（高电压与绝缘技术专业论文）介质阻挡放电材料对放电特性影响的研究.pdf

华北电力人学博士学位论文 摘要 介质阻挡放电( d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ：d b d ) 产生的大面积均匀放电等离子体 在工业上有着非常广阔的应用前景，但在大气压空气中还难以实现。介质阻挡材料对放 电特性有着非常重要的影响，使用不同类型的阻挡材料所产生的放电形态有很大区别， 因此研究不同类型介质阻挡材料影响放电特性的规律和机理，对于大气压下空气中实现 大面积均匀放电具有重要的意义。 本文研究了氧化铝、石英、聚丙烯、聚四氟乙烯和硅橡胶5 种不同介质阻挡材料在 低气压空气中介质阻挡放电的特性，提出了采用低气压下得到均匀放电的气压范围作为 衡量介质阻挡材料对放电形态影响的标准，准确地评价了不同材料对均匀放电影响的好 坏程度。研究结果表明，有机材料得到的均匀放电范围明显大于无机材料。 研究了5 种不同介质阻挡材料表面积累的电荷随时间变化的规律，比较了材料表面 积累和保存电荷的能力与低气压下放电范围的关系，发现了材料表面积累电荷能力和保 存电荷能力共同影响放电形态的规律，证实了材料表面电子解吸附作用对放电特性影响 的推测。 利用热刺激电流的研究方法深入研究了不同材料陷阱分布的规律和特性，首次发现 了材料低能级陷阱的数量决定低气压均匀放电范围的规律。介质阻挡材料表层中能级低 于l e v 的陷阱数量越多，能够得到均匀放电的气压范围越大。 根据材料陷阱分布的特性，深入分析了引起介质阻挡材料表面电子发生解吸附的机 制，亚稳态分子可能是影响材料表面电子发生二次电子发射的主要机制。 根据低能级陷阱数量决定均匀放电气压范围的规律，寻找到一种低能级陷阱数量更 多的材料：电晕老化处理的硅橡胶，利用这种材料作为介质阻挡材料，在更宽的气压范 围内( 最高5 2 k p a ) 得到了均匀放电，为进一步提高均匀放电的范围，最终在大气压空 气中实现大面积均匀放电提供了一条可行的研究途径。 关键词：介质阻挡放电( d b d ) ，大气压辉光放电( a p g d ) ，表面电荷，热刺激电流， 解吸附，二次电子发射 摘要 a b s t r a c t d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) i sr e g a r d e da sa ni m p o r t a n tw a yt og e tu n i f o r m d i s c h a r g ep l a s m ai nl a r g ea r e a , w h i c hs h o w sp r o m i s i n gf u t u r ei ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa n d g r e a tb e n e f i ti ne c o n o m ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b u ti na t m o s p h e r i ca i r ，i ti sd i f f i c u l tt o g e tu n i f o r md i s c h a r g e b e c a u s ed i e l e c t r i cb a r r i e rm a t e r i a la f f e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co fd b d g r e a t l y , i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fb a r r i e rm a t e r i a l so nd i s c h a r g ef o r g e t t i n gu n i f o r md i s c h a r g ei nl a r g ea r e a $ a l u m i n a ，q u a r t z ，p o l y p r o p y l a n e ( p p ) ，p o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ( p t f e ) a n ds i l i c o n e r u b b e r ( s i r ) h a v eb e e nu s e da sb m x i e rm a t e r i a ls e p a r a t e l yt os t u d yt h ep r o p e r t yo fd b di n l o wp r e s s u r ea i r b yu s i n gt h et e s td e v i c e sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h ed i s c h a r g ef o r ma n d t h er a n g eo fp r e s s u r et o g e tu n i f o