X/CF4放电等离子体特性及其改善聚合物绝缘材料沿面耐电性能机制研究

The two/three phases parallel compound insulation system, including solid dielectric, gas and vacuum, is widely applied in high voltage electrical equipment and pulsed power devices, etc. The overall insulation strength is restricted by the solid surface withstanding strength. Therefore, changing the insulation material surface property and improving the surface insulation performance is the research hotspot of high voltage and insulation technology. In this project, systemic study about the basic problem of X/CF4 (X is He or Ar) plasma surface fluorination will be conducted for its application in improving the surface insulation strength of polymer insulating materials. The plasma photoelectric joint diagnosis, simulation and surface charge measurement platforms will be built. X/CF4 plasma will be produced by dielectric barrier discharge; The characteristics of X/CF4 plasma and its controlling methods will be explored; The physic-chemical process of plasma-material interaction will be studied. Meanwhile, the rules and principles of changing material surface performance and charge accumulating will be explained; the mechanism of X/CF4 plasma surface fluorination improving material surface insulation strength will be found out. Through this project, the research on plasma surface fluorination technology will provide meaningful knowledge for improving surface insulation strength.

高压输变电和脉冲功率等设备中广泛采用固体介质与气体、真空构成的两相或三相体并联复合绝缘系统，其整体绝缘性能受固体绝缘沿面耐电性能所制约，改变绝缘材料表面状态以改善其沿面耐电性能一直是高电压与绝缘技术领域的研究热点。本项目将针对X/CF4(X为He或Ar等惰性气体)放电等离子体氟化聚合物绝缘材料表面以提升其沿面耐电性能的应用基础问题开展系统研究：建立放电等离子体光电联合诊断、数值仿真、沿面闪络特性和表面电荷测量等系统和平台；基于介质阻挡放电原理，产生X/CF4放电等离子体，探索其光电特性与活性成分组成的影响因素及调控机制；研究X/CF4放电等离子体氟化聚合物材料的表面物化过程，阐明材料表面宏微观理化性能变化规律和机制；测量X/CF4等离子体氟化材料的表面电荷积聚和沿面闪络特性，揭示聚合物材料沿面耐电性能改变的规律和机制；为放电等离子体表面氟化在提升聚合物绝缘材料沿面耐电性能领域的应用提供科学依据与技术途径。

电气绝缘系统中固体介质的沿面闪络现象严重制约了系统的整体性能，提升固体绝缘材料的沿面耐电强度一直是高电压与绝缘技术领域研究的热点和难点，近年来，碳氟等离子体表面改性在改善材料沿面耐电性能方面展现出独特的优势，不仅能够对绝缘材料表面进行高效氟化，提升闪络电压，还具有低污染，少排放和无毒性的特点。本项目系统研究了He/CF4等离子体放电特性及其改善聚合物绝缘材料沿面耐电性能机制，主要成果如下：（1）He/CF4等离子体的放电特性及调控机理。探究了He/CF4等离子体（APPJ、DBD、CCP）三种放电形式下的光电特性，分析了等离子体中活性粒子成分及含量变化，获得了外施参数的变化对等离子体放电特性的影响规律。（2）He/CF4等离子体处理前后绝缘材料表面的理化特性。探究了不同形式的等离子体对绝缘材料表面形貌和化学元素的影响，发现不同外施参数下He/CF4等离子体对材料表面有多重改性效果，揭示了外施参数对材料表面特性的影响机理。（3）He/CF4等离子体处理前后绝缘材料的表面介电和耐电性能评估。对改性前后绝缘材料的真空闪络电压进行测试，分析材料表面的电位衰减、陷阱特性、二次电子发射、表面电荷积聚和表面动态电荷特点，结合材料表面的物理化学特性，提出改性前后绝缘材料沿面耐电强度的提升机理。（4）绝缘材料沿面闪络的理论与仿真分析。研究了真空下沿面放电的演变机理，结合气体扩散模型与经典二次电子倍增理论，推导给定绝缘结构与介质参数条件下的闪络电压公式并与实验对比，提出通过调控表面电荷分布抑制闪络的方法并进行实验验证。本项目阐明了He/CF4等离子体在不同外施参数下的放电特性，提出了等离子对绝缘材料表面的理化特性和电学特性的调控机理，并对沿面放电的发展进行仿真分析，为放电等离子体表面氟化技术在提升材料沿面耐电性能方面的应用提供了理论指导和经验积累。