CN103545058A - 一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法，包括：利用无水乙醇对绝缘材料的表面进行清洗，并自然风干，将风干后的绝缘材料放入超声波清洗机中，利用去离子水进行清洗，将清洗后的绝缘材料放入烘箱中加热烘干，并自然冷却，判断绝缘材料的沿面长度是否小于一阈值，如果小于则在室温下，取电阻率为10⁸Ω～10⁹Ω的液体作为高电阻率材料，并将其搅拌均匀备用，将高电阻率材料均匀涂覆在绝缘材料上，并将该绝缘材料放在室温下自然风干。本发明能够解决现有方法中存在的逸出功较高的金属电极材料的选择受到限制，在沿面距离较小的情况下，绝缘子溅射金属膜的方法在工艺上不易实现，以及绝缘材料的选择受到加工以及材料性能限制的技术问题。

Description

一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法

技术领域

本发明属于高电压电工领域，更具体地，涉及一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法。

背景技术

由于脉冲电源***常采用大量绝缘材料用作支撑、绝缘等，使得绝缘材料的沿面闪络成为制约电源***可靠运行的关键因素之一。因为在相同的距离条件下，真空环境中的绝缘沿面闪络电压远低于真空间隙击穿电压，如真空的临界击穿场强约为350kV/cm，而真空/氧化铝***的沿面闪络通常在几十kV/cm的外加电场下就会发生。沿面距离是指在两电极之间用于固定并起绝缘作用的绝缘材料上的距离；而真空沿面距离是指在真空环境下，在两电极之间用于固定并起绝缘作用的绝缘材料上的距离。

用于解释真空沿面闪络的理论主要有二次电子发射雪崩（Secondaryelectron emission avalanche，简称SEEA）理论，其强调从阴极、真空和绝缘材料表面三结合处处发射的初始电子对绝缘表面的碰撞引起了二次电子发射，二次电子再次碰撞绝缘表面导致电子崩，进而引起表面吸附气体脱附并电离而引发闪络。

根据SEEA理论，发生表面闪络有两个必要条件：初始电子的产生和大量的解吸附气体。目前用于提高绝缘材料的沿面闪络电压的方法主要包括：（1）从减小初始电子发射概率的角度出发，可通过电极倒角、选择逸出功较高的电极材料、绝缘子溅射金属膜减小其与电极之间的间隙等方式改善三结合点处场强；（2）在减小产气量方面，可以选择产气量较小的绝缘材料并对其表面进行处理；（3）同时对于绝缘材料可以通过减小二次电子发射系数、降低沿面电阻率等方式来提高其表面闪络电压。

目前，大部分的绝缘材料都可以采用上述方法（1）和（2）来提高其沿面闪络电压。然而，这两种方法主要受到以下问题的限制：（a）在大规模电路中的电极材料主要采用铜材料，逸出功较高的银材料，由于价格较高，限制了其应用；（b）绝缘子溅射金属膜的方法对于沿面距离较小的情况下，此方法不易操作；（c）在选择绝缘材料方面，由于受到绝缘材料的加工性能的影响，其选择受到限制。

对于上述方法（3）而言，目前主要采用高梯度绝缘（High GradientInsultor，简称HGI）以及在绝缘材料表面蒸镀金属氧化物涂层。HGI主要是在绝缘材料内部交替嵌入一定厚度的金属材料，但是对于大量实验后的HGI进行显微镜观测可以发现，由于金属层较薄而形成金属尖端,引起场增强，金属与绝缘层交界处存在大量缺陷点，闪络放电过程中金属尖端发生气化，并在绝缘层表面沉积，减小了有效绝缘距离；同时在HGI加工过程中，容易造成金属和绝缘材料界面的缺陷，对加工工艺的要求较高。对于在绝缘材料表面蒸镀金属氧化物的方法，虽然可以在一定程度上提高沿面闪络电压，但是其过程较复杂，应首先在绝缘材料表面蒸镀金属，然后在一定的条件下，将金属氧化，最终得到金属氧化物涂层。该方法对加工的工艺要求较高，不易实现。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法，其目的在于解决现有方法中存在的逸出功较高的金属电极材料的选择受到限制，在沿面距离较小的情况下，绝缘子溅射金属膜的方法在工艺上不易实现，以及绝缘材料的选择受到加工以及材料性能限制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法，包括以下步骤：

