真空中铜微粒附着在陶瓷绝缘体上引起其表面电缘特性的变化

1、真空中铜微粒附着在陶瓷绝缘体上引起其表面电缘特性的变化f 袭绝 ,?熏,-日 4真0 空电器技术 真空中铜微粒附着在陶瓷绝缘体上 引起其表面电缘特性的变化 .、口二r遐v,乙能nnaM.s诎a波兰G电rze子si工ak1z院hig跏aSzak答波兰电子工程学院7/金属蒸发到陶瓷绝缘体的非理想光滑的表面上 ,形成一个不连续的 金属层 .虽然陶瓷物质仍然保持其绝缘特性 ,但是这些绝缘特性又发生了很大变化.这篇文章对表面覆有铜层的氧化铝绝缘体的几个选定的绝缘表面特征进行了比较分析通过对它们空 气中和在真空中的研究 ,我们得到以下关系 :表面电阻率与铜附着效量的关系 ,表面电阻率与 电压的关系以及表面

2、电阻率与击穿放电场强的关系,概述在与真空开关管制造商长期合作的过程中,我们认识到要对开关操作后的真空灭弧室的电绝缘特性进行分析 . 我们需要预测真空灭弧室绝缘壳内表面上所沉积的金属蒸发物对绝 缘壳绝缘性能的影响 ,在真空开关管的灭弧室内 ,燃弧和熄弧过程中我们可以看到特别 剧烈的溅散过程 .蒸汽冷凝屏蔽罩只是部分降低了金属飞溅物的影响 . 附着在非理想光滑的陶瓷绝缘体表面的金属形成一个不连续的金属 层.这层金属降低了表面电阻率但是并没有破坏绝缘体的绝缘特性 . 我们的目的是确定真空中绝缘体的绝缘性能与金属在其表面附着量 之间的美系 .另外 ,我仍要比较出绝缘体表面绝缘性能在空气中和在真空中的差

3、异 . 如果将表面覆有金属的绝缘体教在真空中,当对它施加的电压足够高时 ,就有可能看到分散在绝缘体表面的金属小点发生了场致发射现象.场致发射现象由着名的 FN 方程式所描述 .在这种情况下 ,真空中表面电流可能具有大量的电子成分 ,它的数 值根据 FN 方程是取决于电压的 -,覆有不连续金属层的绝缘体的表面电阻率在真空中比 在空气中低 .我们可以假设在真空中绝缘体表面有一层金属物可以提高或降低其 表面绝缘强度 .米勒和弗勒曾研究了表面附有 Mn/T-或MntTi/Cr混合物的氧化铝绝 缘体的电压释放能力 .他总结出准金属化的氧化铝绝缘体的释放电压与未经处理的 绝缘体比较升高了 25.准金属化绝

4、缘体的表面强度比未金属化的绝缘体的表面强度升高了是由于以下三个因紊的影响:(1) 降低了绝缘体的表面电阻率 (2) 减少了绝缘体二次电子发射的产生 真空电器技术(3) 改善了绝缘体表面场强的均匀性 . 如果表面覆有金属的绝缘体表面电阻率小于临界值,也会使表面强度降低 .在一定条件下.产生的热能比转移的热能大,导致绝缘体外面薄层的热击 穿 .Aridienkoetal 和 Brettch nt.ddlet 从理论上和实验上对热平衡的问题进行了研究 . 本文提出了以下几个问题 :(1) 铜蒸发到氧化铝绝缘体表面 ,在真空中和在空气中绝缘体表面电 阻率都取决于绝缘体表面铜的数量 .(2) 在真空中和

5、在空气中绝缘体表面电阻率对于电压(至 lOkV) 的依赖关系 ;(3) 在真空和在空气中表面电阻率与击穿放电的函数关系 . 二,试验步骤1. 绝缘体被研究的绝缘体是由氧化铝制成的(98%AIO). 形状为圆柱体,直径是20ram?高度为10,15和2Cmm.从每组绝缘体试验中所得出的结果差 异不大 .本文给出了选定组的实验结果INo55(高度等于10ram),6(15mm)7(20ram)每组都有 几个覆盖着铜的绝缘体和一个没有覆(1)圆柱形绝缘体 (2)圆盘传送带 (3)熔化的铜绝缘体表面的铜层是利用真空蒸发技术得到的 .图 1 为真空中金属蒸 发附着在绝缘体表面的方法 ?同一组中的绝缘俸表

6、面金属韵擦覆是同时进行的.从图 1中可以看出 .绝缘体一个42 真空电器技术放在另一个上面，所以它们的总高度不超过12cm,在铜覆着过程中，我 们可以用一个特殊的圆盘传送带使绝缘体绕着它们的轴转动.真空室中真空度为1OPa铜附 着时间大约为 3 分钟 .每个绝缘体上铜的附着量不同 ,但其它条件都是相同的 . 知道了熔化的铜的质量 ,我们就可以用下列公式来计算铜层的厚度 ;.mRh.可式中:d同层厚度cm;m熔化的铜的质量，单位为g;R,h 见图 1 所示尺寸 ,单位为 cm;6=8.96gcmlR=8cm5,H圉 2 铜层在绝缘体上的厚度分布图 2 为铜在绝缘体上预期的附着厚度分布 . 铜虽然

