О влиянии электронно-дырочной рекомбинации и частичных разрядов на долговечность полимерных диэлектриков в переменном электрическом поле
Ключевые слова:
полимеры, электронно-дырочная рекомбинация, частичные разряды, переменное напряжение, электрическая долговечность
Аннотация
Электронно-дырочная рекомбинация, возникающая в полимерных диэлектриках в сильных электрических полях, и слабые частичные разряды в этих материалах рассматриваются как возможные дополнительные факторы, ускоряющие процесс старения полимеров в переменном электрическом поле по сравнению с постоянным. Выполнены оценки влияния данных факторов на скорость образования дефектов (разрывов макромолекул). Показано, что в полимерных диэлектрических пленках при концентрации микропор 104–105 см-3 и интенсивности частичных разрядов ~ 0,01 пКл основным фактором, определяющим снижение электрической долговечности в переменном электрическом поле, следует считать процессы электронно-дырочной рекомбинации, приводящие к разрыву связей в возбужденных макромолекулах, а не эрозию полимера в результате воздействия частичных разрядов. В предположении, что пробой происходит при достижении критической концентрации дефектов, возникающих в полимерном диэлектрике за счет электронно-дырочной рекомбинации, получено соотношение для расчета полевой зависимости долговечности на переменном напряжении. Показано, что результаты расчетов согласуются с известными экспериментальными данными.
Литература
1. Борисова М.Э., Койков С.Н., Орос Я. Закономерности электрического старения полиэтиленовой кабельной изоляции при отсутствии частичных разрядов. – Электричество, 1982, № 12, с. 53–59.
2. Бережанский В.Б. и др. Электрическое старение полимерных диэлектриков при подавлении частичных разрядов. – Высокомолекулярные соединения. Серия А, 1986, т. 26, № 10, с. 2163–2169.
3. Mauoux C., Laurent C. Contribution of partial discharges to electrical breakdown of solid in sulating materials. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, vol. 2, No. 4, pp. 641–652, DOI: 10.1109/94.407028.
4. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979, 224 с.
5. Dissado L.A., Fothergill J.C. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Ed. G.C. Stevens. London, Peter Peregrinus Ltd., 1992, 601 p.
6. Teyssedre G. et al. AC and DC Electroluminescence in Insulating Polymers and Implication for Electrical Ageing. – Journal Physics D: Applied Physics, 2001, vol. 34, No. 14, pp. 2220–2229, DOI:10.1088/0022-3727/34/14/318.
7. Danikas M.G. Small Partial Discharges and their Role in Insulation Deterioration. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, vol. 4, No. 6, pp. 863–867, DOI: 10.1109/ 94.654733.
8. Montanari G.C. Bringing an Insulation to Failure: The Role of Space Charge. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, vol. 18, No. 2, pp. 339–364, DOI: 10.1109/TDEI.2011. 5739438.
9. Закревский В.А., Пахотин В.А., Сударь Н.Т. Старение и разрушение (пробой) полимерных пленок в переменном электрическом поле. – Физика твердого тела, 2019, т. 61, № 10, с. 1953–1959.
10. Qiao B., Laurent C., Teyssedre G. Evidence of Exciton Formation in Thin Polypropylene Films under AC and DC Fields and Relationship to Electrical Degradation. – IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, 2016, vol. 136, No. 2, pp. 74–80, DOI: 10.1109/ISEIM.2014.6870725.
11. Zakrevskii V.A., Pakhotin V.A., Sudar N.T. Ageing and Breakdown of Thin Insulating Polymer Films. – Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, No. 23, DOI:10.1063/1.4883365.
12. Liufu D., Kao K.C. Capacitance Transient Spectroscopy in Metal-Insulator-Metal Systems and Its Application to the Determination of Trap Parameters in Polyimide Films. – Journal of Applied Physics, 1999, vol. 85, No. 2, pp. 1089–1094, DOI:10.1063/1.369233.
13. Пахотин В.А., Поздняков А.О., Сударь Н.Т. Летучие продукты, образующиеся при электрическом пробое пленок полиэтилентерефталата и полипропилена в высоком вакууме. – Журнал технической физики, 2022, т. 92, № 10, с. 1556–1562.
14. Alison J.M. et al. Dynamic Bipolar Charge Recombination Model for Electroluminescence in Polymer Based Insulation during Electrical Tree Initiation. – Journal Physics D: Applied Physics, 1995, vol. 28, pp. 1693–1701.
15. Lebey T., Laurent C. Charge Injection and Electroluminescence as a Prelude to Dielectric Breakdown. – Journal of Applied Physics, 1990, vol. 68, No. 1, pp. 275–282, DOI:10.1063/1.347197.
