1 工程电介质绝缘击穿特性和统计分析

1 击穿特性

1.1 本征击穿场强

聚合物材料的分子结构是决定其本征击穿性能的关键因素. 本征击穿主要指电子雪崩击穿. 聚合物中的极性基团、分子量、立构规整性等结构因素都会对电子加速造成影响, 进而影响击穿场强. 在聚合物中引入极性基团能够提高材料低温区的击穿场强, 这是因为 引入的偶极子会加强对加速电子的散射, 减缓电子雪 崩和碰撞电离的发展. 一般情况下, 聚合物的击穿场强 会随其分子量的增大而增大. 对于聚苯乙烯(polystyrene, PS)、高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)、低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)等聚合物, 击穿场强与分子量之间的经验公式 (工频电压与脉冲电压下均成立)为：

E = A+ Bexp( K / m), (1) b

式中, A, B, K均为常数, 对于不同的聚合物取值不同; m 为分子质量, 分子量较小时, 击穿场强缓慢提高, 当分 子量达到一定数值后, 击穿场强迅速提高, 最后提高的 速度又缓慢下降.

1.2 外施条件对击穿的影响

典型聚合物材料击穿场强随温度的变化关系表明, 对非极性聚合物来讲, 在某一特定温度以下, 随 着温度的上升击穿场强不变或略有增加, 如低密度聚 乙烯、聚异丁烯(polyisobutylene, PIB); 而在高温区, 非极性聚合物的击穿场强随温度的升高明显下降. 对 极性聚合物来讲, 随温度的升高其击穿场强下降, 没 有明显的温度转折点. 击穿场强的温度转折点与非极 性聚合物的玻璃化转变温度(Tg)有关. 对线性聚合物 而言, 如LDPE, 不同温度区域的击穿机理不同, 其与 聚合物的分子链状态和形态有关: 低温区(玻璃态), 电 子雪崩击穿占主导, 此时极性聚合物的击穿场强高于 非极性聚合物; 中温区(橡胶态), 可能的击穿机理为 电、热或自由体积击穿; 高温区(黏流态), 热击穿或 电-机械击穿占主导. 聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)薄膜直流和脉冲击穿场强随温度的变化表明, 脉 冲击穿场强在低温时基本不变, 高温时出现下降, 这与 非极性聚合物击穿场强随温度的变化类似, 但高于非 极性聚合物的击穿场强. 这可能是由于偶极子对电子 散射所致. 直流击穿场强在低温时随温度有所增大, 高温时明显下降. PVC的直流击穿场强高于脉冲击穿 场强, 这可能是由直流电场下同极性空间电荷和偶极 子对电子的散射共同作用导致的. 在低温区(<120°C), PVC的脉冲击穿场强与温度关系不大, 符合电子碰撞 电离击穿机理(类似于非极性聚合物). 但PVC低温时 的击穿场强高于非极性聚合物, 这是由于其偶极子对 电子的散射增强导致的. 对拉伸和未拉伸的PVC试样 而言, 其击穿场强与温度的关系类似. 值得注意的是,两种试样击穿场强的区别在于不同的形态结构导致的 击穿结果不同, 比如直流击穿场强与温度的关系在拉 伸试样中出现峰值. 研究指出, 这个击穿场强的峰值 与空间电荷效应有关. 在拉伸试样中, 由于其电场方 向垂直于拉伸方向, PVC的形态表现为各向异性. 在 低温区, 随着温度的升高, PVC电极附近出现同极性 空间电荷积聚, 导致电荷注入降低, 改善界面电场分 布, 击穿场强增加; 随着温度继续升高, PVC电极附近 和试样中出现异极性电荷积聚, 导致电荷注入增强, 电 场畸变增大, 击穿场强下降; 同极性和异极性空间电荷 的竞争导致PVC拉伸试样击穿场强与温度的关系出现峰值.

升压速率是影响介质击穿场强的重要因素. 随着 升压速率的增加, 电树起始电压下降, 负极性的电树起 始电压高于正极性[38]. 这表明, 升压速率提高更容易引 发电树枝, 从而降低击穿场强. 电介质击穿场强与介质 厚度有关. 研究表明, 介质的击穿场强随厚度的增加而 降低, 击穿场强与介质厚度的变化规律可以用类指数关系来描述。

1.3 空间电荷积聚与击穿

很多研究表明 , 空间电荷与击穿有密切关系. 一般认为介质体内空间电荷的减小, 可降低 介质内部的电场畸变, 从而提高介质的击穿场强. 同极 性空间电荷可以提高介质的击穿场强, 而异极性空间 电荷可以降低介质的击穿场强.

