固体电介质的电老化与击穿新理论和实验

根据一级捕获动力学方程,导出高电场下固体电介质中新陷阱产生的动力学理论,从该理论出发,以陷阱密度增加到一定程度作为介质发生电击穿的临界条件,获得高电场下电介质的寿命与电场的指数成正比,这一理论结果与广泛应用的电老化经验公式一致,也与实验结果相符。 关键词：     

全膜脉冲电容器电热老化分析

全膜脉冲电容器是脉冲功率系统的重要储能单元,其寿命影响着整个系统的可靠性。在脉冲工况下,全膜脉冲电容器的失效多为突发失效,且寿命的分散性较大。为探究全膜脉冲电容器老化失效机理,开展了其寿命试验及电场与温度场的仿真。利用LTD基本放电单元（Brick）实验腔体对电容器进行寿命测试并获得失效电容器,分析了失效电容在不同故障形式下的失效原因,并利用有限元分析软件对电容器局部“电场易畸变”区域进行了电场仿真,说明上述区域存在的畸变电场是发生绝缘介质击穿的主要原因;对电容器进行温度场分析,发现电容器温度与充放电频率成正相关,温度最高点位于电容器几何中心处附近,在充放电频率较低时,电容器温升不明显,说明在较低充放电频率下,电容器绝缘介质老化以电老化为主,而非热老化。     

聚丙烯中电树枝生长机理研究

耐电树枝老化特性是表征聚合物绝缘材料介电性能的重要参数之一.聚丙烯(PP)是典型半结晶聚合物,其复杂的非均匀聚集态结构影响电树枝的生长.本文对PP及加入成核剂的PP试样进行了耐电树枝化性能实验,通过偏光显微镜(PLM)及差示扫描量热法(DSC)分析加入成核剂前后PP的结晶形态、结晶度以及结晶结构对电树枝生长特征的影响.以相界面自由能的热驱动作用以及放电雪崩理论为基础,对电树枝生长的热力学和动力学机理进行分析,阐明电场分布对电树枝生长的重要作用.根据半结晶材料的结晶相和非晶相的物理性能,建立材料内部电场分布计算模型,模拟针-板电极条件下聚合物材料内部的局域电场分布情况,分析了电树枝通道的动力学生长特征,探讨了成核剂改变PP的结晶结构抑制电树枝沿电场生长的作用.     

NaCl晶体结构的εr计算

现有计算电介质介电常数的方法都是基于单位体积内电介质宏观的电极化强度P等于微观电极化总强度n0 ·p的方法 .本文结合自然界的能量守恒关系 ,利用电介质在电场作用下的宏观电储能等于微观偶极子的弹性位移能的方法 ,推导出一个通用公式来计算碱卤晶体 (包括NaCl晶体结构 ,CsCl晶体结构 )的εr,理论值和公式计算值对比十分吻合 .     

介质窗口材料对高功率微波传输特性的影响

运用光学方法,分析平面波通过无限大介质平板的传输特性,进而分析单层介质窗口的引入对微波传输性能的影响。在S波段微波源上对聚四氟乙烯材料进行了真空环境下的微波放电击穿实验,通过长时间的表面放电,在聚四氟乙烯材料表面出现电痕和电树枝。在100 ns脉冲宽度下,未发生大面积表面放电前,通过光学照相,在介质表面观测到局部放电现象,认为局部放电仍能导致材料表面破坏。作为对比,进行了聚苯乙烯材料的电老化实验,实验结果表明聚苯乙烯材料具有良好的耐电痕、耐电树枝老化特性。     

低密度聚乙烯的热激电流峰温与场强关系

最近热激电流(简称TSC)技术已被广泛地应用于研究固体电介质的陷阱参数和偶极弛豫参数。一些作者在不同试验条件下,发现一些聚合物电介质的TSC峰温随电场变化,并借用Poole-Frenkel(简称PF)效应来解释它. 本文主要介绍低密度聚乙烯(LDPE)的TSC 峰温与场强关系. 试样是由工程纯LDPE粒料经过加热模压制而成.试样有一定形状,以避免在强电场下极化时发生局部放电.为了提高周围媒质局部放电起始电压,极化箱内充有高气压(4bar)的六氟化硫.试样在高真空下喷镀金属电极.试样厚度约0.8mm. 在强电场下,用电子注入方式使试样预先极化.TSC测量…     

介质阻挡放电中电介质参量对放电时间特性的影响

采用介质参量不对称的装置,在大气压氩气介质阻挡放电中,研究了不同电介质温度及不同电介质材料对放电时间特性的影响.实验发现,外加电压较低时,正负半周的放电时间波形没有明显的差别;外加电压较高时,正负半周的放电脉冲个数不同.分析表明,电介质温度以及材料均影响壁电荷的积累,进而使放电特性发生改变. 关键词： 介质阻挡放电 时间特性 壁电荷 介电常数     

