1、高海拔和磁场环境下环氧树脂的绝缘破坏高海拔和磁场环境下环氧树脂的绝缘破坏Effects of High Altitude and Magnetic Field on Dielectric Breakdown of Epoxy Resin学科专业:电力系统及其自动化研 究 生:高宇指导教师:杜伯学 教授天津大学电气与自动化工程学院二零零六年一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果, 除了文中特别加以标注和致谢之处外, 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果, 也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工
2、作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名:导师签名:签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日中文摘要环氧树脂作为绝缘材料, 广泛应用于电气电子设备, 其绝缘性能直接影响到 设备运行的安全性和可靠性。
3、随着我国西部的开发,设备需要运行于 4000m 以上 的高海拔地区,当气压降低至 70kPa 以下时,环氧树脂的绝缘性能因低气压的影 响而改变。在变压器,电抗器等器件周围广泛分布着磁通密度在 0.1T 至 1T 之间 的磁场,这对附近的电气电子设备的绝缘性能产生影响,威胁到设备的安全稳定 运行。目前,对于磁场环境下环氧树脂绝缘性能的研究很少。随着我国西部开发 进程的不断发展,越来越多的电气电子设备将运行于高海拔地区和磁场环境下, 环氧树脂的绝缘性能也将受到低气压和磁场环境的考验,考察环氧树脂在低气压 下磁场环境中的绝缘性能具有理论意义和实用价值。本实验采用环氧树脂 (Glass-epoxy,
4、FR -4 绝缘板作为试样, 使用印刷电极 方法,将铜薄印制在试样表面作为实验电极,使用直流高压电源,研究了板 -板和 半圆板 -板电极条件下 , 高海拔低气压和磁场环境对环氧树脂小绝缘间隙绝缘破 坏的影响。结果表明:随着气压的降低,环氧树脂板电极间起始放电电压减小, 绝缘破坏时间延长; 磁场环境下起始放电电压比无磁场时低; 磁场环境下的绝缘 破坏时间依赖于电磁力(EB的方向。 当 EB指向环氧树脂表面时,容易发生绝 缘破坏;当 EB偏出环氧树脂表面时,不容易发生绝缘破坏。 气压越低,磁场对绝 缘破坏的作用越大。 磁场对板-板电极下绝缘破坏的作用强于对半圆板-板电极下 的作用。关键词 : 低气
5、压 磁场 环氧树脂 绝缘破坏ABSTRACTEpoxy Resin is widely used as the insulation of electric and electronic devices for its great dielectric properties. In the process of Develop Western Regions,devices have to operate on high altitude regions above 4000m, where the ambient pressure is very low. As a result, the
6、dielectric properties of epoxy resin are changed. At the same time, there is always magnetic field around transformers, reactors and etc which makes dielectric breakdown of epoxy resin in the devices and finally results in serious failures. However, effect of magnetic field on dielectric breakdown h
7、as not been sufficiently studied on epoxy resin. Therefore, from the safety point of view, its very important for us to investigate the influence of low pressure and magnetic field on dielectric breakdown of epoxy resin.In this paper, epoxy resin laminate on which copper electrodes was printed has b