（1）利用无水乙醇对绝缘材料的表面进行清洗，并自然风干；

（2）将风干后的绝缘材料放入超声波清洗机中，利用去离子水进行清洗；

（3）将清洗后的绝缘材料放入烘箱中加热烘干，并自然冷却；

（4）判断绝缘材料的沿面长度是否小于一阈值，如果小于则进入步骤（5），否则进入步骤（7）；

（5）在室温下，取电阻率为10⁸Ω～10⁹Ω的液体作为高电阻率材料，并将其搅拌均匀备用；

（6）将高电阻率材料均匀涂覆在绝缘材料上，并将该绝缘材料放在室温下自然风干；

（7）在室温下，取电阻率为10^-2Ω～10^-3Ω的液体作为低电阻率材料，并将其搅拌均匀备用；

（8）将低电阻率材料通过丝网印刷的方式涂覆在绝缘材料上，将绝缘材料均匀涂覆在丝网印版上，在刮板的压力下，低电阻率绝缘材料通过丝网印版的图文部分添加在绝缘材料上，并将该绝缘材料放在室温下自然风干。

优选地，阈值的取值范围是4至6毫米。

优选地，高电阻率材料的用量与绝缘材料面积的比值是0.02至0.05毫升/平方毫米。

优选地，低电阻率材料的用量与绝缘材料面积的比值是0.02至0.05毫升/平方毫米。

优选地，对于丝网印刷所采用的丝网印版而言，丝网印版上图文部分的丝网孔宽度为不大于0.5毫米，非图文部分的丝网孔被堵住，其宽度为1毫米以上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）对于本发明的方法而言，当真空沿面距离小于一个阈值时，可以采用高电阻率材料作为涂层添加在沿面上，通过减小绝缘体表面电阻率来减小绝缘体表面的充电过程，以及均化绝缘体表面的电场强度；当沿面距离大于一个阈值时，绝缘体表面添加低电阻率材料，不仅可以减少表面充电效应，而且低电阻率材料可以将长沿面绝缘分割成若干个短沿面绝缘，削弱由于长沿面放电所引起的距离效应，进一步提高绝缘材料的沿面闪络电压。

（2）本发明方法可以针对不同的沿面距离，采用不同的改善措施，避免同一种方法在不同沿面距离下的限制；

（3）本发明的方法易于实现加工。

附图说明

图1是添加有高电阻率材料绝缘材料的截面示意图。

图2是添加有低电阻率材料绝缘材料表面示意图。

图3是丝网印版示意图。

图4是绝缘材料真空沿面闪络发展示意图。

图5是有无高电阻率材料和绝缘材料的沿面闪络电压对比。

图6是本发明提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的整体思路在于，采用高电阻率材料和低电阻率材料对绝缘材料的表面进行处理，从而改善绝缘材料表面特性。

如图1所示，本发明提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法包括以下步骤：

（1）利用无水乙醇对绝缘材料1的表面进行清洗，并自然风干；

（2）将风干后的绝缘材料放入超声波清洗机中，利用去离子水进行清洗5至10分钟；

（3）将清洗后的绝缘材料放入烘箱中加热烘干，并自然冷却；加热烘干的温度是60至80度；

（4）判断绝缘材料的沿面长度是否小于一阈值，如果小于则进入步骤（5），否则进入步骤（7），该阈值的取值范围是4至6毫米，优选地，其取值为4毫米；

（5）在室温下，取电阻率为10⁸Ω～10⁹Ω的液体作为高电阻率材料2，并将其搅拌均匀备用；在本实施方式中，高电阻率材料是纳米级的聚合物，其用量与绝缘材料面积的比值是0.02至0.05毫升/平方毫米，优选地，其取值为0.04毫升/平方毫米；

（6）将高电阻率材料均匀涂覆在绝缘材料上（如图1所示），并将该绝缘材料放在室温下自然风干；高电阻率材料材料2在绝缘材料1表面主要起到减小绝缘材料的表面电阻率，使因初始电子碰撞绝缘材料表面而使绝缘材料表面充电的电荷能够有效的泄放，从而均化绝缘材料表面的电场，减弱初始电子的有效碰撞，从而提高绝缘材料的真空沿面闪络电压；

（7）在室温下，取电阻率为10^-2Ω～10^-3Ω的液体作为低电阻率材料3，并将其搅拌均匀备用；在本实施方式中，低电阻率材料是纳米级的聚合物，其用量与绝缘材料面积的比值是0.02至0.05毫升/平方毫米，优选地，其取值为0.04毫升/平方毫米；

（8）将低电阻率材料3通过丝网印刷的方式涂覆在绝缘材料1上（如图2所示），并将该绝缘材料1放在室温下自然风干；对于丝网印刷所采用的丝网印版（如图3所示）而言，丝网印版上图文部分4的丝网孔宽度dt为不大于0.5毫米，而非图文部分5的丝网孔被堵住，其宽度d_f为1毫米以上，由低电阻率材料及丝网孔图文部分4所形成的间隔带的电阻率较低，其在一定程度上会减小沿面绝缘的有效距离，但是在间隔带内部，其能够有效泄放绝缘材料的表面充电，而且，间隔带能够将长距离的沿面分割成若干个短距离沿面的串联，这样能够有效的抑制长距离沿面电压饱和的现象。

