1 工程電介質絕緣擊穿特性和統計分析

1 擊穿特性

1.1 本征擊穿場強

聚合物材料的分子結構是決定其本征擊穿性能的關鍵因素. 本征擊穿主要指電子雪崩擊穿. 聚合物中的極性基團、分子量、立構規整性等結構因素都會對電子加速造成影響, 進而影響擊穿場強. 在聚合物中引入極性基團能夠提高材料低溫區的擊穿場強, 這是因為 引入的偶極子會加強對加速電子的散射, 減緩電子雪 崩和碰撞電離的發展. 一般情況下, 聚合物的擊穿場強 會隨其分子量的增大而增大. 對于聚苯乙烯(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, 擊穿場強與分子量之間的經驗公式 (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, 對于不同的聚合物取值不同; m 為分子質量, 分子量較小時, 擊穿場強緩慢提高, 當分 子量達到一定數值后, 擊穿場強迅速提高, 最后提高的 速度又緩慢下降.

1.2 外施條件對擊穿的影響

典型聚合物材料擊穿場強隨溫度的變化關系表明, 對非極性聚合物來講, 在某一特定溫度以下, 隨 著溫度的上升擊穿場強不變或略有增加, 如低密度聚 乙烯、聚異丁烯(polyisobutylene, PIB); 而在高溫區, 非極性聚合物的擊穿場強隨溫度的升高明顯下降. 對 極性聚合物來講, 隨溫度的升高其擊穿場強下降, 沒 有明顯的溫度轉折點. 擊穿場強的溫度轉折點與非極 性聚合物的玻璃化轉變溫度(Tg)有關. 對線性聚合物 而言, 如LDPE, 不同溫度區域的擊穿機理不同, 其與 聚合物的分子鏈狀態和形態有關: 低溫區(玻璃態), 電 子雪崩擊穿占主導, 此時極性聚合物的擊穿場強高于 非極性聚合物; 中溫區(橡膠態), 可能的擊穿機理為 電、熱或自由體積擊穿; 高溫區(黏流態), 熱擊穿或 電-機械擊穿占主導. 聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)薄膜直流和脈沖擊穿場強隨溫度的變化表明, 脈 沖擊穿場強在低溫時基本不變, 高溫時出現下降, 這與 非極性聚合物擊穿場強隨溫度的變化類似, 但高于非 極性聚合物的擊穿場強. 這可能是由于偶極子對電子 散射所致. 直流擊穿場強在低溫時隨溫度有所增大, 高溫時明顯下降. PVC的直流擊穿場強高于脈沖擊穿 場強, 這可能是由直流電場下同極性空間電荷和偶極 子對電子的散射共同作用導致的. 在低溫區(<120°C), PVC的脈沖擊穿場強與溫度關系不大, 符合電子碰撞 電離擊穿機理(類似于非極性聚合物). 但PVC低溫時 的擊穿場強高于非極性聚合物, 這是由于其偶極子對 電子的散射增強導致的. 對拉伸和未拉伸的PVC試樣 而言, 其擊穿場強與溫度的關系類似. 值得注意的是,兩種試樣擊穿場強的區別在于不同的形態結構導致的 擊穿結果不同, 比如直流擊穿場強與溫度的關系在拉 伸試樣中出現峰值. 研究指出, 這個擊穿場強的峰值 與空間電荷效應有關. 在拉伸試樣中, 由于其電場方 向垂直于拉伸方向, PVC的形態表現為各向異性. 在 低溫區, 隨著溫度的升高, PVC電極附近出現同極性 空間電荷積聚, 導致電荷注入降低, 改善界面電場分 布, 擊穿場強增加; 隨著溫度繼續升高, PVC電極附近 和試樣中出現異極性電荷積聚, 導致電荷注入增強, 電 場畸變增大, 擊穿場強下降; 同極性和異極性空間電荷 的競爭導致PVC拉伸試樣擊穿場強與溫度的關系出現峰值.

升壓速率是影響介質擊穿場強的重要因素. 隨著 升壓速率的增加, 電樹起始電壓下降, 負極性的電樹起 始電壓高于正極性[38]. 這表明, 升壓速率提高更容易引 發電樹枝, 從而降低擊穿場強. 電介質擊穿場強與介質 厚度有關. 研究表明, 介質的擊穿場強隨厚度的增加而 降低, 擊穿場強與介質厚度的變化規律可以用類指數關系來描述。

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系. 一般認為介質體內空間電荷的減小, 可降低 介質內部的電場畸變, 從而提高介質的擊穿場強. 同極 性空間電荷可以提高介質的擊穿場強, 而異極性空間 電荷可以降低介質的擊穿場強.