16. Le Roy S., Teyssedre G., Laurent C. Charge Transport and Dissipative Processes in Insulating Polymers: Experiments and Model. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, vol. 12, No. 4, pp. 644–654, DOI: 10.1109/TDEI.2005.1511090.
17. Mary D., Albertini M., Laurent C. Understanding Optical Emissions from Electrically Stressed Insulating Polymers: Electro-luminescence in Poly (Ethylene Terephthalate) and Poly (Ethylene 2, 6-naphthalate) Films. – Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, vol. 30, No. 2, pp. 171–184, DOI:10.1088/0022-3727/30/2/004.
18. Абрамов В.Н. и др. Подвижность носителей заряда в полимерах. – Высокомолекулярные соединения. Серия А, 1987, т. 29, № 2, с. 260–264.
19. Семенов С.Е. и др. Механизм развития импульсного пробоя в полимерных пленках. – Физика твердого тела, 2022, т. 64, № 8, с. 948–954.
20. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Гос. изд-во физико-математической лит-ры, 1958, 907 с.
21. Боровков В.В. и др. Радиационная стойкость органических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1986, 272 с.
#
1. Borisova M.E., Koykov S.N., Oros Ya. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1982, No. 12, pp. 53–59.
2. Berezhanskiy V.B. et al. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A – in Russ. (High-Molecular Compounds. Series A), 1986, vol. 26, No. 10, pp. 2163–2169.
3. Mauoux C., Laurent C. Contribution of partial discharges to electrical breakdown of solid in sulating materials. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, vol. 2, No. 4, pp. 641–652, DOI: 10.1109/94.407028.
4. Kuchinskiy G.S. Chastichnye razryady v vysokovol'tnyh konstruktsiyah (Partial Discharges in High-Voltage Structures). L.: Energiya, 1979, 224 p.
5. Dissado L.A., Fothergill J.C. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Ed. G.C. Stevens. London, Peter Peregrinus Ltd., 1992, 601 p.
6. Teyssedre G. et al. AC and DC Electroluminescence in Insulating Polymers and Implication for Electrical Ageing. – Journal Physics D: Applied Physics, 2001, vol. 34, No. 14, pp. 2220–2229, DOI:10.1088/0022-3727/34/14/318.
7. Danikas M.G. Small Partial Discharges and their Role in Insulation Deterioration. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, vol. 4, No. 6, pp. 863–867, DOI: 10.1109/94.654733.
8. Montanari G.C. Bringing an Insulation to Failure: The Role of Space Charge. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, vol. 18, No. 2, pp. 339–364, DOI: 10.1109/TDEI.2011. 5739438.
9. Zakrevskiy V.A., Pahotin V.A., Sudar' N.T. Fizika tverdogo tela – in Russ. (Solid State Physics), 2019, vol. 61, No. 10, pp. 1953–1959.
10. Qiao B., Laurent C., Teyssedre G. Evidence of Exciton Formation in Thin Polypropylene Films under AC and DC Fields and Relationship to Electrical Degradation. – IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, 2016, vol. 136, No. 2, pp. 74–80, DOI: 10.1109/ISEIM.2014.6870725.
11. Zakrevskii V.A., Pakhotin V.A., Sudar N.T. Ageing and Breakdown of Thin Insulating Polymer Films. – Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, No. 23, DOI:10.1063/1.4883365.
12. Liufu D., Kao K.C. Capacitance Transient Spectroscopy in Metal-Insulator-Metal Systems and Its Application to the Determination of Trap Parameters in Polyimide Films. – Journal of Applied Physics, 1999, vol. 85, No. 2, pp. 1089–1094, DOI:10.1063/1.369233.
13. Pahotin V.A., Pozdnyakov A.O., Sudar' N.T. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2022, vol. 92, No. 10, pp. 1556–1562.
14. Alison J.M. et al. Dynamic Bipolar Charge Recombination Model for Electroluminescence in Polymer Based Insulation during Electrical Tree Initiation. – Journal Physics D: Applied Physics, 1995, vol. 28, pp. 1693–1701.
15. Lebey T., Laurent C. Charge Injection and Electroluminescence as a Prelude to Dielectric Breakdown. – Journal of Applied Physics, 1990, vol. 68, No. 1, pp. 275–282, DOI:10.1063/1.347197.
16. Le Roy S., Teyssedre G., Laurent C. Charge Transport and Dissipative Processes in Insulating Polymers: Experiments and Model. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, vol. 12, No. 4, pp. 644–654, DOI: 10.1109/TDEI.2005.1511090.
17. Mary D., Albertini M., Laurent C. Understanding Opical Emissions from Electrically Stressed Insulating Polymers: Electroluminescence in Poly (Ethylene Terephthalate) and Poly (Ethylene 2, 6-naphthalate) Films. – Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, vol. 30, No. 2, pp. 171–184, DOI:10.1088/0022-3727/ 30/2/004.