r md i s c h a r g eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt o e s t i m a t et h e i n f l u e n c eo fm a t e r i a l so nd b d t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h ep r e s s u r er a n g eo fh o m o g e n o u s d i s c h a r g eo b t a i n e db yt h eo r g a n i cm a t e r i a l si sm u c hw i d e rt h a nt h a to b t a i n e db yi n o r g a n i c m a t e d a l s t h et e m p o r a lq u a n t i f i e so f s u r f a c ec h a r g eo nf i v ed i f f e r e n tm a t e r i a l sh a v eb e e nm e a s u r e d a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a ，b o t ht h ep r o p e r t i e so fa c c u m u l a t i n ga n dk e e p i n gc h a r g ea f f e c tt h e c h a r a c t e r i s t i co fd b d i ti se o m f i r m e dt h a td e s o r p t i o no fs u r f a c ee l e c t r o n si n f l u e n c e st h e d i s c h a r g eg r e a t l y t h et h e r m a l l ys t i m u l a t e dc u r r e n tt e s t i n gh a sb e e na p p l i e dt om e a s u r et h et r a p p i n g d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tm a t e r i a l s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e n s i t yo ft r a p p i n gc e n t e r sl o w e r t h a nle vi sac r u c i a lf u c t i o nf o rt h ep r e s s u r er a n g eo fu n i f o r md i s c h a r g e n l ch i g h e rt h e d e n s i t yo ft r a p p i n gc e n t e r sl e s st h a n1e vl o c a t e di nt h em a t e r i a li s ，t h ew i d e rt h ep r e s s u r e r a n g ef o rg e t t i n gu n i f o r md i s c h a r g ei s u n d e rt h ea n a l y s i so ft r a p p i n gd a t a , t h em e c h a n i s m sr e l a t e dt ot h ed e s o r p t i o no f e l e c t r o n so nt h es u r f a c eo fb a r r i e rm a t e r i a li nd b dh a v eb e e nd i s c u s s e d i tc o u l db e m e t a s t a b l e ss t a y i n gi nt h eg a st oc r e a t ei n i t i a le l e c t r o n ss e c o n d a r ye m i s s i o nb ye s c a p i n gt h e m f r o mt h em a t e r i a l s a c c o r d i n g t ot h ef a c to ft r a p p i n gd i s t r i b u t i o na f f e c t i n gd b d t h en e wb a r r i e rm a t e r i a lo f a g i n gs i l i c o n er u b b e rw i t hm o r et r a p p i n gl o w e rt h a n1e vh a sb e e nf o u n d 鹊d i e l e c t r i cb a r r i e r m a t e r