（高电压与绝缘技术专业论文）无机纳米聚酰亚胺复合薄膜介电性及耐电晕老化机理研究.pdf

摘要 摘要 纳米科学技术的发展为新材料的开发和对现有材料的改性提供了新的思 路和途径，缡米介质的出现，开耪了嘏分溪薪的斑用领域。与传统余震比较， 纳米复合介质的电、热、机械性能有了很大的改善。随着电力电子技术及新型 半导体器件的迅速发展，八十年代以后，越来越多的交流变频调速电动机得到 了广泛应用。出于局部放毫等原因，许多变频电祝的寿命只有l 。2 年，甚至有 些电机在试运行阶段就发生击穿破坏。美国d u p o n t 公司与a b b 、西门子公司 合作，于1 9 9 5 年研制出耐电晕聚酰亚胺薄膜，其耐电晕时间在2 0 k v m m 场 强下可达1 0 5 小对，接近云母纸水平，但是没有见到从电分质理论的角度对其 耐电晕机理进行深入研究的报道。 本文借助扫描电镜和原子力显微镜分析了d u p o n t 耐电晕聚酰亚胺薄膜的 结梅，比较了电晕老佬盾原始和耐电晕浆酰贬胺薄膜豹表灏髟貌，彳寻出 d u p o n t 耐电晕聚酰亚胺薄膜是三层结构，上下两个表层中含有较多的a 1 无机 化合物，是无机有机复合结构。耐电晕聚酰亚胺薄膜之所以耐电晕，可能是 因为集中在表面层的无搬物质的离熊热导率可以淡散电晕产生的热量，减小了 热击穿的危险，同时由于电晕放电作用在无机物上，而无机材料具有更好的耐 电晕性和更高的耐受电晕产物腐蚀的能力。耐电晕聚酝亚胺薄膜中豹无机相电 晕老化后呈现更浓密的絮状团簇，无机一蠢极相界面阑森很好的浸润性，薅原 始薄膜没有这一现象。 研究了d u p o n t 原始及耐电晕聚酰亚胺薄膜的介电谱特性、电导电流特 性、退极化电流特性和热激电流特性，季导出耐电晕薄膜的电老化阙值裹于原始 薄膜，且均随电晕老化场强的增加而下降。原始和耐电晕薄膜的载流子视在迁 移率的变化范围分剐为1 1 t 0 ”m 2 v s 7 5 lo _ 1 4 m z v s 和1 + 2 1 0 4 3 m 2 v s 3 o 1 0 - 1 4 m 2 v s ，相应的陷暌深度变化范围分别为1 1 8 5 e v - 1 。2 0 0 e v 和1 1 6 8 e v - 1 2 2 0 e v 。根据电导电流的温度特性得出，耐电晕薄膜的载流子活化能为 0 7 6 e v ，原始薄膜为0 9 3 e v 。两种薄膜的热激电流蜂值随极化场强增加两增 搬，原始薄膜的峰温基本不变，耐电晕薄膜略向斑温移动。对热激电流睦线分 峰处理，得出两种薄膜的活化能分别为o 6 5 0 9 1 e v 和o 6 0 0 9 0e v 。耐电晕 薄膜中鼢浅陷辨，哥能是薄膜耐电晕挂提高的重要原因。 研究了溶胶凝胶法合成的含量分别为5 w t ，1 0 w t ，1 2 5 w t ，1 5 w t 和2 0 w t 的纳米a 1 2 0 3 复合聚酰亚胺薄膜的介电常数、介质损耗角正切与频 率、温度的关系，复合薄膜电导电流特性、直流电导率、击穿特性、耐电晕 牲、热激电流特性，褥出纳米a 1 2 0 3 复合聚酰甄胺薄膜的介电常数和介质损耗 角正切随无机物含量的增加而增加，在重最比1 2 5 和1 5 之间有一个逾渗闽 值存在。随无机物含薰增加，电老化阈值和击穿场强下降，电罨率增加。不同 无视物含量薄膜的活化能范围为o 5 8e v 至o 9 1 e v 。睫纳米填充物含量的增 加陷阱深度增加。复合薄膜电晕老化后表面原子力形貌出现更稠密的絮状团 簇。 研究了利用溶胶- 凝胶法合成携s i 0 2 含量分别为5 w t ，1 0 w t ，1 5 w t ， 2 0 w t ，2 5 w t 和3 0 w t 的纳米s i 0 2 复合聚酰皿胺薄膜的介电性，以及同时 加入纳米s i 0 2 和a 1 2 0 3 两种无机物质的复合聚酰亚胺薄膜的击穿和耐电晕 性，s i 0 2 和a 1 2 0 3 的总含璧分别为4 w t 、6 w t 和8 w t ，同一会量中s i 0 2 和 a 1 2 0 3 的比例分别为1 ：1 、2 ：1 、4 ：1 和6 ：1 。随着频率增加，不同s i 0 2 含量复合 薄膜的介电常数减小，介质损耗增加：随s i 0 2 含量的增加，介电常数和介质 损耗增加，电导电流增加，电老化阂僮减小。电晕老化后复合薄膜的热激电流 峰电流减小，峰位向低温睡移动。复合薄膜的耐电晕时问增加，击穿场强在 1 2 5 w t 含量时达到最大僖。当s i 0 2 和a h 0 3 含量比为l ：l 时，复合薄膜的击 穿场强睫无机物总食曩的增加西增加。无搬物总含量6 、s i 0 2 和a 1 2 0 3 含量 比例不同时，击穿场强随s i 0 2 含量的增加丽减小，耐电晕时间随s i 0 2 含量的 增加而增加。不同s i 0 2 含量复合薄膜电晕老化后的原子力形貌表明，薄膜的 耐电晕性与老化后薄膜的原子力显微镜形毅有关，耐电晕性好的薄膜，老化履 能形成絮状团簇结构，并且团簇的尺寸较大，无机物与周困有机相的浸润性越 好，复合薄膜的耐电荤性禳好。 