高低温电压击穿试验仪测试流程

1 试验

1.1 试验设备

为了测量低温条件下硅橡胶绝缘材料的直流击穿电压，采用设备ZJC-50kv直流击穿电压测试仪。

北京中航时代仪器设备有限公司 ZJC-50kv

1.2 试验电极

根据电极设计标准设计了不锈钢球——球电 极与棒——板电极。电压电极的尺寸分别为直径 为 20 mm 的球电极与直径 25 mm、高 25 mm 的柱电 极；低压电极的尺寸直径为 20 mm 的球电极与直径 为75 mm，高为15 mm的圆盘电极。

1.3 直流击穿电压测试

1.3.1 样品预处理

由于硅橡胶材料表面容易吸附杂质，如灰尘 等，容易污染二甲基硅油介质使试验结果产生偏 差，因此在试验开始前需要对试样表面进行清洁预 处理。用无水乙醇和去离子水清理表面污秽后将 试样置于干燥箱中，在试样*干燥后，将其放置 于所设置的低温环境下96 h，同样的，需要对电极进 行相应的清洁预处理。

1.3.2 直流击穿电压测试

在试验前，将清洁的试样置于高低压球球电极与棒板之间，保证试样与电极之间的良好接触。在 直流体击穿试验中，沿面闪络会对试验结果产生影 响，因此将整个试验电极平台放置于二甲基硅油 中，以保证试验顺利进行。将常温和低温测试室的 温度分别设置为20、0、-20、-40、-60 ℃，待温度传感 器显示所需硅油温度并达到稳定后，通过 ZD-200 直流发生器分别施加正负极性直流电压，采用快速 均匀升压法，设置参数从零均匀升高电压，直到达 到击穿的最大值，并对试验数据进行记录。击穿后 会在试样表面留下明显的烧灼通道，见图 1。根据 标准，测试了3 种不同的氢氧化铝含量的硅橡胶在 低温下的正负极性直流击穿强度，利用箱线图剔除 异常数据后取 5 次有效测试结果的均值，获得了硅 橡胶样品在测试温度范围内 DC 击穿强度的变化规律，得到了有意义的结论。

2 结果与讨论

按照上述试验方案，分别测定了不同电极形式、 不同极性电压条件下，不同Al(OH)3相对含量硅橡胶 试样的直流击穿电压。为了判断所得数据的有效 性，根据所得数据绘制成箱线图，若有异常值，会在 图中显示其符号，进而除掉无效的数值。由球—球 电极模拟的非均匀场中具有130%Al(OH)3相对含量 的样品的DC击穿强度箱线图的实例，见图2、3。

由箱线图可以看出，用于分析测试结果的数据没有 异常值，所采集的数据是有效数据。取有效数据的平均值，绘制了直流击穿强度—温度曲线，折线图见图4-7。

从试验结果可以看出，随着温度的降低，硅橡 胶绝缘材料的直流击穿电压变化明显，呈现出先升 高后趋于稳定的变化趋势。在 0、-20 ℃条件下，直 流击穿强度增加的幅度较大，-40、-60 ℃条件下，增 加的幅度变小。较于常温情况，持续低温处理后硅 橡胶试样的直流击穿电压有明显的提高，在棒-板 电极模拟的不均匀场下，Al(OH)3相对含量为 130% 的试样在 0 ℃情况下较常温最大升高了 15.64 kV， Al(OH)3相对含量为 110%的试样在-60 ℃情况下较 常温最大升高了40.18 kV。

在同一温度条件、相同电极模拟的不均匀场 下，Al(OH)3相对含量为 130%的试样直流击穿电压 值最大，相对含量为 110%次之，相对含量为 90%最 小，Al(OH)3相对含量为 130%的硅橡胶试样曲线变 化更平缓，直流击穿特性相对稳定。

硅橡胶绝缘材料的交联程度会对电离过程产 生影响进而直接影响其直流击穿特性。而随着温 度的降低，硅橡胶绝缘材料的结晶度增加，在结晶 区，小分子链段交联成大分子链段，大分子链抑制 了自由电子的运动，晶区分子链之间相互吸引又约 束了非结晶区无序部分分子链段之间的运动，从而 造成自由体积减少，这就削弱了电子崩的进程。在 宏观上表现为试样直流击穿电压在试验温度范围 内随着温度降低而升高。

在持续低温处理下，硅橡胶材料的直流击穿电 压所表现出的变化趋势也与分子间的致密性有关， 即与甲基乙烯基生胶分子相对于氢氧化铝分子的 致密度有关系[12-14]。随着温度的降低，伴随着结晶 度的增加，氢氧化铝分子在材料中的分布也会由材 料表面到材料内部逐渐致密。硅橡胶材料分子的 末端游离效应对Al(OH)3进行包裹，使更多的氢氧化 铝分子挤进甲基乙烯基生胶分子各个基团间隙，降 低了硅橡胶材料的透气性，使整个材料体积内部更 为致密[15-19]，表现出明显的直流击穿特性变化，因而 试验测定的直流击穿电压均值有变大的趋势，并且 升高幅度相对较大。当这种致密度的变化达到饱和时，硅橡胶材料的直流击穿特性变化程度也会相应减弱，宏观表现出直流击穿电压值的升高幅度较小。

为了进一步验证试验结果，测量得到了试验温 度范围内试样的体积电阻率，结果见图 8。由于数 量级很大(1016Ω/cm)，体积电阻率增加会对硅橡胶材 料的直流击穿电压升高有很大影响。由于结晶度 增加以及分子致密性增强会使体积电阻率增加，二 者在硅橡胶绝缘材料的直流击穿电压升高过程中 有着主要的影响。

此外，填料的组成和含量也会影响硅橡胶材料 的直流击穿特性，有关研究指出，氢氧化铝相对填 充量为 125份左右时，硅橡胶电气性能最佳，这也与 本次试验结果相一致。

在施加较高的直流电压时，电极会发射电子到 电介质中，为电子崩过程提供有效电子。在外电场作用下，电子逸出电极需要克服一定的势垒， 也就是说需要一定的能量。在低温环境下，电极的 电子发射主要受到所施加的电压及金属逸出功的影晌。随着温度的降低，电子逸出电极表面需要较 高的能量，即需要较高的电场强度作用，因此硅橡胶绝缘材料的直流击穿电压升高。