聚合物绝缘材料耐电痕性研究及其非线性分析

摘要

聚合物绝缘材料有着特殊的电气破坏现象：其表面在特定条件（潮湿与污秽）下会发生电痕劣化现象，并在周围产生更多的碳化物，形成碳化导电通路，甚至导致整个绝缘击穿。采用比漏电痕指数（CTI）方法评定材料的耐电痕性有很大的分散性，试验条件的略微改变都会对其产生较大影响，因此有必要对电痕劣化现象进行深入研究。耐电痕试验中采集的放电电流对分析聚合物材料的耐电性有重要作用，已有的文献主要通过计算放电量、进行频谱和功率谱分析等方法研究放电电流的内在特性。由于耐电痕劣化试验放电是一个非常复杂的过程，若仅考虑上述指标是不够科学的。研究放电电流的非线性特征量有助于理解放电过程的内在机理，这是由于：1）放电过程是一个非周期、非随机和非确定的复杂过程；2）经过小波变换去除工频信号的放电电流波形，其轮廓具有Mandelbrot所描述的分形体特征。本文运用递归图技术、递归定量分析方法、重构混沌吸引子、庞加莱截面法和计算分形维数、最大李雅谱诺夫指数等非线性指标，提供可视化（如混沌吸引子、递归图、庞加莱截面）或定量（如递归定量指标等）方法，揭示放电电流在m维相空间中的动力学特性。 混沌状态被认为是局部放电和电树枝的最终形态，而电痕与混沌的关系并未有报道，本文对于耐电痕试验放电过程是否可以进入混沌状态，进行了不同层面的讨论，所得结果为：放电电流的最大李雅谱诺夫指数为正；放电电流的分形维数随着嵌入维数的增加逐渐达到饱和值；放电电流的递归图具有典型混沌信号的拓扑和细纹理结构；放电电流吸引子的庞加莱截面有大量成片的、有分形特征的不动点。由此可知耐电痕试验最终将进入混沌状态。 聚合物绝缘材料越来越多的应用在各种辐射环境中，在强辐射线的照射下聚合物绝缘会发生一系列的化学变化，其中最主要的变化是分子链交联和降解反应，有必要对辐射条件下材料的耐电痕性能进行评定。辐射线对聚合物耐电痕性能的影响非常复杂，本文主要基于IEC60112耐电痕试验，运用递归图技术和递归定量分析等方法，对交联型和降解型聚合物进行耐电痕性评定。所得结果表明递归图方法可以将辐射剂量的影响，定性的展现在二维可视化图像中，而递归定量分析方法则量化了这种影响。 尽管阻燃剂可以延迟材料的起始闪络电压和火的传播速度，但同样会影响材料的电气特性。关于阻燃剂对材料耐电痕性能影响的文献较少，本文主要讨论不同溴族阻燃剂剂量对聚合物材料耐电痕性能的影响。主要方法为分析放电电流的非线性特征，并测量材料的比漏电痕指数等。所得结果表明，递归图和分形维数等非线性指标评定阻燃剂剂量的影响同样有效。 递归图等非线性方法对评定聚合电痕劣化不同阶段也是非常有效的，混沌吸引子的演化轨道、递归图的拓扑结构和分形维数的变化规律等，都和耐电痕试验的放电阶段有较好匹配。另外，本文同时对不同电压波形，如交、直流时，材料耐电痕性能进行非线性分析，所得结果表明非线性方法同样有效。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景

1.2课题研究现状

1.2.1非线性方法研究现状

1.2.2聚合物材料耐电痕性研究现状

1.3论文的内容及结构安排

1.4创新点

第二章耐电痕试验、非线性技术及放电信号的相空间分析

2.1耐电痕试验方法

2.1.1电痕破坏现象

2.1.2 IEC 60112试验方法

2.1.3 IEC60587试验法

2.1.4耐电痕试验试品

2.2相空间重构技术

2.2.1相空间重构理论与验证

2.2.2嵌入参数的选取

2.3递归分析技术

2.3.1递归图算法

2.3.2递归定量指标

2.4相空间重构技术在电痕劣化分析中的应用

2.5本章小结

第三章放电过程混沌存在的证明

3.1混沌的定义

3.2耐电痕试验混沌存在的证明

3.2.1最大李雅普诺夫指数验证混沌状态

3.2.2分形维数验证混沌状态

3.2.3递归图法验证混沌状态

3.2.4 Poincar(e)截面验证混沌状态

3.3本章小结

第四章辐射条件下聚合物材料耐电痕性研究

4.1测量PBT、PBN在三种辐射条件下的CTI值

4.2递归参数的选取

4.3辐射剂量不同，PBT放电电流的非线性分析

4.3.1 PBT辐射剂量0kGy放电电流的递归图分析

4.3.2 PBT，辐射剂量100kGy，放电电流的递归图分析

4.3.3 PBT，辐射剂量1MGy，放电电流的递归图分析

4.3.4 PBT，递归定量指标和分形维数分析

4.4辐射剂量不同，PBN放电电流的非线性分析

4.4.1 PBN，辐射剂量0kGy，放电电流的递归图分析

4.4.2 PBN，辐射剂量100 kGy，放电电流的递归图分析

4.4.3 PBN，辐射剂量1MGy，放电电流的递归图分析

4.4.4 PBN， 递归定量指标

4.5本章小结

第五章交、直流电压条件下的放电分析

5.1.交、直流条件下放电电流递归特性比较

5.1.1递归参数的选取

5.1.2直流条件下不同放电阶段的递归图分析

5.2交、直流条件下混沌吸引子的比较

5.3交、直流条件下的分形维数和最大李雅谱诺夫指数

5.3.1交、直流条件下放电电流的分形维数

5.3.2最大李雅谱诺夫指数

5.4交、直流条件下，放电各阶段功率谱分析

5.5本章小结

第六章阻燃剂条件下的放电分析

6.1阻燃剂对放电电流非线性特征的影响

6.1.1放电电流的递归分析

6.1.2不同阻燃剂剂量，放电电流的分形维数

6.2测定比漏电痕指数(CTI)

6.3放电量的计算

6.4放电电流的频谱分析

6.5材料表面接触角的测定

6.6本章结论

第七章全文总结和展望

7.1全文总结

7.1.1将递归技术、递归定量分析和分形维数等引入耐电痕研究

7.1.2验证耐电痕试验进入混沌状态

7.1.3多种条件下聚合物耐电痕研究

7.2研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