（电力系统及其自动化专业论文）盐雾环境下环氧树脂绝缘破坏研究.pdf

a b s t r a c t al i m i t e df a c t o ro f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i cs y s t e m si ns a l i n e f o ge n v i r o n m e n ti st h e d i e l e c t r i cb r e a k d o w np h e n o m e n o no fs o l i di n s u l a t i n gm a t e r i a l s ，b e c a u s ei tt y p i c a l l y t a k e s p l a c e a ta p p l i e de l e c t r i cf i e l dm u c hl o w e rt h a nt h eb u l kb r e a k d o w ns t r e n g t h i n t h i sp a p e r , b a s e do nt h em e a s u r e m e n to f d i e l e c t r i cb r e a k d o w na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， e p o x yr e s i nh a sb e e ne m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s a n df o gp a r a m e t e r so nt h ei n s u l a t i n gp r o p e r t i e s b yu t i l i z i n gt h em o n o c u l a r - v i d e o z o o mm i c r o s c o p e s ，t h es a m p l es u r f a c ew a s a n a l y z e d b a s e do nt h es u r f a c ee n e r g yt h e o r y , i tc a nb ef o u n dt h a tt h ec o n t a c ta n g l e d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h e s a l i n e - f o gc o n d u c t a n c e i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h e c h e m i c a ld i s t o r t i o no nt h es u r f a c eu n d e rt h es a l i n e f o ge n v i r o n m e n ti sr e s p o n s i b l ef o r d i e l e c t r i cb r e a k d o w nu n d e ral o we l e c t r i cf i e l d 1 1 1 ep r i n t e de l e c t r o d e sh a v eb e e n d e v e l o p e dt oc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t , w h i c h i s a b s o l u t e l yd i f f e r e n tf r o mt h e e o n v e n t i o n a le l e c t r o d ec o n t a c t f o rt h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o d ec o n t a c tt h a tt h em e t a l e l e c t r o d e sp r e s s e do nt h ei n s u l a t i n gm a t e r i a ld i r e c t l y , t h e r ei sa l le n e r g yg a pb e t w e e n t h ee l e c t r o d ea n di n s u l a t i n gm a t e r i a l sr e s u l t i n gf r o mt h e i rp o o rc o n t a c