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纳米电介质为何绝缘失效?小电荷,大影响

已有 762 次阅读 2021-3-3 11:05 |个人分类:热点研究|系统分类:论文交流

Understanding insulation failure of nanodielectrics: tailoring carrier energy点击文末“阅读原文”查看全文


题目:纳米复合电介质的绝缘失效机理:载流子能量的调控

作者:李盛涛, 谢东日, 雷清泉

原文链接:https://digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/hve.2019.0122 


内容整理自《High Voltage》2020年第5卷第6期。


01.摘 要

研究聚合物绝缘介质性能提升方法及其失效机理是保障电力设备安全运行的关键基础。目前,主要采用纳米复合方式以调控界面特性,从而改善绝缘介质宏观电气性能。本文首先从纳米表面微观修饰基团调控宏观直流击穿性能的角度仿真分析界面陷阱来源。其次,基于双极性电荷输运模型,仿真分析认为在直流电压作用下绝缘介质内部注入电荷导致电场畸变是影响直流击穿性能的关键因素,结合电击穿理论中的能量判据,综合提出电荷能量调制电击穿模型。进而,从电荷能量的角度进一步明确了纳米粒子在直流击穿和耐电晕过程中的分类效应。


02.主要内容

纳米表面微观修饰基团调控陷阱分布和直流击穿特性机理


通过两种具有不同表面微观修饰基团的笼型聚倍半硅氧烷POSS粒子(POSS1450表面接枝异丁基,POSS1458表面接枝苯基)开展其对于聚丙烯基体的界面分子相容性、界面陷阱特性和介电性能的调控研究。得到如下主要结论:

  • 击穿场强和陷阱特性的显著变化:相较于纯PP,PP/POSS 1450复合介质的击穿强度和陷阱能级均增加,PP/POSS 1458复合介质的击穿强度和陷阱能级均减小且引入新的β浅陷阱

  • 修饰基团和基体分子之间的相容性和体系静电势分布共同影响界面陷阱特性:修饰基团与基体分子的相互作用能影响界面分子排布和物理缺陷;PP/POSS 1450复合介质较大的陷阱中心能级源于界面分子较高的静电势,复合体系在界面区较高的静电势表现为对电荷载流子较强的库伦作用,增强电荷载流子在界面区的散射或捕获强度。

  • 陷阱能级越大,其捕获电荷能力越强,且入陷电荷脱陷需要更大能量,从而减少自由电荷密度和抑制电荷能量增加,进而减小电导率和延缓初始碰撞电离产生,表现为直流击穿性能的提升



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TSDC热刺激去极化电流特性


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最低势能构象时PP和POSS分子相互作用时的分子间距和表面静电势分布(×27.211 eV)



2 电荷能量调制短时直流击穿机理


基于双极性电荷输运模型,仿真分析不同陷阱特性时的电荷和电场分布特性。对于PP/POSS 1458复合介质(1.01 eV),其内部的电荷注入最深,并且对应的电场畸变越严重,在同一时刻时其内部的最大电场强度数值也较大,从而更容易引发初始碰撞电离。相反地,对于PP/POSS 1450介质,其具有较大的陷阱中心能级(1.31 eV),注入电荷更加积聚在介质表层区域,其电场畸变得到改善。表明不同陷阱特性导致电场分布的不同,从而影响电荷能量的分布


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电荷注入分布


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电场畸变分布


基于电荷能量增益特性φ= Eeλ,除电场会影响电荷能量之外,电荷自由程也是重要影响因素。雷清泉院士通过设计不同孔径尺寸的一维气-固纳米胞击穿实验,如下图,发现击穿场强随着孔径尺寸的增加而逐渐降低,这是由于大尺寸的孔径使得电荷自由程增加,有利于电荷能量的增益,进一步表明通过抑制电荷能量的增益过程可以提升直流击穿性能


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电荷在气体中的迁移过程


综上,直流击穿过程与电场和自由程双重因素的电荷能量增益特性有关,如下图所示。


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陷阱特性和自由程影响电荷载流子输运过程示意图



从电荷能量角度理解纳米复合电介质击穿与耐电晕性中的不同纳米效应


通过不同纳米含量调控的短时直流击穿和耐电晕性能发现,一般在纳米含量较低时的直流击穿性能提升幅度较大,呈先增加后降低的趋势;而耐电晕性能随着纳米含量增多而提升。因此,可以从电荷能量的角度进一步理解纳米粒子对直流击穿和耐电晕不同实验规律的纳米粒子分类效应。


根据气体放电的流体模型,利用Boltzmann方程求解器BOLSIG +得到了电荷能量分布特性。对于交流电压为7 kV、间隙为1mm的针电极-样品-地电极结构,电荷能量分布结果如图所示,表明电荷能量分布在数十至数百eV,远高于界面陷阱能级。因此,当复合介质受到大能量电荷的侵蚀时,界面势垒的捕获效应较弱,而纳米粒子“硬”本体会通过粒子对电荷的散射效应发挥能量耗散作用,减小了带电离子对针尖下方集中区域的聚合物基体分子的直接破坏,导致耐电晕时间的延长。


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电晕过程中的带电离子能量分布及考虑电荷能量的纳米复合介质耐电晕模型


03.结 论

从电荷能量的角度分别理解纳米复合介质的短时击穿和长时耐电晕性能提升机理。对于直流击穿,经相容性和具有较高静电势基团修饰后的纳米粒子引入界面深陷阱,可以抑制电荷注入深度、电场畸变率及电荷能量增益速率,通过削弱电荷能量动态增长过程而延缓初始碰撞电离的产生,最终提升复合介质击穿场强。在直流电压作用下介质体内的电荷能量较低,纳米复合引入的界面陷阱能够有效捕获载流子,以影响电荷输运过程和电场畸变特性。对于耐电晕过程,界面陷阱相较于电离产生的大能量电荷的侵蚀无法发挥有效作用,而是纳米粒子本体对大能量电荷发挥散射作用,从而使得纳米含量调控的直流击穿性能和耐电晕性能的规律不同


0文献信息

Li Shengtao, Xie Dongri, Lei Qingquan. Understanding insulation failure of nanodielectrics: tailoring carrier energyHigh Voltage. , vol. 5. no 6, Dec. 2020: 643-649.


作者简介


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李盛涛,西安交通大学教授,主要从事电力设备绝缘技术、电介质理论及其应用等方面的研究。2006年获国家杰出青年科学基金。2009、2010年分别获国家电网特高压交流试验示范工程特殊贡献专家和特高压直流输电工程重要贡献专家。获国家科技进步二等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、其它省部级奖3项。在国内外高水平学术期刊上发表论文200余篇,其中SCI检索100余篇,授权发明专利20余项,出版专著2部。


谢东日,西安交通大学博士,主要从事电力设备绝缘技术、电能计量等方面的研究。


雷清泉,中国工程院院士,主要从事电介质物理、纳米电介质材料、高电压绝缘技术。



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