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氧化铝陶瓷的陷阱分布对其真空中沿面闪络特性的影响

吕金壮  
【摘要】:绝缘子在远低于自身以及相同真空间隙的击穿强度下就会发生沿面击穿,这种沿面闪络现象严重制约着真空电气系统的绝缘性能。因此,研究真空中绝缘子沿面闪络现象及其形成机理,寻找提高其闪络电压的方法,无论对于绝缘击穿的理论研究还是实际绝缘子的工程应用都有十分重要的意义。 本文以真空绝缘体系中最常用的绝缘材料—高纯度氧化铝陶瓷材料(氧化铝含量在99%以上)为研究对象,通过对三个不同的烧结温度、三种不同添加剂等12类陶瓷试品在冲击电压(0.7/4(s)作用下真空中的沿面闪络特性、表面带电特性的试验,结合热刺激电流试验,研究了加压方式、表面带电、陷阱分布等因素对陶瓷材料真空中沿面闪络性能的影响;从能带理论出发,探索了它们之间的内在联系。 首先利用自行研制的TSC系统对12类陶瓷试品开展了TSC试验,根据试验结果得到了陷阱电荷量和陷阱深度这两个参数,分析了烧结温度和添加剂对介质陷阱的影响。分析表明,这两种因素是通过影响陶瓷烧结过程形成不同的缺陷而起作用的;添加剂中金属离子具有多个稳定的化学价态的属性可能是造成浅陷阱能级出现的原因。 将不同电压阶段下陶瓷介质的表面带电特性同它的陷阱特性结合起来进行研究。观测到未经闪络处理的某些种类的试品表面电荷随电压升高发生由负到正的变化,同时发现在闪络处理前后它们的表面带电特性不同。分析认为这和表面吸附气体有关。首次观测到某两类试品在闪络处理前后,它们的表面带电始终为负这一现象,这与材料的陷阱结构有关。 提出了真空中陶瓷介质表面带电的新机制。在低电场作用下,电极注入自由载流子到介质中,自由载流子可在介质的物理吸附表面态中移动。随着外电场提高,介质-真空-电极三者交界处开始发射电子,表面带电将由表面态、材料的二次电子发射特性、介质本身的陷阱结构共同决定。随着介质表面物理吸附表面态的破坏,材料的二次电子发射特性和固体本身的陷阱将主导介质的表面带电。浅陷阱占优的陷阱结构很可能是使介质表面带负电的主要原因。 研究了加压方式对试品沿面闪络性能的影响。在首轮闪络试验中,当加压过程跳过某些电压等级时,会使试品闪络电压提高。它可能是通过直接影响介质表面带电情况实现的。经闪络处理后试品的闪络电压比首轮的要高,并和加压方式无关。分析认为这是由于表面吸附气体被消除的缘故。 通过研究介质的陷阱、表面电荷极性、表面电荷量以及闪络发展过程,本文发现,当介质的陷阱密度越大,它的表面电荷量越多,它的闪络性能就越差。陷阱密 WP=5 度越小,可使试品的沿面闪络电压有所提高。浅陷阱占优的陷阱结构可以改善它的闪络性能。陷阱的电荷捕获\释放机制在闪络发展过程中起着重要的作用,它与二次电子发射机制一起共同作用于真空中介质的沿面闪络发展过程中。


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