硅橡胶绝缘材料耐电压击穿测试仪棒—板电极测试对比

球-板电极形式下工频击穿试验：

为了与棒—板电极形式下硅橡胶试样的工频击穿电压情况进行对比，采用如图 5-9 所示的球-板电极，不锈钢球电极直径为 20mm，圆板低压电极的尺寸与棒-板电极的一样,整个电极系统放置于二甲基硅油中，防止硅橡胶材料表面发生沿面放电。

采用球-板电极不均匀电场进行工频击穿试验，在常温 20℃时，测试出Al(OH)3 相对含量 90%、110%、130%的硅橡胶材料试样的工频击穿电压均值分别为 28.57kV、27.74kV、28.43kV，被击穿处的厚度均值依次为 1.06mm、1.01mm1.01mm，放入低温环境中后得到 0~-60℃下硅橡胶试片工频击穿电压均值的测试结果，如表 5-2 所示。

 试验结果分析：

根据 0~ -60℃温度范围内硅橡胶材料试样工频击穿电压的测试结果拟合曲线，得到两种电极形式下硅橡胶试样的工频击穿电压随温度降低而变化的规律，如图 5-10、图 5-11 所示。

由以上工频击穿电压测试结果的曲线图可以得出，随着温度的降低，所有不同氢氧化铝含量硅橡胶试样的工频击穿电压均值几乎都大于常温 20℃时的测量值，表现出先升高后下降到逐渐稳定的趋势，其中球-板电极形式下 Al(OH)3 相对含量 110%的试样在-10℃就达到最大值 32.85kV，其他两种试样在-20℃时达到最大值，棒-板电极形式下所有硅橡胶试样均在-20℃时达到最大工频击穿电压，球-板电极形式下的工频击穿电压整体大于棒-板电极形式。无论采用的是球-板电极形式还是棒-板电极形式，Al(OH)3 相对含量 90%的硅橡胶试样工频击穿变化曲线与 Al(OH)3 相对含量 130%的试样很接近，而在棒-板电极形式下，Al(OH)3相对含量 110%的试样工频击穿电压都是*高的。

comsol 仿真验证：

利用 comsol 软件建立工频击穿试验的电极模型，根据标准设置硅橡胶性能参数，密度为 1.64×103kg/m3，相对介电常数为 4.5，电阻率为 1.0×103Ω∙m，导热系数为 0.16W/(m∙K)，常压热容为 1.2×103J/(kg∙K)。在 0℃低温环境中，对棒-板电极形式下硅橡胶正常试样的电场分布进行仿真，得到材料表面的电势与场强分布云图，如下所示。

      由图 5-12、5-13 可以看出，棒-板电极形式下，硅橡胶试样与高压棒电极接触处的电势较大，为电势云图的中心圆形区域，材料四周区域的电势相对较小；硅橡胶试样中心区域的电场强度较小，在靠近棒电极表面边缘的区域处电场强度较大，为外径 20mm 的圆环区域，随后向四周区域又逐渐减小，试样击穿的通道一般出现在该圆环区域。

     截取硅橡胶圆片表面的直径线段，得到试样沿径向的电势和场强变化曲线图，如图 5-14、图 5-15 所示。

      由图 5-14、5-15 得到，棒-板电极形式下，在直径截线中心约 20mm 区域的电势最大，最大电势达到 27.3kV，由中心区域逐渐减小到离圆心 37.5mm 处，随后又缓慢增大至截线端点处；直径截线中心 20mm 区域的场强相对较高且不变，随着离圆心距离的增大，场强先快速增大后迅速减小，最大电场强度为36.9kV/mm，直到缓慢减小到截线端点处。同样地，得到 0℃低温环境中球板电极下试样的电场分布图如下图所示。

    由以上电场分布云图得出，球-板电极形式下，硅橡胶试样圆心处的电势最大，圆心以外区域相对较小；试样圆心处的电场强度最大，向外逐渐减小，电场强度的分布云图与电势分布十分接近，试样击穿的通道一般出现在圆心区域处。截取试片表面的直径线段，得到试样沿径向的电势和场强变化曲线图，如下所示。

根据图 5-18、5-19 分析可知，球-板电极形式下，在直径截线中点处的电势最大，最大电势达到 29.4kV，向外逐渐减小到离中点 37.5mm 处，紧接着又缓慢增大至截线端点处；截线中点处的场强同样最大，最大电场强度达到 32.4kV/mm，向两端逐渐减小到截线端点处，变化速率也在逐渐减小。

低温环境下适用硅橡胶材料建议：

综合以上对低温环境中所有不同氢氧化铝含量硅橡胶试样的介质损耗试验、沿面闪络试验以及工频击穿试验的测试结果，得出在 0℃~-20℃温度范围内，Al(OH)3 相对含量 90%的试样介质损耗相对较小，沿面闪络电压和工频击穿电压相对较大；在-30℃~-60℃温度区间内，Al(OH)3 相对含量 110%的试样介质损耗比相对含量 130%的试样小，沿面闪络电压较低，在棒-板电极形式下的工频击穿电压较高。根据整体性能来看，Al(OH)3 相对含量 90%的硅橡胶绝缘材料在低温下的性能表现得更优良一些，表明在低温环境中使用的硅橡胶材料应当适当考虑减小配方中 Al(OH)3 的含量，但是当Al(OH)3 含量过小时硅橡胶材料的邵氏硬度会不够，耐漏电起痕和电蚀损的能力会下降，应当折中选择。