8、een employed to investigate the effects of low pressure and magnetic field on the dielectric breakdown. The experiment was carried out under electric and magnetic field by using a DC power under decreased pressure conditions. The test results show that with decreasing the pressure, the time to diele
9、ctric breakdown increases, the inception voltage decreases. The value of inception voltage is smaller under magnetic field than that of non-magnetic field. The time to dielectric breakdown under magnetic field depends on the direction of EB. When EB drifts into the surface of epoxy resin, the time t
10、o breakdown is shortened. When EB drifts away from the surface of epoxy resin, the time to breakdown is delayed. Furthermore, the influence of magnetic field on dielectric breakdown depends on ambient pressure and electrode pattern.KEY WORDS: low pressure, magnetic field, epoxy resin, dielectric bre
11、akdown目 录第一章 序论1.1概述.1 1.2选题背景.2 1.3国内外研究现状.3 1.3.1低气压环境下绝缘破坏的研究.3 1.3.2磁场环境下绝缘破坏的研究.4 1.4本文的主要工作.7 第二章 固体介质的击穿机理2.1固体的击穿理论.9 2.1.1固体击穿的基本类型.9 2.1.2影响固体击穿的因素.10 2.2固体介质表面的沿面闪络.11 2.2.1固体介质表面沿面闪络的一般过程.12 2.2.2影响固体介质沿面闪络的因素.12 2.2.3真空环境下固体介质沿面闪络.13 2.3有机绝缘材料表面的绝缘破坏.15 2.3.1有机绝缘材料表面的绝缘破坏.15 2.3.2影响有机绝缘
12、材料表面破坏的因素.16 2.4小结.181第三章 板-板电极下环氧树脂的绝缘破坏特性3.1实验的设计.19 3.1.1试样的选取与制作.19 3.1.2磁场的设计.19 3.1.3低气压的获得.21 3.1.4实验电路的设计.21 3.2绝缘破坏实验.22 3.2.1表面起始放电的实验.22 3.2.2绝缘破坏的实验.23 3.3实验结果的分析和讨论.23 3.3.1电子在电场和磁场共同作用下的运行轨迹.23 3.3.2气压对绝缘破坏的影响.27 3.3.3磁场对绝缘破坏的影响.32 3.4小结.38 第四章 半圆板-板电极下环氧树脂的绝缘破坏4.1实验的设计.39 4.1.1试样的选取与制
13、作.39 4.1.2磁场的选取及与试样的相对位置.39 4.1.3实验电路图.40 4.2绝缘破坏实验.41 4.3实验结果的分析与讨论.42 4.3.1气压对绝缘破坏的影响.424.3.2磁场对绝缘破坏的影响.43 4.4小结.46 第五章 结论及今后的研究方向5.1结论.48 5.2对未来工作的展望.49 5.2.1问题的提出.49 5.2.2表面电荷分布的研究方法.49 5.2.3今后的研究工作.50 参考文献 .51 发表论文和科研情况说明 .55 致谢 .56第一章 绪论1.1 概述20世纪 50年代开始,有机高分子绝缘材料凭借其高电阻率,低介质损耗, 高耐电强度, 易于加工等特点,
14、 逐步取代了天然绝缘介质材料, 成为电工材料的 重要分支 。1环氧树脂作为有机绝缘材料,具有优异的物理、化学和机械特性。因此,在 电气绝缘的各个领域都得到了广泛的应用, 得到很好的效果。 不同容量的大电机、 汽轮和水轮发电机以及超导电机和 110220kv 级超高压发电机,以环氧树脂及 其制品作为绝缘,所获得的技术经济效果很大,例如:60130万千瓦的汽轮和 原子能发电机采用环氧树脂绝缘, 可保持发电机的可靠性, 并延长发电机绝缘的 寿命及维修周期。运行日久或将“退休”的中、小型水轮和火力发电机,采用环 氧树脂绝缘,可在结构不变的情况下提高功率,继续运行。各种无线电、电信、 遥控装置以及电子电
