【康沃真空網(wǎng)】大型超導(dǎo)磁體等超導(dǎo)設(shè)備的絕緣系統(tǒng)是必不可少的一個(gè)重要部分，運(yùn)行在液氦或液氮溫區(qū)附近的絕緣結(jié)構(gòu)失效是引起大型超導(dǎo)裝置和設(shè)備故障的主要原因。利用自行研制的低溫電介質(zhì)電氣特性測試系統(tǒng)，以聚酰亞胺材料為測試對(duì)象，研究了其在低溫、真空環(huán)境下的直流擊穿和沿面閃絡(luò)特性。研究表明，與常溫下相比，聚酰亞胺材料低溫下的擊穿場強(qiáng)有所提高，溫度、厚度以及結(jié)構(gòu)不同，其提高程度有所差異。聚酰亞胺材料的沿面閃絡(luò)場強(qiáng)隨著閃絡(luò)次數(shù)的增加而略有增大，并趨于某一穩(wěn)定值；溫度對(duì)于首次閃絡(luò)場強(qiáng)基本無影響，而對(duì)于穩(wěn)定閃絡(luò)場強(qiáng)，在78~200K 范圍內(nèi)基本不變，在225~250 K 溫度區(qū)域有所下降，此后又隨溫度的升高而上升。研究獲得的低溫真空下絕緣特性相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可用于低溫真空放電特性的探索，為大型超導(dǎo)設(shè)備的可靠設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。
引言
近年來，隨著超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展及其在電工領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，二者相互結(jié)合逐漸形成了超導(dǎo)電力技術(shù)。超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠大大提高電力工業(yè)的發(fā)展水平，是對(duì)未來電力系統(tǒng)最具影響的新技術(shù)之一。早期的研究表明，低溫下聚合物電介質(zhì)的絕緣電阻和絕緣強(qiáng)度都得到提高，而介質(zhì)損耗因數(shù)顯著下降，因此人們往往認(rèn)為常溫下能正常使用的聚合物電介質(zhì)在低溫下不存在電氣絕緣問題。隨著研究的不斷深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)聚合物絕緣材料在低溫下會(huì)出現(xiàn)局部放電起始電壓降低、抗電樹枝老化能力下降等新的問題。因此對(duì)其在低溫、真空等特殊環(huán)境下的電氣性能研究是十分必要的。
聚酰亞胺由于其優(yōu)良的電氣性能和機(jī)械性能廣泛用作低溫電工絕緣材料，目前對(duì)其在絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用研究一方面通過改變制造配方和制造工藝來改善其各種參數(shù)指標(biāo)。譚麟、劉立柱等分別將有機(jī)改性的多金屬氧酸鹽、無機(jī)改性的二氧化硅添加到聚酰亞胺中制成復(fù)合薄膜，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合聚酰亞胺薄膜的儲(chǔ)能模量、熱分解溫度、介電常數(shù)及介質(zhì)損耗因數(shù)等參數(shù)均有所變化；程茹等研究了高溫?zé)崽幚韺?duì)聚酰亞胺薄膜拉伸性能和熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)崽幚砉に嚳芍苽涓邚?qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)的高性能聚酰亞胺薄膜。另一方面則是對(duì)聚酰亞胺的電氣性能、機(jī)械性能等特性進(jìn)行試驗(yàn)測試。王之瑄、李元慶、Enis Tuncer 等研究了聚酰亞胺薄膜浸泡在液氮中的基本電氣特性；吳廣寧、雷清泉、Y. Muramoto 等分別用TSC、PEA 等測試方法研究了聚酰亞胺薄膜中的空間電荷特性；吳廣寧、S. H. Lee 等分別研究了脈沖方波、電熱因素及冷熱循環(huán)過程對(duì)聚酰亞胺薄膜老化特性的影響。現(xiàn)有的研究主要存在以下問題：
1)聚酰亞胺電氣性能測試環(huán)境溫度一般都是室溫及以上溫度，自液氮溫區(qū)至室溫的研究相對(duì)較少；
2)為數(shù)不多的對(duì)聚酰亞胺低溫電氣性能的研究，多將絕緣材料浸入液氮獲得低溫，對(duì)材料在真空環(huán)境中進(jìn)行的低溫研究幾乎沒有，而浸沒在液氮中的材料其性能可能會(huì)受液氮分子的影響；