i a l b yu s i n gi t ，u n i f o r md i s c h a r g ec o u l db eo b t a i n e di naw i d e rp r e s s u r er a n g e i ts h o w s an e wa v a i l a b l ew a yt oo b t a i nh o m o g e n o u sd i s c h a r g ei na l a r g ea r e ai na t m o s p h e r i ca i r k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e ( a p g d ) ，s u r f a c ec h a r g e ，t h e r m a l l ys t i m u l a t e dc u r r e n tf r s c ) ，d e s o r p t i o n , s e c o n d a r ye m i s s i o n h 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文介质阻挡放电中阻挡材料对放电特性 影响的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成 果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究二i ：作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：金亟日期：型墨：生 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校呵允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盟 导师签名： 日 勃幸笔 期：坠墅：兰：y 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 介质阻挡放电的研究意义 辉光放电产生的低温等离子体在工业上有许多重要的应用，并显示出很好的经济效 益，尤其是环保效甜啦】。用等离子体进行表面处理，可以改善纸张、薄膜、纺织品等材 料的表面性质，这些性质包括：可湿性、吸水性、可印性、可染性、粘着性和导电性等。 同化学的和其它的方法相比，等离子体具有更高的能量密度；等离子体能够产生活性成 分，从而引发在常规化学反应室中难以实现的物理变化和化学反应。同其它与之竞争的 加工方法相比，等离子体处理提供了更有利的工业加工方法，包括更有效和更便宜达到 工业相关结果的能力；它还能完成其它方法不能完成的任务，能在不产生大量不需要的 附产品和废料的情况下达到相同目的：并且能在产生很少污染和有毒废物的情况下实现 相同目的。 目前，能够得到的辉光放电都是在低气压下产生的，而使用低气压放电等离子体存 在致命的缺点：必须维持放电处理室的低气压状态，难以实现流水线连续生产。显然， 大气压放电等离子体是必需的。虽然大气压下丝状放电已经被用来进行材料表面改性， 但其缺点是处理不均匀并可能损伤表面。因此，最适合用来对薄膜、纺织品以及纤维进 行表面改性的是放电大面积均匀的大气压辉光放电( a t m o s p h e r i cp r e s s u r eg l o w d i s c h a r g e ：a p g d ) 等离子体。 在低气压下很容易实现辉光放电，人们对此并不陌生。但是，大气压下辉光放电始 终是困扰人们的一个研究难题。由于等离子体表面改性技术诱人的工业化应用前景，从 上个世纪8 0 年代末开始，大面积的大气压下均匀放电( 或简单地统称其为大气压辉光 放电) 成为人们的研究热点1 3 。为了产生大面积均匀放电，人们通常采用介质阻挡的平 行板电极结构。 在介质阻挡放电( d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ：d b d ) 中，绝缘介质被插入到放电电 极之间的放电空间内，能够在一定程度上阻止放电向电弧形式发展。1 9 9 3 年日本的 o k a z a k i 小组利用5 0 h z 电源、金属丝网电极和p e t 阻挡介质在1 5 m m 的气体间隙中进 行了大量试验，并宣称实现了大气压辉光放电1 4 】。美国的r o t h 小组和清华大学利用介质 阻挡电极结构，先后在5 m m 氨气间隙实现了a p g d 垆, 6 1 。2 0 0 4 年，韩国先进科技研究所 物理部研究组宣布用介质阻挡的形式在氩气和空气的混合气体中获得了均匀的辉光放 电等离子体【日( 电源频率：1 3 5 6 m h z ) ，其等离子体体积达到2 0 0 r a m x 5 0 m r a x 5 m m ， 试验研究测量了放电的电流、电压及发射光谱，温度测量表明这种放电产生的等离子体 温度和粒子活性都比较低，适合对材料进行表面改性和表面处理。这些都为在空气中实 现大面积的a p g d 提供了令人鼓舞的方法和途径。 第一章绪论 虽然在一些气体和气体的混合物中能够实现a p g d ，但是迄今为止尚未见到该技术 用于工业化大规模生产上，其原因在于人们至今还难以实现大气压下空气中的大面积均 匀放电。