直流与交流击穿电压实验方法

1实验方法

1.1 材料

本实验采用的是等规PP材料，液相丙烯本体聚合，熔融指数3.0g/10min。分子式如图1所示。通过平板硫化机在190℃下压制成型，并于空气中自然冷却至室温，测试强场电导与空间电荷的试样厚度为300μm。由于击穿实验过程中会产生沿面放电（而使得试样无法打穿）的特殊性，如果试样厚度达到300μm，试样将要制备得较宽。受实验室条件限制，本实验为击穿实验所制备的试样厚度在100μm左右。

1.2直流与交流击穿实验

交流击穿实验采用球球电极系统侵泡在变压器油中以防止对空气放电和试样沿面放电，球电极选用直径Ф为25mm铜球电极，装置示意图如图2所示。控制实验变压器升压速率为500V/s，直到试样击穿，记录击穿电压值。直流击穿实验通过升压变压器高压侧外接高压硅堆和限流电阻，与1个电力电容并联形成类直流装置，通过测试其纹波系数＜5%，满足实验要求，直流击穿实验装置示意图如图3所示，图中C为滤波电容，电容Cx为大电容起稳压作用。

2实验结果与分析

2.1交、直流击穿电压强度

测试数据的Weibull分布中，β为Weibull分布的形状参数，代表了击穿数据的分散程度，β值越大则击穿数据的分散程度越小；E0为Weibull分布的尺度参数，表示累积失效概率63.2%时材料的击穿电压强度。

如图6所示，通过Weibull分布斜率β可以看出，βAC>βDC，其下标AC表示交流，DC表示直流，下同。因此，直流击穿电压强度测试数据的分散性相比于交流击穿要大，这是由于直流击穿过程所决定的。设直流击穿在失效概率63.2%时的击穿电压强度为E0，通过计算可以得到E0AC=129.12kV/mm，E0DC=193.78kV/mm。即E0AC<E0DC，这符合交、直流击穿的特性，直流击穿电压强度一般都大于交流击穿电压强度。作为瞬时击穿电压强度来说，聚丙烯材料可以达到直流电缆绝缘材料耐压强度的要求。

2.2空间电荷

2.2.1加压

将试样在10、20、50kV/mm的强度下进行老化0.5h。观察试样内部空间电荷如图9所示。在10和20kV/mm的强度下PP内部未发现有明显的空间电荷存在，而当强度达到50kV/mm时，出现了明显的异极性空间电荷，并且在材料中部出现了少量注入电荷。

2.2.2短路

将加压老化后的PP试样进行短路，测试短路过程中各时间段的空间电荷分布情况发现，10、20kV/mm强度下加压0.5h后，经过0.5h短路放电，试样内部的空间电荷几乎释放，如图10和图11所示。而在50kV/mm强度下加压0.5h后，经过1.5h的短路时间仍然看到试样内部驻留着大量的空间电荷，如图12所示。

3讨论与展望

从PP试样的DSC测试结果可以发现PP具有较好的热稳定性，重复再利用价值较高，不会因为经过热处理后的回收产生结晶或熔融温度的变化。因此作为一种可回收再利用的电缆材料复合国际上提出来的3Rs(即分解(Reduce)，回收(Reuse)，循环(Recycle))的要求。

通过对等规PP材料的交直流击穿测试来看，在厚度为100μm的试样交、直流击穿电压强度皆可以>100kV/mm。这可达到对于电缆绝缘的击穿电压强度要求。然而随着厚度的增加击穿电压强度将会有所变化，则需要在电缆生成之后做击穿耐压实验加以验证。通过强场电导实验观察了PP试样在温度升高时，如将试样加热到90℃，稳定后的衰减电流情况表明其电导只增加了原来的2倍左右。这使得电缆绝缘的运行温度将有所提高，进而提高电缆的输送能力，这一点较之于聚乙烯电缆具有更大的应用价值。对于直流电缆中人们最关心的空间电荷问题，本实验考察了纯等规PP材料的空间电荷特性。将PP进行老化过程中，加压强度需要足够高才会使得其内部产生空间电荷。10~20kV/mm强度下几乎没有空间电荷，而达到50kV/mm时空间电荷剧增。从该实验判断PP内部空间电荷的产生似乎存在1个强度阀值，当超过该值时空间电荷才会产生，而低于该值时不会出现空间电荷。PP材料具有较强的空间电荷束缚能力，当空间电荷产生时，试样内部电荷的释放比较缓慢，如图11所示。短路过程中，在常温下不设置反向电场的情况下，其内部空间电荷很难释放干净。

直流电缆的发展较之于交流电缆对于空间电荷的要求较高，不但需要其能抑制空间电荷的积聚，而且还需要其对于电荷的释放具有一定的能力。将PP作为直流电缆基体材料在电导特性和温度特性上具备一定的可行性，然而直流电场下的空间电荷特性的改善需要进行更进一步的研究，添加有机、无机材料改善其特性将可以作为下一步的研究重点。在下一步的研究过程中，将会设置1个较低的反向电场研究其电荷消散情况；同时将在PP材料中添加无机颗粒以试图改善空间电荷分布。

4结论

1）PP材料的电导率受温度影响，随着温度越高其电导率越高。随着强度的增加，电导率随温度影响增大。

2）PP材料在90℃环境下虽然电导有所增加，但仍然能作为固体绝缘材料运行，相对聚乙烯材料来说运行温度获得提高。

3）空间电荷在10、20kV/mm强度下试样内部出现的空间电荷不明显，当强度达到50kV/mm时，异极性空间电荷分布较明显，试样正中间出现了部分注入电荷。

4）较高强度(50kV/mm)下的老化使得空间电荷增加，并且在长时间短路过程中PP内部空间电荷较难释放，PP具有较强的电荷束缚能力和较深的陷阱能级。

5）PP薄片(厚度为100μm)交流击穿电压强度为129.12kV/mm，直流击穿电压强度为193.78kV/mm。作为瞬时击穿电压强度来说，PP材料可以达到直流电缆绝缘材料耐压强度的要求。