18. Abramov V.N. et al. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A – in Russ. (High-Molecular Compounds. Series A), 1987, vol. 29, No. 2, pp. 260–264.
19. Semenov S.Е. et al. Fizika tverdogo tela– in Russ. (Solid State Physics), 2022, vol. 64, No. 8, pp. 948–954.
20. Skanavi G.I. Fizika dielektrikov (oblast' sil'nyh poley) (Physics of Dielectrics (the Area of Strong Fields). М.: Gos. izd-vo fiziko-matematicheskoy lit-ry, 1958, 907 p.
21. Borovkov V.V. et al. Radiatsionnaya stoykost' organicheskih materialov (Radiation Resistance of Organic Materials). М.: Energoatomizdat, 1986, 272 p
2. Бережанский В.Б. и др. Электрическое старение полимерных диэлектриков при подавлении частичных разрядов. – Высокомолекулярные соединения. Серия А, 1986, т. 26, № 10, с. 2163–2169.
3. Mauoux C., Laurent C. Contribution of partial discharges to electrical breakdown of solid in sulating materials. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, vol. 2, No. 4, pp. 641–652, DOI: 10.1109/94.407028.
4. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979, 224 с.
5. Dissado L.A., Fothergill J.C. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Ed. G.C. Stevens. London, Peter Peregrinus Ltd., 1992, 601 p.
6. Teyssedre G. et al. AC and DC Electroluminescence in Insulating Polymers and Implication for Electrical Ageing. – Journal Physics D: Applied Physics, 2001, vol. 34, No. 14, pp. 2220–2229, DOI:10.1088/0022-3727/34/14/318.
7. Danikas M.G. Small Partial Discharges and their Role in Insulation Deterioration. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, vol. 4, No. 6, pp. 863–867, DOI: 10.1109/ 94.654733.
8. Montanari G.C. Bringing an Insulation to Failure: The Role of Space Charge. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, vol. 18, No. 2, pp. 339–364, DOI: 10.1109/TDEI.2011. 5739438.
9. Закревский В.А., Пахотин В.А., Сударь Н.Т. Старение и разрушение (пробой) полимерных пленок в переменном электрическом поле. – Физика твердого тела, 2019, т. 61, № 10, с. 1953–1959.
10. Qiao B., Laurent C., Teyssedre G. Evidence of Exciton Formation in Thin Polypropylene Films under AC and DC Fields and Relationship to Electrical Degradation. – IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, 2016, vol. 136, No. 2, pp. 74–80, DOI: 10.1109/ISEIM.2014.6870725.
11. Zakrevskii V.A., Pakhotin V.A., Sudar N.T. Ageing and Breakdown of Thin Insulating Polymer Films. – Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, No. 23, DOI:10.1063/1.4883365.
12. Liufu D., Kao K.C. Capacitance Transient Spectroscopy in Metal-Insulator-Metal Systems and Its Application to the Determination of Trap Parameters in Polyimide Films. – Journal of Applied Physics, 1999, vol. 85, No. 2, pp. 1089–1094, DOI:10.1063/1.369233.
13. Пахотин В.А., Поздняков А.О., Сударь Н.Т. Летучие продукты, образующиеся при электрическом пробое пленок полиэтилентерефталата и полипропилена в высоком вакууме. – Журнал технической физики, 2022, т. 92, № 10, с. 1556–1562.
14. Alison J.M. et al. Dynamic Bipolar Charge Recombination Model for Electroluminescence in Polymer Based Insulation during Electrical Tree Initiation. – Journal Physics D: Applied Physics, 1995, vol. 28, pp. 1693–1701.
15. Lebey T., Laurent C. Charge Injection and Electroluminescence as a Prelude to Dielectric Breakdown. – Journal of Applied Physics, 1990, vol. 68, No. 1, pp. 275–282, DOI:10.1063/1.347197.
16. Le Roy S., Teyssedre G., Laurent C. Charge Transport and Dissipative Processes in Insulating Polymers: Experiments and Model. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, vol. 12, No. 4, pp. 644–654, DOI: 10.1109/TDEI.2005.1511090.
17. Mary D., Albertini M., Laurent C. Understanding Optical Emissions from Electrically Stressed Insulating Polymers: Electro-luminescence in Poly (Ethylene Terephthalate) and Poly (Ethylene 2, 6-naphthalate) Films. – Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, vol. 30, No. 2, pp. 171–184, DOI:10.1088/0022-3727/30/2/004.
18. Абрамов В.Н. и др. Подвижность носителей заряда в полимерах. – Высокомолекулярные соединения. Серия А, 1987, т. 29, № 2, с. 260–264.
19. Семенов С.Е. и др. Механизм развития импульсного пробоя в полимерных пленках. – Физика твердого тела, 2022, т. 64, № 8, с. 948–954.
20. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Гос. изд-во физико-математической лит-ры, 1958, 907 с.
21. Боровков В.В. и др. Радиационная стойкость органических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1986, 272 с.
#
1. Borisova M.E., Koykov S.N., Oros Ya. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1982, No. 12, pp. 53–59.
2. Berezhanskiy V.B. et al. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A – in Russ. (High-Molecular Compounds. Series A), 1986, vol. 26, No. 10, pp. 2163–2169.
3. Mauoux C., Laurent C. Contribution of partial discharges to electrical breakdown of solid in sulating materials. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, vol. 2, No. 4, pp. 641–652, DOI: 10.1109/94.407028.
4. Kuchinskiy G.S. Chastichnye razryady v vysokovol'tnyh konstruktsiyah (Partial Discharges in High-Voltage Structures). L.: Energiya, 1979, 224 p.
5. Dissado L.A., Fothergill J.C. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Ed. G.C. Stevens. London, Peter Peregrinus Ltd., 1992, 601 p.
6. Teyssedre G. et al. AC and DC Electroluminescence in Insulating Polymers and Implication for Electrical Ageing. – Journal Physics D: Applied Physics, 2001, vol. 34, No. 14, pp. 2220–2229, DOI:10.1088/0022-3727/34/14/318.
7. Danikas M.G. Small Partial Discharges and their Role in Insulation Deterioration. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, vol. 4, No. 6, pp. 863–867, DOI: 10.1109/94.654733.
8. Montanari G.C. Bringing an Insulation to Failure: The Role of Space Charge. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, vol. 18, No. 2, pp. 339–364, DOI: 10.1109/TDEI.2011. 5739438.
9. Zakrevskiy V.A., Pahotin V.A., Sudar' N.T. Fizika tverdogo tela – in Russ. (Solid State Physics), 2019, vol. 61, No. 10, pp. 1953–1959.
10. Qiao B., Laurent C., Teyssedre G. Evidence of Exciton Formation in Thin Polypropylene Films under AC and DC Fields and Relationship to Electrical Degradation. – IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, 2016, vol. 136, No. 2, pp. 74–80, DOI: 10.1109/ISEIM.2014.6870725.
11. Zakrevskii V.A., Pakhotin V.A., Sudar N.T. Ageing and Breakdown of Thin Insulating Polymer Films. – Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, No. 23, DOI:10.1063/1.4883365.
12. Liufu D., Kao K.C. Capacitance Transient Spectroscopy in Metal-Insulator-Metal Systems and Its Application to the Determination of Trap Parameters in Polyimide Films. – Journal of Applied Physics, 1999, vol. 85, No. 2, pp. 1089–1094, DOI:10.1063/1.369233.
13. Pahotin V.A., Pozdnyakov A.O., Sudar' N.T. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2022, vol. 92, No. 10, pp. 1556–1562.
14. Alison J.M. et al. Dynamic Bipolar Charge Recombination Model for Electroluminescence in Polymer Based Insulation during Electrical Tree Initiation. – Journal Physics D: Applied Physics, 1995, vol. 28, pp. 1693–1701.
15. Lebey T., Laurent C. Charge Injection and Electroluminescence as a Prelude to Dielectric Breakdown. – Journal of Applied Physics, 1990, vol. 68, No. 1, pp. 275–282, DOI:10.1063/1.347197.
16. Le Roy S., Teyssedre G., Laurent C. Charge Transport and Dissipative Processes in Insulating Polymers: Experiments and Model. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, vol. 12, No. 4, pp. 644–654, DOI: 10.1109/TDEI.2005.1511090.
17. Mary D., Albertini M., Laurent C. Understanding Opical Emissions from Electrically Stressed Insulating Polymers: Electroluminescence in Poly (Ethylene Terephthalate) and Poly (Ethylene 2, 6-naphthalate) Films. – Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, vol. 30, No. 2, pp. 171–184, DOI:10.1088/0022-3727/ 30/2/004.
18. Abramov V.N. et al. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A – in Russ. (High-Molecular Compounds. Series A), 1987, vol. 29, No. 2, pp. 260–264.
19. Semenov S.Е. et al. Fizika tverdogo tela– in Russ. (Solid State Physics), 2022, vol. 64, No. 8, pp. 948–954.
20. Skanavi G.I. Fizika dielektrikov (oblast' sil'nyh poley) (Physics of Dielectrics (the Area of Strong Fields). М.: Gos. izd-vo fiziko-matematicheskoy lit-ry, 1958, 907 p.
21. Borovkov V.V. et al. Radiatsionnaya stoykost' organicheskih materialov (Radiation Resistance of Organic Materials). М.: Energoatomizdat, 1986, 272 p