因此，研究空气中的介质阻挡放电，揭示不同条件对放电机制产生的影响，对 气体放电理论的发展和工业应用的前景具有重要的意义。 1 2 介质阻挡材料对放电影响的研究进展 早期对放电的研究集中在不同的气体成分、气压范围等内容上，尤其是针对激光器 技术等方向更多的研究低气压、射频电源等条件下的放电特征 8 】。因为介质阻挡放电结 构可能在大气压下实现辉光放电，所以受到研究者的重视。各国的研究者已经发现了介 质阻挡材料可能对放电机制产生的影响，并开始进行深入的研究和分析。 1 2 1 介质阻挡材料对电流的限制作用 介质阻挡材料对放电所产生的影响，首先体现在其对放电的限制作用上。法国的 m a s s i n e s 小组利用暴光时间1 0 n s 的i c c d 拍摄放电瞬问的照片，揭示了大气压氦气中的 介质阻挡放电是从汤森放电机制向辉光放电机制发展【乳】。他们通过对放电数值模型的 研究发现，大气压氦气中的辉光放电不同于一般的辉光放电，其阴极位降区的厚度大约 是o 4 m m ，远大于低气压下辉光放电情况下阴极位降的厚度，是一种亚辉光放电的状态。 他们认为，产生这种情况的原因是介质阻挡层对放电的限制作用，在没有达到正常辉光 放电前就已经使放电熄灭。 清华大学王新新教授领导的研究小组利用i c c d 拍摄放电照片，观察到了o 4 m m 厚 的阴极位降区，用试验的方法证明了m a s s i n e s 小组理论模型的正确性，也证明了这种情 况的放电的确是一种亚辉光放电状态 1 2 】。 1 2 2 介质阻挡材料厚度的影响 m a n g o l i n i 研究了介质阻挡层厚度对放电产生的影响 1 引。他通过试验和数值模型的 分析发现，通过调节介质阻挡层的厚度，放电机制可以在很宽的范围内调整，从带有显 著的法拉第暗区和正柱区的似辉光机制变为没有这些特征的似汤森放电机制。他认为不 同厚度的介质阻挡层对电流的限制作用是放电机制发生变化的根本原因。 西安交通大学张冠军教授的研究小组研究了厚度对放电均匀程度的影响，采用了 0 1 m m 、o 5 m m 和l m m 三种厚度的聚四氟乙烯作为介质阻挡材料，并认为在1 个大气 压下，o 5 m m 厚度的聚四氟乙烯材料能够得到最均匀的放电形态，但他们没有给出原因 的分析【1 4 1 。 2 华北电力人学博上学位论文 1 2 3 不同种类介质阻挡材料的影响 g o l u b o v s k i i 的研究小组研究了多种不同的材料对放电机制产生的影响【15 1 。他们研 究的介质阻挡材料包括氧化铝、玻璃、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚脂薄膜、高密度聚乙烯 和树脂玻璃等，以能够产生均匀放电的气体问隙长度和电压范围作为衡量介质阻挡材料 好坏的依据，能够得到均匀放电的气体间隙越长，或者能够得到均匀放电的电压范围越 大，都认为介质阻挡材料越利于产生均匀放电。根据试验结果，他们宣称介质阻挡材料 的好坏与材料本身的介电常数有直接关系，介电常数越小的材料越容易得到均匀放电， 并解释说，随着介电常数的减小，由小面积的表面电荷引起电场的降低，更利于稳定的 汤森放电的形成。 西安交通大学张冠军教授的研究小组也研究了几种不同介质阻挡材料产生放电的 区别，他们认为驻极体材料作为介质阻挡材料时放电最均匀，因为驻极体材料的表面更 容易积累电荷，可以有效地降低放电的场强1 1 4 】。 1 2 4 材料表面电荷影响的试验和分析 对于介质阻挡层表面电荷的对放电的影响，加拿大r a d u 的小组曾经做过一些探索 性的试验 1 6 - 1 9 】。他们使用电容探针的方法离线测量绝缘介质表面的电势，并得出结论： 介质表面电荷严重影响电极问单个放电的特性，降低扩散的速度，增大放电通道的宽度。 但他们的放电试验是在密封情况下进行的，而电荷电势是在打开密封后测量的，这期间 由于电荷的衰减以及外部气体的进入会受到一定的影响。而且他们对表面电荷电势的测 量只可能考察长期电荷积累的影响，不能反映在某一个周期内电荷的积累和解吸附对放 电到底起了什么样的作用。 m a n g o l i n i 针对辉光放电中半个周期内可能产生多个电流脉冲的现象，用i c c d 拍 摄了每个脉冲对应时间的放电照片，发现放电从电极的中间向周围径向扩散【刈。他认为 这是介质表面电荷在时间和空间上积累和分布造成的。在放电初期，电极径向中心的位 置首先被击穿，但是随后介质材料中心的位置上积累了大量的表面电荷，降低了中部的 电场强度，限制了放电的发展。而介质材料中心靠外一些位置上还没有积累电荷，电场 强度达到了击穿的数值，开始发生放电。随着放电位置电荷的积累，此位置的放电也被 限制，而放电则继续向外发展。 1 2 5 表面电子解吸附作用的假设 g o l u b o v s k i i 小组对大气压氮气放电过程进行数值模拟【2 1 。2 3 1 ，并提出表面电子解吸附 影响放电的设想：均匀放电所需的种子电子是由于亚稳态分子在阴极表面上引起二次电 子发射，特别是它们在阻挡介质表面引起的电子解吸附，当阴极介质阻挡层无法产生足 够的解吸附电子时，放电向流注形式发展。