劉 洋， 吳廣寧， 高國(guó)強(qiáng)

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)引進(jìn)、吸收以及再創(chuàng)新之后，我國(guó)已經(jīng)掌握了制造高速動(dòng)車(chē)組的核心技術(shù)。變頻牽引電機(jī)作為高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力來(lái)源，其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)，由于車(chē)內(nèi)體積的限制，變頻電機(jī)中的工作溫度可以達(dá)到200 ℃左右[4-7]，并且變流器輸出的一系列脈沖形式的方波電壓具有陡上升沿、頻率高等特點(diǎn)。這一系列惡劣的運(yùn)行環(huán)境可能導(dǎo)致變流器中絕緣材料過(guò)早老化而失效。

目前，動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)電磁線絕緣包含絕緣漆以及以三分之二方式繞包的PI薄膜[8-10]。而相比于純PI薄膜，無(wú)機(jī)納米粒子摻雜后的PI絕緣性能更加優(yōu)越[11]。與工頻電壓環(huán)境下工作的電機(jī)不同，雙極性方波脈沖條件下電機(jī)匝間絕緣承受兩倍于電壓峰值的電壓，電子的頻繁入陷使得納米粒子和PI分子相互作用的機(jī)理更加復(fù)雜。研究表明，PI薄膜在方波老化的過(guò)程中，局部放電、高頻脈沖電壓引起的介質(zhì)弛豫損耗以及空間電荷積累導(dǎo)致的局部電場(chǎng)畸變是絕緣失效的主要原因[12]。

本文自制了納米Al2O3含量不同的PI/Al2O3，測(cè)試了PI/Al2O3復(fù)合材料的介電常數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了表面放電試驗(yàn)。測(cè)試比較了純PI薄膜與PI/Al2O3復(fù)合薄膜局部放電參量。利用SEM鏡觀察了局部放電對(duì)PI復(fù)合材料的侵蝕情況。利用三層模型分析了PI/Al2O3薄膜內(nèi)部電子與納米粒子以及聚合物分子鏈的碰撞機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 復(fù)合薄膜電暈老化試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)于牽引電機(jī)匝間實(shí)際的絕緣結(jié)構(gòu)，本文單獨(dú)選取納米粒子摻雜后的絕緣薄膜為研究對(duì)象，建立了電暈老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)組成見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)電源為發(fā)出高頻電壓的雙極性電源[13]。其方波占空比為0.5。電源正負(fù)端通過(guò)保護(hù)電阻以及試驗(yàn)電極與薄膜試樣相連。同時(shí)為了得到在電暈老化過(guò)程中試驗(yàn)表面局部放電參數(shù)，利用高頻鐵氧體以及繞制線圈作為傳感器[14]，傳感器套在電源負(fù)端的連接線上，試樣產(chǎn)生局部放電時(shí)，放電電流通過(guò)連接線使傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)磁通將放電信號(hào)耦合到繞制線圈。放電信號(hào)通過(guò)積分電阻被高頻示波器2通道采集，示波器1通道通過(guò)高壓探頭連接到電源正極。雙通道采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，方便讀取。

試驗(yàn)所用電極根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作。其中柱電極邊緣曲率半徑設(shè)計(jì)為1 mm，其邊緣與薄膜試樣間的氣隙會(huì)在高壓情況下產(chǎn)生發(fā)電，便于模擬實(shí)際牽引電機(jī)匝間絕緣內(nèi)部氣隙的局部放電侵蝕。柱電極由絕緣板以及螺絲支撐，以便調(diào)節(jié)薄膜試樣與電極的平整接觸。試驗(yàn)系統(tǒng)也設(shè)置了烘箱，烘箱溫度在室溫到300 ℃可調(diào)。

1.2 PI/Al2O3膜制作流程

無(wú)機(jī)納米粒子與PI有機(jī)聚合物屬于不同兩相物質(zhì)。KH560(硅烷偶聯(lián)劑)可以水解使無(wú)機(jī)納米粒子與PI有機(jī)分子鏈之間形成化學(xué)鍵，使得復(fù)合薄膜的性能更加優(yōu)越。試驗(yàn)中首先利用KH560處理無(wú)機(jī)納米粒子表面，使納米粒子與硅烷偶聯(lián)劑上親無(wú)機(jī)的化學(xué)基團(tuán)連接。處理步驟為：將質(zhì)量為需處理無(wú)機(jī)納米粒子質(zhì)量的1%偶聯(lián)劑與無(wú)機(jī)納米粒子在乙醇-水溶液中混合，并將混合溶液加熱至60 ℃進(jìn)行磁力攪拌，使得反應(yīng)充分。然后將混合溶液烘干，并將烘干后結(jié)塊的納米粒子研磨充分，以備摻雜使用。由于研磨可能達(dá)不到納米尺度級(jí)別，所以在實(shí)際摻雜納米粒子過(guò)程中還需要經(jīng)過(guò)超聲使納米粒子進(jìn)一步分散。