本发明的方法能够提高绝缘材料的真空沿面闪络，其原理可以根据SEEA理论，真空沿面闪络过程的示意图，如图4所示。由于缺陷的存在，当三结合处的电场强度超过一定的值时，三结合点处将会以场致发射的方式发射初始电子。这些初始电子将会撞击绝缘子的沿面，较高能量电子的撞击将会激发二次电子的产生。这些二次电子也将同样会撞击绝缘子表面，如此进行下去，绝缘子的表面将会产生电子崩以及绝缘子表面气体的脱附。脱附的气体能够加速碰撞电离，加速电子与离子的倍增过程。由于这些离子移动较慢，导致空间电荷的形成，空间电荷能够畸变局部的电场强度。进而，加速碰撞电离，并最终导致沿面闪络的发生。

由于电子的移动速度要远高于正离子的移动速度，当绝缘子沿面发射二次电子后，其表面就会对应有部分正离子存在。该过程也成为表面充电。随着二次电子的发射，正离子就会在表面积累，并导致局部的电场畸变。有研究结果表明，表面充电在促进沿面闪络的发生有比较重要的作用。

由于绝缘材料的表面绝缘电阻率较高（10¹³Ω以上），不利于正离子的消散，而有利于表面充电过程。为了提高绝缘材料的沿面闪络电压，为此本文提出在绝缘材料表面添加涂层的方法：当真空沿面距离小于一个阈值时，可以采用高电阻率材料作为涂层添加在沿面上，通过减小绝缘体表面电阻率来减小绝缘体表面的充电过程，以及均化绝缘体表面的电场强度；当沿面距离大于一个阈值时，绝缘体表面添加低电阻率材料，不仅可以减少表面充电效应，而且低电阻率材料可以将长沿面绝缘分割成若干个短沿面绝缘，削弱由于长沿面放电所引起的距离效应，进一步提高绝缘材料的沿面闪络电压。

为了验证本发明的有效性，以下选取尼龙66作为绝缘材料进行实验。实例1

首先利用无水乙醇对尼龙66（该材料的沿面长度为1毫米）的表面进行清洗，并自然风干，将风干后的尼龙66放入超声波清洗机中，利用去离子水进行清洗10分钟；随后，将清洗后的尼龙66放入烘箱中以60度的温度加热烘干，并自然冷却；其后，在室温下，取20毫升电阻率为10⁸Ω～10⁹Ω的液体作为高电阻率材料，并将其搅拌均匀备用，最后将高电阻率材料均匀涂覆在尼龙66上，并将该尼龙66放在室温下自然风干。

测试时，将将添加高电阻率材料和不添加高电阻率材料的两种尼龙66样品分别放入真空环境（10^-2-10^-4Pa）下，进行沿面闪络电压测试。在进行沿面闪络电压测试时，将两电极放在绝缘材料的沿面和高电阻率材料上，并保持两电极之间的距离为1mm。

在真空中进行沿面闪络时，尼龙66的表面会出现老炼现象（就是指真空沿面最初的几次闪络，其沿面闪络电压较低，且随着沿面闪络次数的增加，其沿面闪络电压会慢慢上升，并最终达到稳态）。本文中所谓尼龙66的沿面闪络电压是指沿面闪络电压达到稳态时的电压值。对两种不同沿面分别进行大约20次沿面闪络测试，添加高电阻率材料的尼龙66表面的沿面闪络电压的平均值为12.4kV，而未添加高电阻率材料的尼龙66表面的沿面闪络电压的平均值为8.7kV，不同沿面的各次闪络电压如图5所示。

为了验证有高电阻率材料的尼龙66的沿面闪络电压并不是添加层本身的沿面闪络电压较高所致。选取沿面闪络电压较高的尼龙66（有机玻璃）来验证，分别对添加和未添加高电阻率材料的有机玻璃样品进行沿面闪络电压测试，结果表明，1mm沿面距离下，无论是否添加高电阻率材料，有机玻璃的沿面闪络电压都高于17kV。这说明添加有高电阻率材料的尼龙66沿面闪络电压的提高并不是由于涂层本身的沿面闪络电压较高引起的，而是由于高电阻率半导体涂层能够有效的释放由于二次电子的发射而导致的沿面充电而产生的正电荷，从而减小电场畸变，提高沿面闪络电压。由此可以看出，尼龙66在添加高电阻率材料前后其沿面闪络电压提高42.5%。