同时指出，均匀放电的稳定性由阻挡层上面 第一章绪论 向放电一侧很薄的介质鞘层( 甚至只有几个微米厚) 支配，而不是由整个阻挡层来决定。 但是他没有通过试验的方式来证明他的假设。 西安交通大学的方志采用丝网电极和p e t 阻挡材料，在大气压空气中得到了肉眼看 上去较为均匀的放电【2 4 1 。他将此归结于材料表面电荷的解吸附作用：由于驻极体具有较 强的电荷储存能力，经电晕充电后可以在其表层注入大量的电荷并均匀分布，气隙发生 放电时，介质表层注入的电荷同时释放，在气隙中引发大面积的放电，从而产生均匀稳 定的a p g d 。但他未对所采用的驻极体材料的电荷特性进行过试验研究。 1 3 介质阻挡材料对放电影响的研究存在的问题 针对介质阻挡材料对放电特性的影响，目前国内外的研究主要存在以下几个问题： 1 缺乏能够准确评价不同材料影响放电特性好坏的依据。g o l u b o v s k i i 在对大气压氮 气中介质阻挡放电特性的研究中，以能够产生均匀放电的气体间隙长度和电压范围作为 衡量介质阻挡材料好坏的标准 i ”。但是一些材料产生均匀放电的气体间隙长度相差不到 0 t m m ，这样微小的差距在试验中很难准确的辨别。而加在气体问隙上的电压无法直接 通过测量得到，通过放电回路各部分参数进行计算得到的间隙电压难免会存在一定误 差，因此无论是通过产生均匀放电的气体间隙长度还是电压范围，都不能清晰、准确的 比较材料对均匀放电影响的好坏。一些研究直接通过肉眼观察到的放电强弱来判断材料 的好坏 1 4 , 1 5 ，这样更缺乏足够的说服力。 2 仅研究单一材料的表面电荷特性，缺乏多种材料的比较分析。r a d u 仅对氧化铝材 料的表面电荷积累特性进行了研究 1 6 - 1 9 1 ，尽管同一种材料的不同位置在积累电荷的数量 上可能有所不同，但是从宏观的角度上来看，同一材料的不同位置积累和存储电荷的能 力是相同的，如果不与其它不同的材料进行比较和分析，就无法说明不同材料表面电荷 积累和存储特性对介质阻挡放电的形态和特征会产生什么样的影响。 3 仅从介质阻挡材料简单的外特性等宏观的角度进行分析，没有深入研究材料内部 微观特性可能带来的影响。绝大多数研究成果仅考虑了不同介质阻挡材料的介电常数、 体电阻率和等效电容等外特性参数，分析这些参数对气体间隙伏安特性的影响 1 3 - 1 6 , 2 5 j ， 而没有详细地研究材料内在特性( 如陷阱分布) 在放电过程中所起的作用。而实际上， 介质阻挡材料与气体间隙的接触面可能发生一些重要的电荷吸附和解吸附过程，这一过 程与材料存储电荷特性和陷阱特性密切相关。仅仅分析外特性参数，无法分析和解释陷 阱分布等微观特性是如何影响单个周期内的放电过程的。 4 表面电子解吸附等方面的假设缺乏试验数据和研究结果来证明。g o l u b o v s k i i 和方 志都提出表面电子解吸附过程对放电有重要的影响，如果阳极介质阻挡材料能提供大量 的解吸附电子，更利于均匀放电的形成【2 n 。但是他们没有解释介质阻挡材料浅表层吸附 电子的机理，没有详细地研究介质阻挡材料吸附电子的束缚能级和吸附数量，没有给出 4 牛北电力大学博士学位论文 有力的试验证据证明哪些材料因为能够提供更多的解吸附电子而更利于得到均匀放电。 5 没有从介质阻挡材料的方向为大气压空气中大面积均匀放电的实现提供具体可行 的研究方法和途径。尽管目前已经提出了一些材料参数对放电影响的分析，但是几乎没 有任何实际的研究成果是通过改善材料的特性来寻求实现大气压空气中大面积均匀放 电的。材料对放电形态的影响非常重要，因此通过改善材料特性可能对实现大气压空气 中大面积均匀放电具有重要的意义，而目前国内外在这方面的研究还是处于空白状态。 1 4 本文的研究内容 本文以介质阻挡放电中介质阻挡材料对均匀放电的影响为研究对象，通过研究不同 介质材料对介质阻挡放电均匀形态影响的情况来衡量介质阻挡材料的好坏，对不同类型 绝缘介质材料进行表面电荷特性和热刺激电流特性的试验，来研究材料表面电荷的积 累、释放和材料浅表层陷阱的能级、数量等特性，以及这些特性对均匀放电产生影响的 规律和机理，并利用得到的规律寻找更利于均匀放电产生的介质阻挡材料。 本文主要进行了以下工作： 1 对不同介质阻挡材料进行低气压放电试验，分析不同气压、不同介质阻挡材料 情况下放电的形态和均匀程度，根据均匀放电存在的气压范围衡量介质阻挡材 料性能的好坏。 2 利用表面电荷测量的系统研究多种介质阻挡材料的表面电荷随时间变化的特 性。根据各种材料表面电荷的积累和保存特性，分析表面电荷对介质阻挡放电 产生的影响，研究解吸附假设的正确性。 3 采用热刺激电流的研究方法研究多种介质阻挡材料陷阱分布的微观特性，通过 比较各种材料低能级陷阱的数量与低气压放电的范围，分析介质阻挡材料陷阱 特性对介质阻挡放电形态的影响。 4 根据得到的陷阱能级参数，分析在放电过程中影响介质阻挡材料表面电子解吸 附的因素，研究介质阻挡材料二次电子发射对均匀放电带来的影响。 5 根据低能级陷阱对介质阻挡放电影响的规律，寻找更利于产生均匀放电的介质 阻挡材料，探索可能在大气压下空气中实现大面积均匀放电的途径。 