t f o rt h e p r i n t e de l e c t r o d e s ，t h ei n t e r f a c ep o t e n t i a lb a r r i e ri sr e d u c e dd u et ot h ei d e a lc o n t a c t 1 1 b r e a k d o w n p h e n o m e n o no fs a m p l es u r f a c ew a so b s e r v e du n d e rd cv o l t a g e s b a s e do nt h eb a n dt h e o r yo fs o l i d s ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s sw a sp r o p o s e dt oe x p l a i n t h ep h e n o m e n o n i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ei d e a le l e c t r o d ec o n t a c ti n c r e a s e st h e d i e l e c t r i cb r e a k d o w nv o l t a g ea n dd e c r e a s e st h ed e c e n t r a l i z a t i o n 1 1 l e l e a k a g e c u r r e n td u r i n gt h eb r e a k d o w np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e da n dc o n s i d e r e dt ob e d e p e n d e n tu p o nt w or e l a t e dp r o c e s s e s ：d i s c h a r g ei n i t i a t i o na n dc a r b o n t r a c k i n g f o r m a t i o n t h e nt h ef u r t h e ra n a l y s i sw a sc a r r i e do u tt o s t u d yt h ee f f e c t so f s a l i n e - f o gc o n d u c t a n c e ，d i s c h a r g ee n e r g ya n dm o l e c u l a rc o n s t r u c to fm a t e r i a l so nt h e d i e l e c t r i cb r e a k d o w n m e a n w h i l e ，t h ed r yb a n df o r m a t i o nc a u s e db yt h el e a k a g e c u r r e n ta n dt h e c o r r e s p o n d i n g s u r f a c es c i n t i l l a t i o n d i s c h a r g e w e r ed e d u c e d t h e o r e t i c a l l yt of m dt h e i ri n f l u e n c e so nt h et w oo p p o s i n gp r o c e s s ：c a r b o nf o r m a t i o n a n dc a r b o nr e m o v a l k e yw o r d s ： s a l i n e f o ge n v i r o n m e n t , e p o x yr e s i n , d i l e l e c t r i cb r e a k d o w n , b r e a k d o w np r o c e s s ，b r e a k d o w nm e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘垩或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彦卜秀 签字日期：多 年乡月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、隹用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彦7 导师签名： 签字日期：p f 年乡月，日签字日期：彻g 车3 月)e 1 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本文综述了潮湿及污秽环境下聚合物绝缘材料绝缘破坏的研究历程和研究 现状，讨论研究方法、实验模型、影响因素、破坏机理，分析当前研究中存在的 主要问题和难点，明确指出盐雾环境下绝缘破坏是由泄漏电流弓i 起的干燥带，进 而由干燥带问放电引起的碳化导电轨迹现象，是一种复杂的界面物理和化学变 化，最后提出本文主要研究内容与结论。 