直流與交流擊穿電壓實驗方法

1實驗方法

1.1 材料

本實驗采用的是等規PP材料，液相丙烯本體聚合，熔融指數3.0g/10min。分子式如圖1所示。通過平板硫化機在190℃下壓制成型，并于空氣中自然冷卻至室溫，測試強場電導與空間電荷的試樣厚度為300μm。由于擊穿實驗過程中會產生沿面放電（而使得試樣無法打穿）的特殊性，如果試樣厚度達到300μm，試樣將要制備得較寬。受實驗室條件限制，本實驗為擊穿實驗所制備的試樣厚度在100μm左右。

1.2直流與交流擊穿實驗

交流擊穿實驗采用球球電極系統侵泡在變壓器油中以防止對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。控制實驗變壓器升壓速率為500V/s，直到試樣擊穿，記錄擊穿電壓值。直流擊穿實驗通過升壓變壓器高壓側外接高壓硅堆和限流電阻，與1個電力電容并聯形成類直流裝置，通過測試其紋波系數＜5%，滿足實驗要求，直流擊穿實驗裝置示意圖如圖3所示，圖中C為濾波電容，電容Cx為大電容起穩壓作用。

2實驗結果與分析

2.1交、直流擊穿電壓強度

測試數據的Weibull分布中，β為Weibull分布的形狀參數，代表了擊穿數據的分散程度，β值越大則擊穿數據的分散程度越小；E0為Weibull分布的尺度參數，表示累積失效概率63.2%時材料的擊穿電壓強度。

如圖6所示，通過Weibull分布斜率β可以看出，βAC>βDC，其下標AC表示交流，DC表示直流，下同。因此，直流擊穿電壓強度測試數據的分散性相比于交流擊穿要大，這是由于直流擊穿過程所決定的。設直流擊穿在失效概率63.2%時的擊穿電壓強度為E0，通過計算可以得到E0AC=129.12kV/mm，E0DC=193.78kV/mm。即E0AC<E0DC，這符合交、直流擊穿的特性，直流擊穿電壓強度一般都大于交流擊穿電壓強度。作為瞬時擊穿電壓強度來說，聚丙烯材料可以達到直流電纜絕緣材料耐壓強度的要求。

2.2空間電荷

2.2.1加壓

將試樣在10、20、50kV/mm的強度下進行老化0.5h。觀察試樣內部空間電荷如圖9所示。在10和20kV/mm的強度下PP內部未發現有明顯的空間電荷存在，而當強度達到50kV/mm時，出現了明顯的異極性空間電荷，并且在材料中部出現了少量注入電荷。

2.2.2短路

將加壓老化后的PP試樣進行短路，測試短路過程中各時間段的空間電荷分布情況發現，10、20kV/mm強度下加壓0.5h后，經過0.5h短路放電，試樣內部的空間電荷幾乎釋放，如圖10和圖11所示。而在50kV/mm強度下加壓0.5h后，經過1.5h的短路時間仍然看到試樣內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測試結果可以發現PP具有較好的熱穩定性，重復再利用價值較高，不會因為經過熱處理后的回收產生結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合國際上提出來的3Rs(即分解(Reduce)，回收(Reuse)，循環(Recycle))的要求。

通過對等規PP材料的交直流擊穿測試來看，在厚度為100μm的試樣交、直流擊穿電壓強度皆可以>100kV/mm。這可達到對于電纜絕緣的擊穿電壓強度要求。然而隨著厚度的增加擊穿電壓強度將會有所變化，則需要在電纜生成之后做擊穿耐壓實驗加以驗證。通過強場電導實驗觀察了PP試樣在溫度升高時，如將試樣加熱到90℃，穩定后的衰減電流情況表明其電導只增加了原來的2倍左右。這使得電纜絕緣的運行溫度將有所提高，進而提高電纜的輸送能力，這一點較之于聚乙烯電纜具有更大的應用價值。對于直流電纜中人們最關心的空間電荷問題，本實驗考察了純等規PP材料的空間電荷特性。將PP進行老化過程中，加壓強度需要足夠高才會使得其內部產生空間電荷。10~20kV/mm強度下幾乎沒有空間電荷，而達到50kV/mm時空間電荷劇增。從該實驗判斷PP內部空間電荷的產生似乎存在1個強度閥值，當超過該值時空間電荷才會產生，而低于該值時不會出現空間電荷。PP材料具有較強的空間電荷束縛能力，當空間電荷產生時，試樣內部電荷的釋放比較緩慢，如圖11所示。短路過程中，在常溫下不設置反向電場的情況下，其內部空間電荷很難釋放干凈。

直流電纜的發展較之于交流電纜對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特性和溫度特性上具備一定的可行性，然而直流電場下的空間電荷特性的改善需要進行更進一步的研究，添加有機、無機材料改善其特性將可以作為下一步的研究重點。在下一步的研究過程中，將會設置1個較低的反向電場研究其電荷消散情況；同時將在PP材料中添加無機顆粒以試圖改善空間電荷分布。

4結論

1）PP材料的電導率受溫度影響，隨著溫度越高其電導率越高。隨著強度的增加，電導率隨溫度影響增大。

2）PP材料在90℃環境下雖然電導有所增加，但仍然能作為固體絕緣材料運行，相對聚乙烯材料來說運行溫度獲得提高。

3）空間電荷在10、20kV/mm強度下試樣內部出現的空間電荷不明顯，當強度達到50kV/mm時，異極性空間電荷分布較明顯，試樣正中間出現了部分注入電荷。

4）較高強度(50kV/mm)下的老化使得空間電荷增加，并且在長時間短路過程中PP內部空間電荷較難釋放，PP具有較強的電荷束縛能力和較深的陷阱能級。

5）PP薄片(厚度為100μm)交流擊穿電壓強度為129.12kV/mm，直流擊穿電壓強度為193.78kV/mm。作為瞬時擊穿電壓強度來說，PP材料可以達到直流電纜絕緣材料耐壓強度的要求。