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聚合物电介质表面电荷动态特性研究

高宇

   聚合物电介质广泛应用于各种电气电子设备。在外施电场作用下,电荷累积在气-固交界面形成表面电荷并滞留很长时间,这不仅改变了原有绝缘系统的电场分布,还为放电过程提供大量电荷。研究证明,表面电荷是造成聚合物电介质绝缘性能下降的重要原因。本文以聚乙烯(PE)和聚萘二甲酸丁二醇脂(PBN)为试样,采用自制静电探头考察了平面电极下表面电荷产生、迁移、累积和消散的机理及影响因素,提出了抑制表面电荷累积的方法。 本文首先研制了具有线性响应特性的表面电荷测量系统,其电荷分辨率为0.018 pC/mm2。应用该系统采用平面电极考察了直流电压作用下,聚合物电介质表面电荷的累积过程。发现当采用不紧密接触的压接电极时,表面电荷与外施电压极性相同;当采用紧密接触的贴片电极时,与外施电压同极性的电荷累积在高压电极附近,而与外施电压异极性的电荷累积在接地电极附近。提出平面电极向介质的电荷注入是表面电荷累积的主要途径;表面态的存在是表面电荷形成的根本原因;陷阱电荷凭借跳跃机理的沿面输运是形成电荷分布特征的重要因素。发现电荷累积的难易程度依赖于介质种类和电压极性:PE试样的负电荷较正电荷容易累积,而PBN试样的正电荷较负电荷容易累积。 本文采用平面电极系统研究了聚合物介质表面电荷的短路消散规律及影响因素。发现当采用压接电极时,表面电荷消散速度较慢;当采用贴片电极时,表面电荷消散速度较快。PE试样的负电荷消散速度大于正电荷;PBN试样的正电荷消散速度大于负电荷。提出电荷消散初始阶段主要由介质极化能量释放引发的脱陷电荷与空气中异号电荷的复合造成。随着时间的延长,表面电荷在其自身电场作用下的沿面迁移逐渐成为电荷消散的主导因素。电荷消散速度与表面陷阱能级的深浅有关。 本文采用经伽玛线辐射的试样研究了高能辐射对介质表面电荷分布特性的影响。发现当辐射量由0增大至100 kGy时,PE表面电荷的分布特性变化较小,而电荷累积总量减少;当辐射量继续增大至1000 kGy时,表面电荷的分布特性发生变化,电荷累积总量增大。提出高能伽玛线辐射引发材料发生交联和降解反应后,材料表面陷阱特性会发生改变。提出采用高能辐射方法可以抑制辐射交联型聚合物电介质的表面电荷累积,并针对高能辐射对PBN表面电荷的抑制作用进行了研究。……   
[关键词]:聚合物;表面电荷;累积;消散;表面态;电极接触方式;伽玛线辐射
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:天津大学2009年