聚酰亚胺在低温真空环境下的直流电气特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)高电压与电磁兼容北京市重点实验室 作者:屠幼萍

  大型超导磁体等超导设备的绝缘系统是必不可少的一个重要部分,运行在液氦或液氮温区附近的绝缘结构失效是引起大型超导装置和设备故障的主要原因。利用自行研制的低温电介质电气特性测试系统,以聚酰亚胺材料为测试对象,研究了其在低温、真空环境下的直流击穿和沿面闪络特性。研究表明,与常温下相比,聚酰亚胺材料低温下的击穿场强有所提高,温度、厚度以及结构不同,其提高程度有所差异。聚酰亚胺材料的沿面闪络场强随着闪络次数的增加而略有增大,并趋于某一稳定值;温度对于首次闪络场强基本无影响,而对于稳定闪络场强,在78~200K 范围内基本不变,在225~250 K 温度区域有所下降,此后又随温度的升高而上升。研究获得的低温真空下绝缘特性相关基础数据可用于低温真空放电特性的探索,为大型超导设备的可靠设计和运行提供参考。

  引言

  近年来,随着超导技术的快速发展及其在电工领域的逐步应用,二者相互结合逐渐形成了超导电力技术。超导电力技术的发展和应用能够大大提高电力工业的发展水平,是对未来电力系统最具影响的新技术之一。早期的研究表明,低温下聚合物电介质的绝缘电阻和绝缘强度都得到提高,而介质损耗因数显著下降,因此人们往往认为常温下能正常使用的聚合物电介质在低温下不存在电气绝缘问题。随着研究的不断深入,学者们发现聚合物绝缘材料在低温下会出现局部放电起始电压降低、抗电树枝老化能力下降等新的问题。因此对其在低温、真空等特殊环境下的电气性能研究是十分必要的。

  聚酰亚胺由于其优良的电气性能和机械性能广泛用作低温电工绝缘材料,目前对其在绝缘领域的应用研究一方面通过改变制造配方和制造工艺来改善其各种参数指标。谭麟、刘立柱等分别将有机改性的多金属氧酸盐、无机改性的二氧化硅添加到聚酰亚胺中制成复合薄膜,研究发现复合聚酰亚胺薄膜的储能模量、热分解温度、介电常数及介质损耗因数等参数均有所变化;程茹等研究了高温热处理对聚酰亚胺薄膜拉伸性能和热性能的影响,发现高温热处理工艺可制备高强度和低热膨胀系数的高性能聚酰亚胺薄膜。另一方面则是对聚酰亚胺的电气性能、机械性能等特性进行试验测试。王之瑄、李元庆、Enis Tuncer 等研究了聚酰亚胺薄膜浸泡在液氮中的基本电气特性;吴广宁、雷清泉、Y. Muramoto 等分别用TSC、PEA 等测试方法研究了聚酰亚胺薄膜中的空间电荷特性;吴广宁、S. H. Lee 等分别研究了脉冲方波、电热因素及冷热循环过程对聚酰亚胺薄膜老化特性的影响。现有的研究主要存在以下问题:

  1)聚酰亚胺电气性能测试环境温度一般都是室温及以上温度,自液氮温区至室温的研究相对较少;

  2)为数不多的对聚酰亚胺低温电气性能的研究,多将绝缘材料浸入液氮获得低温,对材料在真空环境中进行的低温研究几乎没有,而浸没在液氮中的材料其性能可能会受液氮分子的影响;

  3)由于直流电力设备兴起时间较晚,在聚酰亚胺电气性能测试中,交流电压下的试验数据较多,直流电压下的测试结果较为匮乏。

  本文利用实验室自行研制的低温电介质电气特性测试系统,对聚酰亚胺材料在低温、真空环境下的直流电气特性进行测试,研究温度、厚度及多层绕包结构等因素对其击穿场强的影响,以及温度、闪络次数等因素对其沿面闪络场强的影响。

  1、试验平台

  1.1、低温电介质电气特性测试系统

  本文试验研究使用的测试平台为实验室自行研制的低温电介质电气特性测试系统,其结构示意图如图1 所示。

  测试系统工作时,先用分子泵把试验腔内抽成高真空与外界隔热,然后向位于试验腔内的冷槽充入制冷剂液氮,位于冷槽上方的下电极及试样通过与冷槽直接接触传热降温,控制冷槽侧面上所贴的薄膜加热器使试样的温度到达预设值,施加直流电压进行试验测试。

  该系统极限真空度可达 0.5 mPa,试验区域温度可实时监控,调节范围为78~300 K,同时,系统升压方式为全自动控制,从而避免人为因素对试验结果的影响。

低温电介质电气特性测试系统

图1 低温电介质电气特性测试系统

  1.2、电极系统

  由于电极及试样的降温是利用装有液氮的冷槽与下电极直接接触热传导来实现的,在设计电极结构时考虑下电极面积应尽量大。试验采用的电极系统是参照GB/T 1408.1—2006[19]和GB/T 1408.2— 2006设计制作的,满足薄膜材料直流电压试验的要求。试验中发现仅靠上电极的重力作用来压紧试样时,试样所能达到的最低温度仅为146 K。为了加强试样与电极、电极与冷槽之间的热传导,利用环氧树脂板固定压紧电极系统,使试样与电极、电极与冷槽紧密接触,经测试,试样所能达到的最低温度为78 K。绝缘击穿场强测试电极和沿面闪络场强测试电极的结构示意图如图2 所示。

电极结构示意图

图2 电极结构示意图

  4、结论

  1)在真空环境中,78~300 K 温度范围内,聚酰亚胺材料的击穿场强随着温度的降低而提高,提高程度与温度有关;低温条件下,较厚材料的击穿场强低于较薄材料,且两者击穿场强的差距随着温度的降低越来越明显;相同厚度下,绕包结构(双层结构)的击穿场强略低于单层薄膜结构。

  2)在真空环境中,78~300 K 温度范围内,聚酰亚胺材料沿面闪络场强随着闪络次数的增加而增加,并逐渐趋于某一稳定值。对于首次闪络场强,温度对其几乎不存在影响;对于稳定闪络场强,由于温度对阴极电子发射、材料表面的气体分子吸附、脱附、电离等都有影响,当温度低于225 K 时闪络场强几乎不变,在225~250 K 温度附近闪络场强有所下降,当温度高于250 K 时闪络场强又有所上升。

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