7、渗入到陶瓷材料中 但是却没有形成一个连续的金属层 .尤其是陶瓷表面凹进去的部分就没有铜附着在其 上面.2. 电楹电极是由电解抛光铜制成的 .电报形状象靶子 ,直径为 55mm, 厚度为10ram.电极边缘是圆的 .3. 测试设备我们使用真空度为1OPa 量级的金属真空室并有一个300kV 套管 .测试使用的是 150kV,15kVA,50Hz 的变压器. 绝缘体的电阻是且电子绝缘计来测量的 .这个装置有自己的直流电压源,P29,O调整到10kV,它可以测试3.6x10 到1x101n的电阻.准金属化绝缘体表面的场致电子发射电流可以用高电压非平衡电桥的方法来测量 .图 3 为测量设备 .CRO-

8、双阴极射线示波器圈 3 用来测量电子场致发射电流的高压非平衡电桥任x 50arlt=目 u 二_._真空电器技术三,结果与讨论在研究的第一阶段 ,样品的表面电阻率或是测量出来的或是确定的图 4 所示的是两个表面覆有不同数量铜的绝缘体 (6.5 和 6.6)的表面电阻率与电压的关系 我们同时在真空中和空气中都进行了试验 .将绝缘体放人空气盘属室中 ,测量绝缘体的表面 电阻,然后将盘属室抽真空,在真空中测定绝缘体的表面电阻 .因而 ,所有的几何条件都是相同 我们可以看到 ,表面电阻在很大程度上取决于电压,在真空中铡出的表面电阻率总是比在空气中要低 .1o111oIo I 】0WI, OH圉 4 表

9、面覆有不同数量的铜的绝缘体(6.5 和 6.6)的表面电阻率与电压的关系 .下面图 5 所示是在空气中和真空中 ,对绝缘体 6.3 6.7进行的测量 , 测出其表面电阻率受电压的影响 ,用我们的设备测量不出表面没有覆铜的绝缘体6.O 和表面覆有一薄层铜的绝缘体(6.1 和 6.2)的电阻率 .图 6 是在选定的电压下 , 绝缘体表面铜附着屡厚度对表面电阻的影响 这种作用由功率函数表示 .我们用归纳的方法 , 把以前不可测量的表面电阻率确定下来 .我们注意到在真空中涮得的表面电阻率总比在空气中测得的表面电 阻率要低 .我们还采取了其它一些测量方法来对绝缘体表面各十金属小点之间是否发生 场致电子发

10、射进行解释 .我们测量了真空中一些表面覆有金属的绝缘体在预放电阶段的电流图 7 为一十波形图 ,正弦电压以及场致发射电流的理论形状 .它们与 FN 方程式完全相 符.我们看到被测的电流是完全对称的 .这个情况是典型的 ,经常看到的 .如果我们把波形图电流形状与计算出来的电流形状相比较 t 可以得出结论 :表面附有一层金属不连续层的绝缘体 表面可能发生场致电子发射.研究的第二阶段是计算表面覆有铜的氧化铝的表面强度.测量在空气和真空中进行 .我们知道真空中的击穿放电电压是一十明确概念.电压值上升就会发生连续的击穿放电 .通常在 2O 一 3O 次放电之后 ,电压值就稳定下来 .在空气中则没有这 种

11、老炼作用 .真空电器技术盘-101010%1.inerld圉5绝缘体6.3 6.7在空气圈6在10kV电压下绝缘体表面 中和真空中测出其表面电铜附着层厚度对表面电阻的影响阻率受电压晦影响（在空气中， 真空中）圈 7 覆有铜层的绝缘体表面电流波形圈（a）在真空中测量（b）理论形状图 8所示为三组绝缘体 （5.6和 7）的击穿放电场强 （前三次击穿放电场 强的平均值 ）与表面电阻的关系.表面电阻是在真空中测定的.场强为5kVcm.我们可 以发现所有被研究的绝缘体的击穿放电场强效值在空气中都是相同的 .相反,我们可以看到 真空中击穿放电受绝缘体表面电阻率的影响很大 .与表面没有覆盖着铜层的绝缘体相比

12、较 ,铜 附着在绝缘体表面上能提高（215）或降低（50）表面击穿放电强度 .在真空中观察到表面电阻率等于 10”一 10”f/cmcm 时绝缘体表面的击穿放电场强最大 .而在空气中表面电阻率在 10. 10flcmcm 之亘 I * Ho-o真空电器技术 45问 ,没有发现表面电阻率对表面场强的影响 .四,结论铜附着三氧化二铝绝缘体表面降低了其表面电阻率,但是绝缘体仍具有绝缘性能 .表面附有金属层的绝缘体表面电阻率在真空中比在空气中要低.我们是说 ,由于绝缘体表面分别散布的金属小点之间产生了电子场致发射 ,使得真空中产生了电流成分 . E-h ivc( -/1 S55x lno- ZxJII

13、lIll_III 1l|图 8 绝缘体的击穿放电场强与 5kV 真空中的表面电阻的关系绝缘体上覆有一层铜能使真空中的击穿放电电压上升(215)和下降(50),但是在空气中 ,10.一 10ticmcm 范围内没有发现表面电阻率的影响 .参考文献 （略）王芳琴译自真空1994Vo1.45. M5周锋校 l ll%o” I t “九五”重大技术开发项目1中等容量真空和SFe发电机保护断路器，要求技术参数为：额定电压1224kV;额定电流630012500At额定开断电流为80125kA;机械寿命 400（次 :该 产品年需求量为 300台I2?1035kV 户外真空断路器系列开发 ,技术参数 :额定电压 1035k