1 1 引言 在潮湿及污秽地区，绝缘系统往往是由固体一液体、固体一气体以及固体一 液体一气体等两种或两种以上电介质构成的复合绝缘系统。当聚合物绝缘材料在 这种复合绝缘系统中使用时，雨滴、雾以及大气中的水气会逐渐附着在绝缘材料 表面，常常会发生这样一种绝缘破坏现象：当绝缘系统上施加一定电压时，放电 首先发生在两种电介质的交界面上，随着电压迸一步提高，在泄漏电流焦耳热作 用下聚合物绝缘材料表面水分渐渐蒸发，在表面形成干燥带进而干燥带间发生火 花放电并产生大量热量，在放电及其产生热量的共同作用下材料表面发生局部碳 化，随着放电发生与碳化进一步发展，在聚合物绝缘材料表面形成碳化导电轨迹， 这种现象称为漏电痕迹劣化【i 捌。发生漏电痕迹劣化的施加电场强度远低于聚合 物绝缘材料耐电强度，并具有很大的分散性【3 】。 当发生漏电痕迹劣化时，随着漏电痕迹劣化的持续发展造成绝缘材料破坏， 最终导致整个绝缘系统破坏，甚至发生短路、火灾等严重事故 4 1 。近年来，随着 环境污染加剧，盐雾环境引起电气与电子设备事故的报道也增多，如1 9 9 9 年3 月中旬北京地区电力系统发生大面积雾闪【5 】；2 0 0 1 年2 月河南省电网发生大面积 雾闪和湿闪1 6 ；2 0 0 1 年2 月天津发生大面积雾闪，电气设备绝缘水平显著下降 7 1 ， 部分线路跳闸后因重合闸失败而造成较大规模停电。这种特殊现象是电气和电子 绝缘领域一个严重而又难以避免的问题，长期以来一直受到电气和电子设备设计 制造、运行管理部门和专家以及学者的普遍重视。为提高绝缘材料污秽耐受电压， 主要采用延长绝缘支撑或者爬电距离，提高了系统造价，甚至可能人为增加技术 难度，降低系统运行可靠性和安全性。 根据聚合物绝缘材料表面状况以及外围介质环境的不同，漏电痕迹劣化现象 天津大学硕士学位论文第一章绪论 通常分为空气或者高耐电强度气体中的劣化【8 , 9 1 ：液体绝缘介质中的劣化【lo 】；真 空中的沿面劣化l “】；染污绝缘表面的劣化【1 2 】以及绝缘材料在覆雪、覆冰或者淋 浴下的劣化1 j 3 , 1 4 ) 等多种类型。不同条件下聚合物绝缘材料的漏电痕迹劣化过程有 着很大区别。一般认为在气体或者绝缘油中的沿面劣化与气体或者液体分子的电 离有很大关系【l 习。首先，若固体介质与电极表面之间存在间隙，则串联间隙中的 电场随着绝缘材料与气体或者绝缘油之间介电常数的差异而增强。假设间隙的相 对介电常数为i ，绝缘材料为昂，则间隙中的场强将近似被加强昂倍。由于气隙 或者液体的耐电强度远低于固体绝缘材料，间隙处将发生气体或者液体分子的电 离和局部放电。放电产生的带电质点到达固体介质表面，畸变原有电场，降低绝 缘破坏电压。其次，空气湿度以及表面吸附水分虽然对固体绝缘材料的表面电场 分布基本没有影响，但对破坏电压有着显著影响i l q ，并与旋加电压的极性有着密 切关系【1 7 1 。此外，表面电阻不均匀和表面粗糙都会畸变表面电场分布，降低绝缘 破坏电压【1 8 1 。 1 2 盐雾环境下聚合物绝缘材料绝缘破坏研究 1 2 i 盐雾环境下聚合物绝缘材料绝缘破坏现象 盐雾是一种特殊电介质，工业、交通、生活中排入低空大气中的废气为雾的 形成提供了丰富的凝结核。8 0 年代以来，随着我国工农业生产的飞速发展，北方 地区冬末春初持续大雾天气时有出现。悬浮雾滴的出现，不仅吸附易溶于水的污 染气体，而且阻碍废气的扩散使大气污染加重。在盐雾形成初期，含水量最大值 一般在雾层顶部，随着雾变浓、雾滴体积的增大而下降，雾含水量最大值下移到 近地面附近。在雾滴沉降过程中，雾滴液相将发生吸收、析解、电离和氧化反应； 沉降至下半部处于析解状态，在近地面析解最强。污染源越高，地面处析解越大， 使近地面离子浓度增大。污染源在沿海地区主要来自海洋盐雾、近海沙丘及盐碱 地尘土，以及开发区工业及企业的烟尘排放等等，此外汽车废气及扬尘也是不可 忽视的污染源。盐雾污秽的特点是密度小，盐密值较大，化学成分多以一价盐为 主，属于二、三级污染。在沿海地区，由于直接受到海风侵袭，盐密值一般都在 0 1 5m g c m 2 以上。