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聚酯胶膜结构对叠层母排局部放电性能影响分析

发布时间:2019年9月17日 点击数:91

0 引言

叠层母排 (又称低感母排) , 由导体层和绝缘层复合而成, 具有可重复电气性能、低感抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简便快捷等优点, 被广泛应用于电力电子、通信等领域[1,2]

针对叠层母排的低电感要求, 其中间绝缘层应越薄越好。高温聚酯绝缘胶膜 (PET胶膜) 因其电性能优异、厚度薄而广泛应用于叠层母排中间绝缘层[3]。PET胶膜根据基膜两面覆胶情况分为单面胶膜与双面胶膜, 其结构如图1所示。单面胶膜用于叠层母排表面绝缘层, 当中间绝缘层厚度不足时也用于中间层;双面胶膜一般用于叠层母排中间绝缘层。

图1 聚酯胶膜结构示意图Fig.1 Structures of polyester film   下载原图

在电场作用下, 导体间绝缘部分区域被击穿的电气放电现象称为局部放电 (以下简称“局放”) 。电气设备绝缘材料多为绝缘胶膜或其它有机合成材料。绝缘层各区域承受的电场一般是不均匀的, 且电介质本身通常也是不均匀的。有的是由不同材料组成的复合绝缘体, 如气体固体复合绝缘, 液体-固体复合绝缘, 以及固体-固体复合绝缘等。有的虽是单一的材料, 但在制造或使用过程中会残留一些气泡或其它杂质。因此在绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电气强度高于或低于其平均电气强度, 导致在某些区域首先发生放电, 而其他区域仍然保持绝缘的特性, 这就形成了局部放电[4,5]。局放性能是衡量叠层母排合格与否的一项重要电性能指标。在同等情况下, 导体间绝缘局放的起始电压与熄灭电压越高, 表明其电气性能越优异。

实际生产中发现, 影响绝缘胶膜局放性能的主要因素是其胶层厚度、绝缘薄膜基材厚度、中间绝缘胶膜数量。本研究采用控制变量法, 从以上3个方面展开研究。

1 试验

1.1 试验设计

测试样件结构层次顺序为正极+绝缘胶膜+负极, 如图2所示, 两极重合尺寸为200 mm×300 mm, 正负极导体层材料为T2-Y2紫铜板, 表面镀锡10μm。采用相同的模具、温度、压力热压而成。

图2 测试样件示意图Fig.2 Structure of test sample   下载原图

1.1.1 不同胶层厚度样品

中间绝缘层类型为双面胶膜, 聚酯基膜厚度为125μm, 在其双面分别涂覆厚度为12、20、37.5、75、112.5、150μm的粘接胶, 共制备6种试验样品, 其规格如表1所示。

1.1.2 不同聚酯基膜厚度样品

中间绝缘层类型为双面胶膜, 聚酯基膜厚度分别为125、190、250、350、500μm, 两面涂覆胶层厚度均为37.5μm, 共5种试验样品, 其规格如表2所示。

1.1.3 不同单面胶膜数量组合样品

中间绝缘层类型为单面胶膜+双面胶膜组合层, 单面胶膜结构:聚酯基膜 (厚度为125μm) +单面涂覆37。5μm胶层;双面胶膜结构:聚酯基膜 (厚度为125μm) +双面涂覆37。5μm胶层, 单面胶膜为1~5张, 双面胶膜为1张, 用于单面胶膜与铜板件的粘接, 共5种试验样品, 其规格如表3所示。

表1 第一组试样规格Tab.1 Specifications of the samples in the first experiment group     下载原表

表2 第二组试样规格Tab.2 Specifications of the samples in the second experiment group     下载原表

表3 第三组试样规格Tab.3 Specifications of the samples in the third experiment group     下载原表

1.2 测试方法及仪器设备

为了对比局放起始电压 (Uv) 与局放熄灭电压 (Ue) 之间的差值, 需采用起始熄灭法测量其局放情况。根据GB/T 7354—2003《局部放电测量标准》与IEC 61287-1-2005《车载电源变换器-特性和试验方法》进行测试, 叠层母排通用的局部放电量以典型值10 p C为判定标准[6,7," style="padding:0px;margin:0px 2px;color:#2F8BD6;cursor:pointer;outline:none;">8," style="padding:0px;margin:0px 2px;color:#2F8BD6;cursor:pointer;outline:none;">9]。测试设备为国网武汉高压研究院生产的JFD-251型局部放电检测系统。测试过程:将明显低于起始和熄灭电压的电压施加在样件的正、负极, 逐步增加电压直到放电发生, 当局部放电电量≥10 p C时, 此电压即为Uv;继续将电压升至1.1倍的Uv, 之后逐步降低测试电压, 直至局部放电电量≤10 p C, 此电压即为Ue

