匯流環(huán)絕緣失效分析及絕緣材料選用*

湯 鋒，李 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

匯流環(huán)絕緣失效分析及絕緣材料選用*

湯 鋒，李 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

針對在惡劣的實(shí)際工況中，雷達(dá)匯流環(huán)較易發(fā)生絕緣失效故障的現(xiàn)象，從絕緣材料漏電起痕的角度分析了匯流環(huán)絕緣失效的機(jī)理，研究了絕緣材料漏電起痕指數(shù)(CTI)對匯流環(huán)絕緣性能的重要影響，并以CTI作為考量指標(biāo)，對目前匯流環(huán)常用絕緣材料的絕緣性能進(jìn)行了分析，提出了在匯流環(huán)設(shè)計(jì)中絕緣材料的選用原則，為雷達(dá)匯流環(huán)的絕緣性能設(shè)計(jì)提供了參考。

CTI；匯流環(huán)；絕緣材料

引 言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，匯流環(huán)是轉(zhuǎn)動部分和固定部分的電氣連接裝置，在系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。各導(dǎo)電通道之間絕緣良好不發(fā)生絕緣失效的故障，是匯流環(huán)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，匯流環(huán)選用的絕緣材料的絕緣性能極為重要。

考核匯流環(huán)絕緣性能的指標(biāo)一般為導(dǎo)電通道間及導(dǎo)電通道對機(jī)殼的絕緣電阻及耐電壓性能。這些指標(biāo)的測試通常是在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行的，相關(guān)的環(huán)境可靠性試驗(yàn)也僅僅考慮到濕度這單一的環(huán)境影響因素，實(shí)際工況中環(huán)境污染介質(zhì)的影響未加以考量。但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在有污染介質(zhì)存在的實(shí)際工況下，匯流環(huán)更容易發(fā)生絕緣失效的故障。絕緣材料各項(xiàng)指標(biāo)中與環(huán)境因素緊密相關(guān)的相比漏電起痕指數(shù)(CTI)就是在匯流環(huán)設(shè)計(jì)中經(jīng)常被忽視的，但又是極為關(guān)鍵的一項(xiàng)指標(biāo)。

1 定義及其表征

漏電起痕(Tracking)是指固體絕緣材料表面在電場和電解液的聯(lián)合作用下或僅在干電弧的作用下逐漸形成導(dǎo)電通路的過程[1]。

相比漏電起痕指數(shù)(Comparative Tracking Index，CTI)是指絕緣材料表面能經(jīng)受住50滴電解液而沒有形成漏電痕跡的最高電壓值。IEC 587規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)評價方法是在兩電極之間施加一定的電壓，每隔30 s在絕緣材料的表面滴一滴標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)溶液，一般是0.1%的氯化銨溶液，直到試樣經(jīng)受住50滴溶液或試樣發(fā)生破壞為止。CTI是評價固體絕緣材料對電場及污染介質(zhì)聯(lián)合作用下的絕緣耐受能力的一項(xiàng)指標(biāo)[2]。

絕緣材料的CTI越高表明該絕緣材料的表面絕緣

性能越好[3]。

2 絕緣失效分析

2.1 工作環(huán)境

雷達(dá)可能在高溫、高濕、鹽霧、沙塵等氣候條件下工作。在惡劣的工況下，會有部分污染物進(jìn)入?yún)R流環(huán)內(nèi)部。另外，匯流環(huán)的摩擦副在工作過程中會產(chǎn)生一定的導(dǎo)電磨屑，部分會附著在匯流環(huán)的絕緣環(huán)表面。

2.2 絕緣失效原因

由于絕緣失效導(dǎo)致匯流環(huán)發(fā)生故障的原因主要有以下幾種：

1)外部環(huán)境因素，比如雨水進(jìn)入?yún)R流環(huán)內(nèi)部，導(dǎo)致導(dǎo)電通道之間的絕緣降低甚至短路；

2)系統(tǒng)存在過電壓現(xiàn)象，且超過設(shè)計(jì)承受能力；

3)工作中產(chǎn)生的導(dǎo)電磨屑附著在各導(dǎo)電通道之間絕緣環(huán)的表面，導(dǎo)致絕緣降低。

除由于大量雨水進(jìn)入導(dǎo)致匯流環(huán)各導(dǎo)電通道直接短路外，其他影響因素都可以從漏電起痕的角度分析其絕緣失效的機(jī)理。

2.3 基于漏電起痕的絕緣失效機(jī)理

匯流環(huán)的絕緣失效主要是導(dǎo)電通道之間絕緣環(huán)和電刷板的絕緣失效。當(dāng)絕緣環(huán)或者電刷板等絕緣體表面受到磨屑、灰塵以及水分、鹽露等污穢物污染時，在絕緣體表面會形成一層電解液。在匯流環(huán)工作時，環(huán)芯及刷組上會產(chǎn)生電場，因此就具備了產(chǎn)生漏電起痕破壞的條件。