腐蚀是材料或其性能在环境作用下引起的破坏或变质。大多数 腐蚀发生在大气环境中，大气中含有氧气、湿度、温度变化和污染物等腐蚀成分 和腐蚀因素。盐雾腐蚀就是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。这里讲的盐雾是 指氯化物的大气，它的主要腐蚀成分是海洋中的氯化物盐氯化钠，主要来源 于海洋和内地盐碱地区。盐雾对金属材料表面的腐蚀是由于氯离子穿透金属表面 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应引起的。同时，氯离子含有一定的 水合能，易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝，排挤并取代氯化层中的氧，把不溶 性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活泼表面。因此，固体绝缘 材料在盐雾环境下长期使用，其耐电强度和绝缘材料本征击穿场强会显著降低 u 蛐“。由此可见，盐雾环境下固体绝缘材料的绝缘破坏严重制约电气电子设备的 性能和发展，影响正常运行并可能造成很大的经济损失。 由于盐雾在聚合物绝缘材料表面凝结形成离散水珠，气体分子对表面绝缘破 坏的影响很小，因此盐雾环境下的表面破坏现象与气体和绝缘油中的绝缘破坏有 着本质区别。盐雾环境下聚合物绝缘材料绝缘破坏现象的重要性和特殊性引起国 内外许多研究者的关注。国外对这一现象的研究最早可以追溯到1 9 5 6 年，首次 由m w a l b r i g h t 和w t - s t a r t 提出，随后由g m l s o m m e r m a n n 进行修正和完 善，实验室条件下模拟的盐雾环境非常接近实际盐雾环境 2 2 , 2 3 。近年来国内有些 学者也开始进行研究 2 4 - 2 6 。最初研究主要是通过电气实验方法探寻影响盐雾环境 下表面绝缘破坏现象的因素，如施加电压波形、绝缘材料性能、材料表面状况、 电极结构以及电极材料等，并初步探讨盐雾环境下表面绝缘破坏机理f 2 7 。3 0 】。近年 来，随着实验设备的改善和测试技术的提高，逐步采用以光学方法为主并借助表 面特性分析来进一步研究盐雾环境下的绝缘破坏现象。 1 2 2 盐雾环境下绝缘破坏实际研究 1 2 2 1 盐雾试验与实际联系 盐雾试验是利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境来考核产品或金 属材料耐腐蚀性。它分为两大类：一类为天然环境暴露试验；另一类为人工模拟 盐雾环境加速试验。人工模拟盐雾环境加速试验是利用具有一定容积空间的试验 设备，如盐雾试验箱，在其容积空间内用人工方法造成盐雾环境来对产品的耐盐 雾腐蚀性能进行考核。其氯化物的盐浓度可以是一般天然环境盐雾含量的几倍或 几十倍，大大提高腐蚀速度，缩短试验时间。如在天然暴露环境下对样品进行试 验可能需要1 年，而在人工模拟盐雾环境条件下试验只要2 4 小时或更短时间即 可得到相似结果。 人工模拟盐雾试验包括中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜盐加速醋酸盐雾试 验、交变盐雾试验。 ( 1 ) 中性盐雾试验( n s s 试验) 是出现最早目前应用最广的一种加速腐蚀试 验方法。它采用5 氯化钠盐水溶液，溶液p h 值调在中性范围( 6 7 ) 作为喷 雾用的溶液。试验温度为3 5o c ，盐雾沉降率为1 2m l 8 0 c m 2 h 。 ( 2 ) 醋酸盐雾试验( a s s 试验) 是在中性盐雾试验基础上发展起来的。在5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 氯化钠溶液中加入一些冰醋酸使溶液变成酸性，p h 值降为3 左右，最后形成的 盐雾由中性盐雾变成酸性。 ( 3 ) 铜盐加速醋酸盐雾试验( c a s s 试验) 是国外新近发展起来的快速盐雾 试验，试验温度为5 0 0 c ，盐溶液中加入少量铜盐一氯化铜。 ( 4 ) 交变盐雾试验是综合盐雾试验，将样品在中性盐雾和恒定湿热两种环境 下交替转换，通过潮湿环境的渗透使盐雾在样品表面和内部同时产生。 1 2 2 2 盐雾试验标准及试验结果判定 盐雾试验标准是对盐雾试验条件，如温度、湿度、氯化钠溶液浓度和p h 值 等做的明确具体规定，还对盐雾试验箱性能提出技术要求。采用哪种盐雾试验标 准要根据盐雾试验特性和金属腐蚀速度及对盐雾敏感程度选择。