脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷密度对电荷激发分子振动的影响.pdf
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1、绝缘材料 2023,56(8)侯健健等:脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷密度对电荷激发分子振动的影响脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷密度对电荷激发分子振动的影响侯健健1,陈晨1,郭昊鑫2,王婵娟1,刘学民3,何东欣2(1.国网山东省电力公司广饶县供电公司,山东 东营 257300;2.山东大学 电气工程学院 山东省特高压输变电技术与装备重点实验室,山东 济南 250061;3.国网山东省电力公司东营供电公司,山东 东营 257000)摘要:脉冲电压下绝缘更易发生早期失效,严重威胁电力电子器件及装备运行的稳定性。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理,本文探究了聚酰亚胺中空间电荷密度对脉冲边沿时刻电荷激发分子振
2、动的影响,并从频域的角度阐述了脉冲电压边沿时刻分子振动机理。结果表明:在直流电压的作用下聚酰亚胺试样内部积聚大量异极性空间电荷,导致分子振动波形极性发生反转;在脉冲电压上升沿频谱中,51061107 Hz频段的电压分量对分子振动起主要作用。电荷激发分子振动会使得绝缘缺陷扩大,并最终导致绝缘失效。关键词:脉冲电压;聚酰亚胺;空间电荷密度;电荷激发分子振动中图分类号:TM215 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.08.011Effect of space charge density in polyimide on charge-excited molecular
3、 vibration under pulsed voltageHOU Jianjian1,CHEN Chen1,GUO Haoxin2,WANG Chanjuan1,LIU Xuemin3,HE Dongxin2(1.State Grid Shandong Guangrao Power Supply Company,Dongying 257300,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of UHV Transmission Technology and Equipment,School of Electrical Engineering,Shan
4、dong University,Jinan 250061,China;3.State Grid Shandong Dongying Power Supply Company,Dongying 257000,China)Abstract:Insulating materials are more prone to early failure under pulsed voltage,which seriously threatens the stability of power electronic devices and equipment.In order to explore the mi
5、croscopic mechanism of insulation failure under pulsed voltage,the effect of space charge density in polyimide on the charge-excited molecular vibration at the pulse edge was explored in this paper,and the molecular vibration mechanism at the pulse voltage edge was expounded from the perspective of
6、frequency domain.The results show that there is a large amount of heteropolar space charges accumulated inside the polyimide sample under DC voltage,which leads to the reversal of polarity of the molecular vibration waveform.In the frequency spectrum of pulse voltage rising edge,the voltage componen
7、t in the frequency band of 51061107 Hz plays a major role in the molecular vibration.The charge-excited molecular vibration will expand the insulation defects and eventually lead to insulation failure.Key words:pulsed voltage;polyimide;space charge density;charge-excited molecular vibration0引 言随着新能源