关键谰无视纳米复合聚酰亚胶薄膜；介赧性；耐电晕老傀：相关枫理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e p r o g r e s si nl l a n o s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o v i d e dan e wt r a i no ft h o u g h ta n da w a yf o rd e v e l o p i n gn e wm a t e r i a l sa n dm o d i f y i n gt h ep r e s e n tm a t e r i a l s t h e a p p e a r a n c eo fn a n o d i e l e c t r i c so p e n e dan e wa p p l i c a t i o nf i e l do ft h ed i e l e c t r i c s t h e e l e c t r i c a l ，t h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn a n o d i e l e c t r i c sw e r eb e r e rt h a n t h o s eo fc o n v e n t i o n a lo n e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y a n dn e ws e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，m o r ea n dm o r ea cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n a d j u s t a b l e s p e e dm o t o r sh a v eb e e nw i d e l yu s e de s p e c i a l l ya f t e r1 9 8 0 s h o w e v e r , t h el i f eo ft h em o t o rw a s o n l ya b o u to n eo rt w oy e a r sd u et op a r t i a ld i s c h a r g e ，w h a t i sm o r e ，t h ei n s u l a t i o n si ns o m em o t o r sw e r eb r e a k d o w nd u r i n gt h et e s tr u n n i n g c o o p e r a t i n gw i t ha b ba n ds i e m e n s d u p o n td e v e l o p e dt h ec o r o n a - r e s i s t a n t p o l y i m i d ef i l m ，t h ec o r o n a - r e s i s t a n tt i m eo fw h i c h c o u l db eu pt o1 0 h o u r su n d e r 2 0 k v m mf i e l d ，a p p r o a c h i n gt h el e v e lo fm i c ap a p e r t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h e m e c h a n i s mo fc o r o n ar e s i s t a n c ef r o mt h ed i e l e c t r i ct h e o r yh a sn o tr e p o r t e d t h ec o n s t r u c t i o no fd u p o n tc o r o n a - r e s i s t a n tp o l y i m i d ef i l mw a s a n a l y z e db ym e a n s o fs e ma n da f m ，a n dt h es u r f a c em o r p h o l o g yo ft h eo r i g i n a lf i l ma n dt h ec o r o n a - r e s i s t a n tf i l mw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e ra f t e ra g e d w ef o u n dt h a td u p o n t c o r o n a r e s i s t a n tf i l mi st h r e el a y e r si nc o n s t r u c t i o na n dt h et w os u r f a c el a y e r s c o n t a i n i n gm o r ea i c o m p o u n da r ei n o r g a n i c - o r g a n i cc o m p o s i t e t h er e a s o no ft h e c o r o n ar e s i s t