主要有如下几个 盐雾试验标准，如g b t 2 4 2 3 1 7 1 9 9 3 电工电子产品基本环境试验规程试验 k a ：盐雾试验方法，g b t 2 4 2 3 1 8 - - 2 0 0 0 电工电子产品环境试验第2 部分： 试验试验k b ：盐雾，交变( 氯化钠溶液) ，g b 5 9 3 8 8 6 轻工产品金属镀层 和化学处理层的耐腐蚀试验方法和g b t 1 7 7 1 - - 9 1 色漆和清漆耐中性盐雾性 能的测定。 盐雾试验是考核试品耐盐雾性，判定方法有：评级判定法、称重判定法、腐 蚀物出现判定法、腐蚀数据统计分析法。评级判定法是把腐蚀面积与总面积之比 划分成几个级别，适合评价平板样品；称重判定法是通过对腐蚀试验前后样品进 行称重，计算腐蚀损失重量进行评判，适用于考核金属材料；腐蚀物出现判定法 是一种定性判定法，以盐雾腐蚀试验后试品是否产生腐蚀现象来进行判定；腐蚀 数据统计分析方法提供了设计腐蚀试验、分析腐蚀数据、确定腐蚀数据置信度的 方法，主要用于分析、统计腐蚀情况。 1 2 2 3 盐雾环境下实验模型 盐雾环境下绝缘破坏的实验模型是从实际中抽象而来，根据电极结构及接触 方式，通常采用平行平板、针棒一板与平面三种典型电极系统，如图1 1 所示。 毫 图1 - 1 典型实验模型 ( a ) 平行平板电极；( b ) 针棒一板电极；( c ) 平面电极 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 早期研究几乎都是采用将试品夹在两块平行金属平板之间的电极结构，如图 1 - 1 ( a ) 所示。这种电极结构电场分布特点是具有很强的切向分量，当采用圆柱形 试品时，沿介质表面电场分布是准均匀的。缺点是很显然的：试品难以加工更难 以保证加工后试品的一致性，同时因为发生绝缘破坏位置不确定，不适合采用视 频显微镜观察方法进行研究。 第二类模型是将试品( 通常为薄膜或薄片形) 放在金属平板电极上，再用针 形或棒形电极压紧，如图1 1 ( b ) 所示。这种电极结构电场分布特点是具有很强的 法向分量。当试品很薄且为透明或半透明时，可以在确保不引起电场畸变前提下 精确测量表面电荷和表面电位分布【3 l 皿】。 第三类电极布置是平面电极结构，如图1 - 1 化) 所示。其结构特点是将两个金 属电极( 可以具有多种轮廓) 平放在试品表面并相隔一定距离。为在电极与试品 表面之间构造良好面接触，这种电极结构对电极与试品表面粗糙度以及电极与试 品的压接工艺要求较高。有时为增强电场法向分量，需在试品背面添加一个辅助 背部电极。这种电极结构的最大优点是便于采用视频显微镜观察，适用于片形或 板形试品，对试品厚度无要求并便于进行表面电位和电荷分布测量。 1 2 , 3 影响盐雾环境下绝缘破坏的主要因素 1 2 3 1 盐雾电导率 盐雾电导率与所含无机酸、碱、盐的量有一定关系。当浓度较低时，电导率 随浓度增大而增加。因此，该指标常用于推测盐雾中离子总浓度或含盐量。电导 率随电解质物质的量浓度的增大而增大，经过极大值后则随物质的量浓度的增大 而减小。电导率与电解质物质的量浓度的关系出现极大值的原因是：电导率的大 小与溶液中离子数目和离子自由运动能力有关，这两个因素互相制约。电解质物 质的量浓度越大，体积离子数越多，电导率就越大。随着体积离子数增多，静电 相互作用就越强，因而离子自由运动能力越差，电导率下降。溶液较稀时，第一 个因素起主导作用，达到某一浓度后转变为第二个因素起主导作用，从而导致溶 液的电导率随电解质物质的量浓度的变化经历一个极大值。当盐雾沉积在绝缘材 料表面，材料表面可能被腐蚀；如果有电场存在，绝缘材料表面随着水分蒸发产 生火花放电而发生局部碳化，随着放电及碳化的发展，绝缘系统绝缘性能逐渐降 低直至发生绝缘破坏。 1 2 3 2 施加电压波形 实验通常采用的电压波形有矩形或梯形脉冲、双极性脉冲、雷电冲击、直流 和交流电压等【3 3 弓4 1 ，其中脉冲波形持续时间从纳秒到毫秒，交流电压的频率范围 从工频到射频。实验结果表明：脉冲电压下聚合物材料绝缘破坏电压随着脉冲电 天津大学硕士学位论文第一章绪论 压持续时间( 脉冲宽度) 的增加而降低，工频( 5 0 6 0 h z ) 电压下绝缘材料的破 坏电压往往最低。 1 2 3 3 聚合物绝缘材料形状、性能及表面特性 绝缘材料表面特性( 表面粗糙度、表面能、表面缺陷和表面残余应力等) 对 绝缘破坏的影响十分明显。对试品表面采用不同的机械研磨和抛光处理以及多种 化学和热处理方法后进行实验，结果表明3 3 - 3 5 ：绝缘破坏电压与材料特性及添加 物晶粒大小有着密切关系，晶粒越小，绝缘破坏电压越高；试品表面研磨抛光越 细，破坏电压越高，并且分散性越小；绝缘材料均匀性越好，绝缘性能越高；介 电常数较小的绝缘材料，绝缘破坏电压越高。 