无铅陶瓷中的电致伸缩效应

电致伸缩是一个二次方效应,应变正比于极化强度的平方,比例系数称为电致伸缩系数[Qij].一般固体电介质都能产生电致伸缩效应.对立方晶系的材料来说,电致伸缩系数张量为 当外加电场沿方向1时,E2=E3=0,纵向应变为通过测量材料的应变与外加电压的关系Xi～Vi,和极化强度与外电场的关系P1～Ei,就可以求得电致伸缩系数 电致伸缩效应在天文学、光学通信、激光调制等方面有着广泛的应用.与压电效应相比,它具有重复性好,不需极化,无老化问题等优点.电致伸缩是一个二次方效应,一般较小,不易观察到.已经发现,在具有扩散相转变特征的铁电固溶体中,当…     

基于调制场方法的密立根油滴实验

物理实验教学中常用测量方法的局限性,导致密立根油滴实验仅能满足定性或半定量分析的教学要求.通过在平衡电场上叠加一低频调制电场共同作用的实验技术改造,可以有效、准确地测量油滴荷电量和半径.根据调制电场中荷电油滴的动力学分析所获得的理论公式,阐明了调制场技术的实验操作及测量方法.由于该方法能有效地提高实验测量效率,因此有助于获得更多数据进行实验结果定量分析.     

纳秒脉冲下变压器油两相流注放电仿真研究

为揭示液体电介质击穿过程中形成的气体放电通道对液体电介质放电过程的影响,以针—板电极间隙变压器油为研究对象,基于等离子体流体力学模型,引入了液体电介质放电过程中气相放电通道对电离机制及自由电荷迁移率的影响,建立了用于模拟脉冲电压下液体电介质放电过程的两相流体模型,仿真研究了纳秒脉冲下针板电极流注放电的起始与发展过程。仿真结果表明:采用Heaviside方程可以在模型的不同区域同时实现气相物理过程和液相物理过程的模拟与计算。气相物理过程的引入导致流注尾部电场显著降低,流注头部电场进一步增强,使流注通道的发展速度要高于传统液相模型,有助于加深对纳秒脉冲下液体电介质中预击穿流注的起始、发展过程的认识和理解。     

高压直流电缆聚丙烯绝缘电场调控

高压电缆是决定电力输送质量和容量的关键要素.聚丙烯由于自身优良的耐热性、绝缘性和绿色环保性被广泛关注,并应用于电缆绝缘材料开发.高压电缆聚丙烯绝缘材料需要承受脉冲电压和直流额定电压,容易引起电场畸变从而引发空间电荷积累.此外,电缆运行过程中,温度会急剧升高,严重影响电缆的绝缘性能,导致电树枝的引发和生长.因此需要对高压电缆进行电场调控从而抑制电场畸变、局部放电、电树枝化等劣化现象的出现.本文重点介绍了高压直流电缆聚丙烯绝缘材料电场调控的理论与方法,分析了当前电场调控的重点,最后展望了聚丙烯电缆绝缘的应用前景.     

Analytical Dielectric Spectrum Formula Based on Representative Frequencies

基于电介质复折射率的实验数据,采用最小二乘法结合选取的代表频率拟合得到了电介质的介电谱解析表达式,可以得到电介质在全频段的光频常数和介电常数. 研究了三个典型液态电介质,水、乙醇和甲苯的介电谱. 在实验数据可以获取的频率范围内,采用解析表达式得到的光频常数与采用Kramers-Kronig转换得到的折射率实部和实验得到的折射率虚部吻合得很好. 基于介电谱解析表达式可以预测目前实验无法测量的区域的介电谱.     

一个新的自由能函数对介电高弹薄膜的多组等双轴预拉伸下力电耦合实验的预测

当介电高弹聚合物薄膜被施以面内等双轴预拉伸后, 受到厚度方向的电压作用时, 薄膜在力场和电场共同作用下产生大变形. 电场采用Maxwell应力分析, 力场采用橡胶弹性模型分析. 拟合这类变形的常用橡胶弹性模型主要有Neo-Hookean, Arruda-Boyce, Gent等模型. 这些模型对实验数据的定量拟合存在不同程度的偏差. 通过对实验数据的分析, 结合数学方法, 提出了一个新的自由能函数模型. 通过该模型对VHB4905介电高弹聚合物薄膜的多组等双轴预拉伸电力耦合实验进行拟合, 并以Neo-Hookean, Gent模型作为对照, 结果与实验数据拟合很好, 比对照模型的偏差明显缩小.     

