1 工程電介質(zhì)絕緣擊穿特性和統(tǒng)計(jì)分析

1 擊穿特性

1.1 本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)

聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)是決定其本征擊穿性能的關(guān)鍵因素. 本征擊穿主要指電子雪崩擊穿. 聚合物中的極性基團(tuán)、分子量、立構(gòu)規(guī)整性等結(jié)構(gòu)因素都會(huì)對(duì)電子加速造成影響, 進(jìn)而影響擊穿場(chǎng)強(qiáng). 在聚合物中引入極性基團(tuán)能夠提高材料低溫區(qū)的擊穿場(chǎng)強(qiáng), 這是因?yàn)?/span> 引入的偶極子會(huì)加強(qiáng)對(duì)加速電子的散射, 減緩電子雪 崩和碰撞電離的發(fā)展. 一般情況下, 聚合物的擊穿場(chǎng)強(qiáng) 會(huì)隨其分子量的增大而增大. 對(duì)于聚苯乙烯(polystyrene, PS)、高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)、低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)等聚合物, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)與分子量之間的經(jīng)驗(yàn)公式 (工頻電壓與脈沖電壓下均成立)為：

E = A+ Bexp( K / m), (1) b

式中, A, B, K均為常數(shù), 對(duì)于不同的聚合物取值不同; m 為分子質(zhì)量, 分子量較小時(shí), 擊穿場(chǎng)強(qiáng)緩慢提高, 當(dāng)分 子量達(dá)到一定數(shù)值后, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)迅速提高, 最后提高的 速度又緩慢下降.

1.2 外施條件對(duì)擊穿的影響

典型聚合物材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的變化關(guān)系表明, 對(duì)非極性聚合物來講, 在某一特定溫度以下, 隨 著溫度的上升擊穿場(chǎng)強(qiáng)不變或略有增加, 如低密度聚 乙烯、聚異丁烯(polyisobutylene, PIB); 而在高溫區(qū), 非極性聚合物的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的升高明顯下降. 對(duì) 極性聚合物來講, 隨溫度的升高其擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降, 沒 有明顯的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn). 擊穿場(chǎng)強(qiáng)的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)與非極 性聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)有關(guān). 對(duì)線性聚合物 而言, 如LDPE, 不同溫度區(qū)域的擊穿機(jī)理不同, 其與 聚合物的分子鏈狀態(tài)和形態(tài)有關(guān): 低溫區(qū)(玻璃態(tài)), 電 子雪崩擊穿占主導(dǎo), 此時(shí)極性聚合物的擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于 非極性聚合物; 中溫區(qū)(橡膠態(tài)), 可能的擊穿機(jī)理為 電、熱或自由體積擊穿; 高溫區(qū)(黏流態(tài)), 熱擊穿或 電-機(jī)械擊穿占主導(dǎo). 聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)薄膜直流和脈沖擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的變化表明, 脈 沖擊穿場(chǎng)強(qiáng)在低溫時(shí)基本不變, 高溫時(shí)出現(xiàn)下降, 這與 非極性聚合物擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的變化類似, 但高于非 極性聚合物的擊穿場(chǎng)強(qiáng). 這可能是由于偶極子對(duì)電子 散射所致. 直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)在低溫時(shí)隨溫度有所增大, 高溫時(shí)明顯下降. PVC的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于脈沖擊穿 場(chǎng)強(qiáng), 這可能是由直流電場(chǎng)下同極性空間電荷和偶極 子對(duì)電子的散射共同作用導(dǎo)致的. 在低溫區(qū)(<120°C), PVC的脈沖擊穿場(chǎng)強(qiáng)與溫度關(guān)系不大, 符合電子碰撞 電離擊穿機(jī)理(類似于非極性聚合物). 但PVC低溫時(shí) 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于非極性聚合物, 這是由于其偶極子對(duì) 電子的散射增強(qiáng)導(dǎo)致的. 對(duì)拉伸和未拉伸的PVC試樣 而言, 其擊穿場(chǎng)強(qiáng)與溫度的關(guān)系類似. 值得注意的是,兩種試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)別在于不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的 擊穿結(jié)果不同, 比如直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)與溫度的關(guān)系在拉 伸試樣中出現(xiàn)峰值. 研究指出, 這個(gè)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的峰值 與空間電荷效應(yīng)有關(guān). 在拉伸試樣中, 由于其電場(chǎng)方 向垂直于拉伸方向, PVC的形態(tài)表現(xiàn)為各向異性. 在 低溫區(qū), 隨著溫度的升高, PVC電極附近出現(xiàn)同極性 空間電荷積聚, 導(dǎo)致電荷注入降低, 改善界面電場(chǎng)分 布, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)增加; 隨著溫度繼續(xù)升高, PVC電極附近 和試樣中出現(xiàn)異極性電荷積聚, 導(dǎo)致電荷注入增強(qiáng), 電 場(chǎng)畸變?cè)龃?/span>, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降; 同極性和異極性空間電荷 的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致PVC拉伸試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)與溫度的關(guān)系出現(xiàn)峰值.