15、器的电负荷很小, 而工作的准确度和可靠性要求极高, 故在 许多场合采用环氧树脂绝缘,以减小高频下的功率损耗,保持稳定的介电常数, 增强防潮、耐菌、抗机械振动的能力。环氧树脂还应用于以下各种场合:高能电 气装置和原子能电站、中小型电机、变压器、开关、各种组合电器、互感器、电 瓷制品、电线电缆2在电力工业中, 随着传输容量的不断增大, 电压等级逐步升高, 对各种电力 设备运行的安全性和可靠性要求也越来越高。 长久以来, 绝缘故障一直是电力系 统故障的主要原因之一 。 作为电气电子设备的重要组成部分, 环氧树脂绝缘性 能的好坏, 直接关系到设备乃至整个系统运行的安全性和可靠性。 因此, 对环氧 树脂
16、绝缘特性的研究日益受到重视。3环氧树脂在实际的应用中会遇到各种各样的运行环境,例如高温、高场强、 低气压、强磁场等等 。每一种因素对绝缘破坏均有重要的影响。随着环氧树 脂应用越来越广泛,研究者纷纷把目光投向了环境因素对绝缘破坏影响的研究。748我国对有机高分子聚合物绝缘材料的研究起步较晚, 但在使用方面却发展迅 速。 为了提高聚合物绝缘使用的安全性和可靠性, 防止各类由绝缘老化现象引起的停电乃至火灾事故发生, 高聚物的绝缘特性研究迫在眉睫。 关于绝缘击穿现象 研究的最新动向大概可分为以下三个方向:(1绝缘击穿机理的研究; (2标准 实验法的研究; (3 绝缘击穿与环境因素影响的研究 。本文主要
17、把重点放在环 境因素对环氧树脂绝缘破坏的影响上。91.2 选题背景上世纪 90年代以来,我国加大了发展西部经济的力度。随着西部开发的进 行, 越来越多的输电线路和电气设备将工作于海拔超过 4000m 的高原上 。 我 国广袤的高原地区,具有低温、低气压、强紫外线辐射等特点。这些恶劣因素都 将对电气设备的绝缘构成极大威胁 。表 1-1列出了我国西藏部分地区的海拔 高度与气压的关系。1210 12表 1-1 西藏部分地区的海拔高度与气压的关系13地点格尔木 当雄 那曲 五道梁 安多 高度2870m 4200m 4507m 4645m 4800m 气压 72.5kPa 60.4kPa 58.7kPa
18、 57.8kPa 57.3kPa如表 1-1所示, 当海拔高于 4000m 时, 气压已经下降到 70kPa 以下。 根据巴 申定律,随着气压的降低,气体的起始放电电压逐步减小 。重庆大学孙才新 院士等人的研究证明,气压的降低严重影响了绝缘材料表面击穿的特性,进而威 胁系统运行的安全稳定性。 因此,对低气压下绝缘表面破坏机理的研究,对维护系 统安全,保障西部开发输变电工程的顺利实施,具有重大的意义。14电和磁是密不可分的自然现象,在自然界中就广泛分布着磁场,如地磁场等。 在工业生产应用中,由于工作大电流的作用,在如电动机、变压器、电抗器、电 磁铁等设备周围也分布着强大的磁场 。 通常,磁场的强
19、弱可以用磁通密度来表 征。磁通密度的定义为单位面积中穿过的磁通量,其单位为特斯拉(T,磁通密度 也称为磁感应强度。 空间某点处的磁通密度越大,说明该点的磁场越强 。 表 1-2列出了常见的自然界及工业设备中的磁场分布状况。1516电磁场的存在不仅会对通信造成干扰 , 使得传输信号发生畸变,也会对生 活于电磁场环境下的人身健康造成伤害。电磁兼容和电磁污染的研究指出,人类 长期生活于磁通密度超过 0.1mT 的环境中,就会对人体造成伤害 。另外,工业 中存在的强大磁场,会对周围的电气电子设备的绝缘材料特性造成影响,威胁了 1718设备运行的可靠性和安全性 。 因此,考察磁场环境下的绝缘表面破坏现象
20、, 不 仅为电气电子设备的安全运行提供理论基础, 对保证系统的安全运行, 具有现实 意义。7, 6表 1-2磁场的分布20, 19, 16, 15 磁场条件磁场分布 磁通密度 地球赤道处磁场的水 平强度T 410 4. 03. 0( 自然界的磁场 地球两极处磁场的竖直强度T 410 7. 06. 0( 普通永久磁铁 T 7. 04. 0 电动机和变压器铁心 T 7. 19. 0 超导脉冲磁场 T 10010工业中的磁场电抗器磁通 T 3. 005. 0 目前,我国的西部开发工程正在进行当中。 每年,大量的绝缘子、 传输线及电 气电子设备等被运往高原地区安装运行 。这些电气电子设备需要工作于低气
21、 压和磁场环境下,受其影响,电气电子设备的绝缘性能发生了变化。 本文采用实验 方法,测试研究了低气压磁场环境下环氧树脂板的绝缘特性,为电气电子设备在 高海拔地区的安全应用,提供了理论保障。121.3 国内外研究现状1.3.1 低气压环境下绝缘破坏的研究气体放电现象受气压影响很大, 巴申定律很好的解释了气压对气体放电的影 响:当气压高于巴申最低点时,随着气压的升高,气体的放电电压逐渐增大;当 气压低于巴申最低点时,随着气压的降低,气体放电电压逐渐增大 。气体放 电的这种特性也被应用于电气绝缘的诸多领域。14但是, 固体绝缘表面的闪络, 是一种特殊的气体放电现象。 其特性不仅与气体放电特性相关,还
