交、直流擊穿強(qiáng)度測(cè)試的研究

1、實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)采用的是等規(guī)PP材料，液相丙烯本體聚合，熔融指數(shù)3.0g/10min。分子式如圖1所示。通過(guò)平板硫化機(jī)在190℃下壓制成型，并于空氣中自然冷卻至室溫，測(cè)試強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)與空間電荷的試樣厚度為300μm。由于擊穿實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沿面放電（而使得試樣無(wú)法打穿）的特殊性，如果試樣厚度達(dá)到300μm，試樣將要制備得較寬。受實(shí)驗(yàn)室條件限制，本實(shí)驗(yàn)為擊穿實(shí)驗(yàn)所制備的試樣厚度在100μm左右。

1.2直流與交流擊穿實(shí)驗(yàn) 

交流擊穿實(shí)驗(yàn)采用球球電極系統(tǒng)侵泡在變壓器油中以防止對(duì)空氣放電和試樣沿面放電，球電極選用直徑Ф為25mm銅球電極，裝置示意圖如圖2所示。控制實(shí)驗(yàn)變壓器升壓速率為500V/s，直到試樣擊穿，記錄擊穿電壓值。直流擊穿實(shí)驗(yàn)通過(guò)升壓變壓器高壓側(cè)外接高壓硅堆和限流電阻，與1個(gè)電力電容并聯(lián)形成類直流裝置，通過(guò)測(cè)試其紋波系數(shù)＜5%，滿足實(shí)驗(yàn)要求，直流擊穿實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示，圖中C為濾波電容，電容Cx為大電容起穩(wěn)壓作用。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1交、直流擊穿強(qiáng)度 

測(cè)試數(shù)據(jù)的Weibull分布中，β為Weibull分布的形狀參數(shù)，代表了擊穿數(shù)據(jù)的分散程度，β值越大則擊穿數(shù)據(jù)的分散程度越小；E0為Weibull分布的尺度參數(shù)，表示累積失效概率63.2%時(shí)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。 

如圖6所示，通過(guò)Weibull分布斜率β可以看出，βAC>βDC，其下標(biāo)AC表示交流，DC表示直流，下同。因此，直流擊穿強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)的分散性相比于交流擊穿要大，這是由于直流擊穿過(guò)程所決定的。設(shè)直流擊穿在失效概率63.2%時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為E0，通過(guò)計(jì)算可以得到E0AC=129.12kV/mm，E0DC=193.78kV/mm。即E0AC<E0DC，這符合交、直流擊穿的特性，直流擊穿強(qiáng)度一般都大于交流擊穿強(qiáng)度。作為瞬時(shí)擊穿強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，聚丙烯材料可以達(dá)到直流電纜絕緣材料耐壓強(qiáng)度的要求。

2.2空間電荷

2.2.1加壓

將試樣在10、20、50kV/mm的場(chǎng)強(qiáng)下進(jìn)行老化0.5h。觀察試樣內(nèi)部空間電荷如圖9所示。在10和20kV/mm的場(chǎng)強(qiáng)下PP內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)有明顯的空間電荷存在，而當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到50kV/mm時(shí)，出現(xiàn)了明顯的異極性空間電荷，并且在材料中部出現(xiàn)了少量注入電荷。

2.2.2短路

將加壓老化后的PP試樣進(jìn)行短路，測(cè)試短路過(guò)程中各時(shí)間段的空間電荷分布情況發(fā)現(xiàn)，10、20kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下加壓0.5h后，經(jīng)過(guò)0.5h短路放電，試樣內(nèi)部的空間電荷幾乎釋放wan全，如圖10和圖11所示。而在50kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下加壓0.5h后，經(jīng)過(guò)1.5h的短路時(shí)間仍然看到試樣內(nèi)部駐留著大量的空間電荷，如圖12所示。

3、討論與展望 

從PP試樣的DSC測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)PP具有較好的熱穩(wěn)定性，重復(fù)再利用價(jià)值較高，不會(huì)因?yàn)榻?jīng)過(guò)熱處理后的回收產(chǎn)生結(jié)晶或熔融溫度的變化。因此作為一種可回收再利用的電纜材料復(fù)合國(guó)際上提出來(lái)的3Rs(即分解(Reduce)，回收(Reuse)，循環(huán)(Recycle))的要求。 