升壓速率是影響介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的重要因素. 隨著 升壓速率的增加, 電樹起始電壓下降, 負(fù)極性的電樹起 始電壓高于正極性[38]. 這表明, 升壓速率提高更容易引 發(fā)電樹枝, 從而降低擊穿場(chǎng)強(qiáng). 電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)與介質(zhì) 厚度有關(guān). 研究表明, 介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨厚度的增加而 降低, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)與介質(zhì)厚度的變化規(guī)律可以用類指數(shù)關(guān)系來描述。

1.3 空間電荷積聚與擊穿

很多研究表明 , 空間電荷與擊穿有密切關(guān)系. 一般認(rèn)為介質(zhì)體內(nèi)空間電荷的減小, 可降低 介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)畸變, 從而提高介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng). 同極 性空間電荷可以提高介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng), 而異極性空間 電荷可以降低介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng).

圖3為典型空間電荷與擊穿關(guān)聯(lián)的示意圖. 高場(chǎng)下絕緣介質(zhì)空間電荷特性與擊穿的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 隨著電場(chǎng)增加, 電子和空穴注入明顯增加, 介質(zhì)內(nèi)部存在較多的空間電荷積聚. 如圖3(a)所示, 電荷注入后會(huì)被電極/介 質(zhì)界面的陷阱捕獲, 形成電子和空穴陷阱電荷積聚. 隨 著注入的加強(qiáng), 陷阱被填滿, 形成界面空間電荷積聚. 隨時(shí)間增加, 注入電子向介質(zhì)內(nèi)部遷移, 繼續(xù)入陷/脫 陷, 形成復(fù)雜的空間電荷包. 同時(shí), 介質(zhì)內(nèi)部電荷輸 運(yùn)包括電子-空穴復(fù)合、電荷遷移和陷阱填充效應(yīng). 當(dāng) 時(shí)間增加到某一時(shí)刻時(shí), 空間電荷包向介質(zhì)內(nèi)部不斷 遷移, 在某一個(gè)特定的位置, 空間電荷包停止遷移; 之 后, 介質(zhì)材料試樣內(nèi)部的電場(chǎng)畸變嚴(yán)重, 內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到 最大(如LDPE中可達(dá)5.5 MV/cm), 進(jìn)而導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生. 擊穿后, 空間電荷包分成了兩部分向電極處擴(kuò) 散. 擊穿短時(shí)間后, 空間電荷包消失. 研究認(rèn)為, 高 場(chǎng)下介質(zhì)材料的擊穿與空間電荷復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為密 切相關(guān). 電荷包的形成是擊穿發(fā)生的前期過程. 電荷包 遷移運(yùn)動(dòng)及造成的電場(chǎng)畸變是擊穿發(fā)生的中間過程. 空間電荷積聚造成的電場(chǎng)畸變導(dǎo)致介質(zhì)材料電子加 速、電荷倍增和能量積聚, 進(jìn)而引發(fā)介質(zhì)材料分子鏈 斷裂是擊穿發(fā)生的最后階段.

圖3

圖3(b)為介質(zhì)材料內(nèi)部空間電荷積聚量和電場(chǎng)強(qiáng) 度的關(guān)系. 可以看出施加電壓后, 低壓、低溫和升壓 速率較快時(shí)介質(zhì)內(nèi)部無空間電荷積聚(區(qū)域Ⅰ), 此時(shí)電 荷積聚量少. 隨著電荷積聚量增加, 如電壓增加時(shí), 電 荷注入增強(qiáng), 界面陷阱捕獲造成電極/試樣界面形成同 極性空間電荷(區(qū)域Ⅱ). 此時(shí), 界面電場(chǎng)降低, 減弱了 電荷注入, 而介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)增加, 有利于提高擊穿場(chǎng)強(qiáng). 隨著電荷量進(jìn)一步增加, 界面電荷出陷和抽出增加, 介質(zhì)內(nèi)部雜質(zhì)電離, 導(dǎo)致電極/試樣界面形成異極性空間 電荷(區(qū)域Ⅲ). 異極性電荷導(dǎo)致界面電場(chǎng)增強(qiáng), 增加了電荷注入, 導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)降低. 溫度和電壓上升速率等 可以影響電荷注入以及同極性和異極性電荷特性, 進(jìn) 而影響擊穿場(chǎng)強(qiáng). 升壓速率快時(shí), 電荷積聚少, 或形成 同極性電荷, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)高. 升壓速率慢時(shí), 有利于空間 電荷積聚和遷移, 形成異極性電荷, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)低.