本文制備PI薄膜的方法是利用二氨基二苯醚與均苯四甲酸二酐在極性有機(jī)溶劑內(nèi)進(jìn)行低溫縮聚[15-16]。試劑充分縮聚后會(huì)形成聚酰胺酸(PAA)溶液。然后將聚酰胺酸溶液在高溫下進(jìn)行熱亞胺反應(yīng)脫環(huán)形成聚酰亞胺基體。

圖2為PI薄膜制作工藝流程。本次制備極性溶劑選取DMAC(二甲基乙酰胺)溶液，且DMAC溶液中混有已經(jīng)改性過(guò)并經(jīng)過(guò)超聲分散作用的納米Al2O3。為了制得長(zhǎng)分子鏈的PAA，使得縮聚反應(yīng)充分，可將等摩爾量的均苯四甲酸二酐分多次加入溶劑中進(jìn)行縮聚反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中對(duì)混合溶液進(jìn)行至少6 h的機(jī)械攪拌；縮聚反應(yīng)中不能引入水分，相關(guān)試驗(yàn)器具必須保持干燥潔凈，藥品和試劑盡量避免接觸空氣防止吸濕以及氧化；此外熱亞胺反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)行梯度升溫能使所制得的PI膜有更強(qiáng)的柔韌性。表1為所得PI/Al2O3膜的厚度以及含量參數(shù)。

表1 試樣參數(shù)

樣品編號(hào)厚度/umAl2O3%樣品編號(hào)厚度/umAl2O3%#a530#b541#c522#d555

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 介電常數(shù)的測(cè)試

利用LCR測(cè)試儀測(cè)試計(jì)算所制試樣的介電常數(shù)。不同納米粒子含量的PI/Al2O3復(fù)合薄膜相對(duì)介電常數(shù)頻譜圖見(jiàn)圖3。

由圖3可知，納米Al2O3提高PI/Al2O3復(fù)合薄膜的相對(duì)介電常數(shù)，并且PI/Al2O3薄膜的相對(duì)介電常數(shù)隨著監(jiān)測(cè)頻率的增加而減小。固體納米復(fù)合材料中介電常數(shù)的來(lái)源包括：(1) 固有電矩在外電場(chǎng)作用下跟著電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)形成的轉(zhuǎn)向極化；(2) 納米復(fù)合材料中納米粒子在聚合物中所引入的缺陷以及空洞產(chǎn)生的界面極化。

納米粒子添加在PI基體中后，PI分子纏結(jié)在納米粒子周?chē)筆I基體轉(zhuǎn)向能力減弱，降低了復(fù)合材料的介電常數(shù)[16]。但是，無(wú)機(jī)Al2O3納米粒子其介電常數(shù)大于由高分子聚合物PI基體，根據(jù)Maxwell-Garnett理論，2種不同介電常數(shù)材料合成的新材料，其介電常數(shù)介于兩者之間。

將試樣放在烘箱中保持不同的溫度值，設(shè)定測(cè)試頻率為100 Hz,不同納米粒子含量的復(fù)合薄膜相對(duì)介電常數(shù)溫度譜見(jiàn)圖4。

隨納米Al2O3含量的上升，復(fù)合薄膜的相對(duì)介電常數(shù)明顯上升。納米粒子的纏結(jié)作用是導(dǎo)致復(fù)合薄膜相對(duì)介電常數(shù)上升的主要原因。復(fù)合薄膜的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化其變化規(guī)律不是很明顯。在100 ℃以下時(shí)隨溫度的上升，相對(duì)介電常數(shù)有所減少。主要原因是溫度較低時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)不是很明顯，且介質(zhì)的松弛時(shí)間隨著溫度上升而呈指數(shù)下降，從而導(dǎo)致相對(duì)介電常數(shù)下降[17]。溫度達(dá)到200～225 ℃時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)跟著溫度升高而上升。主要緣由是分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛極化作用加強(qiáng)，導(dǎo)致了相對(duì)介電常數(shù)上升。

2.2 局部放電特性的研究

在實(shí)際測(cè)試中與工頻采集局部放電不同的是高頻方波下電源在傳感器中耦合出干擾信號(hào)。并且由于傳感器為高磁通線圈，很容易受到周?chē)鸁o(wú)關(guān)信號(hào)干擾。所以需要通過(guò)濾波以及軟件計(jì)算將干擾信號(hào)排除。主要方法是利用濾波手段將所采集信號(hào)頻段限制在局部放電信號(hào)頻段附近(2 GHz)，以便排除大部分干擾信號(hào)。其次采用閥值提取設(shè)定將不滿足局部放電電壓的干擾信號(hào)進(jìn)一步排除，從而將局部放電信號(hào)提取出來(lái)。圖5(a)為采集到的原始放電信號(hào)，圖5(b)為采用閾值設(shè)定以及高頻濾波器去除白噪聲后得到的濾波后信號(hào)[14]。

