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交、直流擊穿強(qiáng)度測試的研究

更新時間:2023-04-03      點(diǎn)擊次數(shù):1055


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,測試強(qiáng)場電導(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。

 

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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(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。


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2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1交、直流擊穿強(qiáng)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)的分散程度越小;E0為Weibull分布的尺度參數(shù),表示累積失效概率63.2%時材料的擊穿場強(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%時的擊穿場強(qiáng)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,直流擊穿強(qiáng)度一般都大于交流擊穿強(qiáng)度。作為瞬時擊穿強(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。

 

 

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2.2空間電荷

2.2.1加壓

將試樣在10、20、50kV/mm的場強(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)場強(qiáng)達(dá)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(jìn)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場強(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場強(qiáng)下加壓0.5h后,經(jīng)過1.5h的短路時間仍然看到試樣內(nèi)部駐留著大量的空間電荷,如圖12所示。

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3、討論與展望 

從PP試樣的DSC測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)PP具有較好的熱穩(wěn)定性,重復(fù)再利用價值較高,不會因?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、直流擊穿強(qiáng)度皆可以>100kV/mm。這可達(dá)到對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強(qiáng)將會有所變化,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)場電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)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(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)用價值。對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,加壓場強(qiáng)需要足夠高才會使得其內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷。10~20kV/mm場強(qiáng)下幾乎沒有空間電荷,而達(dá)到50kV/mm時空間電荷劇增。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個場強(qiáng)閥值,當(dāng)超過該值時空間電荷才會產(chǎn)生,而低于該值時不會出現(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,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(dǎo)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(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,將會設(shè)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(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場強(qiáng)下試樣內(nèi)部出現(xiàn)的空間電荷不明顯,當(dāng)場強(qiáng)達(dá)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)較高場強(qiáng)(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(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。

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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