[發(fā)明專利]一種提高固體絕緣介質(zhì)真空沿面閃絡(luò)性能的方法

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• 申請日: 2015-11-20
• 公開（公告）號: CN105489326A
• 公開（公告）日: 2016-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張振軍;鄭健;李秀衛(wèi);袁海燕;王斌;王輝;任敬國;李杰;師偉;云玉新
• 申請（專利權(quán)）人: 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院;國家電網(wǎng)公司
• 主分類號: H01B19/04
• 分類號: H01B19/04
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 曹麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電氣高壓絕緣材料領(lǐng)域，特別涉及一種用于提高固體絕緣介質(zhì)真空沿面閃絡(luò) 性能的方法。

背景技術(shù)

真空作為一種優(yōu)良的絕緣介質(zhì)，以其良好的介電性能、低廉的成本價格而被廣泛的應(yīng)用 于電氣設(shè)備與電子器件中，如真空二極管、真空開關(guān)、脈沖功率開關(guān)、高能加速器等。當(dāng)固 體絕緣子被引入真空間隙中作為支撐或絕緣隔斷時，在絕緣子與真空交界面上存在著遠(yuǎn)低于 絕緣子本征擊穿場強(qiáng)與真空間隙擊穿場強(qiáng)下的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象問題。真空中的閃絡(luò)現(xiàn)象嚴(yán)重制 約了復(fù)合絕緣系統(tǒng)的耐電強(qiáng)度，閃絡(luò)放電脈沖不僅會干擾到電力設(shè)備上敏感電子器件的正常 工作，更嚴(yán)重的放電甚至?xí)?dǎo)致電子器件和絕緣子局部被放電脈沖所燒毀，嚴(yán)重影響電力設(shè) 備的可靠性與壽命。據(jù)相關(guān)資料報道，美國能源部的加速器以及日本的空間衛(wèi)星都曾因真空 部件發(fā)生沿面閃絡(luò)現(xiàn)象引起的問題而受到損壞，造成了極大經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，沿面閃絡(luò) 現(xiàn)象是制約電氣設(shè)備電壓等級的核心因素，也是當(dāng)前發(fā)展高電壓、大功率、小型化設(shè)備所面 臨的一個主要瓶頸。

真空沿面閃絡(luò)研究通常是根據(jù)工程實(shí)際抽象得來的，國內(nèi)外研究真空沿面閃絡(luò)的主要方 法都是通過電氣試驗(yàn)的方式研究各種物理因素對閃絡(luò)特性的影響，如環(huán)境氣壓、電極結(jié)構(gòu)、 施加電壓類型、絕緣子的材料及形狀、絕緣介質(zhì)表面狀況、溫度、輻射等因素。經(jīng)過多年的 研究，目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為真空沿面閃絡(luò)大致可以分為以下三個階段：①起始階段——產(chǎn)生 初始電子；②發(fā)展階段——形成電子倍增；③閃絡(luò)階段——形成貫穿性氣體放電通道。因此， 針對真空沿面閃絡(luò)發(fā)展機(jī)理，有效提高絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的方法就可以從以下幾個方面著 手：①降低陰極附近的界面電場強(qiáng)度，使得引發(fā)閃絡(luò)的關(guān)鍵性因素三結(jié)合點(diǎn)(電極——絕緣 子表面——真空三者交界處)附近的局部合成場強(qiáng)減小，導(dǎo)致閃絡(luò)發(fā)展需要更高的電壓才能 觸發(fā)；②抑制電子崩發(fā)展過程，減少了電荷遷移過程中的碰撞電離及二次電子發(fā)射；③減少 絕緣子表面脫氣率。然而，應(yīng)用于不同環(huán)境下的絕緣子主要是上述哪一種或者幾種機(jī)制在發(fā) 揮作用，以及需要通過哪種處理方式可以最有效達(dá)到提高絕緣子真空沿面閃絡(luò)性能仍是一個 亟待解決的問題。

在空間輻照環(huán)境下，高能電子輻射將導(dǎo)致電荷在介質(zhì)材料內(nèi)部沉積，從而發(fā)生內(nèi)帶電效 應(yīng)，在介質(zhì)材料內(nèi)帶電過程中，高能粒子會與原子發(fā)生碰撞電離，使價帶中電子躍遷到能量 較高的導(dǎo)帶，同時空穴留在價帶中，形成電子——空穴對(載流子對)，從而產(chǎn)生輻射誘導(dǎo)電 導(dǎo)率，改變材料原有的介電性能，對介質(zhì)材料內(nèi)帶電過程產(chǎn)生影響，但內(nèi)帶電產(chǎn)生的放電脈 沖在材料局部會釋放大量能量，造成材料的損壞和老化。

聚合物材料以其優(yōu)良的電氣絕緣性能、機(jī)械性能及耐輻射等性能，廣泛應(yīng)用于航空航天 工業(yè)、電力系統(tǒng)絕緣、微電子、激光等領(lǐng)域，是電氣高壓絕緣材料領(lǐng)域中重要的絕緣結(jié)構(gòu)件。 目前，利用低能電子輻射技術(shù)來提高聚合物絕緣性能的相關(guān)報道極少，而將低能電子輻射技 術(shù)用于改善聚合物絕緣子真空沿面閃絡(luò)性能的研究尚無人涉及。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明研究發(fā)現(xiàn)：固體絕緣子在經(jīng)過低能電子輻射處理后，介質(zhì)表面 改性主要表現(xiàn)為以下幾個方面：1)介質(zhì)表層電子束注入深度以內(nèi)形成的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率會改 善絕緣介質(zhì)表層電導(dǎo)率，使輻射表層的電荷泄放能力大幅增加，減少了絕緣子表層中的電荷 積聚，降低了局部電場畸變程度；2)低能電子輻射導(dǎo)致絕緣子表層發(fā)生交聯(lián)和微降解，生成 三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合分子結(jié)構(gòu)，使介電常數(shù)降低，抑制了三結(jié)合點(diǎn)處局部電場畸變；3)電子輻射 會使陷阱參數(shù)發(fā)生變化，淺陷阱會發(fā)展成深陷阱，介質(zhì)體內(nèi)總體陷阱密度也會增大，抑制了 電荷在絕緣子體內(nèi)碰撞電離及內(nèi)二次電子發(fā)射。這些改變與入射低能電子束能量以及束流密 度有著密切關(guān)聯(lián)。因此，本申請開發(fā)了一種提高固體絕緣介質(zhì)真空沿面閃絡(luò)性能的方法，提 出一種利用低能電子輻射技術(shù)對聚合物絕緣子進(jìn)行表面改性的方法，在聚合物材料表層形成 一定厚度的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率層，改善介質(zhì)表層電荷泄放能力，并降低介電常數(shù)，增加深陷阱 密度，提高絕緣子真空沿面閃絡(luò)電壓。本發(fā)明具有應(yīng)用面廣、可靠性高、工藝簡單、可操作 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明涉及使低能量電子束輻照聚合物用于提高聚合物介質(zhì)真空沿面閃絡(luò)性能的方法， 依據(jù)本發(fā)明，發(fā)明將聚合物暴露于電子束源。雖然不受限于任一操作理論，發(fā)明認(rèn)為使低能 量電子束輻照聚合物導(dǎo)致聚合物真空沿面閃絡(luò)性能提升。

本發(fā)明中所述的“低能量電子束”是指電子束的能量不大于20keV。