a n c eo ft h i sf i l mm a yb et h a tt h ei n o r g a n i cs u b s t a n c ec o n c e n t r a t i n gi n t h es u r f a c e l a y e r s h a sh i g h e rh e a tc o n d u c t i v i t y , w h i c hc a n d i s s i p a t e t h eh e a t p r o d u c e db yc o r o n a ，a n dt h u sr e d u c e st h ed a n g e ro f t h e r m a lb r e a k d o w n m e a n w h i l e ， c o r o n aa c t so nt h ei n o r g a n i cs u b s t a n c e ，w h i c hh a sg o o dc o r o n a r e s i s t a n c ea n da b i l i t y t ot o l e r a t et h ec o r r o s i o no ft h ec o r o n ap r o d u c t s + a f t e rc o r o n aa g i n g ，t h ei n o r g a n i c p h a s ei nt h ec o r o n a - r e s i s t a n tf i l ma p p e a r sf l o c c u l a t i n gc l u s t e ra n di n f i l t r a t e do r g a n i c p h a s ew e l l ，o nt h ec o n t r a r y , t h e r ei sn os u c hp h e n o m e n o nt a k i n gp l a c ei no r i g i n a l f i l m 。 t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i e l e c t r i c s p e c t r u m ，t h e c o n d u c t i o n c u r r e n t ，t h ed e p o l a r i z i n gc u r r e n ta n dt h et h e r m a l l ys t i m u l a t e dc u r r e n to fd u p o n t o r i g i n a la n dc o r o n ar e s i s t a n c ef i l m ss h o w s t h a tt h et h r e s h o l do ft h ec o r o n a r e s i s t a n t f i l mi sh i g h e rt h a nt h a to ft h eo r i g i n a lf i l ma n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e - i i i - c o r e l l aa g i n gf i e l d 强ec a r r i e ra p p a r e n tm o b i l i t yo f t h eo r i g i n a la n dc o r o n a r e s i s t a n t f i l m v a r i e sf r o m1 + l x l o 1 3 m 2 v s 7 5 x 1 0 | 4 m 2 v sa n d1 2 1 0 4 3 m 2 v s - 3 0 1 0 ”，v s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt r a pd e p t hi sf r o m1 1 8 5 e v 1 2 0 0 e vm a d1 ，1 6 8 e u 1 2 2 0 e v , r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c o fc o n d u c t i o n c u r r e n t , t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fc a r r i e so ft h ec o r o n a - r e s i s t a n tf i l mi s0 。