液氮下杂化薄膜材料的直流击穿性能研究

刘志凯 李卫国 魏 斌 丘 明 高兴军 高 超 赵勇青 李 松

（1. 华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206 2. 中国电力科学研究院电工与新材料所 北京 100085）

1 引言

超导电力技术的实际应用，能大幅降低电网损耗，提高电力系统运行的稳定性和可靠性。与交流（AC）条件下的超导电力装置相比，直流（DC）条件下的超导电力装置具有零阻抗的优势，因而直流超导电力技术得到了广泛关注[1,2]。

超导电力技术应用的可靠性主要由超导材料、制冷技术和绝缘材料3个因素决定[3-6]。液氮下绝缘材料的电性能对提高超导电工设备的技术经济指标和运行稳定性起到十分重要的作用。因而DC高温超导电力设备设计需了解绝缘材料在液氮下的 DC击穿特性，分析液氮下绝缘DC击穿特性具有十分重要的意义。

目前主要对环氧、聚丙烯层压纸（PPLP）、纯聚酰亚胺薄膜（PI）和NomexT410等材料在常温和液氮下进行了电气性能试验研究[7,8]。对于新型的杜邦复合薄膜材料100CR（在100HN内均匀掺杂纳米材料）、150FCR019、150FN019、NomexT418（在NomexT410内均匀掺杂云母）在液氮下的DC击穿特性却鲜有报道。

本文测试了 NomexT410、NomexT418、100CR、100HN、150FCR019、150FN019薄膜在液氮下 DC击穿场强，并对非杂化薄膜和杂化薄膜的DC击穿性能进行了对比分析。为超导电力装置的绝缘设计提供了参考。

2 实验装置

2.1 试验发生装置

图1给出了实验装置接线图。实验电源为50kV/5kV·A的交直流两用实验变压器。图中高压套管中装有高压硅堆，串接在高压回路中作半波整流，以获得直流高电压。当用一短路杆将高压硅堆短接时，可获得工频高电压，作为交流输出状态；取消短路杆时，作为直流输出状态。进行直流实验时，串联一个阻值为300kΩ的水电阻用于保护硅堆，并联一台0.05F的滤波电容。一台分压比为1 000:1的交直流两用分压器和高精度万用表用于测量击穿电压。采用快速升压法进行实验，以1kV/s的升压速度加压直到试品击穿。一个长、宽、高分别为400mm、300mm、400mm的立方体型泡沫容器用于盛放液氮。实验时电极系统放置于盛有液氮的泡沫容器中。

图1 直流击穿测试装置Fig.1 Test set up for the DC breakdown tests

2.2 单层薄膜的击穿试验

试验电极如图2所示。高压电极为直径15mm、高25mm的圆柱体，低压电极为直径75mm、高15mm的圆柱体。电极的设计标准根据IEC 60243—1，测试的试品有 100HN（0.025mm）、100CR（0.025mm）、150FN019（0.038 1mm）、150FCR019（0.037 5mm）、NomexT410（0.076 2mm）、NomexT418（0.076 2 mm）。为防止沿闪，试品的尺寸裁成 100mm×100 mm。试品加压前，需冷却25min，以避免液氮中气泡的影响。测试次数为10次，试验数据采用Weibull分布进行处理。

图2 测试电极Fig.2 The test electrode

图3 测试样品Fig.3 Test samples

3 试验结果和分析

3.1 Weibull分布模型

由于试品的击穿场强具有分散性，一般在相同条件下测试多个样本的击穿场强，再用概率模型统计分析。目前，通常采用两参数 Weibull分布或对数正态分布对固体绝缘击穿的测试数据进行处理分析，本文用Weibull分布评估液氮下薄膜的击穿场强。

参数Weibull的累积概率分布表达式为

式中，F(x)为数据的累积概率值；x为击穿场强随机变量；β为形状参数，其表征数据的分散性，β越大说明试品的试验数据分散性越小；α为尺度参数，其代表累积概率值为 63.2%的击穿值。通常取63.2%击穿场强作为平均击穿场强。由式（1）可得

ln(-ln(1-F(x)))=βlnx-βlnα （2）

令Y=ln(-ln(1-F(x)))，X=lnx，则X与Y呈线性关系，采用最小二乘法计算直线的斜率和节距。

3.2 100HN和100CR直流击穿特性

100HN和100CR的直流击穿场强Weibull分布图如图 4所示，其 10次测量数据的均值及 Weibull分布参数如表1所示。100HN和100CR的63.2%击穿概率击穿场强分别为422.9kV/mm、451.1kV/mm。100CR的63.2%击穿场强是100HN的1.1倍。上述表明掺杂纳米材料的聚酰亚胺薄膜 100CR的直流击穿性能优于纯聚酰亚胺薄膜100HN，即纳米材料的掺杂使100CR的耐受直流电压性能好于100HN。

图4 100HN和100CR的直流击穿场强Weibull分布图Fig.4 Weibull plot of DC breakdown strength for 100HN and 100CR

表1 试品的测量均值及Weibull分布参数Tab.1 The mean of ten times breakdown strengths and Weibull parameter for samples

3.3 NomexT410和NomexT418直流击穿特性

图5显示了NomexT410和NomexT418的直流击穿场强的Weibull分布图，其10次测量值的均值及Weibull分布参数见表2。NomexT410和Nomex-T418的1%、25%、50%、63.2%、75%和99%概率的击穿场强及二者击穿场强比值见表3。

