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交、直流擊穿強(qiáng)度測(cè)試的研究
閱讀：1253發(fā)布時(shí)間：2023-4-3
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)過程中會(huì)產(chǎn)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(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?？刂茖?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?。籈0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)度來說,，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)際上提出來的3Rs(即分解(Reduce),，回收(Reuse),，循環(huán)(Recycle))的要求。
通過對(duì)等規(guī)PP材料的交直流擊穿測(cè)試來看,，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)聚乙烯材料來說運(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)度來說,，PP材料可以達(dá)到直流電纜絕緣材料耐壓強(qiáng)度的要求,。
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