试验前对测试设备进行空载校准, 测量背景噪音局部放电量。其中校准电压为1。0 V, 校准电容为10 p F, 输出电压为10 k V, 其背景噪音测试结果约为0。1 p C, 相对典型值10 p C, 其影响可忽略不计, 设备背景噪音符合测试要求。

2 试验结果与讨论

由于材料与样件在生产加工过程中存在一定的差异, 测试过程也存在一定的偶然性, 为减少试验误差, 每种试验组合的样件均测试3件, 测量其局放起始电压与局放熄灭电压并计算平均值。

2.1 胶层厚度对局放起始和熄灭电压的影响

胶层厚度与样件局放起始电压和局放熄灭电压的关系曲线如图3所示。

图3 胶层厚度与局放起始电压和熄灭电压关系曲线Fig.3 Variations of partial discharge initial voltage and extinguishing voltage with adhesive thickness   下载原图

从图3可知, 随着胶层厚度的增加, 样件的局放起始电压和熄灭电压显著升高, 但随着胶层的厚度增加到75μm以上, 样件的局放起始电压和熄灭电压逐渐趋于平稳。原因是当样件胶层较薄时, 铜板在机械加工过程中的去毛刺与拉丝工艺产生的划痕难以被熔胶填充, 使得铜板与绝缘层之间存在气隙, 加剧了导体层中间介质的不均匀性, 导致其局放起始电压和熄灭电压偏小;随着样件胶层厚度的增加, 划痕逐渐被胶质填充, 气隙被排空, 绝缘层与铜板结合得更加紧密, 绝缘介质均匀性提高, 其局放起始电压和熄灭电压随之提升, 胶厚增至125μm以上, 样件的局放起始电压和熄灭电压不再提高, 表明厚度为75μm的胶层足已改善气隙缺陷带来的局放起始电压和熄灭电压的下降。另外, 胶层厚度不是越厚越好, 过厚的胶层使得生产工艺困难, 同时在压合过程中容易导致叠层母排边缘出现大量溢胶, 严重影响产品的外观与品质。

2.2 聚酯基膜厚度对局放起始和熄灭电压的影响

聚酯基膜厚度与样件局放起始电压和熄灭电压的关系曲线如图4所示。从图4可知, 随着聚酯基膜厚度的增加, 样件的局放起始电压和熄灭电压随之升高。对比2.1试验胶层厚度数据, 当样件的局放熄灭电压增长约300 V时, 胶层厚度增加55μm, 而聚基酯膜厚度增加375μm, 厚度增长值相差近7倍, 低感叠层母排要求在性能相等的情况下, 其中间绝缘层越薄越好;另外从图4可以看出, 所有厚度下, 样件的局放起始电压与熄灭电压相差较大, 约300 V, 说明中间绝缘层内部放电后, 降低电压, 局放不能快速有效熄灭, 从以上分析得出聚酯膜厚度增加对局放起始电压和熄灭电压的提升有限。

图4 聚酯基膜厚度与局放起始电压和熄灭电压关系曲线Fig.4 Variations of partial discharge initial voltage and extinguishing voltage with polyester based film thickness   下载原图

2.3 胶膜厚度对局放起始和熄灭电压的影响

对不同单面胶膜数量组合样品, 随着中间绝缘层叠加单面胶膜数量依次增加, 样件胶膜厚度与局放起始和熄灭电压的关系曲线如图5所示。由图5可知, 随着中间绝缘层厚度增加, 样件的局放起始电压和熄灭电压也随之增加。相对于聚酯基膜厚度对样件的局放起始电压和熄灭电压的影响, 胶膜厚度对其影响更为显著, 如试样2.5的中间绝缘层厚度为575μm, 试样3.2的中间绝缘层厚度为525μm, 试样3.2的局放起始电压和熄灭电压远大于试样2.5对应的局放起始电压和熄灭电压。另外从图5可以看出不同胶膜厚度下, 样件的局放起始电压和熄灭电压相差不大, 均在200 V以内, 说明局部放电后, 降低电压, 局放能有效快速熄灭, 通过以上分析, 增加绝缘胶膜数量同样能达到提高叠层母排局部放电性能的效果。

图5 胶膜厚度与局放起始和熄灭电压关系曲线Fig.5 Variations of partial discharge initial voltage and extinguishing voltage with polyester film thickness   下载原图

3 结论

通过对不同胶层厚度、不同聚酯基膜厚度、不同中间绝缘层单面胶膜数量的样件的局放测试结果分析可知, 中间绝缘层厚度的增加均能在一定程度上提高其局放性能。其中胶层厚度从20μm增加至75μm时, 对其局放有显著的提升作用。聚酯基膜厚度的增加对样件局放性能的提升不明显。以增加中间绝缘层单面胶膜数量的方式来增加中间绝缘层的厚度能有效提升样件局放起始电压和熄灭电压, 可以在较高额定绝缘电压的情况下, 既能达到较薄的中间绝缘层厚度要求, 又能保证局放性能的最优化。

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