图5 NomexT410和NomexT418的直流击穿场强Weibull分布图Fig.5 Weibull plot of DC breakdown strength for NomexT410 and T418

表2 试品的10次测量值的均值及Weibull分布参数Tab.2 The mean of ten times breakdown strengths and Weibull parameter for samples

表3 不同概率的击穿场强及两种材料的击穿场强比值Tab.3 The different probability’s breakdown strength and ratio of that for two kinds of sheets

由表3可知，NomexT418的63.2%击穿场强高出NomexT410纤维纸100%。表明云母的掺杂极大地提高了NomexT418的直流击穿特性。

3.4 150FN019和150FCR019直流击穿特性

图6显示了150FN019和150FCR019的直流击穿场强的 Weibull分布图，其 10次测量值的均值及Weibull分布参数见表4。150FN019和150FCR019的不同概率的击穿场强及两种材料击穿场强的比值见表5。子的电极控制[10]。

图6 150FN019和150FCR019的直流击穿场强Weibull分布图Fig.6 Weibull plot of DC breakdown strength for 150FN019 and 150FCR019

表4 试品的平均击穿场强及Weibull分布参数Tab.4 The average breakdown strength and Weibull parameter for samples

假定在稳态直流电压介质内载流子迁移率μ与位置无关，略去载流子的扩散通过介质的电流密度为[11]

式中，L表示薄膜厚度。若样品的一个电极与之构成欧姆接触，即可认为此电极是无限载流子源。这意味着欧姆电极附近电场为零，则边界条件为[11]

由式（3）和式（4）可得

表5 不同概率的击穿场强及两种材料的击穿场强比值Tab.5 The different probability’s breakdown strength and ratio of that for two kinds of sheets

从表5可知，150FCR019的63.2%击穿场强是150FN019的1.2倍。说明纳米粒子的掺杂降低了载流子的迁移率，延长流注在 150FCR019的发展时间，增强了150FCR019直流耐压性能[9]。

4 机理分析

低电场时，即加压初期电介质的电流–电压特性符合欧姆定律，当电压（或电场强度）达到某一数值时，注入的载流子浓度增大，出现了空间电荷的大量积累，引起空间电荷限制电流，使得流过电介质的电流由欧姆电流区向空间电荷限制电流区转变。电流受材料本身空间电荷控制而不受注入载流

对式（7）积分并将其积分表达式与式（5）联立可得

式（8）表示无陷阱电介质的空间电荷限制电流与电压的关系式。但在含有陷阱空间电荷的固体介质中，固体介质存在一定的陷阱空间电荷密度nt(x)，参与导电的数目 n(x)，单位体积载流子的总数为n(x)+ nt(x)，则

在不能给出陷阱空间电荷分布的情况下，简单的解决方法是引入一个系数θa来代表与陷阱密度的有关修正系数，θa表达式如下

对注入电荷将大部分被陷阱捕获，形成陷阱空间电荷的情况，将式（3）、式（5）和式（9）联立并考虑 θa＜＜1[11]，故可简单地将式（8）改写为

式（12）表示存在陷阱空间电荷的介质空间电荷限制电流与无陷阱介质空间电荷电流的关系式。上述中，无陷阱的介质可看作无任何缺陷的介质，有陷阱空间电荷的介质可看作通过对无任何缺陷介质进行掺杂或其他处理使原无缺陷介质产生缺陷且与无缺陷介质厚度相同的介质。由式（10）、式（12）可知，以无缺陷的介质为参照物，陷阱空间电荷密度越大的介质，其空间电荷限制电流越小；这说明陷阱电荷密度越大的介质导电性能越弱，在直流电压作用下越不易形成导电通道以致其击穿场强越大。本文中，100HN的厚度与100CR的相等、NomexT410的厚度与NomexT418的相等、150FN019的厚度比150FCR019的略高0.6μm，它们近似相等且杂化薄膜均是通过对相应非杂化薄膜进行掺杂处理得到的；因此杂化薄膜的陷阱密度远高于与其对应的非杂化薄膜，直流高压下的杂化薄膜中被陷阱捕获形成的陷阱空间电荷密度大于其对应的非杂化薄膜的陷阱空间电荷密度。故液氮下非杂化薄膜的空间电荷限制电流大于与之对应的杂化薄膜的空间电荷限制电流。这说明与非杂化薄膜相比，在直流电压下杂化薄膜的导电性能较差，更不易形成导电通道。从而促使杂化薄膜的击穿场强高于与之对应的非杂化薄膜。本文测试结果显示：杂化纳米材料的聚酰亚胺薄膜 100CR的击穿场强高于纯聚酰亚胺薄膜100HN；掺杂云母的NomexT418的击穿场强高于纯诺梅克斯纤维纸NomexT410；下层掺杂纳米材料的150FCR019的击穿场强高于 150FN019。测试结果表明杂化薄膜的击穿场强大于与之对应的非杂化薄膜的击穿场强，与推理分析结果一致。

5 结论

（1）在液氮下，100CR的63.2%直流击穿场强是100HN的1.1倍，NomexT418的63.2%直流击穿场强是NomexT410的2.0倍，150FCR019的63.2%直流击穿场强是150FN019的1.2倍。测试结果表明，在液氮下杂化薄膜的直流击穿性能优于非杂化薄膜材料。

（2）杂化薄膜的直流击穿性能好于非杂化薄膜材料，主要是由于掺杂材料增加了陷阱密度使杂化薄膜的空间电荷限制电流小于非杂化薄膜，致使耐受电压大于纯薄膜材料引起的。

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