小结：

本章介绍了低温环境下固体绝缘介质的击穿理论、硅橡胶材料工频击穿试验系统、工频击穿试验方法以及不同电极形式下不同氢氧化铝含量试样的测试结果，得出以下主要结论：

选取利于击穿的 1mm 厚度清洁圆形硅橡胶试样，在不均匀电场下采用快速升压法对硅橡胶材料试样进行工频击穿试验，采用的电极形式包括棒-板电极和球-板电极。在低温环境下，所有电极形式中硅橡胶试样的工频击穿电压均值都大于常温 20℃时的电压值，且随着温度的降低都呈现出先升高后下降到逐渐稳定的趋势，球-板电极的工频击穿电压整体大于棒-板电极，Al(OH)3相对含量 90%与 130%的试样工频击穿电压的变化规律很接近。

结论：

本文提出了一种能实现低温环境下绝缘材料电气性能测试的试验系统，并对复合绝缘子厂家生产的三种具有不同含量氢氧化铝的硅橡胶试样进行了电气性能的研究，在低温环境下对清洁的硅橡胶材料分别进行了憎水性测试、介质损耗测试、沿面闪络测试以及工频击穿测试，得到了低温环境中各种表征硅橡胶材料电气特性的指标随温度、氢氧化铝含量变化的关系，并对各种电气性能指标的变化规律进行了分析，得出结论如下：

1、设计了适于低温环境测量的试验系统，试验环境低温度可达-70℃，降温方式采用双压缩机循环制冷。选择相对精度较高的接触角法来测定硅橡胶材料的憎水性，进行了 720h 的测量试验，测试的结果表明-60℃以内低温环境的处理并不会削弱硅橡胶材料的憎水性，反倒提高了憎水角，所有试样的静态接触角都随着低温处理时间的增长而逐渐变大至趋于饱和，增长率逐渐减小。

2、由 GB/T1409-2016 有关固体材料介质损耗因数的规定选取了厚度 2mm、直径 100mm 的圆形硅橡胶试片，采用黄铜圆板电极的不均匀电场形式，对其在低温环境中进行了介质损耗测量。根据测试的结果来看，所有硅橡胶试样的介质损耗均值在 0℃~-40℃的温度范围内都大于常温 20℃的测量值，而在-50℃~-60℃的温度区间又具备着明显小于常温的趋势。随着温度的降低，不同氢氧化铝含量的试样都表现出介质损耗先增大后减小的规律，正常配方的硅橡胶试样在温度改变时介质损耗的变化幅度相对其他两种试样更稳定，不过在低温度-60℃时其他两种试样的介质损耗均小于正常试样。

3、提出了低温环境下沿面闪络的试验系统，制定了硅橡胶绝缘材料的沿面闪络试验方案，在不均匀电场下采用 50%耐受电压法对清洁硅橡胶材料试样进行测试，电极形式包括半圆球头棒电极、倒角平头板电极以及倒角四分之一圆弧板电极。在所有电极形式下，硅橡胶试样的闪络电压均值都大于常温时的测量值，且随着温度的降低都表现出线性增长的趋势，整体升高的幅度不大，其中正常配方试样的闪络电压最小。半圆球头棒电极形式下硅橡胶试样的闪络电压小于其他两种电极形式，正常配方硅橡胶试样的变化规律与 Al(OH)3 相对含量 130%的试样较为接近，这种接近程度在倒角四分之一圆弧板电极形式中显著。

4、在介绍固体绝缘介质电击穿理论的基础上，根据 IEC60243-1《绝缘材料电气强度试验方法》设计了硅橡胶材料工频击穿的试验平台，制定了低温环境下工频击穿试验方案，在两种电极形式的不均匀电场下对 1mm 厚度的清洁圆形硅橡胶试样进行了工频击穿测试。通过测试结果拟合的曲线分析，两种电极形式下硅橡胶试样在低温环境中的工频击穿电压都大于常温 20℃时的测量值，且随着温度的降低都具有先升高后下降到逐渐稳定的关系，球-板电极形式的工频击穿电压显著大于棒-板电极，氢氧化铝相对含量 90%和 130%的试样工频击穿电压的变化曲线近似程度较高。

5、通过权衡低温环境下硅橡胶绝缘材料的憎水性、介质损耗因数、沿面闪络特性以及工频击穿特性的相关测试数据，综合以上性能的表现，发现 Al(OH)3相对含量 90%的硅橡胶试样的低温性能表现得更优良一些，建议低温环境下电气设施中使用的硅橡胶材料可适当减小配方中 Al(OH)3 的含量，介质损耗相对较小，在防止沿面闪络和击穿方面的性能会具有一定的改善。