第二章低气jr t , i 介质阻挡放f u 形态研究 第二章试验装置及测试方法 在本文的研究中，需要用到三套不同的试验系统：低气压介质阻挡放电试验系统、 表面电荷特性测量试验系统和热刺激电流试验系统。其中低气压介质阻挡放电试验系统 用来研究不同材料在低气压下的放电特性，确定使用不同材料作为介质阻挡层时能够得 到均匀放电的气压范围，以分析不同材料对介质阻挡放电影响的好坏；表面电荷特性测 量系统用来测量不同材料在表面注入电荷后，表面电荷量随时间变化的规律；热刺激电 流试验系统用来测量不同材料的热刺激电流曲线，以研究这些材料的陷阱分布特性。 本文设计了介质阻挡放电和表面电荷测量的试验研究系统，并在已有的热刺激电流 试验研究系统上加以改进，满足上述三种实验的需要。本章主要介绍这三套试验系统的 设备、测量系统和研究方法。 2 1 低气压介质阻挡放电试验研究系统 2 1 1 高频电压源 本文中介质阻挡放电试验所采用的电压源是由南京苏曼电子有限公司制作的高频 可调电源，如图2 1 所示。此电源的频率调节范围为1 0 4 5 k h z ，电压调节范围为0 2 0 k v 。 在介质阻挡放电特性研究中，为了避免因电源频率对试验结果产生的影响，我们只采用 固定电压频率3 0 k h z 。 图2 1 高频电源照片 2 1 2 试验电极结构 介质阻挡放电的试验电极结构采用最常见的平板电极结构，如图2 2 所示。铝制电 6 极直径为5 0 m m ，介质阻挡材料的直径都超过1 0 0 m m ，以防止放电绕过介质阻挡层。在 所有介质阻挡放电中，气体川隙长度都固定在2 m m 。 2 1 3 实验腔系统 图2 - 2 介质阻挡电极照片 试验腔外观如图2 3 所示。实验腔高5 0 0 m m ，直径3 2 0 m m ，上下用厚度2 0 m m 的 有机玻璃紧压密封垫圈密封。在试验腔的侧面，除了一个可供观察的观察窗外，还有两 个连接仪表的管道，用来连接测量气压的仪表。另有一个直径较大的抽气和充气管道， 由阀门控制抽气和充气。 图2 - 3 实验腔照片 第二章低气压介质阻挡放电形态研究 试验的真空泵采用上海真空泵厂生产的2 x z 4 型真空泵，抽气速率2 l s ，极限真空 达到6 x 1 0 p a 。 2 1 4 测量系统 气压测量所采用的气压计是北京大学电子学系生产的d l 4 型真空计。此真空计采 用外接规管测量气压，数字显示，测量范围为o 1 1 0 0 k p a ，最小测量气压刻度为1 0 0 p a 。 适合在1 个大气压以下进行精确测量。 本文用一个分压比为9 3 0 ：1 的电容分压器来进行电压测量，放电电流则是通过一个 1 0 欧姆无感电阻来进行测量的。 2 1 5 测试方法 在我们的试验中，采用聚四氟乙烯、硅橡胶、聚丙烯、石英和氧化铝陶瓷5 种介质 阻挡材料进行低气压介质阻挡放电的研究。 在这5 种材料中，氧化铝是金属氧化物，也是工业上常用的陶瓷原料，可能存在一 定的杂质成分。石英是非金属氧化物，是常用的光学原料，其成分是高纯度的二氧化硅。 其他三种是高分子聚合物，其中聚四氟乙烯和聚丙烯是工业上常用的塑料原料。硅橡胶 的结构比较复杂，可能由于掺杂成分不同而存在比较显著的差别。我们的试验中使用的 硅橡胶材料是电力复合绝缘子上采用的材料。 具体的试验步骤是： ( 1 ) 将介质阻挡材料安装在电极上，放入试验腔内，抽气至1 0 0 0 p a 以下( 在此气 压下可以保证发生辉光放电) 。 ( 2 ) 逐步升高气压( 一般是每次升高5 0 0 p a ) ，记录每个气压阶段发生的放电现象 ( 放电照片以及放电的电压电流波形) ，尤其是当放电形态发生改变时的气压值。 ( 3 ) 当放电形态只能是丝状时，停止试验，记录此时气压。 ( 4 ) 将所有介质阻挡材料出现均匀放电的气压范围进行比较，比较同种厚度不同 类型材料以及同种类型不同厚度材料对均匀放电的影响差异。 2 2 表面电荷特性测量试验研究系统 2 2 1 已有测量技术简介 施加外加电压的情况下，可以用来测量介质表面电荷的方法有电容分压法和利用 p o c k e l s 晶体的光学测量法。 电容分压法由日本名古屋大学的学者提出，主要用来测量外加直流电压时绝缘材料 表面的积累情况【2 鲫1 ，其结构如图2 4 所示。测量的探针阵列置于低压电极的圆孔中， 8 华北电力大学博十学位论文 与绝缘材料上表面形成一个小电容，外接5 0 n f 电容与此小电容串联，电压在两个电容 上的比值等于电容值的反比。因此表面电荷形成的电压按照一定比例分压经过电压跟随 器传给示波器。这种方法只能用来测量长时间直流电压下的表面电荷积累情况( 时间一 般是几百秒) ，对于施加交流电压的d b d 中瞬时电荷的变化( 时间小于o 0 1 秒) 并不 适用。 o p 。a m p 图2 - 4 电容分压法测量表面电荷 日本、英国、中国和韩国的许多学者研究发展了利用p o c k e l s 晶体在电场下的双折 射效应来测量材料表面电荷的方法 2 9 - 3 8 1 ，如图2 5 所示。p o c k e l s 晶体是一种在电场下折 射率能够发生变化的晶体，其折射率的变化与外加电场成正比。将p o c k e l s 晶体放在由 表面电荷引起的电场中，然后使偏振光通过晶体，就能根据偏振光折射角的变化确定电 场的大小。 