8、发电并网、特高压和柔性直流输电、变频负荷以及电容器储能技术的不断发展,电力系统在电源、电网、负荷、储能的各个方面都呈现出含高比例电力电子装备的特征1-3。因此,提升电力电子装备的安全性对保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。在电力电子技术中,半导体开关器件的导通和关断会引起电压突变,在器件本身、电力电子装备以及相连接的设备上产生高频、陡上升沿脉冲电场4,可见电力电子装备长期处于脉冲电压的运行工况下。研究表明,脉冲电压下绝缘更容易发生早期劣化5-7,并且脉冲电压上升沿对电介质的绝缘特性有显著影响8-10。脉冲电压下的局部放电行为通常发生在上升沿和下降沿处,并且随着脉冲边沿时间的减小,放电后的残
9、余电荷量增加,放电初始电基金项目:国网山东省电力公司科技项目(520616220002)73绝缘材料 2023,56(8)侯健健等:脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷密度对电荷激发分子振动的影响子产生概率增加,致使放电次数增多11。此外,由于电荷的驻留效应会形成反向叠加电场,从而使得局部放电幅值明显增大12。随着脉冲电压上升时间的缩短,由电极注入电荷的能量增大,电荷在入陷和复合时释放的能量会增多,电树枝的起树概率和生长速度也会大幅增加13-15。由此可见,脉冲电压下的空间电荷行为是导致绝缘发生劣化的关键影响因素。在脉冲电压的激励作用下,空间电荷发生入陷、脱陷、迁移等行为,在这些过程中伴随着能量的转移与
10、释放,电荷与分子链发生碰撞,破坏绝缘材料的微观结构,导致绝缘劣化速度加快16-18。西南交通大学曹开江19、法国图卢兹大学J P BELLOMO等20、日本松江工业学校M FUKUMA等21对不同脉冲电压上升时间下的空间电荷积聚特性进行了探究,认为上升时间缩短会导致电荷密度增大,增加绝缘击穿概率。上述研究重点关注了脉冲电压下空间电荷的稳态积聚特性,对于脉冲上升沿和下降沿处电荷动态特性尚不明确。本课题组此前对脉冲边沿时刻聚酰亚胺中的空间电荷动态行为进行了探究,发现在脉冲电压的上升沿、下降沿前后绝缘内部空间电荷密度存在差异21,并且在纳秒脉冲电压上升沿和下降沿处存在电荷激发分子振动行为22。然而,
11、对于空间电荷激发分子振动特性的探究仅处于初步探索阶段,相关特性及内在机理仍需进一步探究完善。本课题组的初步工作23已经清楚地证明,陡脉冲电场会导致绝缘材料中的电荷激发分子发生振动并释放声波,可以对脉冲电场下空间电荷的行为进行检测。然而,在之前的实验中对聚酰亚胺试样施加的电压及场强比较低,并且加压时间很短,试样内部不会有大量空间电荷积累,因此振动波形主要由在外施脉冲电场的作用下靠近聚酰亚胺试样表面的极化电荷激发分子振动所产生。本文将扩展这项初步工作,对振动波形随试样内部空间电荷积累、衰减的变化情况进行探究,从而对电极向材料内部注入的空间电荷以及材料内部电离产生的空间电荷对振动波形的影响机制有一个
12、更深的理解。1实 验1.1实验材料本研究所采用的聚酰亚胺薄膜试样厚度为180 m,长度、宽度均为5 cm。在实验之前,用经无水乙醇湿润过的无尘布对试样进行清理并烘干,以去除试样表面杂质。实验时,在聚酰亚胺薄膜试样上方放置一个内径为4 cm、外径为10 cm的圆环型绝缘片,防止测试设备内部发生沿面闪络损坏实验设备,影响实验结果的准确性。1.2实验平台实验平台示意图如图1所示,该系统主要由高压方波脉冲电源、高压直流电源、PEA测试脉冲电源、耦合电路、触发控制电路、电荷测试单元、示波器、计算机组成。实验过程中既要实现对方波脉冲电压上升沿和下降沿处电荷激发的分子振动信号进行测试,同时也要对相应时刻的空
13、间电荷密度进行测量。分子振动信号的测试原理如文献22所述,通过触发控制电路检测方波脉冲边沿时刻PVDF压电传感器测得的电声信号。试样内部积累的空间电荷密度变化采用电声脉冲法进行测试。耦合电路由电阻、电容、高压整流硅堆等器件组成,通过耦合电路可以实现将方波脉冲电源、直流电源和PEA测试用脉冲电源进行连接,避免三路信号互相干扰。1.3实验方案本课题组此前对脉冲边沿时刻电荷激发的分子振动特性进行测试时发现:在上升时间为 50 ns时,1 kV直流叠加1 kV脉冲下分子振动最大幅值接近 4 V,受放大器输出电压限制,当信号幅值大于 4 V后示波器所测波形将发生失真23。本实验采用的测试系统与文献23为
14、同一测试系统,为了避免发生波形失真影响测试结果的准确性,同时确保输出信号在设备承受范围内,防止损坏实验设备,本实验中采用施加频率为500 Hz、幅值为-1 kV、上升时间为50 ns、占空比为50%的方波脉冲电压。研究表明只有当施加的电场达到某一阈值时,空间电荷才会大量在绝缘介质内部积聚24-25。然而,在该方波脉冲电压幅值下对应的电场强度仅为图1实验平台示意图Fig.1Schematic diagram of experimental platform74绝缘材料 2023,56(8)侯健健等:脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷密度对电荷激发分子振动的影响5.5 kV/mm,电场强度较低会导致空间电
