一种表征绝缘材料性能失效的方法_汪春昌.pdf
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1、第 41 卷第 12 期大学物理Vol41 No122022 年 12 月COLLEGEPHYSICSDec 2022收稿日期:20220319;修回日期:20220429作者简介:汪春昌(1968),男,汉族,安徽广德人,安徽大学材料与工程学院教授,博士,主要从事介电质物理研究与教学工作物理实验一种表征绝缘材料性能失效的方法汪春昌,赵撼宇,伯德福(安徽大学 材料科学与工程学院,安徽 合肥230601)摘要:本文提出了一种绝缘性能失效温度的测试方法 将待测绝缘材料制作为平行板电容器,通过测量交流阻抗频率谱,利用阻抗频率谱中相关物理量的特征信息,对绝缘性能的失效温度、绝缘性能保持温度上限、耐热等
2、级等参数进行了定量评价关键词:绝缘材料;平行板电容器;阻抗频率谱中图分类号:O 434文献标识码:A文章编号:1000-0712(2022)12-0036-03【DOI】1016854/jcnki1000-0712220146绝缘材料是指电阻率大于 109cm 的材料,其作用是将带电体隔离开来,防止短路和漏电绝缘材料是电机、电器制造中的关键材料,也是最容易损坏的材料,其绝缘性能的优劣决定了电机、电器制品能否安全运行,技术经济指标能否进一步提高按照绝缘材料的形态来分类,可以分为固态、液态和气态绝缘材料,本文仅讨论固态绝缘材料(下文所指绝缘材料,均属此类)决定绝缘材料绝缘性能的关键因素是温度,温度
3、升高,常用的绝缘材料(如高分子绝缘材料)很容易被烧毁,其它绝缘材料(如陶瓷绝缘材料)由于离子导电性增强而失去绝缘性,甚至变为导电体 因此,如何提高绝缘材料的耐热温度,一直是科技工作者探索和研究的问题按国家标准 GB1102189(IEC85)规定,将绝缘材料划分为 Y、A、E、B、F、H、C 等 7 个耐热等级,其中,C级为最高耐热等级,要求绝缘材料在 180 以上高温仍能保持绝缘性能1 随着电机、电器使用条件的提高,对绝缘材料耐热性的要求也在不断提高 那么,如何确定绝缘材料的耐热等级?换而言之,如何确定绝缘材料的绝缘性能在什么温度下失效?这一问题是绝缘材料使用过程中首先要解决的问题 使用传统
4、的直流法测定电阻随温度的变化,由电阻率大于 109cm 的限定来确定决绝性能维持到多高温度 这就存在一个风险:在该法确定的绝缘温度下,已有明显的漏电,绝缘材料显然不能在该温度下长期使用 所以,有必要寻找新的表征方法,找出绝缘材料失效温度,并确定在什么温度范围,绝缘材料能够长期安全使用为此,本文提出采用交流阻抗谱法,可以方便地表征绝缘材料的失效温度,确定绝缘材料长期使用的安全温度范围1实验原理绝缘材料是典型的电介质材料,理想的电介质是完全的绝缘体,其内部无自由载流子,因而在外电场作用下不导电,表征这类材料电学性能最好的方法是交流阻抗谱,因此,将所要表征的绝缘材料制作成如图 1(a)所示的平行板电
5、容器,测量其在不同温度下的阻抗频率谱 如果绝缘材料没有漏电,上述电容器是理想电容器,其等效电路如图 1(b)所示,其阻抗为Z*=ZjZ=1jC(1)其中,j2=1,是圆频率,C 是所测得的电容值 阻抗虚部为Z=1C(2)因此,在双对数坐标图上,Z 是一条斜率为1 的直线,如图 1(c)所示绝缘材料在高温、强电场、高强度辐照等极端条件下使用,会增加其内部的载流子浓度,从而在电场下产生微弱的电流,这种在绝缘材料内部出现不期望的电流,被称为漏导电流 绝缘材料开始出现漏导电流时,被称为绝缘性能失效 当绝缘材料在上述极端条件下长时间使用时,其内部的载流子浓度第 12 期汪春昌,等:一种表征绝缘材料性能失
6、效的方法37图 1(a)无漏电的电介质电容器;(b)等效电路;(c)Z 关系曲线会显著增加,漏导电流越来越大,以至于使绝缘材料丧失其绝缘性,这种现象称为绝缘材料的击穿 本论文只限于讨论温度引起的漏电现象,这种现象是由于原本束缚的载流子,在热效应的作用下被激活,能够以跳跃运动的方式形成电导,使绝缘材料出现漏导电流 用此材料做成的电容器就不再是理想电容器了,而是有漏电的电容器,如图 2(a)所示 这时,可以在图 1 所示的等效电路图中并联一个电阻 来表征漏导电流,其等效电路如图 2(b)所示,其阻抗为Z*=ZjZ=(1jC)1+(C)2(3)阻抗虚部为Z=2C1+(C)2=1+()2(4)其中,=
7、C,为弛豫时间 显然,阻抗虚部在=1处呈现一个峰,峰值为/2,如图 2(c)所示 由于弛豫时间随温度的升高而减小2,阻抗峰会随测量温度升高而向高频方向移动 在方程(4)中,令,式(4)就变成式(2),即理想绝缘体的情形,所以式(4)包括了式(2),是更普适的阻抗表达式 如果绝缘材料漏导电流不明显,即材料的电阻还非常大,此时,弛豫时间也较大,阻抗峰发生的频率远低于测量频率,在双对数坐标图上,Z展现的是阻抗峰的高频侧,表现为低频端开始偏离斜率为1 的直线 所以,只要找到 Z 偏离直线的温度,此温度即是电容器出现漏导电流的温度,也是绝缘性能失效的温度,在此温度以下的温度范围,绝缘材料是理想绝缘体,因
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