图2 5 利用p o c k e l s 效应的光学测量法 光学测量方法的优点是对电场几乎没有任何扰动，不改变电场的分布，因此测量的 电荷分布非常准确。另外由于光信号的接收和处理速度很快，利用c c d 设备可以测量 高速变化的电荷分布。但是目前的光学法只能用于测量在弱电场情况下的电荷分布，当 9 第二章低气压介质阻挡放电形态研究 峨弋妇旷自 2 2 2 表面电荷测量系统 我们需要研究不同材料表面电荷积累和变化的规律，尤其是刚刚施加过j l - j l h 电压后 的一段时间内情况，因此要求测量结构的操作尽可能简单方便，所以我们借鉴r a d u 的 方法。 为了使试验更适合我们研究的实际情况，我们在试验中改进了一些细节。首先r a d u 的d b d 电极是棒板结构，所以需要测量电荷的空间分布，而对于我们的研究却不需要。 其次，r a d u 是在交流电压的d b d 后测量介质表面电荷，这样停止外加电压时不能确定 是处于放电周期的哪一时间，因此材料表面电荷的分布情况可能发生很大的区别。另外 把材料从密封腔中取出在空气中进行测量，也会花费过多的时间，而且可能因为气流的 流动带走一部分电荷，使测量的结果不能真实地反应实际情况。 因为我们更关心不同材料积累和保存电荷能力的区别，所以采用稳定的电晕来使材 料表面积累电荷，然后在最快的时间内关闭高压电晕，更换测量探头，测量表面电荷随 时间变化的情况。这样的研究方法曾被研究驻极体材料的学者广泛应用，以分析驻极体 1 0 华北电力大学博士学位论文 材料的存储电荷能力【5 1 。5 4 j 。 表面电荷测量试验设备如图2 7 所示。首先利用针板电极结构向介质阻挡材料表面 注入电荷( 如图2 7 a 所示) ，针形电极上施加的是负极性高压直流电压，这样可以在针 形电极和介质阻挡材料之间的空气中产生电晕，使电子注入材料中。低压电极直径为 5 0 m m ，上面覆盖着需要测量的介质阻挡材料，材料的直径不小于1 0 0 m m 。高压电极的 针尖到介质阻挡材料的距离为2 5 m m 。在介质阻挡材料上施加一定时间的电晕后撤掉外 加电压和针形电极，在最短的时间内换上电荷测量探头进行测量( 如图2 7 b 所示) 。 静电探头到介质阻挡材料的距离为2 m m 。 号? h 鼍0 a 注入电荷b 测量电荷 图2 7 电荷测量装置图 电荷测量探头如图2 8 所示，探头探针与接地外壳之间用p t f e 绝缘，有个小控 制机构r 叮以控制接地的屏蔽盖开合。当屏蔽盖关闭时，探头探针完伞被接地结构所包裹， 这时认为测量的电压为零；当屏蔽盖打开时，探针面向带有电荷的介质阻挡表面，开始 测量表面电荷情况。 。良心 图2 - 8 电荷测量探头 l l 第二章低气压介质阻挡放电形态研究 静电电荷探头实际上是一个电容性的分压器，探头探针与被测材料带电表面之间的 电容构成分压器的高压电容c ，低压侧电容c 就是探头探针与接地之间的电容，包括 测量仪表的输入电容和引线电容。被测带电表面可以等效为一个已经充电的电容e 。其 等效原理如图2 - 9 所示。 c 。 圈2 - 9 静电探头等效原理图 假设被测表面面积为爿( 静电电荷探头的等效面积) ，电荷密度为盯，根据测量等 效原理图3 - 6 ，被测表面的对地电位吒与电荷密度的关系为： kc , - - c e c p = 叫 c z ， 输出电压与屹的关系为： 弘最k q 之 因此 屹= 丧疆o a * 百c p s 两e r a ( c 产e ) ( 2 s ) c 芦+ ec + 鱼ee + 、。芦。 7 。c 口+ c ， 所以 硎“( t + 芒卜睨 c e c ，c 2 4 ， 即。 盯* 屹钐 匕* 吆 o ( 2 5 ) ( 2 _ 6 ) 所以本系统的灵敏度为： s = 形* 钐 ( 2 - 7 ) 由于本系统是通过测量材料表面电荷引起的表面静电电位来获得表面电荷密度的， 因此用于低压侧进行电压测量的装置输入阻抗必须足够大，否则会由于泄漏而无法进行 测量。为了保证整个系统的高阻抗特性，静电电荷探头采用p t f e 绝缘来保证其泄漏电 1 2 华北电力人学博士学位论文 阻足够大。为了保证测量仪器的输入阻抗足够高，输出电压测量仪器选用美国k e i t h l e y 公司的6 5 1 4 型静电计。该仪器测量电压时的输入阻抗大于2 l o “q ，电压测量的量程范 围为2 - 2 0 0 v ，最小分辨率为1 0 u v ，最小可测电流为l x l 0 。1 6 a 1 5 “。 在实际测量系统中，整个系统的泄漏阻抗在1 0 ”q 左右，电容c ，( 由电缆等效电容 和静电计入口电容组成) 约为1 4 2 p f 。因此，由静电电荷探头、电缆引线和静电计组成 的测量系统的时间常数约为1 0 ，这样测量系统泄漏引起的误差可以忽略不计，完全能 够满足测量要求。 由于静电计本身带有系统误差，因此必须进行校验。由于本试验是在敞开的大气环 境下进行，探头与被测物之间只有2 m m 的距离，所以施加的校验电压不能太高。表2 1 给出了施加负直流电压时静电计测量到的原始数据。 