7 6 e v , a n d t h a to ft h eo r i g i n a lf i l mi s0 9 3 e v t h ep e a k so ft h e r m a l l ys t i m u l a t e dd e p o l a r i z i n g c u r r e n to ft h et w of i l m si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep o l i n gf i e l d 强ep e a k t e m p e r a t u r eo fo r i g i n a lf i l mk e e p sn e a r l yu n c h a n g e d ，a n dt h a to f c o r o n a - r e s i s t a n t 谯l mm o v e st o w a r d sh i g ht e m p e r a t u r es l i g h t l y t h ea c t i v a t i o ne n e r g i e so fb o t hf i l m s w e r ec a l c u l a t e db ym e a n so fa u t o - s e p a r a t i n gm e t h o d 。a n dt h e ya r e0 + 6 5 - 0 9 1e va n d o 6 0 o 9 0e vr e s p e c t i v e l y 罩h ee x i s t e n c eo fs h a l l o wt r a p si 1 1c o r o n a - r e s i s t a n t p o l y i m i d ef i l mm a y b ea ni m p o r t a n tr e a s o nf o r e n h a n c i n gt h ec o r o n ar e s i s t a n c e 。 l ec h a r a c t e r i s t i c so fp e r m i r i v i t ya n dd i s s i p a t i o nf a c t o rw i t hf r e q u e n c ya n d t e m p e r a t u r e ，c o n d u c t i o nc u r r e n t ，d cc o n d u c t i v i t y , b r e a k d o w ns t r e n g t ho ft h el l a n o a l z 0 3c o m p o s i t ep o l y i m i d ef i l ms y n t h e s i e db yt h es o l * g e lm e t h o d ，w i t ht h ec o n t e n t o f5 w t t o w t t 2 5 w t 。1 5 w t a n d2 0 w t r e s p e c t i v e l y , s h o wt h 舔t h e p e r m i t t i v i t ya n dd i s s i p a t i o nf a c t o ro fn a u o - a 1 2 0 3 - c o m p o s i t ep o i y i m i d ef i l mi n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n go fi n o r g a n i cc o n t e n t a n dap e r c o l a t i o nt h r e s h o l de x i s t sb e t w e e n 1 2 。5 w t a n d1 5 w t w 融t h ei n c r e a s eo fi n o r g a n i cc o n t e n lt h ee l e c t r i ct h r e s h o l d a n dt h eb r e a k d o w as t r e n g t hd e c r e a s e ，a n dt h ec o n d u c t i v i t yi n c r e a s e t h ea c t i v a t i o n e n e r g yo f t h ef i l mw i t hd i f f e r e n ti n o r g a n i cc o n t e n tv a r i e sf r o mo 5 8t oo 9 1e v t h e m o r et h ef i l l e tt h ed e e p e rt h et r a p sa r e a r e rc o r o n aa g i n g ，ad e n s e rf l o c c u l a t i n g c l u s t e rc a nb eo b s e r v e df r o mt h ea 嗣链i m a g eo f t h ec o m p o s i t e 蠡l 掇， 啊把d i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e n a n o - s i 0 2 - c o m p o s i t ep o l y i m i d e f i l m c o m p o u n d e db yt h es o l g e tm e t h o dw i t ht h ec o n t e n to f5 w t , l o w