如圖1所示，基于漏電起痕的絕緣材料絕緣失效的機(jī)理可以分為如下幾個過程：

1)形成導(dǎo)電通道。匯流環(huán)工作于惡劣的環(huán)境下，沙塵、磨屑附著在絕緣環(huán)、電刷板等絕緣體表面，在鹽霧及高濕甚至是滲漏的雨水的影響下極易產(chǎn)生一個濕潤的導(dǎo)電通道。

2)形成干區(qū)。在導(dǎo)電環(huán)產(chǎn)生的電場作用下，在絕緣環(huán)、電刷板等絕緣體表面的濕潤區(qū)引起表面電流。表面電流產(chǎn)生的焦耳熱使絕緣環(huán)表面帶有污穢物的濕潤區(qū)的水分蒸發(fā)，形成一個干區(qū)(也可稱為干燥帶)。

3)產(chǎn)生漏電痕跡。匯流環(huán)在工作時產(chǎn)生的電場在干區(qū)容易形成高場強(qiáng)，使干區(qū)擊穿產(chǎn)生火花放電，導(dǎo)致絕緣環(huán)、電刷板等絕緣體表層碳化，從而形成漏電痕跡，絕緣被有限破壞。

4)絕緣失效。隨著漏電痕跡的持續(xù)發(fā)展，絕緣環(huán)、電刷板等絕緣體表面加速老化，絕緣加速失效，在強(qiáng)電場多次作用下，最終起火燒蝕絕緣環(huán)表面，致使絕緣徹底破壞失效。

另外，如果系統(tǒng)存在過電壓的現(xiàn)象，則在匯流環(huán)導(dǎo)電通道間形成的電場強(qiáng)度會比正常工作時大得多，從而加速漏電痕跡的形成。

圖1 絕緣失效演變過程

圖2為某型匯流環(huán)的環(huán)芯絕緣失效打火燒蝕的情況，其中凸出的環(huán)體為絕緣環(huán)，材料為聚砜板，凹下的環(huán)體為導(dǎo)電環(huán)，在局部區(qū)域匯流環(huán)環(huán)芯表面燒蝕嚴(yán)重，絕緣環(huán)已完全燒毀。經(jīng)測量，燒蝕區(qū)域各導(dǎo)電環(huán)之間完全短路。

圖2 打火燒蝕的匯流環(huán)環(huán)芯

由此可見，對匯流環(huán)絕緣性能的考量以及絕緣材料的合理選用，在設(shè)計(jì)中具有極其重要的意義。

3 絕緣材料分析及選用

3.1 基于CTI的材料分類標(biāo)準(zhǔn)

基于CTI指標(biāo)，絕緣材料的絕緣性能的高低有2種分類標(biāo)準(zhǔn)。

IEC 664A《低壓系統(tǒng)絕緣配合》標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)CTI值將絕緣材料分為4 組，見表1。

表1 IEC 664A標(biāo)準(zhǔn)分類

根據(jù)IEC 60112《固體絕緣材料耐電痕化指數(shù)和相比電痕化指數(shù)的測定方法》，絕緣材料的CTI指標(biāo)分為6個等級，見表2。

表2 IEC 60112標(biāo)準(zhǔn)分類

在實(shí)際應(yīng)用中，如果 CTI值大于400 V，那么就可認(rèn)為這種材料具有足夠的耐漏電起痕性[4]。

3.2 選用原則

匯流環(huán)根據(jù)電壓高低一般分為2類：功率匯流環(huán)和控制匯流環(huán)。功率匯流環(huán)一般指傳輸高電壓電源信號的匯流環(huán)，控制匯流環(huán)一般指傳輸數(shù)據(jù)信號、低壓直流(一般為50 V以下)電信號的匯流環(huán)。