1 2 3 4 电极结构与接触方式 金属电极与绝缘材料由于接触不好而出现间隙，于是在电极、盐雾和绝缘材 料三者结合处由于电场畸变导致绝缘破坏电压降低。解决这一问题的方法是，在 保证绝缘要求前提下，采用化学气相沉积法和物理气相沉积法将金属蒸镀在材料 表面作为电极。实验结果表明：采用金属膜电极能够显著提高绝缘破坏电压并降 低分散性【3 6 , 3 7 1 。 1 2 3 5 其它影响因素 实验前对绝缘材料表面进行烘烤、紫外线照射、低气压、辉光放电等处理可 以有效去除表面吸附气体，有利于提高绝缘强度。随着紫外线照射时间增加，绝 缘材料中碳原子因气化而流失在表面产生细微裂痕，切断高分子与填充物之间的 连接及分子化学键，降低表面绝缘特性。低气压下，绝缘材料绝缘破坏与其固有 的氧指数、分子结构、放电频率及着火次数等因素有关。对于着火型材料，低压 条件下由于材料表面氧气含量不足，抑制着火发生从而提高绝缘强度；对于非着 火型材料，绝缘破坏过程中不发生着火现象，气压降低导致没有足够氧气与材料 反应生成c o 、c 0 2 等气体，多余碳元素残留在表面从而提高表面导电性，降低 绝缘强度。此外，温度对绝缘系统的影响也不容忽视，若选择绝缘性能随温度升 高而减小的材料就容易造成绝缘事故。 1 3 盐雾环境下绝缘破坏研究现状和存在问题 1 3 1 盐雾环境下绝缘破坏研究方法 盐雾环境下绝缘破坏研究除采用常规电气方法外，近年来还常常采用光学方 法。与电气方法相比，光学方法往往干扰小，具有更高的灵敏度，但它对实验装 置要求也更高，如密封性必须要好，否则就会影响甚至湮没待测量的光信号。一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 般采用数字示波器和光电倍增管( p m t ) 同时记录电压、电流和发光信号，借助 光学显微镜、光谱分析仪、增强型光电耦合器件( i c c d ) 以及条纹照相机等进 行光谱分析和空间分布测量以及x 射线光电子能谱分析，研究光信号与绝缘破 坏的关系 3 s l 。 1 3 2 盐雾环境下绝缘破坏研究现状 近年来国内外主要有如下几个研究组正在进行相关的研究： k u n d o ，k a r a d y 和s e b o 等人主要按照i e c 6 0 5 0 7 标准，采用等值盐密度研究 不同电压下聚合物绝缘子的绝缘寿命，考察盐雾对绝缘子表面带电和沿面闪络的 影响，观察并解释沿面闪络过程中的光电现象【4 卜4 3 】；h a c k a m 等人研究聚合物绝 缘材料在盐雾环境下放置时间对表面特性及绝缘强度的影响。一些标准实验法下 的聚合物绝缘子盐雾污秽的实验结果如表1 1 所示。 表1 1 标准实验法的绝缘子盐雾实验结果 实验组分时间标准规格 盐雾 n a c l6 0 m i l l 7 5 雾室 硅藻土 硅藻土二氧化硅1 5 m i n1 0 f o v盐雾发生器 n a c l 高岭土 高岭土 1 5 0 m i n5 0 f o v盐雾发生器 n a c l 1 3 3 当前研究难点和存在问题 1 对绝缘破坏本质的认识仍不够清晰。虽然对盐雾环境下绝缘破坏进行大 量基础实验研究，但是大多只是作为一种电气电子现象来进行。绝缘破坏与绝缘 材料表面、电极与绝缘材料交界面以及盐雾在材料表面分布情况密切相关。从本 质上说，绝缘破坏是一种发生在电场下的表面( 绝缘材料的表面) 界面( 电极与 绝缘材料的界面) 现象，需要进一步从表面与界面物理学层次上分析研究。 2 对电极接触方式影响绝缘破坏的研究不够深入。在电极与试品接触方式 上，采用与未采用蒸镀电极时绝缘特性不同，可能会对应不同破坏机理，而采用 蒸镀电极接触可能提高材料绝缘性能。 3 缺乏对绝缘破坏现象与影响的深入研究。在很低电场下存在着从电极向 绝缘材料注入电荷等现象，注入电荷会在绝缘体内积聚而畸变局部电场，这些过 程可能会对绝缘破坏有重要影响，将直接影响绝缘破坏机理。 4 对绝缘破坏过程中表面带电现象的认识还不够清楚，不能完善解释绝缘 天津大学硕士学位论文第一章绪论 破坏总是发生在盐雾一材料界面以及发生绝缘击穿电场强度远低于绝缘材料本 征击穿场强的原因。 5 对盐雾环境下聚合物绝缘材料绝缘破坏机理的认识还不能统一，还没有 一种模型能够较好地全面解释盐雾环境下各种绝缘破坏现象。 盐雾环境下聚合物绝缘材料绝缘破坏是一种复杂现象，相关研究涉及高电压 与绝缘技术、固体物理学、表面科学、大气物理学、电工材料学等多学科领域的 知识，是一个跨多学科问题，本身具有较高难度。 1 4 论文的主要研究工作 本文采用加速电气实验方法，将材料学与电气方法相结合，在实验与理论分 析相结合的基础上进行研究，力图对盐雾环境下聚合物绝缘材料破坏机理有更深 入、更本质的认识。