22、与固体表面的特性有关 。因此,考察绝缘表面放电受气 压环境的影响,应该综合考虑气体放电和固体放电的特性。14 近年来, 为了使传输线路能适应高原地区低气压覆冰环境工作的需要, 有学 者在多功能人工气候室内进行了低气压下覆冰绝缘子直流闪络特性的研究, 得出 完全覆冰绝缘子的闪络电压随气压的降低而下降的结论 。此外,还模拟了 4000m-5500m 的高海拔,覆冰,污秽作用下合成绝缘子的交流闪络电压,提出了最 低交流闪络电压的校正公式 。22, 2123文献24指出大气污染造成的输变电设备外绝缘污闪对电力系统造成了严 重危害, 我国复杂的地貌和气象特征也使得污闪问题尤为突出。 文献25中使用 三种
23、复合绝缘子在四种海拔高度上进行了低气压和人工污秽的实验。 并和典型的 电瓷绝缘子作了比较, 同时进行了憎水性状态下复合绝缘子的污闪实验。 结果表 明,复合绝缘子污闪电压随气压降低有规律地降低。对于大气环境下电力系统的外绝缘特性方面的研究,文献12指出,由于我 国西部存在高海拔的地质特征, 低气压等自然条件对输电线路的外绝缘有着很大 的影响, 深入研究上述恶劣环境对材料绝缘特性的影响, 能够为我国高原地区的 电气设备运行提供必要的理论基础, 具有极大的社会意义和经济价值。但是,对于海拔高于 4000m 的地区,国家标准中的试验规程乃至经验公式并 不适用, 需要进行进一步的深入考察研究并进行修正
24、。另外,国内对于有 机绝缘材料在低气压环境下的绝缘破坏特性的研究甚少,仍处于初级阶段。23, 1311对于有机绝缘材料的破坏现象,B.X Du等人进行了较系统的研究 。文献5采用 IEC60112试验方法在减压状态下测试了有机绝缘材料的绝缘性能, 发表 了 CTI 值受气压影响的观点, 并对各种有机绝缘材料进行了分类,并且认为,低 气压环境下有机绝缘的破坏特性与材料固有的示氧值有关。 在对 PL、PBT、 EX 等 有机材料的研究中发现, 气压对有机绝缘材料表面破坏的作用, 还因材料的分子 结构不同而有很大的差异。94综上所述,国内目前对低气压下有机绝缘表面破坏的机理研究仍处于初级的 探索阶段
25、。随着有机绝缘材料在高海拔低气压环境下应用的增多,此类研究也正 逐渐发展起来。1.3.2 磁场环境 下 绝缘破坏的研究上世纪 60年代起, 各国科学家已经开始对磁场环境下气体的电离进行研究。 英国科学家 Heylen 在他的研究中系统的阐述了磁场对于气体的电离和击穿的作 用, 并总结了磁场的 “等价削弱电场法则” 。 他的研究在原有的巴申定理基础上,通过对加入磁场后电子运动轨迹的推导,修正了巴申定理,为其他各国学者的后 续研究,提供了坚实的理论基础 。美国学者 Hegeler 进行了模拟近地运行轨 道环境下绝缘子表面的击穿特性的研究。Hegeler 通过等离子体和紫外线照射来 模拟空间环境。
26、实验中采用的磁场与材料表面平行, 但和电场垂直。 磁通密度可 以取到 40mT . 研究结果表明:磁通密度为 30mT 的磁场就足以使得等离子体偏出绝 缘间隙,因此当 EB偏转向外时,磁场的加入会显著推迟表面击穿的发生 。 波兰学者 Kolaczkowski 对真空环境下,磁场对气体间隙预放电电流的影响做了 细致的研究。他的研究表明,间隙的长度,电极的形状和极性,磁通密度的大小均 会影响间隙击穿电压 ;印度学者 J.C Paul从理论上对气体,液体,固体介 质在磁场作用下的松弛极化现象做了深入的研究,并建立了相关模型 。 另外,B.X Du曾对磁场环境下印刷电路板的表面破坏进行了研究。其研究通
27、过在固定 时间里滴加电解液方式,并记录滴加数量的方法来确定破坏时间。 结果表明,印刷 电路板破坏的难易程度依赖于磁场和电场的夹角:当夹角为 90度时,印刷电路板 难破坏;当夹角为 270度时,印刷电路板容易破坏 。2627302832, 3133, 7, 6在国外学者的研究中, 日本学者 M.Ohki 和 S.Saito 对磁场环境下,真空中 固体绝缘表面的气体绝缘破坏的研究 以及美国德克萨斯大学的 R.Korzekwa 对 近地运行轨道的高真空下磁场作用的固体介质的表面闪络的研究 最全面。344135M.Ohki 和 S.Saito对高真空度下,磁场对表面闪络的影响进行研究。采用 了密封容器以获得 torr 数量级的高真空 , 利用电磁场 , 并分别使用点对点电极, 环对环电极,环对点电极,点对环电极四种不同形式的电极 , 并考虑了背后电极 的影响 , 实验设置的示意图如图 1-1所示: 图 1-1 实验装置的示意图M.Ohki and S.Saito 研究的主要结论可以阐述如下:电极形状和背后电极对 闪络的影响极大。无论电极形
