[发明专利]一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于电气高压绝缘材料领域，特别涉及一种用于提高固体绝缘介质真空沿面闪络 性能的方法。

背景技术

真空作为一种优良的绝缘介质，以其良好的介电性能、低廉的成本价格而被广泛的应用 于电气设备与电子器件中，如真空二极管、真空开关、脉冲功率开关、高能加速器等。当固 体绝缘子被引入真空间隙中作为支撑或绝缘隔断时，在绝缘子与真空交界面上存在着远低于 绝缘子本征击穿场强与真空间隙击穿场强下的沿面闪络现象问题。真空中的闪络现象严重制 约了复合绝缘系统的耐电强度，闪络放电脉冲不仅会干扰到电力设备上敏感电子器件的正常 工作，更严重的放电甚至会导致电子器件和绝缘子局部被放电脉冲所烧毁，严重影响电力设 备的可靠性与寿命。据相关资料报道，美国能源部的加速器以及日本的空间卫星都曾因真空 部件发生沿面闪络现象引起的问题而受到损坏，造成了极大经济损失。由此可见，沿面闪络 现象是制约电气设备电压等级的核心因素，也是当前发展高电压、大功率、小型化设备所面 临的一个主要瓶颈。

真空沿面闪络研究通常是根据工程实际抽象得来的，国内外研究真空沿面闪络的主要方 法都是通过电气试验的方式研究各种物理因素对闪络特性的影响，如环境气压、电极结构、 施加电压类型、绝缘子的材料及形状、绝缘介质表面状况、温度、辐射等因素。经过多年的 研究，目前学术界普遍认为真空沿面闪络大致可以分为以下三个阶段：①起始阶段——产生 初始电子；②发展阶段——形成电子倍增；③闪络阶段——形成贯穿性气体放电通道。因此， 针对真空沿面闪络发展机理，有效提高绝缘子沿面闪络电压的方法就可以从以下几个方面着 手：①降低阴极附近的界面电场强度，使得引发闪络的关键性因素三结合点(电极——绝缘 子表面——真空三者交界处)附近的局部合成场强减小，导致闪络发展需要更高的电压才能 触发；②抑制电子崩发展过程，减少了电荷迁移过程中的碰撞电离及二次电子发射；③减少 绝缘子表面脱气率。然而，应用于不同环境下的绝缘子主要是上述哪一种或者几种机制在发 挥作用，以及需要通过哪种处理方式可以最有效达到提高绝缘子真空沿面闪络性能仍是一个 亟待解决的问题。

在空间辐照环境下，高能电子辐射将导致电荷在介质材料内部沉积，从而发生内带电效 应，在介质材料内带电过程中，高能粒子会与原子发生碰撞电离，使价带中电子跃迁到能量 较高的导带，同时空穴留在价带中，形成电子——空穴对(载流子对)，从而产生辐射诱导电 导率，改变材料原有的介电性能，对介质材料内带电过程产生影响，但内带电产生的放电脉 冲在材料局部会释放大量能量，造成材料的损坏和老化。

聚合物材料以其优良的电气绝缘性能、机械性能及耐辐射等性能，广泛应用于航空航天 工业、电力系统绝缘、微电子、激光等领域，是电气高压绝缘材料领域中重要的绝缘结构件。 目前，利用低能电子辐射技术来提高聚合物绝缘性能的相关报道极少，而将低能电子辐射技 术用于改善聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的研究尚无人涉及。

发明内容

为解决上述问题，本发明研究发现：固体绝缘子在经过低能电子辐射处理后，介质表面 改性主要表现为以下几个方面：1)介质表层电子束注入深度以内形成的辐射诱导电导率会改 善绝缘介质表层电导率，使辐射表层的电荷泄放能力大幅增加，减少了绝缘子表层中的电荷 积聚，降低了局部电场畸变程度；2)低能电子辐射导致绝缘子表层发生交联和微降解，生成 三维网络状聚合分子结构，使介电常数降低，抑制了三结合点处局部电场畸变；3)电子辐射 会使陷阱参数发生变化，浅陷阱会发展成深陷阱，介质体内总体陷阱密度也会增大，抑制了 电荷在绝缘子体内碰撞电离及内二次电子发射。这些改变与入射低能电子束能量以及束流密 度有着密切关联。因此，本申请开发了一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法，提 出一种利用低能电子辐射技术对聚合物绝缘子进行表面改性的方法，在聚合物材料表层形成 一定厚度的辐射诱导电导率层，改善介质表层电荷泄放能力，并降低介电常数，增加深陷阱 密度，提高绝缘子真空沿面闪络电压。本发明具有应用面广、可靠性高、工艺简单、可操作 性强等优点。

本发明涉及使低能量电子束辐照聚合物用于提高聚合物介质真空沿面闪络性能的方法， 依据本发明，发明将聚合物暴露于电子束源。虽然不受限于任一操作理论，发明认为使低能 量电子束辐照聚合物导致聚合物真空沿面闪络性能提升。

本发明中所述的“低能量电子束”是指电子束的能量不大于20keV。