主要研究内容如下： ( 1 ) 利用单简连续变倍视频显微镜对实验采用的绝缘材料一环氧树脂进行表 面分析，分析影响表面状态的因素，根据聚合物材料表面能理论探讨表面特性与 绝缘破坏的关系。 ( 2 ) 采用印刷电极接触方式研究盐雾环境下环氧树脂在直流电压下的绝缘破 坏过程，观察并解释相应的光电现象，探讨直流电压下绝缘破坏的起始与发展。 ( 3 ) 在脉冲电压下进行与直流电压类似的实验，观察和解释脉冲电压下绝缘 破坏过程及光电现象，并与直流电压下的过程相比较。 ( 4 ) 从理论上分析盐雾环境下环氧树脂绝缘破坏过程中的光电现象，探讨破 坏过程与机理。在前人研究基础上，进一步分析泄漏电流与干燥带的形成过程以 及由此引起的表面碳化，探讨碳化物的析出与积聚对绝缘破坏的影响。 天津大学硕士学位论文第二章研究的理论基础 第二章研究的理论基础 盐雾环境下环氧树脂绝缘破坏是复杂的物理、化学和电现象，本文研究涉及 电工材料学、表面化学、表面技术、高电压与绝缘技术等多学科领域。 2 1 聚合物材料表面特性 聚合物绝缘材料表面特性与润湿状态、材料固有的憎水性及试验溶液的种类 有关脚 4 5 1 。不同接触角的材料其表面绝缘特性不同，因此在研究盐雾环境下聚合 物材料绝缘破坏特性时就必须考虑表面特性。 2 1 1 聚合物材料表面接触角及其测量 2 1 1 1 接触角特性m 】 液体在聚合物材料表面上形成的液滴如图2 1 所示。在气、液、固三相交界 处达到平衡时，气一液界面和固一液界面之间的夹角称为接触角( c o n t a c t a n g l e ) ， 用0 表示。它实际是气一液表面张力y “和液固界面张力仙的夹角。接触角的 大小由气、液、固三相交界处三种界面张力的相对大小所决定，反映液体对表面 的润湿程度。 m 、 窀气 润传 图2 - 1 接触角示意图 当丫g - l 、t 鲜和m 平衡时，其关系如下： 7 9 - , = y l l + y c o s o ai 天津大学硕士学位论文 第二章研究的理论基础 或者c 0 s p = 生! 卫= r g 一， 上述方程称为杨( y o u n g ) 方程。从杨方程可以得到下列结论： 1 如果( t 一机) = 丫g 1 ，则c o s o = l ，0 = 0 。，表面完全润湿。如果( t 卵一y h ) 3 g - i ，则直到0 = 0 0 还没有达到平衡，因此杨方程不适用，但是液体仍能在聚合 物材料表面展开。 2 如果( 丫酗一机) c o s o o ，0 9 0 0 ，聚合物表面润湿状况如图2 1 ( a ) 所示。 3 如果协 f 自外，指向液 体内部，所以液体表面都有自动缩小的趋势。若要把内部分子拉向表面，增大表 面积，就要克服内部分子引力而做功，在等温等压下称为表面功或表面自由能。 体系表面自由能的增加等于环境对体系所做的功，当增加的表面积为d a 时， d g = - - - w = d ( s a ) = 8 d a + a d 8 。 a 为增加的表面积，6 为比表面( 自由) 能：即等温等压下，体系增加单位 表面积时所增加的能量，单位j m 2 。物理学上称表面张力，其物理意义是指沿液 天津大学硕士学位论文第二章研究的理论基础 体表面垂直作用于单位长度上使表面收缩的力，单位n m 。对一个指定体系，比 表面能和表面张力在数值上相同，但物理学定义不同。物体分散度越大，d a 越 大，相界面上表面能d g 越大。体系处于使表面能减小的不稳定状态： ( 1 ) 6 一定时，a c 坫y - - - - 0 ，g - - - & t a ，即缩小表面积使d a 0 ，d c r 0 ，是自发过 程。为减小6 ，周围分子或离子自动聚结在表面从而产生表面吸附。小液滴合并 成大液滴，就是减小d a 以降低表面能的常见例子。 ( 2 ) a 一定时，& i a = 0 ，c r = a d 6 ，减小表面张力使d 6 铷，g c 袭，称为负吸附。 b 、c 类：使6 水减小，即6 1 8 水，这类物质称为表面活性剂。低级脂肪酸、 醇、醛等属于b 类；高级脂肪酸、肥皂、合成洗涤剂等属于c 类。表面活性剂会自 动浓集于溶液表面，使c c 衰，称为正吸附。 亲水基团进入水中而疏水基团离开水向表面集积，分子走向排列或定向吸附 在相界面上，降低水的表面张力和表面自由能，使体系趋于稳定。当加入的表面 活性剂浓度达到一定量时会在水相表面定向排列，形成完整的单分子层膜，与此 同时，进入溶液中的表面活性剂将疏水基团朝内，亲水基团朝向水面形成胶束而 降低疏水基团与水接触面从而使体系稳定。 天津大学硕士学位论文第二章研究的理论基础 2 2 电痕破坏机理 2 2 1 电痕破坏现象及过程 电痕破坏现象是由电痕劣化引起的，是在聚合物绝缘材料表面有电位差的部 位形成碳化导电通路使绝缘性能丧失的现象，是聚合物绝缘材料特有的一种绝缘 破坏形式。