基于局部放电理论的聚合物电介质击穿动力学理论研究-物理学报.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 11 (2014) 117701 基于局部放电理论的聚合物电介质击穿 动力学理论研究∗ 李丹 胡海云 (北京理工大学物理学院, 北京 100081) ( 2013 年9 月23 日收到; 2014 年1 月14 日收到修改稿) 随着电力设备电压等级的提高, 对电力设备中聚合物电介质材料的可靠性提出了更加严格的要求, 然而 由于聚合物电介质材料在生产制造过程中不可避免的存在气泡、杂质等缺陷, 导致在高电场作用下会发生局 部放电从而大大降低了电力设备的使用寿命. 因此, 为了预防和减少电力设备中因聚合物电介质材料老化所 带来的事故, 需要合理地估算其电老化寿命. 本文从局部放电老化模型的微观机理出发, 利用非平衡态统计 理论建立了电裂纹不断扩展的随机微分方程, 然后推导出聚合物电介质的击穿概率、可靠性以及电老化寿命 与外加电场的函数关系. 最后, 对聚苯二甲酸乙二醇酯(polyetllyleneterephthalate, PET) 薄膜材料进行具体 分析, 将电老化寿命公式的理论值与实验数据作了比较, 发现实验数据与理论值较为相符. 因此, 本文推导的 聚合物电介质电老化寿命公式可以有效地应用在定量分析中, 并有望为材料的电寿命预测提供帮助. 关键词: 局部放电模型, 非平衡统计理论, 电老化寿命 PACS: 77.22.Jp, 51.50.+v, 52.80.Dy, 05.20.Dd DOI: 10.7498/aps.63.117701 多学者的关注3−5 , 并有许多理论对介电材料电老 1 引 言 化过程中所出现的现象和规律进行了解释, 主要可 分为三类: 1) 从晶体和气体物质方面提出了雪崩 聚合物材料因具有击穿场强高、介电损耗低、 击穿理论6 7 、电子电流击穿理论 、气体导电通道 耐腐蚀性强和易于加工制造等诸多优良的物理化 理论8 9 、局域缺陷扩展理论 等, 这些老化击穿理 学性能而广泛应用于电力设备中1 . 随着用电负荷 论大多只能解释聚合物老化击穿的个别现象, 存在 和输电距离的不断增大, 电力设备的电压等级逐渐 一定局限性, 对电老化规律的描述停留于经验公式 提高, 对聚合物介电材料的可靠性提出了越来越高 上10 ; 2) 从聚合物的物质结构、能带结构和化学 的要求. 然而, 由于聚合物介电材料在生产制造过 结构的特点出发, 提出了电子非辐射能量转移理 程中不可避免的存在气泡、杂质等缺陷, 会在外加 论11 12 、电荷陷阱理论 等老化击穿理论, 将老化 强电场的作用下产生局部放电. 虽然局部放电一般 机理的研究集中在寻找高能电子的形成机理上, 并 不会引起绝缘材料的穿透性击穿, 但长期存在的局 利用陷阱密度作为衡量老化程度的参数, 从理论上 部放电可以导致聚合物电介质的局部损坏甚至击 推导出老化公式, 进一步完善了电树枝老化理论; 穿, 从而大大降低电力设备的使用寿命. 因此, 研 3) 研究放电脉冲的频率、前沿、波尾、脉宽等波形参 究聚合物介电材料的电老化和击