通過(guò)對(duì)等規(guī)PP材料的交直流擊穿測(cè)試來(lái)看，在厚度為100μm的試樣交、直流擊穿強(qiáng)度皆可以>100kV/mm。這可達(dá)到對(duì)于電纜絕緣的擊穿強(qiáng)度要求。然而隨著厚度的增加擊穿場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)有所變化，則需要在電纜生成之后做擊穿耐壓實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。通過(guò)強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)觀察了PP試樣在溫度升高時(shí)，如將試樣加熱到90℃，穩(wěn)定后的衰減電流情況表明其電導(dǎo)只增加了原來(lái)的2倍左右。這使得電纜絕緣的運(yùn)行溫度將有所提高，進(jìn)而提高電纜的輸送能力，這一點(diǎn)較之于聚乙烯電纜具有更大的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于直流電纜中人們最關(guān)心的空間電荷問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)考察了純等規(guī)PP材料的空間電荷特性。將PP進(jìn)行老化過(guò)程中，加壓場(chǎng)強(qiáng)需要足夠高才會(huì)使得其內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷。10~20kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下幾乎沒(méi)有空間電荷，而達(dá)到50kV/mm時(shí)空間電荷劇增。從該實(shí)驗(yàn)判斷PP內(nèi)部空間電荷的產(chǎn)生似乎存在1個(gè)場(chǎng)強(qiáng)閥值，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)空間電荷才會(huì)產(chǎn)生，而低于該值時(shí)不會(huì)出現(xiàn)空間電荷。PP材料具有較強(qiáng)的空間電荷束縛能力，當(dāng)空間電荷產(chǎn)生時(shí)，試樣內(nèi)部電荷的釋放比較緩慢，如圖11所示。短路過(guò)程中，在常溫下不設(shè)置反向電場(chǎng)的情況下，其內(nèi)部空間電荷很難釋放干凈。 

直流電纜的發(fā)展較之于交流電纜對(duì)于空間電荷的要求較高，不但需要其能抑制空間電荷的積聚，而且還需要其對(duì)于電荷的釋放具有一定的能力。將PP作為直流電纜基體材料在電導(dǎo)特性和溫度特性上具備一定的可行性，然而直流電場(chǎng)下的空間電荷特性的改善需要進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，添加有機(jī)、無(wú)機(jī)材料改善其特性將可以作為下一步的研究重點(diǎn)。在下一步的研究過(guò)程中，將會(huì)設(shè)置1個(gè)較低的反向電場(chǎng)研究其電荷消散情況；同時(shí)將在PP材料中添加無(wú)機(jī)顆粒以試圖改善空間電荷分布。

4、結(jié)論 

1）PP材料的電導(dǎo)率受溫度影響，隨著溫度越高其電導(dǎo)率越高。隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加，電導(dǎo)率隨溫度影響增大。 

2）PP材料在90℃環(huán)境下雖然電導(dǎo)有所增加，但仍然能作為固體絕緣材料運(yùn)行，相對(duì)聚乙烯材料來(lái)說(shuō)運(yùn)行溫度獲得提高。 

3）空間電荷在10、20kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下試樣內(nèi)部出現(xiàn)的空間電荷不明顯，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到50kV/mm時(shí)，異極性空間電荷分布較明顯，試樣正中間出現(xiàn)了部分注入電荷。 

4）較高場(chǎng)強(qiáng)(50kV/mm)下的老化使得空間電荷增加，并且在長(zhǎng)時(shí)間短路過(guò)程中PP內(nèi)部空間電荷較難釋放，PP具有較強(qiáng)的電荷束縛能力和較深的陷阱能級(jí)。

5）PP薄片(厚度為100μm)交流擊穿強(qiáng)度為129.12kV/mm，直流擊穿強(qiáng)度為193.78kV/mm。作為瞬時(shí)擊穿強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，PP材料可以達(dá)到直流電纜絕緣材料耐壓強(qiáng)度的要求。