t ，15 w t ， 2 0 w t ，2 5 w t a n d3 0 w t w e r ei n v e s t i g a t e d ，r e s p e c t i v e l y t h ep e r m i t t i v i t yo ft h e c o m p o s i t ef i l m sr e d u c e sa n dt h ed i s s i p a t i o nf a c t o ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f f r e q u e n c 弘t h ep e r m i t t i v i t y , d i s s i p a t i o nf a c t o ra n dc o n d u c t i o nc u r r e n ti n c r e a s ea n d t h ee l e c t r i ct h r e s h o l dr e d u c e sw i t l lt h ei n c r e a s i n go fs i 0 2c o n t e n t t h et h e r m a l l y 撼m u l a t e dc u n e n tp e a ko f t h ec o m p o s i t ef i l md r o p sa n dt h ep e a k s i t em o v e st o w a r d s l o wt e m p e r a t u r ea f t e rc o r o n aa g i n g 。强ec o r o n a - r e s i s t a n tt i m eo ft h ec o m p o s i t ef i l m i n c r e a s e s a n dt h eb r e a k d o w nf i e l ds t r e n g t hw i l lr e a c hi t sm a x i m u mw h e nn a n of i l l e r i s1 2 。5 w t t h eb r e a k d o v ms t r e n g t ha n dt h ec o r o n a * r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e w 一 c o m p o s i t e p o l y i m i d ef i l m sc o n t a i n i n gb o t hn a n o a 1 2 0 3a n ds i 0 2w e r ea l s os t u d i e d t h et o t a lc o n t e n to fa l l 0 3a n ds i 0 2i s4 w t ，6 谢a n d8 w t ，t h er a t i oo fs i 0 2a n d a 1 2 0 3 i sl ：l ，2 ：1 ，4 ：1a n d6 ：1r e s p e c t i v e l y w h e nt h er a t i oo f s i 0 2a n da 1 2 0 3i sl ：l ， t h eb r e a k d o w ns t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ef i l mi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft o t a l i n o r g a n i cc o n t e n t w h e nt h et o t a li n o r g a n i cc o n t e n ti s6 a n dt h er a t i oo fs i 0 2a n d a 1 2 0 3i sd i f f e r e n t ，t h eb r e a k d o w ns t r e n g t hr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fs i 0 2 ， w h i l et h ec o r o n ar e s i s t a n c et i m ei sr e v e r s e t h ea f mi m a g e so fc o m p o s i t ef i l mw i t h d i f 话r e n ts i 0 2c o n t e n ti n d i c a t et h a tc o r o n a - r e s i s t a n c eo ft h ef i l mr e l a t e st o 氆e m o r p h o l o g yo fa g e df i l m f l o c c u l a t i n gc l u s t e rs t r u c t u r em a ya p p e a ri nt h o s ef i l m s w i t hg o o dc o r o n a - r e s i s t a n c e t h el a r g e ro fe l u s t e ri ns i z e ，t h eb e t t e rt h ec l u s t e r i n f i l t r a t e di n o r g a n i cp h a s e ，t h eb e t t e rt h ec o r o n a r e s i s t a n c eo ft h ef i l m 。 