在规定试验条件，聚合物绝缘材料在电场和电解液的作用下，表面逐 渐形成导电通路成为漏电痕迹( t r a c k ) ，形成漏电痕迹的过程称为漏电起痕 ( t r a c k i n g ) 。它是聚合物绝缘材料表面受到带正负离子溶液污染物的污染时，在外 加电压作用下表面泄漏电流比干净表面要大得多，根据q = 1 2 r t 得出当泄漏电流 增大时，该泄漏电流所产生的热量加速潮湿污染物的蒸发，使材料表面形成不均 匀干燥状态，导致表面形成局部干燥点或干燥带，使表面电阻增大电场畸变，进 而发生放电。在电场和热能共同作用下，绝缘材料表面碳化物电阻变小，导致电 极尖端形成的电场强度增大，更容易发生放电，如此循环直到引起电极间表面绝 缘破坏而形成导电通道产生漏电起痕。漏电起痕是一个过程，由于在绝缘材料表 面或者接近表面进行的放电而导致在表面形成碳化导电轨迹。当绝缘材料表面受 污染且潮湿时，表面形成一电阻层，在施加电压作用下产生表面泄漏电流。在该 电流作用下，材料表面局部受热使水分蒸发形成干燥带。当干燥带处电场足够强 时，击穿空气形成电弧放电，随着放电反复发生，放电产生的热量使材料老化形 成碳化通道或腐蚀电痕。材料表面在电腐蚀作用下变得粗糙，失去憎水性，进而 出现树状电痕，甚至使材料机械物理性能遭到破坏或熔化成洞状。 聚合物绝缘材料发生电痕破坏的间接原因是绝缘表面的潮湿与污秽。在潮湿 污秽状态下，电场足够大时材料表面有泄漏电流产生，由于焦尔热作用水分被蒸 发，随着材料表面液膜的分离形成干燥带，在干燥带形成瞬间液膜问电场强度达 到放电场强导致放电，放电产生的热量使材料表面局部碳化。由于碳化生成物的 导电率高，此处电场密度集中于该碳化部分，引起放电重复发生并在其周围产生 更多碳化物，碳化导电路向电极方向伸展最终导致短路，发生电痕破坏。 聚合物绝缘材料发生电痕破坏的直接原因是：( 1 ) 放电产生的热量；( 2 ) 潮 湿与污秽状态；( 3 ) 无机物及纤维质尘埃；( 4 ) 化学物质等。一般在电痕破坏过 程中分解生成的物质有气体和残留物，是由两个相对过程决定的，即炭的形成和 炭的挥发。当前者快于后者时，材料表面容易发生电痕破坏。在加入一些富氧无 机水合物时，在电场作用下会发生反应r x o v h 2 0 + c c o + g x o v + h 2 而降低 单体炭的形成。聚合物绝缘材料中含有大量碳元素，通过放电热分解过程炭与氧 天律大学硕士学位论文第二章研究的理论基础 结合生成气体逸出，多余的炭残留在材料表面，因此越容易气化的材料碳化导电 路越难形成，电痕破坏越难发生。电痕破坏及侵蚀过程如图2 - 4 。 材料表 碳化 材料表面的放电发生 ( 电弧放电，电晕放电，微小火花放电) 放电能量( 大) 氧气供给( 小) 材料表面 熟能量 电弧放电及l 。r _ 王_ 一 电晕放电r i 微小火花放电 电极间生成的 炭全体加热 生成炭的电导率大 t r a c k i n g 破坏 电极间生成的 炭局部加热 生成炭的电导率小 图2 _ 4电痕破坏及侵蚀过程 2 2 2 电痕破坏的影响因素 放电能量( 小) 氧气供给( 大) 材料表面氧化 侵蚀 1 表面接触角的影响 聚合物绝缘材料表面起始放电与湿润状态、材料憎水性及试验液种类有关。 不同接触角的材料放电的起始电压不同，在相同电压作用下放电的起始时间也不 同。越是亲水性材料接触角越小，越容易放电。长期暴露在日光下的绝缘材料， 其接触角逐渐减小，因为在紫外线照射下材料表面分子降解使疏水基减少。耐电 痕试验时使用的污秽溶液种类不同电痕破坏的时间也相应变化。当电解液中含有 界面活性剂时材料表面接触角变小，容易导致放电发生引起电痕破坏。 2 电极材质的影响 试品和金属电极配置在试验台上，污秽状态下在电极间施加电压，则在试验 液与金属电极问将发生电离反应并析出金属离子【5 0 】。例如铜或黄铜电极易与污损 液发生电解反应，溶解的金属以盐化物、氢氧化物等形式析出，使干燥带变窄导 致放电快速发生【5 。 天津大学硕士学位论文第二章研究的理论基础 印刷电路板( p c b ) 的金属离子迁移是在直流电场下发生的电化学反应。p c b 上导电金属化孔或线路成为金属电极，电极上的金属被溶解成离子并在两极之间 的绝缘层内( 或表面) 析出。在高湿环境和旌加电压条件下，这种现象不断出现使 绝缘电阻下降直至造成两条线路间或两个金属化孔间发生短路。常见的离子迁移 现象根据发生部位不同分为两类：一类是在平行金属电路间，施加电压所析出的 树枝状金属状态称为树枝状晶体( d e n d r i t e ) ，我国在电介质学理论上又称为树枝 化。另一类是在金属化孔间，沿玻璃布基板材料中