在設(shè)計(jì)時，以CTI指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，在高電壓條件下工作的功率匯流環(huán)的絕緣材料應(yīng)該盡可能選用高CTI的材料。在低電壓條件下工作的控制匯流環(huán)由于傳輸?shù)男盘柧鶠榈蛪弘娦盘?，?dǎo)電通道之間的電場強(qiáng)度很小，不易產(chǎn)生漏電起痕現(xiàn)象，這種情況下對CTI無過高要求，一般情況下，CTI≥100 V的絕緣材料即可滿足使用要求。

3.3 匯流環(huán)絕緣材料分析及選用

匯流環(huán)常見的絕緣材料有聚四氟乙烯、聚砜、環(huán)氧類的布層壓板等。

針對匯流環(huán)上常用的一些絕緣材料，選取了聚四氟乙烯板以及圖2中出現(xiàn)絕緣失效的絕緣環(huán)材料聚砜板作為試樣，進(jìn)行了CTI指標(biāo)的測試。

試樣按IEC 112測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，聚四氟乙烯板CTI為600 V，聚砜板的CTI僅為120 V。對應(yīng)IEC 664A標(biāo)準(zhǔn)和IEC 60112標(biāo)準(zhǔn)，聚四氟乙烯板達(dá)到了最高的絕緣性能評定等級，而聚砜板則屬于較低的等級。

幾種匯流環(huán)常用的絕緣材料的CTI值見表3。

表3 匯流環(huán)常用絕緣材料的典型CTI值

由表3可知，聚砜板、3240環(huán)氧玻璃布層壓板以及普通的覆銅板的CTI均較低，不能滿足高電壓工作條件下的功率匯流環(huán)的使用要求，僅可作為控制匯流環(huán)的絕緣材料使用。而聚四氟乙烯板、3246環(huán)氧玻璃布層壓板、3248環(huán)氧玻璃布層壓板的CTI均在600 V左右，對應(yīng)IEC 664A和IEC 60112標(biāo)準(zhǔn)，均為最高等級的絕緣材料，是作為匯流環(huán)絕緣環(huán)或電刷板的優(yōu)質(zhì)材料，而CTI≥400 V的高等級環(huán)氧玻纖基覆銅板作為表面不會受到磨屑嚴(yán)重污染的功率匯流環(huán)的電刷板也是可行的。

4 結(jié)束語

在雷達(dá)設(shè)備中，由于惡劣環(huán)境的影響，在高壓條件下工作的匯流環(huán)產(chǎn)生漏電起痕的現(xiàn)象較為普遍，在很大程度上降低了匯流環(huán)工作的可靠性，甚至?xí)?dǎo)致匯流環(huán)打火燒蝕。而諸如聚四氟乙烯等高CTI等級的絕緣材料的使用則在一定程度上降低了發(fā)生漏電起痕的概率，可以極大地提高匯流環(huán)工作的可靠性，是在匯流環(huán)設(shè)計(jì)中可以優(yōu)先考慮的絕緣材料。

[1] 劉功桂. 耐漏電起痕試驗(yàn)的研究和分析[J]. 電機(jī)電器技術(shù), 2001, 1(1): 11-12.

[2] 俞贊琪, 俞翔霄. 聚合物絕緣材料的漏電起痕性[J]. 絕緣材料, 2005, 38(3): 48-51.

[3] 辜信實(shí). 印制電路用覆銅箔層壓板[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[4] 黃志杰, 周現(xiàn)生. 高CTI值改性工程塑料在電子電器中的應(yīng)用[J]. 塑料工業(yè), 2006, 34(S1): 313-315.

[5] 茹敬宏. 高耐漏電起痕性環(huán)氧玻纖基覆銅板的開發(fā)[C]//第八屆全國絕緣材料與絕緣技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集, 2002: 119-123.

湯 鋒(1979-)，男，高級工程師，主要從事匯流環(huán)設(shè)計(jì)工作。

李 超(1974-)，男，研究員級高級工程師，主要從事匯流環(huán)設(shè)計(jì)工作。

Analysis of Insulation Invalidity and Selection Principleof Insulating Materials for Slip-ring

TANG Feng，LI Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Considering that in harsh actual working conditions, the radar slip-ring is likely to become invalidate in insulation. Its reason is analyzed from the point of insulating materials tracking, and the importance of CTI to insulating materials is studied. Taking CTI as a consideration standard, the insulating properties for various insulating materials used in slip-ring are analyzed, and the selection principle is elaborated, which will offer a reference for the insulating part design of radar slip-ring.

CTI; slip-ring; insulating material

2016-07-21

TM21

A

1008-5300(2016)04-0032-03