k e y w o r d sn a n o - - i n o r g a n i c - - c o m p o s i t ep o l y i m i d ef i l m ；d i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ； c o r o n a r e s i s t a n c e ，r e l a t e dm e c h a n i s m v 哈尔滨理工大学搏士学位谂文原剖性声明 本人郑重声明：此娥所提交的博士学位论文无机缃米一聚酰亚胺复合薄膜 介电性及耐电晕老化机璎研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理王太学攻 读簿挈整麓 嚣j 猿立遵嚣鹾突玉俸囊取褥静或暴。据奉入掰翔，论文串豫匹透鹗 部分外不包含他人已发袭成撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 襄嶷体，均已程文孛塔鞘碡方式淀臻。零声鹱鲍浚律结浆擦完全凌本入承担。 作瀚签名： 嘲红 日期。加口占零占月i o 日 哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书 笼机纳米一聚酰亚胺复合薄膜介电性及耐电晕老化机理研究系本人在哈 尔滨莲王文学竣读骘圭攀往麓翔在霉簿措霉下完成鹁祷士学奁瓷交。奉谂文筑繇 兜成果归哈尔滨蠼工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 零天完全了蔟跨零滨莲工夫学关于漂存、馕罴学像论文豹蕊定，满意学校傈磐著 向有关部门提交谂文和电子版本，允许论文被查阅和借阈。本人授权啥尔滨理工 文学可黻采雳彩印、缩印或萁袍复制手段保存论文。可氍公布论窝的全部躐部分 内容。 本学位论文糯于 保密爨，在每蘩密螽适燕授粳器。 不保密口。 ( 清在瑷皇糍应方弦内努毒 作者签名： 导师签名： 张辛；知 蠕诸荪 日期：知辞舌月f d 甜 日期如6 年“凡7 目 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，八十年代以后，越来 越多的交流变频调速电动机得到了广泛应用。采用交流调速电动机比过去的直 流电机具有容量可以扩大，实现高转速和高电压运行，结构简单，惯性小，实 现软启动和快速制动，防爆，体积小，造价低等显著的优点【l l ，同时，采用变 频调速技术还可使电动机节约约3 0 的电力。我国目前发电总量为2 亿千 瓦，约有6 0 0 , 6 是由电动机所消耗，即1 2 亿千瓦，节能效果是非常可观的。 目i j ，变频电机多采用脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , p w m ) 驱动脉 冲调速技术，极大地增加了电机定子绕组电压的幅值。根据传输线理论，在 i g b t 器件开关频率下电磁波沿连接电缆传播时，在电缆两端发生波的反射和 折射，由于电机的波阻抗远大于电缆的波阻抗，因此在电缆末端即电机接线端 子产生约2 倍的尖峰过电压，导致绝缘中产生局部放电，使得许多变频电机的 寿命只有1 2 年，甚至有些电机在试运行中就发生击穿破坏，且击穿常发生在 匝间。实验表明，用p w m 供电的匝间电压相对于工频5 0 h z 电源可提高约4 0 d l ， 倍，对地绝缘承受的电压增加2 倍，电压上升率= 三达6 6 0 0 v p s ，远大于工频 讲 正弦电压的上升率1 5 1 0 0 v ，岬，带来严重的局部放电问题【2 j 。 为了延长变频电机的寿命，除改善输出特性和电缆参数抑制端予上的过 电压外，采用改性和更新换代的绝缘材料是十分必要的。 纳米科学技术的发展为新材料的开发和对现有材料的改性提供了新的思 路和途径，d u p o n t 公司与a b b 、西门子公司合作于1 9 9 5 年研制出耐电晕聚 酰亚胺薄膜1 0 0 c r l 3 1 ，1 0 0 c r 薄膜是基于对4 0 0 0 多种物质进行试验，选择能 够抵抗电晕产生的腐蚀性物质的无机物与聚酰亚胺( p o l y i m i d e ，p i ) 体系杂 化制成的，其耐电晕性接近云母纸水平，但是还没有见到从电介质理论的角度 对其耐电晕机理进行深入研究的报道。 本文通过对杜邦公司生产的耐电晕聚酰亚胺薄膜1 0 0 c r 和原始聚酰亚胺 薄膜1 0 0 h n 的比较，从与材料破坏有关的表面状态，空间电荷的受陷、脱 陷，陷阱浓度、陷阱深度、极化与退极化电流、载流子迁移率等角度进行试验 哈尔滨理工大学t 学博十学位论文 研究，以期获得揭示聚合物材料耐电晕机理的相关信息，同时加深对纳米 a 1 2 0 3 和纳米s i 0 2 复合聚酰亚胺薄膜的介电特性的理论认识，为研制新型材料 以及最终建立纳米介电学提供科学依据。