15、荷积累速度较慢。因此,在电荷积累的过程中可以考虑采用一个具有较高场强的直流电压进行电荷积累,之后再改为-1 kV的方波脉冲电压进行电荷激发分子振动特性的测试。西南交通大学周力任等26对普通型聚酰亚胺薄膜试样100HN和耐电晕型聚酰亚胺薄膜试样100CR的电荷积聚阈值场强进行了探究,结果表明100HN与100CR两种类型聚酰亚胺薄膜对应的阈值场强分别为31.5 kV/mm和35 kV/mm。在本实验中用到的试样为180 m厚的普通型聚酰亚胺薄膜,进行空间电荷积累时施加幅值为-7.2 kV的直流电压,对应场强为-40 kV/mm,该场强远大于上述研究中测得的聚酰亚胺试样内部空间电荷积聚的阈值场强,
16、可用于进行空间电荷积累实验。为了避免振动幅值超出放大器的输出范围以及防止设备损坏,直流电压与脉冲电压不能同时加到空间电荷测量单元上,当完成内部空间电荷积累后,需要撤掉高场强的直流电压,改为幅值为-1 kV、上升和下降时间为50 ns、频率为500 Hz的脉冲电压进行分子振动信号测试。因此在进行空间电荷积累对振动波形的影响实验时,基本步骤如下:施加直流电压加速电荷积聚;撤掉直流电压;改用脉冲测试振动波形。测试完成后施加直流继续使空间电荷积聚,然后重复上述的操作。具体实验流程如图2所示。为了进一步阐明空间电荷密度与振动波形之间的关系,还需进行空间电荷去极化实验,即探究空间电荷消散与电荷激发分子振动
17、波形变化之间的关系。撤掉施加的-7.2 kV直流极化电压,内部积聚空间电荷则会随着时间消散,在电荷消散的过程中每隔一定的时间对试样施加幅值为-1 kV、上升和下降时间为50 ns的脉冲电压进行一次振动波形的测试,测试完成后撤掉脉冲电压继续等待内部空间电荷的消散,再间隔一段时间后重复上述操作,以此获得聚酰亚胺试样内部空间电荷衰减后振动波形的变化情况。实验流程如图3所示。2实验结果图4为试样内部空间电荷密度随加压时间的变化趋势,图5为空间电荷激发的分子振动波形随加压时间即随空间电荷密度的变化趋势。其中图4(a)为叠加直流时测得的空间电荷密度分布,图4(b)为撤掉直流电压后测得的试样内部净空间电荷密
18、度分布。图5(a)为PVDF压电传感器测得的空间电荷激发分子振动波形变化,图5(b)为波形局部放大图。图3空间电荷消散对振动波形的影响实验流程图Fig.3Experimental flow chart of the effect of space charge dissipation on the vibration waveforms图2空间电荷积聚对振动波形的影响实验流程图Fig.2Experimental flow chart of the effect of space charge accumulation on the vibration waveforms(a)空间电荷密度分布(
19、b)净空间电荷密度分布图4试样内部空间电荷密度随加压时间的变化Fig.4Variation of space charge density in samples with time7575绝缘材料 2023,56(8)侯健健等:脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷密度对电荷激发分子振动的影响由图4可知,在加压时间为0 min时,聚酰亚胺试样中无空间电荷注入,仅在上下表面处存在极化电荷,且上下表面处极化电荷的极性相反,因此分子振动波形存在两个极性相反的振动峰,如图5(a)中圆圈标注部分所示。随着加压时间的增加,电荷从电极注入到试样中去,在表面附近逐渐积累空间电荷。对于阳极而言(下表面),注入的电荷是异极性
20、电荷,随着加压时间的增加,内部空间电荷密度大于表面极化电荷密度,因此阳极附近分子振动峰的极性发生反转。而对于阴极表面而言,注入的空间电荷与表面处的极化电荷为同极性电荷,因此阴极附近分子振动峰的幅值随加压时间的增加而增大。空间电荷去极化实验结果如图67所示,其中图6(a)为聚酰亚胺试样内部积聚的净异极性空间电荷消散过程,图6(b)、(c)分别为阳极和阴极附近波形局部放大图,图7(a)为分子振动波形变化过程,图7(b)为振动波形局部放大图。由图67可知,与电荷的积累过程相反,随着去极化时间的增加,受电荷从电极中被抽出、正负电荷复合等因素的影响,试样内部积聚的异极性空间电荷密度逐渐减小。同时,分子振
21、动波形也逐渐从极性反向状态向初始状态恢复。3分析与讨论3.1实验结果分析在不施加高场强的直流极化电压,仅施加幅值为1 kV、上升和下降时间为50 ns的方波脉冲电压时测得的分子振动波形如图8所示,该波形由极性相反的两个峰组成,分别对应试样内部两端靠近界面处的极化电荷。脉冲电压边沿时刻电场力突变会导致电荷受力平衡状态被打破,使电荷受到一个较大合力的作用从而引发振动22-23。由于试样两端极化电荷的极性相反,在脉冲电压上升沿或下降沿到来时二者受到的合力方向也相反,产生极性相反的两个振动峰。电荷受力如图9所示。施加一段时间高场强直流电压后,聚酰亚胺试样内部积聚大量异极性空间电荷,由于异极性空间(a)
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