川崎前锋对上海上港直播:聚酰亞胺在低溫真空環境下的直流電氣特性

真空材料 屠幼萍 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室

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  大型超導磁體等超導設備的絕緣系統是必不可少的一個重要部分,運行在液氦或液氮溫區附近的絕緣結構失效是引起大型超導裝置和設備故障的主要原因。利用自行研制的低溫電介質電氣特性測試系統,以聚酰亞胺材料為測試對象,研究了其在低溫、真空環境下的直流擊穿和沿面閃絡特性。研究表明,與常溫下相比,聚酰亞胺材料低溫下的擊穿場強有所提高,溫度、厚度以及結構不同,其提高程度有所差異。聚酰亞胺材料的沿面閃絡場強隨著閃絡次數的增加而略有增大,并趨于某一穩定值;溫度對于首次閃絡場強基本無影響,而對于穩定閃絡場強,在78~200K 范圍內基本不變,在225~250 K 溫度區域有所下降,此后又隨溫度的升高而上升。研究獲得的低溫真空下絕緣特性相關基礎數據可用于低溫真空放電特性的探索,為大型超導設備的可靠設計和運行提供參考。

  引言

  近年來,隨著超導技術的快速發展及其在電工領域的逐步應用,二者相互結合逐漸形成了超導電力技術。超導電力技術的發展和應用能夠大大提高電力工業的發展水平,是對未來電力系統最具影響的新技術之一。早期的研究表明,低溫下聚合物電介質的絕緣電阻和絕緣強度都得到提高,而介質損耗因數顯著下降,因此人們往往認為常溫下能正常使用的聚合物電介質在低溫下不存在電氣絕緣問題。隨著研究的不斷深入,學者們發現聚合物絕緣材料在低溫下會出現局部放電起始電壓降低、抗電樹枝老化能力下降等新的問題。因此對其在低溫、真空等特殊環境下的電氣性能研究是十分必要的。

  聚酰亞胺由于其優良的電氣性能和機械性能廣泛用作低溫電工絕緣材料,目前對其在絕緣領域的應用研究一方面通過改變制造配方和制造工藝來改善其各種參數指標。譚麟、劉立柱等分別將有機改性的多金屬氧酸鹽、無機改性的二氧化硅添加到聚酰亞胺中制成復合薄膜,研究發現復合聚酰亞胺薄膜的儲能模量、熱分解溫度、介電常數及介質損耗因數等參數均有所變化;程茹等研究了高溫熱處理對聚酰亞胺薄膜拉伸性能和熱性能的影響,發現高溫熱處理工藝可制備高強度和低熱膨脹系數的高性能聚酰亞胺薄膜。另一方面則是對聚酰亞胺的電氣性能、機械性能等特性進行試驗測試。王之瑄、李元慶、Enis Tuncer 等研究了聚酰亞胺薄膜浸泡在液氮中的基本電氣特性;吳廣寧、雷清泉、Y. Muramoto 等分別用TSC、PEA 等測試方法研究了聚酰亞胺薄膜中的空間電荷特性;吳廣寧、S. H. Lee 等分別研究了脈沖方波、電熱因素及冷熱循環過程對聚酰亞胺薄膜老化特性的影響。現有的研究主要存在以下問題:

  1)聚酰亞胺電氣性能測試環境溫度一般都是室溫及以上溫度,自液氮溫區至室溫的研究相對較少;

  2)為數不多的對聚酰亞胺低溫電氣性能的研究,多將絕緣材料浸入液氮獲得低溫,對材料在真空環境中進行的低溫研究幾乎沒有,而浸沒在液氮中的材料其性能可能會受液氮分子的影響;

  3)由于直流電力設備興起時間較晚,在聚酰亞胺電氣性能測試中,交流電壓下的試驗數據較多,直流電壓下的測試結果較為匱乏。

  本文利用實驗室自行研制的低溫電介質電氣特性測試系統,對聚酰亞胺材料在低溫、真空環境下的直流電氣特性進行測試,研究溫度、厚度及多層繞包結構等因素對其擊穿場強的影響,以及溫度、閃絡次數等因素對其沿面閃絡場強的影響。

  1、試驗平臺

  1.1、低溫電介質電氣特性測試系統

  本文試驗研究使用的測試平臺為實驗室自行研制的低溫電介質電氣特性測試系統,其結構示意圖如圖1 所示。

  測試系統工作時,先用分子泵把試驗腔內抽成高真空與外界隔熱,然后向位于試驗腔內的冷槽充入制冷劑液氮,位于冷槽上方的下電極及試樣通過與冷槽直接接觸傳熱降溫,控制冷槽側面上所貼的薄膜加熱器使試樣的溫度到達預設值,施加直流電壓進行試驗測試。

  該系統極限真空度可達 0.5 mPa,試驗區域溫度可實時監控,調節范圍為78~300 K,同時,系統升壓方式為全自動控制,從而避免人為因素對試驗結果的影響。

低溫電介質電氣特性測試系統

圖1 低溫電介質電氣特性測試系統

  1.2、電極系統

  由于電極及試樣的降溫是利用裝有液氮的冷槽與下電極直接接觸熱傳導來實現的,在設計電極結構時考慮下電極面積應盡量大。試驗采用的電極系統是參照GB/T 1408.1—2006[19]和GB/T 1408.2— 2006設計制作的,滿足薄膜材料直流電壓試驗的要求。試驗中發現僅靠上電極的重力作用來壓緊試樣時,試樣所能達到的最低溫度僅為146 K。為了加強試樣與電極、電極與冷槽之間的熱傳導,利用環氧樹脂板固定壓緊電極系統,使試樣與電極、電極與冷槽緊密接觸,經測試,試樣所能達到的最低溫度為78 K。絕緣擊穿場強測試電極和沿面閃絡場強測試電極的結構示意圖如圖2 所示。

電極結構示意圖

圖2 電極結構示意圖

  4、結論

  1)在真空環境中,78~300 K 溫度范圍內,聚酰亞胺材料的擊穿場強隨著溫度的降低而提高,提高程度與溫度有關;低溫條件下,較厚材料的擊穿場強低于較薄材料,且兩者擊穿場強的差距隨著溫度的降低越來越明顯;相同厚度下,繞包結構(雙層結構)的擊穿場強略低于單層薄膜結構。

  2)在真空環境中,78~300 K 溫度范圍內,聚酰亞胺材料沿面閃絡場強隨著閃絡次數的增加而增加,并逐漸趨于某一穩定值。對于首次閃絡場強,溫度對其幾乎不存在影響;對于穩定閃絡場強,由于溫度對陰極電子發射、材料表面的氣體分子吸附、脫附、電離等都有影響,當溫度低于225 K 時閃絡場強幾乎不變,在225~250 K 溫度附近閃絡場強有所下降,當溫度高于250 K 時閃絡場強又有所上升。