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 变频电机绝缘破坏的原因 近些年来，大批变频电机绝缘破坏的问题，引起了国内外学者的特别关 注。九十年代以来，国际上针对变频调速电机发生过早绝缘破坏这一问题进行 了研究，德国、法国、美国、加拿大等国的学者己发表了一些研究结果，归纳 起来主要有以下几个方面 4 - 1 4 j ： ( 1 ) p w m 电源驱动的交流变频调速电机绝缘中的电压分布和特性与传统 的工频正弦波作用下完全不同，过去几十年来研究和制定的与工频正弦波有关 的绝缘设计参数已不能适用于交流变频调速电机。 ( 2 ) 电机的损坏主要是局部绝缘击穿，这与绝缘内部局部放电有很大关 系，而在p w m 电源中产生并加于变频电机绝缘的高频脉冲方波电压作用下 的局部放电及其对绝缘的破坏与传统的工频正弦情况也有很大区别。 ( 3 ) p w m 变频器输出电压的波形、上升和下降沿时间、重复频率、幅值 等对电机绝缘的寿命有所影响。 ( 4 ) 由于电动机的波阻抗显著大于连接变频器与电动机的电缆的波阻抗， 电机端子上将受到2 倍脉冲前沿电压的作用，并且发生高频振荡，还与电缆的 长度有关。 ( 5 ) 由于p w m 变频器输出的方波脉冲的上升沿很陡，在i g b t 器件开关 t ， 频率下，电压变化率= ；- 达6 6 0 0 v 肛，而工频正弦电压下只有1 5 xl 铲v ，i i s ， 讲 因此在电机定子绕组上电压里极不均匀分布，其中绕组首匝承受的过电压将超 过常规值的4 0 倍。 根据以上分析，解决变频电机绝缘过早损坏问题，除改善输出特性和电缆 参数抑制端子上的过电压【”l 外，提高绝缘材料的耐电晕性是非常重要的。 关于变频电机中绝缘材料的破坏机理主要有以下几种观点： ( 1 ) 局部放电。主要以k a u f h o l d 等人【b 】的研究结果为代表。k a u f h o l d 通过 对不同电压、频率、温度、脉冲电压波形下聚酰亚胺电磁线的测试以及对绝缘 第1 辛绪论 材料的破坏时间和局部放电的发生几率的分析后认为，变频电机中绝缘材料的 破坏主要是由于局部放电引起的，高频快速的电压上升速度缩短了绝缘材料的 寿命，温度升高后引起局部放电加剧。a u s t i n 等人【1 6 1 在对电场强度、介质损 耗、漏电流、电压上升速率和持续时丑】的分析后认为，电晕是变频电机中绝缘 材料破坏的主要原因。h w a n g 等人f j7 】对2 5 种低压变频电机的绝缘电磁线的局 部放电起始电压、损耗因子进行研究后，同样认为变频电机中的绝缘破坏是电 压作用的结果。m e t z l e r 等人1 1 8 】通过对三种不同绝缘线的研究表明，耐电晕能 力不同在变频情况下的绝缘寿命不同，间接的说明了局部放电是变频电机中绝 缘材料破坏的主要原因。b e e c k m 锄【1 9 1 和b o z z o 2 0 1 等人的研究也支持了这一观 点。 ( 2 ) 空间电荷积累。b e l l o m o 等人【2 1 1 在对聚对苯二甲酸乙二醇酯的变频模 拟老化实验中发现，当增加波峰上升速度后，金属电极上出现了明显的破坏性 孔洞，通过测量发现，在电极和绝缘材料之间存在较大的电荷积累，b e l l o m o 等人认为这些积累的空间电荷使绝缘材料承受更大的电场强度，因而绝缘材料 过早破坏。f o u l o n 等人1 2 2 j 通过聚酰亚胺薄膜在模拟变频情况下的实验发现， 电荷积累对绝缘材料老化寿命具有明显的影响。 ( 3 ) 热击穿理论。以1 i f i nw e i j u n 为代表的【1 2 1 【2 3 l 研究人员认为，变频电机中 绝缘材料破坏的主要原因是热击穿尽管y i nw e i j u n 等人认为，与普通交流 电机相比，变频电机绝缘材料的破坏机理是局部放电，空间电荷积累和介质发 热的综合结果，但是，他们通过对不同电压、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。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丑j 内。 f i n w e i j u n 等人认为变频电机中绝缘材料的破坏主要是脉冲电压引起的短时间内 温度的快速上升导致的，c h i h m i n j a n g 等人【2 4 l 也支持了这种观点。 1 2 2 纳米复合材料介电特性的研究进展 纳米复合材料的发展，改善了传统聚合物材料的特性。1 9 9 4 年t j l e w i s 首先提出了纳米介质( n a n o m e ! t r i cd i e l e c t r i c s ) 的概念脚1 ，2 0 0 1 年f r e c h e t t e 对 哈尔滨理_ 大学t 学博十学位论文 此作了进一步的讨论( 称为n a n o d i e l e c t r i c s ) 2 6 e 随后的研究表明，纳米复合 介质与传统介质比较，电、热、机械性能有了很大的改善 2 7 - 3 4 1 。 纳米复合介质指的是介质中加入纳米尺度的颗粒、纳米厚度的薄片或纳米 尺度直径的纤维【3 5 1 。