圖3為典型空間電荷與擊穿關聯的示意圖. 高場下絕緣介質空間電荷特性與擊穿的實驗發現, 隨著電場增加, 電子和空穴注入明顯增加, 介質內部存在較多的空間電荷積聚. 如圖3(a)所示, 電荷注入后會被電極/介 質界面的陷阱捕獲, 形成電子和空穴陷阱電荷積聚. 隨 著注入的加強, 陷阱被填滿, 形成界面空間電荷積聚. 隨時間增加, 注入電子向介質內部遷移, 繼續入陷/脫 陷, 形成復雜的空間電荷包. 同時, 介質內部電荷輸 運包括電子-空穴復合、電荷遷移和陷阱填充效應. 當 時間增加到某一時刻時, 空間電荷包向介質內部不斷 遷移, 在某一個特定的位置, 空間電荷包停止遷移; 之 后, 介質材料試樣內部的電場畸變嚴重, 內部電場達到 最大(如LDPE中可達5.5 MV/cm), 進而導致擊穿發生. 擊穿后, 空間電荷包分成了兩部分向電極處擴 散. 擊穿短時間后, 空間電荷包消失. 研究認為, 高 場下介質材料的擊穿與空間電荷復雜的動力學行為密 切相關. 電荷包的形成是擊穿發生的前期過程. 電荷包 遷移運動及造成的電場畸變是擊穿發生的中間過程. 空間電荷積聚造成的電場畸變導致介質材料電子加 速、電荷倍增和能量積聚, 進而引發介質材料分子鏈 斷裂是擊穿發生的最后階段.

圖3

圖3(b)為介質材料內部空間電荷積聚量和電場強 度的關系. 可以看出施加電壓后, 低壓、低溫和升壓 速率較快時介質內部無空間電荷積聚(區域Ⅰ), 此時電 荷積聚量少. 隨著電荷積聚量增加, 如電壓增加時, 電 荷注入增強, 界面陷阱捕獲造成電極/試樣界面形成同 極性空間電荷(區域Ⅱ). 此時, 界面電場降低, 減弱了 電荷注入, 而介質內部電場增加, 有利于提高擊穿場強. 隨著電荷量進一步增加, 界面電荷出陷和抽出增加, 介質內部雜質電離, 導致電極/試樣界面形成異極性空間 電荷(區域Ⅲ). 異極性電荷導致界面電場增強, 增加了電荷注入, 導致內部電場降低. 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 而影響擊穿場強. 升壓速率快時, 電荷積聚少, 或形成 同極性電荷, 擊穿場強高. 升壓速率慢時, 有利于空間 電荷積聚和遷移, 形成異極性電荷, 擊穿場強低.

基于空間電荷與介質材料擊穿的實驗和理論研究可以分析介質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內部電場畸變是擊穿的重要影響因素. 直流下, 由于空間電荷積聚, 介質內部最大電場總發生在介質內部, 擊穿的引發出現在介質 內部的分子鏈斷裂和電流激增. 通常介質內部的體特性穩定, 且難以破壞. 直流下擊穿表現為介質的體擊穿. 對聚合物介質材料而言, 介質本征擊穿強度很高, 因此直流下介質擊穿場強高. 交流電壓下, 由于電荷注 入類型和輸運方向隨著交流電場交變而變化, 由此造成介質界面形成異極性空間電荷積聚. 此時, 界面電場增強, 擊穿起始于界面弱點, 然后很快發展到介質內部, 最終導致整個介質擊穿. 因此, 交流下介質擊穿場強 較低.

2.2 擊穿統計分析

聚合物電介質的擊穿過程實際上受到許多因素的影響. 介質材料擊穿實驗的測試數據在同一種情況下 呈現出分散性, 因此作為表征介質材料性能的短時擊 穿強度在大多數情況下只是一個統計值. 研究者對擊 穿的統計規律進行了研究, 發現擊穿電壓或場強在測 試標準下服從統計學概率分布, 并提出了可以采用統 計學方法來研究介質材料的擊穿性能. Weibull 分布是瑞典物理學家Weibull在研究材料的疲勞試驗中 提出來的一個統計分布. 事實證明, Weibull分布如今已 成為可靠性分析工程中應用廣泛的壽命概率分布之 一. 在外電壓的作用下, 聚合物電介質材料的擊穿強度 和在固定場強下擊穿所需的時間都滿足Weibull統計分 布. 它反映了材料在一定電場下被擊穿的概率或在一 定電場作用時間后失效的概率. 研究者通過引入力 學、熱力學因子對Weibull分布的修正得到了相對完善 的統計學模型. 采用這種Weibull分布的統計模型可以 分析電介質材料擊穿場強的大小和分散性, 獲得介質 材料發生擊穿的穩定性分析結果.

典型Weibull分布概率統計在電介質擊穿中的應用 表明, 兩參數和三參數Weibull分布都可以表征材料的擊穿性能. 兩參數Weibull分布結果中橫坐標表示 擊穿場強對數, 縱坐標表示擊穿概率. 兩參數Weibull分 布可用一直線擬合實驗數據, 直線的斜率是形狀參數β, 表示擊穿的數據分散性. 從與X軸截距可以計算出α, 獲 得試樣的特征擊穿場強. 三參數Weibull分布結果中橫坐標表示擊穿場強, 縱坐標是擊穿概率. 統計分析結果表明, 三參數Weibull分布可以更好地擬合實驗數據, 據此可獲得特征擊穿場強.