图3为典型空间电荷与击穿关联的示意图. 高场下绝缘介质空间电荷特性与击穿的实验发现, 随着电场增加, 电子和空穴注入明显增加, 介质内部存在较多的空间电荷积聚. 如图3(a)所示, 电荷注入后会被电极/介 质界面的陷阱捕获, 形成电子和空穴陷阱电荷积聚. 随 着注入的加强, 陷阱被填满, 形成界面空间电荷积聚. 随时间增加, 注入电子向介质内部迁移, 继续入陷/脱 陷, 形成复杂的空间电荷包. 同时, 介质内部电荷输 运包括电子-空穴复合、电荷迁移和陷阱填充效应. 当 时间增加到某一时刻时, 空间电荷包向介质内部不断 迁移, 在某一个特定的位置, 空间电荷包停止迁移; 之 后, 介质材料试样内部的电场畸变严重, 内部电场达到 最大(如LDPE中可达5.5 MV/cm), 进而导致击穿发生. 击穿后, 空间电荷包分成了两部分向电极处扩 散. 击穿短时间后, 空间电荷包消失. 研究认为, 高 场下介质材料的击穿与空间电荷复杂的动力学行为密 切相关. 电荷包的形成是击穿发生的前期过程. 电荷包 迁移运动及造成的电场畸变是击穿发生的中间过程. 空间电荷积聚造成的电场畸变导致介质材料电子加 速、电荷倍增和能量积聚, 进而引发介质材料分子链 断裂是击穿发生的最后阶段.

图3

图3(b)为介质材料内部空间电荷积聚量和电场强 度的关系. 可以看出施加电压后, 低压、低温和升压 速率较快时介质内部无空间电荷积聚(区域Ⅰ), 此时电 荷积聚量少. 随着电荷积聚量增加, 如电压增加时, 电 荷注入增强, 界面陷阱捕获造成电极/试样界面形成同 极性空间电荷(区域Ⅱ). 此时, 界面电场降低, 减弱了 电荷注入, 而介质内部电场增加, 有利于提高击穿场强. 随着电荷量进一步增加, 界面电荷出陷和抽出增加, 介质内部杂质电离, 导致电极/试样界面形成异极性空间 电荷(区域Ⅲ). 异极性电荷导致界面电场增强, 增加了电荷注入, 导致内部电场降低. 温度和电压上升速率等 可以影响电荷注入以及同极性和异极性电荷特性, 进 而影响击穿场强. 升压速率快时, 电荷积聚少, 或形成 同极性电荷, 击穿场强高. 升压速率慢时, 有利于空间 电荷积聚和迁移, 形成异极性电荷, 击穿场强低.

基于空间电荷与介质材料击穿的实验和理论研究可以分析介质材料交流击穿和直流击穿的差异. 研究指出, 空间电荷积聚造成介质内部电场畸变是击穿的重要影响因素. 直流下, 由于空间电荷积聚, 介质内部最大电场总发生在介质内部, 击穿的引发出现在介质 内部的分子链断裂和电流激增. 通常介质内部的体特性稳定, 且难以破坏. 直流下击穿表现为介质的体击穿. 对聚合物介质材料而言, 介质本征击穿强度很高, 因此直流下介质击穿场强高. 交流电压下, 由于电荷注 入类型和输运方向随着交流电场交变而变化, 由此造成介质界面形成异极性空间电荷积聚. 此时, 界面电场增强, 击穿起始于界面弱点, 然后很快发展到介质内部, 最终导致整个介质击穿. 因此, 交流下介质击穿场强 较低.

2.2 击穿统计分析

聚合物电介质的击穿过程实际上受到许多因素的影响. 介质材料击穿实验的测试数据在同一种情况下 呈现出分散性, 因此作为表征介质材料性能的短时击 穿强度在大多数情况下只是一个统计值. 研究者对击 穿的统计规律进行了研究, 发现击穿电压或场强在测 试标准下服从统计学概率分布, 并提出了可以采用统 计学方法来研究介质材料的击穿性能. Weibull 分布是瑞典物理学家Weibull在研究材料的疲劳试验中 提出来的一个统计分布. 事实证明, Weibull分布如今已 成为可靠性分析工程中应用广泛的寿命概率分布之 一. 在外电压的作用下, 聚合物电介质材料的击穿强度 和在固定场强下击穿所需的时间都满足Weibull统计分 布. 它反映了材料在一定电场下被击穿的概率或在一 定电场作用时间后失效的概率. 研究者通过引入力 学、热力学因子对Weibull分布的修正得到了相对完善 的统计学模型. 采用这种Weibull分布的统计模型可以 分析电介质材料击穿场强的大小和分散性, 获得介质 材料发生击穿的稳定性分析结果.

典型Weibull分布概率统计在电介质击穿中的应用 表明, 两参数和三参数Weibull分布都可以表征材料的击穿性能. 两参数Weibull分布结果中横坐标表示 击穿场强对数, 纵坐标表示击穿概率. 两参数Weibull分 布可用一直线拟合实验数据, 直线的斜率是形状参数β, 表示击穿的数据分散性. 从与X轴截距可以计算出α, 获 得试样的特征击穿场强. 三参数Weibull分布结果中横坐标表示击穿场强, 纵坐标是击穿概率. 统计分析结果表明, 三参数Weibull分布可以更好地拟合实验数据, 据此可获得特征击穿场强.