两种有效的碳化硅电学性能调控方法比较

(沧州供电公司，河北 沧州 061001)
摘 要： 通过对两种常用的碳化硅防晕方法：向α-SiC材料中掺杂β-SiC以及参杂导电石墨的方法、 不同的适用范围进行比较，探讨了在不同情况下调节碳化硅电学性能所使用的不同方法，为 制作性能稳定的定子线棒防晕涂层，并使其达到最佳的应用性能提供理论指导。
关键词：碳化硅；防晕材料；电阻率；非线性系数
中图分类号：TN304.2+4  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2008)13—0037—02

随着国内外对电力资源需求的不断增长，研制和开发大容 量发电机组成为必然趋势〔1、2〕。定子线棒是大型高压发电机最重要的部件之一，是机械能和电磁能转换的场所。电机容量的 提高在一定程度上取决于定子线棒的制造水平的提高。由于大容量发电机定子线棒主绝缘采 用的是固体绝缘，或者说是固体－气体绝缘。这些气体既存在于固体绝缘之外，也存在于绝 缘内部，在交流高电压作用下，这些气体因为承受相对较高的电场强度就有可能发生局部放 电或电晕〔3、4、5〕。对于定子线棒而言，最常见的是槽部电晕和端部电晕。电晕 会导致线棒局部温度急剧升高、带电粒子的高速碰撞和化学损伤，而缩短定子线棒的使用寿 命甚至破坏线棒〔6、7〕，给发电机向大容量发展带来严重的障碍。

因而，随着发电机容量、电压等级的日益提高，对发电机定子线棒端部防晕层的性能也提出 了更高的要求，要求起晕电压更高。这就使得选择适当的线棒防晕材料并对其电学性能进行 必要的调整变得很有意义。

对于发电机定子线棒而言，端部电晕的根源在于槽口电场集中。因此只要使电场均匀化，也 就能有效地抑制电晕的产生。对于线棒端部防晕，人们希望得到这样一种材料：其电阻随电 场强度的增加而降低，从而达到调节场强的目的。即得到一种非线性材料，它的作用就好比 相互配合得很好的无限多极半导电层，从而使表面场强的分布曲线从锯齿状曲线变成了比较 平整的分布。碳化硅正是这样一种材料〔8〕。

然而，将碳化硅材料制成防晕层时，防晕层的表面电阻率相对较高，需要加入其它材料进行 调节。研究如何恰当地调整碳化硅防晕层的电学性能，使其在应用时总能达到要求就很有必 要。我们在研究中发现，当改变防晕漆与碳化硅材料比例，以及改变防晕层厚度时，可大幅 的改变防晕层的表面电阻率和非线性系数，这可为实际生产提供理论依据。
1 实验
1.1 原料及防晕层涂刷方法

实验过程中使用的碳化硅为α-SiC，粒度为800目，分别掺杂不同比例的石墨与β-SiC材料 进行对比。
防晕层的涂刷方法：将SiC粉料与掺杂材料以及防晕漆按照一定比例混和、搅拌，将其涂在 准备好的电机线棒上，凉干并经过固化处理后，在防晕层表面制作低电阻电极。
1.2 实验方法

测量SiC防晕层的非线性特性的测量线路图如图1所示，采用直流源进行测量：
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试验中我们分别使用石墨以及β-SiC材料与α-SiC材料按照不同比例进行混合，测量防晕涂 层的表面电阻率的变化，以及在电极距离为1cm，电极长度为2cm时所加的直流击穿电压，并 进行比较说明。
2 结果与讨论

直接在线棒防晕层表面测量电阻率，这与SiC作为防电晕材料在实际应用时所处的环境一致 ，测量的SiC防晕层的表面电阻率ρs和非线性系数β即为线棒应用时的数值，所以对SiC防 晕层各项性质的测量更具实际意义。
2.1 掺杂β-SiC对防晕层电学性能的影响

实验中，我们通过改变β-SiC的含量，分别测试 了不同β-SiC的含量情况下线棒涂层的表面电阻率和非线性系数，并分别测量了材料在此条 件下涂层表面的击穿电压。如图3和表1所示： 

可见，随着β-SiC的含量，防晕涂层的非线性系数β随之提高，由纯α-SiC时的0.22cm/kV 提高到混合20%β-SiC时的1.97cm/kV，大幅提高了非线性系数；而表面电阻率ρs相应下降 ，由纯α-SiC时的1.9×10¹⁰Ω，降低至混合20%β-SiC时的4.91×10⁸Ω，使得材 料的表面电阻率得到大幅降低。
2.2 掺杂石墨对防晕层电学性能的影响

实验中，我们通过在α-SiC材料中混合不同含量的 石墨，分别测试石墨含量情况下线棒涂层的表面电阻率和非线性系数，并分别测量了材料在 此条件下涂层表面的击穿电压。如图3和表1所示：

可见，随着β-SiC的含量，防晕涂层的非线性系数β随之提高，由纯α-SiC时的0.22cm/kV 提高到混合20%石墨时的2.22cm/kV，大幅提高了非线性系数；而表面电阻率ρs相应下降， 由纯α-SiC时的1.9×10¹⁰Ω，降低至混合20%石墨时的2.13×10⁸Ω，使得材料的 表面电阻率得到大幅降低。
2.3 比较与分析

上述图表可知，通过在细（800目）α-SiC材料中添加β-SiC以及添加石墨的方法，可以有 效地改善细α-SiC材料本身的电学性能，提高防晕涂层的非线性系数，降低涂层的表面电阻 率。