3 MV多级多通道缩比开关自击穿特性

通过短接电极间隙,开展了3 MV多级多通道缩比开关不同间隙级数和单独触发间隙的自击穿特性分析,结果表明:自击穿电压随电极间隙距离不是线性增加,与Bradley经验公式存在差距。采用Ansoft软件模拟了实验开关不同级数的电场分布,得到不同级数开关电场分布的不均匀系数。结合缩比开关自击穿实验数据、Bradley经验公式和电场分布不均匀系数,在Bradley经验公式中加入开关作用时间因素和电场不均匀系数,得到一个Bradley外推公式,能较好地反应多级多通道气体开关的自击穿电压,使3 MV实际开关自击穿电压理论值与实验值误差减小到5%。     

外电场下交联聚乙烯电介质材料分子结构变化及其电老化微观机理研究

为了从微观角度分析交联聚乙烯(XLPE)材料的电树枝老化,本文采用分子模拟方法计算并优化得到了XLPE分子结构.沿着聚乙烯链施加不同大小电场强度,分析交联聚乙烯分子的几何结构、偶极矩、极化率、电荷分布、前线轨道能量和红外光谱变化规律.计算结果表明,随着外电场的增大,交联聚乙烯分子红外光谱发生较大变化;当外施电场达到0.026a.u.后,红外光谱图中出现虚频,表明分子空间结构不再稳定,易发生断键;另外从前线轨道图的变化可以看出断键现象最先发生在交联聚乙烯链端部;沿着电场方向,原子所带电荷量由交联处向端部转移,当外施电场达到0.029a.u.后,链端部的C-H和C-C键断裂产生H·和CH_3·自由基.游离的自由基会形成空间电荷并发生积聚,产生局部较大场强,从而进一步影响交联聚乙烯链的空间结构.而电介质内部微观特性的变化必定会导致交联聚乙烯材料绝缘性能的下降,这些变化对揭示交联聚乙烯电缆电树枝形成的微观规律具有重要研究意义.     

表面镀金SU-8微柱的低频电动旋转特征

依据传统Maxwell-Wagner界面极化理论, 金属微纳米粒子由于具有极高电导率, 在旋转电场作用下无明显电旋转运动. 然而, 本文针对镀金SU-8微柱开展实验研究, 发现镀金微柱在低频条件下的快速旋转运动现象. 据此, 通过考虑镀金微柱表面双电层效应, 理论分析并实验验证镀金微柱的低频电旋转特征. 首先, 建立电场中微柱的近似椭球模型, 分析固-液接触面双电层作用下的金属粒子极化机理, 推导旋转电场作用下镀金微柱的转矩公式及电旋转角速度公式. 其次, 搭建实验平台, 分别对镀金微柱在三种不同电导率溶液、100 Hz–30 MHz频率范围内的电旋转特征进行对比实验研究. 最后, 对实验结果进行分析和讨论, 并通过考虑镀金微柱与基底之间摩擦作用等因素, 验证实验研究与理论研究的一致性. 关键词： 表面镀金微柱 电旋转 双电层 微流控     

热刺激放电技术在极化聚合物材料研究中的应用

从热刺激放电技术基本原理出发，讨论了极化聚合物材料热刺激电流的基本特性，并根据文献中报道的实验结果，针对极化聚合物材料研究中的一些热点问题（如极性生色团分子的聚向驰豫机制、极化后的物理老化、键合型材料稳定性增强机制等）介绍了热刺激放电技术的应用。     

聚醚酰亚胺纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运对储能性能的影响

目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化,难以满足航空航天和能源等领域的需求.为提高介质高温储能性能,常掺杂纳米填料对电介质改性,通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程,但其内部陷阱的能级和密度与储能性能间的定量关系仍需进一步研究.本文构建线性聚合物纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运的储能与释能模型并进行了仿真.纯聚醚酰亚胺在150℃的体积电阻率和电位移矢量-电场强度回线的仿真结果与实验符合,证明了模型的有效性.不同陷阱参数纳米复合电介质的仿真结果表明,增大总陷阱密度和最深陷阱能级,会降低载流子迁移率、电流密度和电导损耗,提升放电能量密度和充放电效率.在150℃和550 kV/mm外施场强下,1.0 eV最深陷阱能级和1×10²⁷ m^-3总陷阱密度的纳米复合电介质放电能量密度和充放电效率分别为4.26 J/cm³和98.93%,相比纯聚醚酰亚胺提升率分别为91.09%和227.58%,显著提升了高温储能性能.本研究为耐高温高储能性能电容器的研发提供了理论和模型支撑.     

静电场中多孔PZT95/5铁电陶瓷的通道电-机械击穿模型及分析

作为爆电电源的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有极为重要的工程应用背景,但它在强电场作用下易发生电击穿失效,从而影响其放电效率,甚至造成电源失效。基于多孔PZT95/5铁电陶瓷材料在外电场作用下内部形成导电通道以致电失效的机制,通过通道内部局部放电及通道电-机械击穿机理,建立了导电通道诱导的多孔铁电陶瓷的电击穿模型并进行了相关的理论分析。基于本模型,给出了不同孔隙率下铁电陶瓷的电击穿临界电场强度,预测结果与实验测试结果吻合良好,且材料孔隙率越大,内部电击穿通道的特征尺寸越大,导致铁电陶瓷材料的电击穿临界场强显著降低。     

平板电容器介质中的矢量场

介绍了平板电容器真空及各向同性电介质中的电场，进一步计算了各向异性平板电容器电场中的电场强度、电位移矢量、电极化强度。根据计算的结果对平板电容器介质中的矢量场进行了力线描绘，说明了电介质矢量场的性质。并进一步比较了线性各向异性电介质与指数电介质对电场产生的影响。