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直流與交流擊穿電壓實驗方法
閱讀：1338發(fā)布時間：2023-9-14
1實驗方法
1.1 材料
本實驗采用的是等規(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(tǒng)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?？刂茖嶒炞儔浩魃龎核俾蕿?/span>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(lián)形成類直流裝置,，通過測試其紋波系數(shù)＜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(wěn)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(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?。?/span>E0為Weibull分布的尺度參數(shù),，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(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(fā)現(xiàn)有明顯的空間電荷存在，而當強度達到50kV/mm時,，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試樣進行短路,，測試短路過程中各時間段的空間電荷分布情況發(fā)現(xiàn),，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(fā)現(xiàn)PP具有較好的熱穩(wěn)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(huán)(Recycle))的要求,。
通過對等規(guī)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(wěn)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(guī)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(xiàn)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(fā)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)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。
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