，几种可能的来源分别是电极注入【39、试品内 部场致电离以及场致发射引起的电子、空穴从电极共同注入和相互作用的结果41。 空间电荷包的出现需要一定场强。目前空间电荷包研究的主要对象基本局限于聚乙稀。 而关于聚乙稀中空间电荷包出现的起始场强，文献给出的结果不甚一致。Hozumi39S 现场强超过lOOkV/mm时，XLPE电缆中出现正空间电荷包现象。之后Hozumi4G还报 道，外加直流电场超过70 kV/mm时XLPE和Low Density Polyethylene (LDP薄膜试 品中出现空间电荷包现象。&011【42】指出外加直流电场超过120 kV/mm时，在LDPE试 品中观察到负空间电荷包。See43】给出XLPE中正空间电荷包起始阈值场强为140 kV/mm。Doi 研究了的kV/mm下LDPE内的空间电荷包现象。郑飞虎45则发现在 50 kV/mm的场强下LDPE中就可产生空间电荷包。刘鸿斌【用概率方法研究了 50 llOkV/mm范围内，不同负直流场强下LDPE试品中空间电荷包的出现概率。研究空间 电荷包起始场强闽值，对研究空间电荷包的起源、控制有重要意义。空间电荷包运动速率的研究主要集中在运动速率和场强的关系，以及用此速率来 估算载流子迁移率【47。一些试验结果表明，空间电荷包的运动速率可随局部场强增大 而减小，即出现所谓负微分迁移率48。.？.011彷等49引用半导体GaAs中的耿氏效应 (Gurm effect)来解释这种负微分迁移率。空间电荷包迁移的本质、迁移率的意义及负微 分迁移率的深层原因的阐释仍需更多研究。4.空间电荷动态测量、局部电场强度与击穿过程依据空间电荷分布和Poisson方程可获得介质内部的局部电场分布，结合击穿场强 可以研究击穿是起始于介质内部还是界面。Mizutani【5G】在预电压脉冲击穿场强结合空间 电荷分布的研究中发现，假设击穿发生在阴极附近场强最大时比假设击穿发生在整个 试品内部场强最大时更符合脉冲击穿电压的试验结果。高速、动态的空间电荷测量是随着示波器技术的提高而在近年才出现的技术，为 空间电荷、局部场强和击穿特性之间关系的研究提供了薪新的有力的手段。Mitsumoto 等【51研究了 LDPE加压至击穿前的空间电荷分布，发现两个电极附近都产生同极性电 荷，阳极的正电荷向阴极移动并直至消失，而后阳极出现负电荷并向阴极移动，直至 发生击穿。文章认为异极性电荷的出现导致场强的增加可能是击穿即将发生的特征标 志之一。Fukuma【52研究了 LDPE在临近击穿前的空间电荷分布，认为是阳极积聚的正 极性电荷向阴极扩展导致阴极附近场强的增加，进而使得阳极附近的负电荷扩展，最 终导致击穿的发生。Matsui【53研究了 LDPE试品击穿前后的空间电荷分布。发现空间 电荷包的运动与电极材料有关，且击穿发生在电荷包运动导致的场强最大时刻，在击 穿发生的同时，内部空间电荷分为两部分向两侧电极迁移。Matsui54】研究了 100400 kV/mm外加场强下，击穿过程空间电荷分布，发现阳极积累的正电荷逐渐向阴极移动， 无论外加场强多大，都是直至试品局部场强达到5 MV/cm时发生击穿，该数值可能反 映材料的本征击穿场强。Fukuma55】进行预电压的LDPE试品击穿过程的空间电荷观测， 认为阳极附近的空间电荷积聚和场强畸变控制了击穿过程。空间电荷动态运动过程、 局部场强与击穿的控制因素方面，目前的研究还远远不够，随着空间电荷测量技术的 不断改进，可望取得新的进展5.基于空间电荷研究对绝缘材料的开发和评估随着研究的深入，空间电荷对绝缘材料电特性的影响越来越受到重视，被直接应 用于绝缘材料的开发和评估。降低空间电荷的积聚水平，或者促进积聚空间电荷的消 散，成为评价和开发绝缘材料的一个重要指标和手段2力。16108111111356通过抑制空间电荷积聚,开发了两种含有添加剂的XLPE用于±250kV 电缆。