然而我们也注意到：在α-SiC材料中加入β-SiC以石墨后制作的碳化硅涂层，碳化硅防晕涂 层的击穿场强也有一定程度的降低。如：用800目碳化硅制成的防电晕涂层，其击穿场强可 以达到11kV/cm，而当加入20%β-SiC后，防电晕涂层的击穿场强降低到8.5kV/cm，当然，这 仍然比同等条件下，电阻率相近的400目的碳化硅材料制成的防电晕涂层的击穿场强（5.6kV /cm）高出很多。

在α-SiC粉料中加入石墨制成的防电晕涂层，对于涂层的击穿场强的影响就更大，如：在80 0目碳化硅中加入10%石墨时，防晕涂层的击穿场强已经降低到6kV/cm，加入石墨越多防晕涂 层的击穿场强降低得越明显，当加入20%石墨时，防晕涂层的击穿场强已经降低到3.6kV/cm ，这种幅度的降低对于使用添加石墨来改善碳化硅电学性能，并将其应用到防晕涂层中的方 法的应用有不利影响。

由上述分析可知，在使防晕涂层达到相同电阻率时，向α-SiC材料中添加β-SiC来改善碳化 硅材料电学性能的方法制作的防电晕涂层，比添加石墨来改善碳化硅材料电学性能的方法得 到的防电晕涂层有更好的耐击穿性能。

在涂层达到同样表面电阻率的情况下，加入β-SiC而制成的防电晕涂层其击穿场强比加入石 墨而制成的防电晕涂层高出很多。随着加入量的增加，加入β-SiC的防电晕涂层的击穿场强 的降低幅度比加入石墨而制成的防电晕涂层的降低幅度缓和得多。首先，这主要是由于石墨 是良导体，当加入量达到某一特定值时，在高电场作用下石墨将在混合粉料中形成导电通道 ，制成的防电晕涂层中也会形成导电通道。在所加场强升高时，导电通道中的电流增长很快 ，并迅速导致防电晕涂层的击穿。其次，由于石墨与碳化硅材料的密度不同，在固化过程中 ，防晕涂层会因为悬浮而使石墨与碳化硅材料分层，随着石墨含量的增多分层程度增大，在 试验中我们发现，当石墨含量达到20%以上时，涂层中会产生一层黑色石墨层。

对于在α-SiC材料中添加β-SiC来改善粉料及涂层的电学性能的方法来说，虽然β-SiC电阻 率比α-SiC的电阻率低很多，但该种材料本身仍然是半导体，加入到α-SiC中不会像把石墨 加入到α-SiC中那样形成明显的导电通道，这样制成的防晕涂层内部也不会形成明显的导电 通道，所加电压升高时，电流增长速度不会像加入石墨那样增长很快。而且，α-SiC材料与 β-SiC属碳化硅材料的同质多形体，密度相同，在防晕涂层中不会产生分层现象。因此，防 晕涂层表面的击穿场强比没加β-SiC之前有所降低，但降低幅度没有添加石墨的降低得大。

所以用添加石墨的方法来改善碳化硅材料电学性能时，添加量不应过大，一般限制在10％以 内。而添加β-SiC时，可添加的含量范围能够相应增大，也就是说能够使α-SiC粉料的电学 性能有更大的可调范围。添加β-SiC来改善α-SiC粉料的电学性能比使用石墨来改善α-SiC 粉料的电学性能有更为广泛的应用前景。

当然由上述两表可知，添加石墨的调节涂层表面电学性能的方法得到的防晕涂层的非线性系 数，比添加β-SiC方法得到的防晕涂层的非线性系数大。添加少量石墨就可以使防晕涂层的 非线性系数提高很大，如当添加5%睡墨时，就可以使非线性系数由0.22增大到1.47，因此， 当涂层表面的电阻率不需要大的改变而非线性系数需要改变很多时，添加石墨的方法可以得 到推广应用。
3 结论
3.1 随着α-SiC粉料中β-SiC材料以及石墨的掺杂量的增加，碳化硅防晕层的非线性系数 β提高，表面电阻率ρs下降，且其中石墨的掺杂效果更为明显；
3.2 随着α-SiC粉料中β-SiC材料以及石墨的掺杂量的增加，碳化硅防晕层的击穿场强有 所降低。因此石墨与β-SiC在使用过程中要适量。
［参考文献］
［1］ 电机工程手册（第二版）（电力系统卷）［S］.北京：机械工业出版社，1996 .
［2］ 国家自然科学基金委员会.电工科学［M］.北京：科学出版社，1994.
［3］ 朱德恒，严璋.高电压绝缘［J］.北京，清华大学出版社，1992.
［4］ M. Goldman,R.S.Sigmond.Corona and Insulation［J］.IEEE Transactions  on Electrical Insulation Magazine,1982,17(2):90-105.
［5］ N. Giao Trinh. Discharge in Air(Part I: Physical Mechanisms)［J］.IE EE Elec trical Insulation Magazine,1995,11(2):23-29.
［6］ 崔永生.26kV高压电机定子线棒端部防晕材料及结构的研究与应用［D］（硕士 学位论文），2003.
［7］ 刘瑛岩.20～26kV级发电机定子线棒端部防晕结构研究［D］.（博士学位论文 ）.2000.
［8］ 四川德阳东方电机厂绝缘组，西安交通大学绝缘专业.大电机定子线圈端部碳 化硅防晕结构与工艺研究［J］.西安交通大学学报，1976，(1):39-81.

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