將被測(cè)試樣放置在2個(gè)電極之間，并保持試樣與電極充分接觸。調(diào)整電源輸出電壓使復(fù)合薄膜電場(chǎng)強(qiáng)度為60 kV/mm，試驗(yàn)溫度為室溫，方波頻率為1 kHz。純PI膜和2% Al2O3納米粒子含量的PI膜局部放電散點(diǎn)圖見(jiàn)圖6。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在相同試驗(yàn)條件下PI復(fù)合薄膜的局部放電次數(shù)隨納米Al2O3含量的升高而減少。在高頻方波作用下，試樣表面的電場(chǎng)變化較快。在一個(gè)方波周期內(nèi)，電源電壓極性變化時(shí)，試樣表面電荷遷移速度較極性變化速度慢，產(chǎn)生殘余電場(chǎng)。殘余電場(chǎng)E1和方波極性穩(wěn)定后的電源電場(chǎng)E2疊加形成疊加場(chǎng)強(qiáng)E=E1+E2。電場(chǎng)E大于方波穩(wěn)定時(shí)候間隙電場(chǎng)E2，見(jiàn)圖7。這也是局部放電主要發(fā)生在場(chǎng)強(qiáng)極性變化時(shí)的原因。

納米粒子在復(fù)合薄膜內(nèi)分布均勻，并且會(huì)在復(fù)合薄膜表面析出一些納米粒子。與高聚物純PI相比，無(wú)機(jī)納米粒子的電導(dǎo)率要高于高聚物[18]。所以導(dǎo)致PI/Al2O3復(fù)合薄膜表面電導(dǎo)率大于純PI薄膜。當(dāng)電源方波電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)，表面電荷消散更快，使得間隙電場(chǎng)會(huì)很快降低到Eres，導(dǎo)致間隙被擊穿的次數(shù)降低，從而使得局部放電次數(shù)減少。

2.3 SEM分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作的電極周?chē)幸欢ǖ那?，放電區(qū)域位于試驗(yàn)電極與試樣之間的氣隙。擊穿點(diǎn)發(fā)生在電暈放電較強(qiáng)的電極邊緣。其表面侵蝕SEM見(jiàn)圖8。

可以看出試樣表面出現(xiàn)了許多被電暈侵蝕的坑洞，表面發(fā)生了大分子鏈的斷裂，周?chē)猩倭康募{米粒子堆積。對(duì)純PI薄膜和納米Al2O3含量為2%PI復(fù)合薄膜老化前后表面進(jìn)行微觀形貌的觀察，見(jiàn)圖9。

圖9可以看出純PI薄膜表面被侵蝕程度遠(yuǎn)大于含有納米Al2O3的薄膜。在純PI膜表面，大分子鏈裂解程度嚴(yán)重，少部分有機(jī)物碳化生成了黑色的物質(zhì)。見(jiàn)圖10，納米粒子均勻分布在PI基體中，并且有一部分分散在試樣表面。

Al2O3納米粒子作為無(wú)機(jī)粒子，其耐電暈的能力強(qiáng)于高分子聚合物。隨著電暈放電對(duì)試樣表面侵蝕，納米粒子能夠堆積在試樣表面并阻止電暈放電對(duì)PI基體的進(jìn)一步侵蝕。同時(shí)納米粒子提高了試樣表面電荷遷移率，使得電荷不容易殘留在試樣表面，降低了電荷對(duì)于PI基體的破壞。

從納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)分析，納米粒子和PI基體作用形成三層結(jié)構(gòu)[19]，這種結(jié)構(gòu)廣泛存在與納米復(fù)合材料中，見(jiàn)圖11。最里層為成鍵層，主要包括鍵能較大的離子鍵和氫鍵。其余兩層分別為晶體層和疏松層，鍵能較小，耐電暈?zāi)芰^差。在電暈放電時(shí)候，除了一部分電荷從試樣表面遷移，剩下的電荷會(huì)被注入到復(fù)合薄膜基體中。電荷注入會(huì)不斷遭遇納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，撞擊大分子鏈。撞擊的能量主要被復(fù)合材料最外兩層吸收，而最內(nèi)層破壞程度較小。同時(shí)納米復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)有一定的導(dǎo)電通道，一定程度上也防止了復(fù)合薄膜被破壞[20]。

3 結(jié)論

本文對(duì)自制的PI/Al2O3薄膜進(jìn)行了介電性能試驗(yàn)、電暈老化試驗(yàn)、局部放電參量測(cè)試以及先進(jìn)材料分析測(cè)試，得到了如下結(jié)論。

(1) 納米Al2O3的摻入會(huì)增加PI薄膜的相對(duì)介電常數(shù)。頻譜圖隨著頻率增加復(fù)合薄膜的介電常數(shù)降低；溫度譜圖在100 ℃之間介電常數(shù)降低，200～225 ℃間介電常數(shù)增加。納米復(fù)合材料的兩相性質(zhì)是影響介電常數(shù)的關(guān)鍵因素。

(2) 納米Al2O3會(huì)增加PI薄膜表面電導(dǎo)率，降低了復(fù)合薄膜表面的殘余電場(chǎng)，導(dǎo)致局部放電次數(shù)少于純的PI薄膜。

(3) 由老化后的SEM圖可以發(fā)現(xiàn)納米Al2O3會(huì)防止電暈對(duì)于PI基體的侵蝕。其形成的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)使得納米復(fù)合材料的耐電蝕性能提高。

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