表2 1 校正原始数据 待测电压( k 第一鲴新棍，m v 、 笛二绸斯据( m v l笔= 绸新椐f m v 、 0 5 9 o9 18 9 1 o 1 3 31 3 21 3 0 1 51 7 6 1 7 51 7 5 2 0 2 1 92 1 92 1 9 2 52 5 92 6 1 22 6 2 3 03 0 33 0 53 0 5 利用最小二乘法对数据进行直线拟合，得到待测电压【与静电计示数u ：之间的关 系为： u 2 = 8 5 9 0 u i + 4 6 5 6 ( 2 - 8 ) 图2 1 0 给出了拟合直线和校验数据的比较情况，可以看出，本测量系统的线性响 应特性很好。 岁 e 百 j 糕 1 乓 太 脚 瀣 3 0 2 5 1 5 1 0 5 0 0 00 51 01 52 o2 53 o 特测电压u 1 l k v ) 图2 1 0 校验数据及拟合直线 第一二章低气压介质阻挡放电形态研究 经计算，探头到被测物之间的空气电容为： c g = 1 3 0 5 7 x 1 0 1 5 f 有效测量面积为： s = 0 4 4 2 6 m m 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 等效测量直径为o 7 5 r a m 。 电荷密度与输出电压关系为： 盯= 0 3 2 1 x ( u 2 4 6 5 6 ) ( p c n u n 2 ) ( 2 1 1 ) 2 2 ，3 表面电荷测量方法 研究方法是，将高压尖端支架安放好后，迅速升高电压到预定值，1 0 秒后关闭直流 电源，然后在3 0 秒内换好电荷测量支架，并开始测量。每隔6 0 秒测量一次，一共测量 1 0 次。 每次需要改变电晕电压时，用湿毛巾将试品表面仔细擦拭，使试品表面不再带有电 荷。待其干燥后，再进行下一组试验。 材料：为了与低气压放电试验的情况相对比，电荷测量试验采用的介质阻挡材料为 低气压放电试验中的氧化铝陶瓷、石英、聚四氟乙烯、聚丙烯和硅橡胶。 通过a n s y s 软件仿真此针一板电极结构，证实由于不同材料介电常数不同而造成的 材料表面电场强度差异小于1 ，因此可以忽略此部分影响。 加压时间：电晕的施加时间为1 0 s ，因为在交流电压的d b d 中，介质表面积累电荷 的时间非常小，选取太长的电荷积累时间没有意义；而时间如果小于1 0 s ，则可能由于 操作的原因造成加压时间误差太大，人为引起试验数据的不准确。 施加电压：产生电晕的电压源为高压负直流电压源，对高压电极分别施加3 0 0 0 v 、 4 0 0 0 v 和5 0 0 0 v 电压以产生电晕。如果在高压电极上施加的电压小于3 0 0 0 v ，很可能由 于材料表面电场强度没有达到空气的起晕电压而没有电荷积累；如果施加在高压电极上 的电压高于5 0 0 0 v ，则有可能击穿电极与材料之间的空气间隙产生流注放电。 测量位置：施加电晕电压和测量的位置都选在材料的正中心，因为在正中心电场强 度最大，理论上积累的电荷应该最多，便于测量。由于我们关心的是各种不同材料积累 表面电荷的性能，所以不用考虑电荷在空间上的分布。 2 3 热刺激电流( t s c ) 试验研究系统 2 3 1 热刺激电流简介 热刺激电流研究方法是在介质物理基础上发展起来的一门技术 5 6 1 。用于测量某些物 1 4 华北电力大学博士学位论文 质( 电介质、绝缘材料、半导体、驻极体) 的微观参数( 如活化能日、弛豫时间r 等) 。 这一理论和方法在七十年代以后得到迅速发展，目前这一理论和方法已逐渐成熟并完善 起来。热刺激电流的方法和珲论正越来越广泛的应用于陷阱能级分布对载流子表面输 运、电荷存储、介电及电导特性的影响的研究。 热刺激电流( t s c ) 是热刺激过程研究中的一种。热激过程研究是研究材料陷阱特 征的有效方法，一般的热刺激过程的研究方法就是控制试验样品的温度缓慢升高，连续 测量某些物理特征的试验研究方式。而很多情况下，试验样品在进行加热前需要预先进 行激励或者其他处理p ”。 最主要的热激研究方法有热释光( t l ) 、热刺激电流( t s c ) 、热激电子发射( t s e e ) 、 热激松弛( t s d ) 、热重分析法( t g ) 和差热分析法( d t a ) 等。在这里重点介绍本文 所采用的热刺激电流法( t s c ) 。 热刺激电流法是在介质物理基础上发展起来的一门技术，通过t s c 的测量能够容 易而准确地求得各种荷电粒子的性质、数量、松弛时间、陷阱能级、迁移率等参数f 5 6 1 。 近年来，t s c 在研究介质的电荷存储现象方面得到了应用。其试验方法是当被测 样品在某一温度t 1 下被外电场极化一段时间后，保持该电场，迅速将试品冷却至温度 t 2 ( t 2 ， 3 图3 1 辉光放电形态照片 i l i n el i t s 图3 2 典型辉光放电电压、电流波形 2 均匀放电( 汤森放电) 在实现辉光放电的基础上升高气压到某一数值，放电形态和电流发生了定变化。 首先放电变得不那么明亮，放电的面积相比辉光放电状态也有所减小。放电电流的脉宽 相比辉光放电变得非常窄，而且每个半周期内一般只有一个电流脉冲。放电的照片如图 3 3 所示，电流电压波形如图3 4 所示。 从图3 3 中丁以看出，放电的面积仍然很大，但是却没有覆盖整个放电间隙。这种 均匀放电的面积是随气压的升高而减小的，但如果在某一气压下升高电压，放电的面积 也会增大。 如果这种电流波形只