伽马线辐射对聚合物电介质电痕破坏现象影响的研究

摘要

聚合物电介质材料在电力系统中发挥着重要作用,一旦发生绝缘破坏,就极有可能会导致短路、停电甚至着火、爆炸等事故的发生,后果严重。聚合物电介质材料在宇宙及核聚变环境中受到大量放射线辐射后,其绝缘性能将发生很大变化,高能辐射严重影响了聚合物电介质材料的应用。因此,研究高能辐射对聚合物电介质绝缘特性的影响对于工程电介质的实际使用有着极为重要的意义。随着宇宙航天事业和核工业的发展,越来越多的电气电子设备将在各种辐射场环境下运行,聚合物电介质材料的使用环境也趋于多样化。很多聚合物电介质在受到高能辐射的同时,还会受到其它一些环境因素如真空、强磁场磁场等极端环境的影响。目前,多因素并存辐射环境下聚合物电介质绝缘性能方面的研究还比较少。所以研究多因素并存辐射环境下聚合物电介质的绝缘破坏具有较大的理论和现实意义。
　　 本文以广泛应用在变压器、电动机、继电器、电缆以及电容器等电力设备中的聚萘二甲酸丁二醇酯(PBN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环氧树脂(EX)、聚碳酸酯(PC)等常用聚合物电介质为试样,采用60Co伽马射线放射源以10kGy/h辐射率对试样进行辐照处理,辐射量分别达到100kGy和1000kGy。基于针-板电痕破坏和IEC60112耐电痕实验法,着重考察了高能辐射及其与低气压、强磁场辐射复合环境下的电痕破坏现象。主要研究工作和取得的成果如下:
　　 1.针对太空和核聚变环境中聚合物电介质老化绝缘性能下降的现象,本文采用高压脉冲下针-板沿面放电绝缘破坏的方法,研究了高能辐射对PBN、PBT、PET、EX和PPO等常用工程电介质电痕破坏的影响。通过考察绝缘破坏时间和放电能量两个重要参数,得出了高能辐射对它们绝缘破坏特性的影响规律,并结合交联与降解理论从材料化学结构的角度深入探讨了高能辐射环境下聚合物电介质绝缘特性的变化机理。
　　 2.在研究高能辐射对聚合物电介质绝缘破坏特性影响的基础上,本文进一步考察了辐射改性(将辐射类型不同的电介质混合)对聚合物电介质耐电痕特性的影响。实验参照IEC60112国际标准法,考察了掺加3％聚乙烯的聚碳酸酯(改性PC)高能辐射后侵蚀深度和重量减轻的变化规律。另外还从放电电流的特征入手,运用递归图和递归定量分析的方法,对高能辐射条件下改性PC的耐电痕特性进行了评定,更加直观的揭示了放电电流的变化与聚合物电介质绝缘破坏特性之间的关系。结果表明,辐射改性能够改善高能辐射环境下电介质的耐电痕特性,递归技术可以为分析聚合物电介质的绝缘破坏特性提供很好的帮助。
　　 3.随着电力电子技术高速发展,越来越多的输电线路和电力设备工作在高原地带。高海拔环境具有低气压和强紫外辐射的特点,这些都对电力设备的绝缘造成了很大的影响。高海拔环境下很多低海拔的经验公式、机理都不再适用,但是这个方面的研究现在还比较少。基于这个背景本文研究了低气压和高能辐射复合条件下的电痕破坏现象,进一步探讨了低气压和高能辐射复合环境对聚合物电介质绝缘破坏特性影响的机理,为高海拔环境下电力设备绝缘破坏的研究打下了一定的基础。
　　 4.电和磁是密不可分的,由于大电流的作用,很多电力设备像变压器、电动机等当中都分布有强磁场,而GIS断路器开断时的电磁暂态环境中磁场强度也非常大,这些都对于电力电子设备的绝缘特性造成了很大的影响,设备运行的安全性和可靠性也受到了威胁。所以本文研究了强磁场和高能辐射复合条件下的电痕破坏现象,分析了出现各种差异的原因和机理,本研究对强磁场和高能辐射复合环境下电力设备的设计和制造有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 选题背景及研究意义

1.2.1 高能辐射环境的影响

1.2.2 高海拔环境的影响

1.2.3 强磁场环境的影响

1.3 国内外研究现状

1.3.1 聚合物电介质绝缘破坏的研究概况

1.3.2 高能辐射效应及其对聚合物电气性能影响的研究现状

1.3.3 低气压环境下聚合物电介质绝缘破坏的研究概况

1.3.4 磁场环境下聚合物电介质绝缘破坏的研究概况

1.4 本论文的主要工作

第二章 聚合物电介质的电痕破坏实验

2.1 实验材料介绍

2.1.1 聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)

2.1.2 聚萘二甲酸丁二醇酯(PBN)

2.1.3 环氧树脂(EX)

2.1.4 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)

2.1.5 聚苯醚(PPO)

2.1.6 聚碳酸酯(PC)

2.2 高压脉冲针-板电极电痕破坏实验系统

2.2.1 纳秒级高压脉冲电源

2.2.2 实验方法

2.3 IEC60112实验系统

2.3.1 IEC60112标准下的电痕破坏现象

2.3.2 IEC60112国际标准实验法

2.4 本章小结

第三章 高能辐射对聚合物电介质电痕破坏的影响

3.1 聚合物的辐射老化效应

3.2 高能辐射对聚合物电介质绝缘破坏时间的影响

3.3 辐射量与电痕破坏过程中放电量的关系

3.4 高能辐射对PBN、PET与PBT放电痕迹的影响

3.5 辐射反应结果的差异分析

3.5.1 影响聚合物辐射老化的因素

3.5.2 聚合物辐射结果与材料类型和组分关系的分析

3.6 本章小结

第四章 辐射改性对聚合物电介质电痕破坏的影响

4.1 递归分析技术简介[116]

4.1.1 递归图算法

4.1.2 递归定量指标

4.2 辐射改性对侵蚀深度和重量减轻的影响

4.3 辐射改性聚合物电介质的耐电痕特性的RP分析

4.4 小结

第五章 高能辐射与低气压条件下的聚合物电介质电痕破坏

5.1 实验介绍

5.2 低气压与辐射对聚合物电介质绝缘破坏时间的影响

5.3 低气压与辐射对聚合物电介质放电量的影响

5.4 低气压与辐射对聚合物电介质放电痕迹的影响

5.5 小结

第六章 强磁场与高能辐射对聚合物电介质电痕破坏的影响

6.1 实验介绍

6.2 不规则图形面积的计算方法

6.3 强磁场与辐射对聚合物电介质绝缘破坏时间的影响

6.4 强磁场与辐射对聚合物电介质放电量的影响

6.5 强磁场与辐射条件下聚合物电介质的绝缘破坏痕迹

6.6 小结

第七章 电痕破坏的机理分析

7.1 聚合物电介质的击穿理论[27-29]

7.2 聚合物电介质电痕破坏机理分析

7.2.1 沿面空气放电击穿的基本过程

7.2.2 表面电荷及材料表面陷阱对空气击穿的影响

7.2.3 碳化析出形成碳化通道的过程分析

7.3 小结

第八章 结论与展望

8.1 主要研究成果

8.2 后续工作展望

参考文献

博士期间发表论文和科研情况说明

致谢