300K～120K温区聚酰亚胺表面电荷分布特性研究

• 作 者: 易承乾
• 出 处: 华北电力大学(北京)
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 低温 高真空 表面电位分布 电荷积聚模型 沿面闪络

大型低温设备及航空航天装备在正常运行时,绝缘系统处在低温高真空的环境中,长时间运行时绝缘介质极易积聚电荷,从而引发沿面闪络事故。目前尚无低温下表面电荷测量装置,低温下介质表面电荷积聚特性及其对沿面闪络影响的研究工作开展很少,本文研究工作具有重要意义。针对低温下电子元器件易损坏和运动机构无法正常工作等问题,本文通过优化无源静电探头结构、改造放大电路并采取相应保温处理,研制了可在300K～120K温度范围内进行三维扫描的表面电荷测量装置,并在低温下对测量系统进行了标定。其中测量系统的空间分辨率为0.6777mm2、电荷分辨率为0.044μC/(m2·mV),相邻两点的测量间隔可至0.5秒。测试获得了 300 K、210 K和120 K下聚酰亚胺的表面电位分布特性。在直流电压作用下,试样表面电位为同极性电位,自高压电极向接地电极递减;低温抑制了表面电位的升高;提升直流电压将增大电荷的注入量与迁移距离。经分析发现电荷由电极注入到试样中,在界面和切向电场的作用下沿表面迁移,并产生同极性表面电位。表面电位衰减特性表明,低温下电荷衰减时间比常温下要长。根据低温高真空下电荷积聚特点,基于载流子输运模型,建立了电荷积聚计算模型。计算得到了直流电压作用下,介质在不同温度、不同时间的电荷密度分布、表面电位和试样表面真空侧电场。发现注入的同极性电荷沿表面的迁移距离较短,削弱了阴极附近电场、增强电荷与阳极之间的电场;低温下电荷在介质内部的迁移距离极小,可认为主要集中在试样表面。研究输运参数对结果的影响发现,表面迁移率的增加、陷阱深度和密度的减小都将增大电荷在介质表面的迁移距离及积聚的电荷量。分析电荷积聚对高真空沿面闪络的影响后,选取了与电子发射、碰撞能量、法向场强和切向场强相关的4个影响因子。利用本文电荷积聚模型计算了 300K、210 K、120K下影响因子的值,发现低温下电荷积聚更有利于促进闪络。最后从材料属性、电场分布和电极光滑程度等方面提出了抑制沿面闪络的措施。