下316«1&57】使用空间电荷特性评估250kV直流固体绝缘电缆。屠德民58】发现在聚 乙稀中添加EVA能够减少空间电荷积聚从而提高起始树技化电压。张冶文【59则指出任 何增加浅陷讲减少深陷讲的添加剂可以提高起始树枝化电压。Oiio发现两种共混聚 乙烯由于积聚更多的空间电荷而击穿强度较低。81121±1【61】通过添加剂抑制HDPE中空 间电荷的积聚，提高了击穿场强。Yoshifiiji62通过控制空间电荷改性了 HDPE绝缘。 Matsu严】比较了三种聚乙炼，发现其中空间电荷注入最少的一种有最高的击穿强度。空间电荷也用于绝缘材料的老化评估。Dakka【M发现在最初几小时中积聚空间电荷 越多，老化击穿的时间就越短。HozumP】发现从交流老化电缆中切割的XLPE试品， 积累的空间电荷量与交流击穿强度等其他电特性相对应，从而提出空间电荷可用于电 缆绝缘老化评估。1.3本文研究的主要内容本文以变频调速牵引电机定子绕组绝缘用聚酰亚胺薄膜和电磁线为研究对象，搭 建了试样老化和空间电荷测量系统；测量了耐电晕型聚醜亚胺薄膜(100CR)和普通聚 酷亚胺薄膜(100HN)空间电荷积聚的阈值场强，以此分析了纳米粒子的加入对绝缘材 料介电性能的影响；测量了不同温度下，聚酷亚胺薄膜中空间电荷的分布，以此研究 了连续高压脉冲下空间电荷的特性；利用扫描电镜，分析老化时间和频率对薄膜表面 和断面形貌的影响，以此研究纳米粒子提高薄膜耐电晕性能的原因；以电磁线为实验对象，进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿实验，结合扫描电镜和能谱分析研究了 相应的击穿机制。第2章高压脉冲下空间电荷的实验硏究2.1空间电荷及输运理论2.1.1空间电荷的形成与本质聚合物电介质中由于不可避免地存在缺陷和杂质，使介质的电性能大大地偏离它 的本征性能。这些缺陷用能带表征时，它们处在介质能带的导带和价带间，如图2-1 所示，一般以局域能级表示，又称为陷讲。在电场作用下，注入的载流子（电子和空穴） 会被局域于这些能级中形成空间电荷。空间电荷一般指陷讲电荷，即被陷讲捕获后停 留在介质体内的那部分电荷，也可指由于不均勻极化引起的极化电荷。本论文所讨论 的空间电荷特指陷拼电荷。Ec0 QO E五导带;电子陷讲能级；价带 费米能级；£tp空穴陷讲能级 图2-1能带结构示意图 电极注入被认为是空间电荷形成的主要原因，陷讲形成可以是由于生产过程中的 污染、机械加工时的引入或在应用过程中产生等。注入的空间电荷的极性除与电极极 性有关外，还依赖于注极电极的材料、注极的时间和注极材料的性质，而注入空间电 荷的分布则与注极的温度、退火温度和时间以及注极时的电场等因素有关M。对于在 高电场下使用的绝缘介质，电场作用下有机物的热离解、不同材料界面处的各向异性 效应以及电介质在应用过程中的引入等都能引起空间电荷的积累。电荷被陷讲捕获， 一般发生在介质杂质处、介质的物理缺陷处、各种不同化学续界面处、晶体一无定型 界面处以及聚合物分子链间。在晶体中，位错和本征阴阳离子对陷讲的贡献不大，而 在所有陷拼中，替位陷讲是陷讲形成的主要原因。替位陷讲中有两类陷讲中心6力，第 1类所谓被动陷讲中心与阴离子空位有关，这一类陷讲中心能通过分析吸收与发射谱 线的方法进行分辨，此类中心一般在200°C以下能稳定存在。第2类所谓主动陷讲中 心，与替位阳离子有关。这一类陷讲中心很难用光学方法分辨，但却是介质受应力的 主要来源，与材料的老化有关。电荷从电极注入到介质中后，空间电荷在电场作用下获得动能t/e (以电子为例)， 通过与声子相互作用，失去能量，变成陷讲电荷，这一过程可用Landau的激化子形成 模型来描述68】。由Landau理论，只有以移动电荷为中心，在半径= 2;rr。27/方 以外的介质电子能被运动电子极化。而如果Me变化非常大，那么r,00，没有介质电 子被极化，相当于运动电子在真空中运动，这时没有陷讲电荷形成。