由于填充物非常大的表面积，很少量的纳米填充物能够 形成骨架状结构，与传统微米尺度填充物比较，相同体积分数的纳米填充物包 含l o 亿倍的纳米颗粒。如果l 立方米的材料中含有1 0 v v 的直径1 0 r i m 的球 粒，总的界面面积约为6 0 1 c r n 2 【3 5 1 。纳米复合聚合物中的纳米填充物，聚合物界 面，是聚合物性能改变的关键。界面特性影响整个复合介质的特性，这一特点 与传统m a x w e l l w a g n e r 假设完全不同p “。 研究表明，纳米复合介质在增加介质击穿强度，提高耐局部放电和树枝 放电的能力，提高机械强度和热导率方面部有所改善。对于绝缘介质，要求介 电常数和介质损耗应尽可能的低，而对电容器介质则希望介电常数尽可能大， 阻燃性对电缆是重要的，耐痕迹性是户外绝缘所要求的，对直流应用要限制空 间电荷，可循环利用的材料有利于保护环境，所有上述性能和其它特性均可由 纳米复合技术实现田】。 根据对纳米复合物的不同要求，纳米填充物可以是绝缘体、半导体或金 属纳米颗粒1 3 2 1 。目前已经在聚合物如聚乙烯、硅有机树脂、环氧树脂、聚酰 胺和聚酰亚胺，填充物如三氧化二铝( a l u m i n a ，a 1 2 0 3 ) 、二氧化钛( t i t a n i a , 币0 2 ) 、二氧化硅( s i l i c a , s i 0 2 ) 和层状硅酸盐( 1 a y e r e ds i l i c a t e s ) 的研究方面 取得了一些结果，复合物包括环氧树脂币0 2 、聚乙烯t i 0 2 、e p d m - a 1 2 0 3 、 聚乙烯s i 0 2 、聚酰亚胺s i 0 2 、环氧树脂层状硅酸盐、聚酰胺层状硅酸盐 等制备有机，无机纳米复合材料的方法很多，如直接分散法、纳米微粒原位 生成法、前驱体法、层间嵌插复合等，最常见的是嵌入聚合法和溶胶凝胶 法。 1 聚酰胺与层状硅酸盐复合材料 m k o z a k o 等人m l 研究了聚酰胺与层状硅酸盐，即合成云母复合材料的耐 局部放电性，通过扫描电镜和原予力显微镜观察可以看出，局部放电老化后， 纳米复合材料的表面粗糙度比未填充材料小得多，如图1 1 所示，说明纳米复 合聚酰胺更耐局部放电。m k o z a k o 等人认为，纳米复合物由一组纳米粒子以 及周围介质形成的纳米尺度球粒组成，如图1 2 ，球粒之间填充非晶相聚酰 胺，层状硅酸盐的耐局部放电性比聚酰胺强，聚酰胺球区域比聚酰胺非晶区域 有更强的耐局部放电性。层状硅酸盐的介电常数大约是聚酰胺的两倍，解释该 复合材料耐局部放电的假定模型为，由于介电常数不同，局部放电集中在试样 表面的纳米填充物上，纳米填充物比聚酰胺基体有更强的耐局部放电性，填充 物小球有助于阻止局部放电发展，由于聚酰胺较纳米填充球粒有更低的耐局部 放电性，局部放电向非晶区域延伸。由于电荷已经在硅酸盐表面建立，局部放 电集中在层状硅酸盐上并且向聚合物区域发展。然而，界面区域对耐局部放电 性的影响还不清楚。 图1 1 电晕老化前后聚酰胺与层状硅酸盐复合材料的平均表面糖糙度与纳米填充物含蹙 的关系v = 6 k v 户l 和4 8 h f i g u r el - ir e l a t i o nb e t w e e na v e r a g es u r f a c er o u g h n e s sa n dn a n o f i l l e r c o n t e n to f p o l y a m i d e l a y e r e ds i l i c a t e sc o m p o s i t e s 砼= 6 k v t = la n d4 8 h 罢ln e s o f 一魁 , 3 0 垒一 m 妇一一净一p 嚣 图1 - 2 聚酰胺，层状辟酸盐纳米复合物可能的耐局部放电机理 f i g u r e ! - 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f p o s s i b l em e c h a n i s m s f o rp dr e s i s t a n c eo f p o l y a m i d e l a y e r e ds i l i c a t en a n o c o m p o s i t e 哈尔滨理- 大学t 学博七学位论文 2 s i 0 2 复合聚酰亚胺薄膜 yc a o 和p c i r w i n p t ) 研究了2 - l o w t 纳米( 尺度约4 0 h m ) s i 0 2 复合聚 酰亚胺薄膜以及微米级s i 0 2 复合聚酰亚胺薄膜的介电谱特性，如图1 3 所 示。填充物为微米尺度的复合聚酰亚胺薄膜在l k h z 频率附近有峰值出现，认 为是由m a x w e l l w a g n e r 界面极化引起的，而纯聚酰亚胺薄膜在这一频率没有 峰值，纳米复合聚酰亚胺薄膜的峰值较微米尺度复合薄膜的峰值降低很多，解 释为随着填充物尺度减小界面极化减弱。 图1 3 不含填充物、含5w t 微米填充物和含5 w t 纳米填充物 聚酰亚胺薄膜的介质损耗角正切与频率的关系 f i g u r e l - 3f r e q