实例2

首先利用无水乙醇对尼龙66（该材料的沿面长度大于1毫米）的表面进行清洗，并自然风干，将风干后的尼龙66放入超声波清洗机中，利用去离子水进行清洗10分钟；随后，将清洗后的尼龙66放入烘箱中以60度的温度加热烘干，并自然冷却；其后，在室温下，取20毫升电阻率为10^-2Ω～10^-3Ω的液体作为低电阻率材料，并将其搅拌均匀备用，最后将低电阻率材料通过丝网印刷的方式涂覆在尼龙66上，并将该尼龙66放在室温下自然风干。

测试时，将添加低电阻率材料和不添加低电阻率材料的两种样品分别放入真空环境（10^-2-10^-4Pa）下，进行沿面闪络电压测试。在进行沿面闪络电压测试时，将两电极放在绝缘材料的沿面和低电阻率材料上，由于低电阻率材料的电阻率较小，其会减小有效的沿面距离，所以在进行沿面闪络电压的测试时，使沿面距离分别为2mm、3mm和4mm，同时在测试时尽量将低电阻率材料放入两电极之间，以便于在有效沿面距离最小的情况下，验证低电阻率材料对提高沿面闪络电压的效果。沿面的实际距离d_a为试验时，两电极之间的实际距离；沿面的有效距离d_e为试验时，两电极之间的实际距离与两电极之间的间隔带的宽度之和的差，其可描述为：

d_e=d_a-n×d_t

式中，d_a为沿面的实际距离，d_e为沿面的有效距离，d_t为丝网孔宽度，n为两电极之间间隔带的个数。

对于添加和不添加低电阻率材料的样品分别在不同的沿面距离下进行实验，对两种不同样品在不同沿面距离下分别进行大约10次沿面闪络测试，不同沿面距离的平均沿面闪络电压如表1所示。

表1有无低电阻率材料样品沿面闪络电压对比

其中，d_a–沿面的实际距离；d_e–沿面的有效距离；U_SF–沿面闪络电压；△U_SF–沿面闪络电压的增加百分比。

由表1可以看出，低电阻率材料对尼龙66沿面闪络电压有比较明显的影响：

（1）d_a=3mm且d_e=2mm

由表1可以看出，当沿面的实际距离（d_a）为3mm，添加低电阻率材料后，其有效距离减少到2mm。这种情况下，低电阻率材料会显著地减小沿面的有效距离。此时其与未添加低电阻率材料样品的沿面闪络电压相比，减少了15.85%；而与相同的有效距离（d_e=2mm）样品的沿面闪络电压相比，其提高了0.58%；

（2）d_a=4mm且d_e=3mm

由表1可以看出，当沿面的实际距离（d_a）为4mm，添加低电阻率材料后，其有效距离减少到3mm。这种情况下，低电阻率材料也会显著地减小沿面的有效距离。此时其与未添加低电阻率材料样品的沿面闪络电压相比，增加了7.74%；而与相同的有效距离（d_e=3mm）样品的沿面闪络电压相比，其提高了35.77%。

由此可以看出，低电阻率材料能够在一定的范围内提高绝缘材料的沿面闪络电压，并且随着沿面距离的增加，其沿面闪络电压增加的百分比逐渐增大。

由低电阻率材料的结构可以看出，每个间隔带的宽度为0.5mm，由于在该宽度范围内的涂层能够有效的降低了绝缘材料的表面电阻率，使得绝缘材料在沿面闪络发生之前所积累的表面正电荷能够及时的消散，有效提高绝缘材料的沿面闪络电压。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）利用无水乙醇对绝缘材料的表面进行清洗，并自然风干；

（2）将风干后的绝缘材料放入超声波清洗机中，利用去离子水进行清洗；

（3）将清洗后的绝缘材料放入烘箱中加热烘干，并自然冷却；

（4）判断绝缘材料的沿面长度是否小于一阈值，如果小于则进入步骤（5），否则进入步骤（7）；

（5）在室温下，取电阻率为10⁸Ω～10⁹Ω的液体作为高电阻率材料，并将其搅拌均匀备用；

（6）将高电阻率材料均匀涂覆在绝缘材料上，并将该绝缘材料放在室温下自然风干；

（7）在室温下，取电阻率为10^-2Ω～10^-3Ω的液体作为低电阻率材料，并将其搅拌均匀备用；

（8）将低电阻率材料通过丝网印刷的方式涂覆在绝缘材料上，并将该绝缘材料放在室温下自然风干。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，阈值的取值范围是4至6毫米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高电阻率材料的用量与绝缘材料面积的比值是0.02至0.05毫升/平方毫米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，低电阻率材料的用量与绝缘材料面积的比值是0.02至0.05毫升/平方毫米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于丝网印刷所采用的丝网印版而言，丝网印版上图文部分的丝网孔宽度为不大于0.5毫米，非图文部分的丝网孔被堵住，其宽度为1毫米以上。

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