基于空間電荷與介質(zhì)材料擊穿的實(shí)驗(yàn)和理論研究可以分析介質(zhì)材料交流擊穿和直流擊穿的差異. 研究指出, 空間電荷積聚造成介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)畸變是擊穿的重要影響因素. 直流下, 由于空間電荷積聚, 介質(zhì)內(nèi)部最大電場(chǎng)總發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部, 擊穿的引發(fā)出現(xiàn)在介質(zhì) 內(nèi)部的分子鏈斷裂和電流激增. 通常介質(zhì)內(nèi)部的體特性穩(wěn)定, 且難以破壞. 直流下?lián)舸┍憩F(xiàn)為介質(zhì)的體擊穿. 對(duì)聚合物介質(zhì)材料而言, 介質(zhì)本征擊穿強(qiáng)度很高, 因此直流下介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)高. 交流電壓下, 由于電荷注 入類型和輸運(yùn)方向隨著交流電場(chǎng)交變而變化, 由此造成介質(zhì)界面形成異極性空間電荷積聚. 此時(shí), 界面電場(chǎng)增強(qiáng), 擊穿起始于界面弱點(diǎn), 然后很快發(fā)展到介質(zhì)內(nèi)部, 最終導(dǎo)致整個(gè)介質(zhì)擊穿. 因此, 交流下介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng) 較低.

2.2 擊穿統(tǒng)計(jì)分析

聚合物電介質(zhì)的擊穿過程實(shí)際上受到許多因素的影響. 介質(zhì)材料擊穿實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)在同一種情況下 呈現(xiàn)出分散性, 因此作為表征介質(zhì)材料性能的短時(shí)擊 穿強(qiáng)度在大多數(shù)情況下只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值. 研究者對(duì)擊 穿的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)擊穿電壓或場(chǎng)強(qiáng)在測(cè) 試標(biāo)準(zhǔn)下服從統(tǒng)計(jì)學(xué)概率分布, 并提出了可以采用統(tǒng) 計(jì)學(xué)方法來研究介質(zhì)材料的擊穿性能. Weibull 分布是瑞典物理學(xué)家Weibull在研究材料的疲勞試驗(yàn)中 提出來的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布. 事實(shí)證明, Weibull分布如今已 成為可靠性分析工程中應(yīng)用廣泛的壽命概率分布之 一. 在外電壓的作用下, 聚合物電介質(zhì)材料的擊穿強(qiáng)度 和在固定場(chǎng)強(qiáng)下?lián)舸┧璧臅r(shí)間都滿足Weibull統(tǒng)計(jì)分 布. 它反映了材料在一定電場(chǎng)下被擊穿的概率或在一 定電場(chǎng)作用時(shí)間后失效的概率. 研究者通過引入力 學(xué)、熱力學(xué)因子對(duì)Weibull分布的修正得到了相對(duì)完善 的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型. 采用這種Weibull分布的統(tǒng)計(jì)模型可以 分析電介質(zhì)材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的大小和分散性, 獲得介質(zhì) 材料發(fā)生擊穿的穩(wěn)定性分析結(jié)果.

典型Weibull分布概率統(tǒng)計(jì)在電介質(zhì)擊穿中的應(yīng)用 表明, 兩參數(shù)和三參數(shù)Weibull分布都可以表征材料的擊穿性能. 兩參數(shù)Weibull分布結(jié)果中橫坐標(biāo)表示 擊穿場(chǎng)強(qiáng)對(duì)數(shù), 縱坐標(biāo)表示擊穿概率. 兩參數(shù)Weibull分 布可用一直線擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 直線的斜率是形狀參數(shù)β, 表示擊穿的數(shù)據(jù)分散性. 從與X軸截距可以計(jì)算出α, 獲 得試樣的特征擊穿場(chǎng)強(qiáng). 三參數(shù)Weibull分布結(jié)果中橫坐標(biāo)表示擊穿場(chǎng)強(qiáng), 縱坐標(biāo)是擊穿概率. 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明, 三參數(shù)Weibull分布可以更好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 據(jù)此可獲得特征擊穿場(chǎng)強(qiáng).