3)由于直流電力設(shè)備興起時(shí)間較晚，在聚酰亞胺電氣性能測試中，交流電壓下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，直流電壓下的測試結(jié)果較為匱乏。
本文利用實(shí)驗(yàn)室自行研制的低溫電介質(zhì)電氣特性測試系統(tǒng)，對(duì)聚酰亞胺材料在低溫、真空環(huán)境下的直流電氣特性進(jìn)行測試，研究溫度、厚度及多層繞包結(jié)構(gòu)等因素對(duì)其擊穿場強(qiáng)的影響，以及溫度、閃絡(luò)次數(shù)等因素對(duì)其沿面閃絡(luò)場強(qiáng)的影響。
1、試驗(yàn)平臺(tái)
1.1、低溫電介質(zhì)電氣特性測試系統(tǒng)
本文試驗(yàn)研究使用的測試平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)室自行研制的低溫電介質(zhì)電氣特性測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。
測試系統(tǒng)工作時(shí)，先用分子泵把試驗(yàn)腔內(nèi)抽成高真空與外界隔熱，然后向位于試驗(yàn)腔內(nèi)的冷槽充入制冷劑液氮，位于冷槽上方的下電極及試樣通過與冷槽直接接觸傳熱降溫，控制冷槽側(cè)面上所貼的薄膜加熱器使試樣的溫度到達(dá)預(yù)設(shè)值，施加直流電壓進(jìn)行試驗(yàn)測試。
該系統(tǒng)極限真空度可達(dá) 0.5 mPa，試驗(yàn)區(qū)域溫度可實(shí)時(shí)監(jiān)控，調(diào)節(jié)范圍為78~300 K，同時(shí)，系統(tǒng)升壓方式為全自動(dòng)控制，從而避免人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
圖1 低溫電介質(zhì)電氣特性測試系統(tǒng)
1.2、電極系統(tǒng)
由于電極及試樣的降溫是利用裝有液氮的冷槽與下電極直接接觸熱傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的，在設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)時(shí)考慮下電極面積應(yīng)盡量大。試驗(yàn)采用的電極系統(tǒng)是參照GB/T 1408.1—2006[19]和GB/T 1408.2— 2006設(shè)計(jì)制作的，滿足薄膜材料直流電壓試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)僅靠上電極的重力作用來壓緊試樣時(shí)，試樣所能達(dá)到的最低溫度僅為146 K。為了加強(qiáng)試樣與電極、電極與冷槽之間的熱傳導(dǎo)，利用環(huán)氧樹脂板固定壓緊電極系統(tǒng)，使試樣與電極、電極與冷槽緊密接觸，經(jīng)測試，試樣所能達(dá)到的最低溫度為78 K。絕緣擊穿場強(qiáng)測試電極和沿面閃絡(luò)場強(qiáng)測試電極的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。
圖2 電極結(jié)構(gòu)示意圖
4、結(jié)論
1)在真空環(huán)境中，78~300 K 溫度范圍內(nèi)，聚酰亞胺材料的擊穿場強(qiáng)隨著溫度的降低而提高，提高程度與溫度有關(guān)；低溫條件下，較厚材料的擊穿場強(qiáng)低于較薄材料，且兩者擊穿場強(qiáng)的差距隨著溫度的降低越來越明顯；相同厚度下，繞包結(jié)構(gòu)(雙層結(jié)構(gòu))的擊穿場強(qiáng)略低于單層薄膜結(jié)構(gòu)。
2)在真空環(huán)境中，78~300 K 溫度范圍內(nèi)，聚酰亞胺材料沿面閃絡(luò)場強(qiáng)隨著閃絡(luò)次數(shù)的增加而增加，并逐漸趨于某一穩(wěn)定值。對(duì)于首次閃絡(luò)場強(qiáng)，溫度對(duì)其幾乎不存在影響；對(duì)于穩(wěn)定閃絡(luò)場強(qiáng)，由于溫度對(duì)陰極電子發(fā)射、材料表面的氣體分子吸附、脫附、電離等都有影響，當(dāng)溫度低于225 K 時(shí)閃絡(luò)場強(qiáng)幾乎不變，在225~250 K 溫度附近閃絡(luò)場強(qiáng)有所下降，當(dāng)溫度高于250 K 時(shí)閃絡(luò)場強(qiáng)又有所上升。