如果We非常小， 那么相当于运动电子变成有效质量为/n*的重粒子，最后失去能量变成陷讲电荷，而这 时运动电荷引起周围介质晶格的畸变和介质电子云的变形。若设介质的介质常数 在/r丨时为e丨，在时为幻，那么根据Landau理论，运动电子局域能可表示为阶f(丄-丄) + ff4T 与（2-1)若取/>，f广rp，rp为极化半径，那么局域能变成=-(-)- (2-2) 4 疋 ！ rp所以局域半径越小，局域能越大，即陷讲越深。2.1.2空间电荷对绝缘老化和击穿的影响聚合物的一切老化现象说到底是材料结构的变化，空间电荷对聚合物的老化和击 穿的研究主要集中在对电树枝的影响上。归纳起来主要有3种理论。1. 电荷的注入和抽出理论Tanaka教授在1978年提出此理论f2a】。由于外来杂质电极等与聚合物的热延伸系数 不同，在交流电场作用下，Maxwell应力作用于介质上，使聚合物出现微裂缝，吸收和 包藏有气体，在电荷的注入过程中，产生局部放电，使有机物高分子链裂解，生成低 分子和气体，从而为下一次的电子注入创造了条件，最终形成一个中空的通道。这就 是树枝的幵始。Tanaka教授还给出了电树枝引发的时间定量计算式，虽然不够精确， 但能解释一些低压下有机电介质应用过程中的一部分现象。2. 热电子理论热电子理论考虑到有机材料陷讲电荷活化能一般为数eV的量级，例如Teflon是 1.9 eV，聚醋是1.8 eV，聚乙稀是1.5 eV，聚醜亚胺是1.2 eV。经计算，当电场高达107 V/cm时，电子仍不能获得足够的能量与晶格相互作用，使晶格温度升高，达到击穿时 的临界温度。从而K.C.Kao提出电子非辖射能量转移的击穿理论21】，屠德民等人对此 进行了实验验证。电子非辖射能量转移击穿理论的核心是当电子被注入到介质后，经散射使电子被 陷讲俘获，而多余能量以非福射形式传给另一个电子，使其成为热电子，热电子使聚 合物大分子发生分解，用反应式表示为：AB+e (热）一（分解）A+B+e (冷）一A+B+e (陷讲）+ 能量 热电子与聚合物大分子相互作用使聚合物分子形成自由基。随后在聚合物中引发自由 基反应，导致聚合物的降解，生成低分子产物，并形成局部低密度区。低分子和低密 度区的形成又使聚合物的无序性和陷讲密度增加。随着陷讲密度的增加，电子入陷的 概率随之增加，产生热电子的概率也增加，从而加速上述过程。当低密度区中产生局 部放电时，将会最终导致聚合物的击穿。如果除电场外，同时还有热的作用，电荷注 入及自由基反应将因热的作用而加剧，聚合物的寿命将大大降低。3.光降解理论Bamji认为，热电子对电树枝的起始影响甚微，从而提出光降解理论。此理论认为， 在交流电场下，对于针尖-平板电极结构，当针尖处于负半周时，电子被深浅不同的电 子陷讲所俘获，形成非辖射松她现象。当针尖处于正半周期时，注入的空穴与电子复 合产生辉光，并且随外加电压和载流子注入量的增加，一些局域态由陷讲态转变成复 合中心，将产生更短波长的光，电压越高，紫外线的强度和能量越大，紫外线和氧的 作用使聚合物迅速降解，产生电树枝。2.1.3电荷输运的类型及特点载流子的注入、传导与绝缘材料的老化、失效过程密切相关，学者在这方面进行 了广泛的研究：乂3611161等69测试了发射电极一阴极的功函数较低（小于2eV)的情 况下，三种发射机理（热电子发射、随穿、弹道发射）的电流密度与外施电场强度的 关系。Y. Feng和J. P. Verboncoeurf7*提出从Fowler-Nordheim场致发射过渡到空间电 荷限制电流的过程是平缓的，在实际的电场中，其传输电流密度不可能超过空间电荷 限制电流的密度。1：1；866&6等711研究了直接隊穿到场致发射的过渡，结论是电流一 电压特性的变化过程与梯形势鱼变化到三角形势全的过程保持一致。G. G 113口等72】 测量了聚酷亚胺薄膜（Kapton®)的