電聲脈沖法測(cè)量復(fù)合絕緣中空間電荷分布

電聲脈沖法測(cè)量復(fù)合絕緣中空間電荷分布

0雙向介質(zhì)復(fù)合緣構(gòu)三乙二醇具有良好的耐候性，具有以下優(yōu)點(diǎn)：良好的耐候性；良好的氣候性和顏色穩(wěn)定性，使產(chǎn)品不破裂，顏色長(zhǎng)期不變。良好的耐寒性和抗寒性好。在55c下，仍然有良好的彎曲性。彈性強(qiáng)，壓縮變形小。電絕緣性好，尤其是耐電斷性好。三元乙丙橡膠的綜合性能超過(guò)了丁基橡膠和氯丁橡膠,主要被用作電力電纜、控制電纜、電焊機(jī)電纜、船用電纜等的絕緣。硅橡膠不但具備高壓絕緣應(yīng)有的特性,而且還有優(yōu)良的表面憎水性和抗污穢性能及抗電痕性能,因而己被廣泛使用在工頻電力電纜及其附件中。電纜的終端或護(hù)套絕緣與電纜絕緣構(gòu)成了雙層介質(zhì)的復(fù)合絕緣。然而實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用均表明,雙層介質(zhì)的絕緣薄弱點(diǎn)出現(xiàn)在2種介質(zhì)的分界面及電極與介質(zhì)的分界面處。眾所皆知,空間電荷不僅畸變電場(chǎng)分布,也和介質(zhì)電老化和擊穿機(jī)制密切相關(guān)。因此為了研制直流電纜的預(yù)制式附件,提高現(xiàn)有直流制品的工作電場(chǎng)強(qiáng)度,研究空間電荷在雙層介質(zhì)中對(duì)電場(chǎng)分布的影響是十分必要的。1實(shí)驗(yàn)計(jì)劃1.1材料、試樣及試劑三元乙丙橡膠(EPDM)試樣:工業(yè)化的三元乙丙橡膠是用絡(luò)和催化物共聚一定重量比的乙烯和丙稀及少量的乙叉降冰片烯(ENB)而成的無(wú)規(guī)共聚物。試樣厚度0.3mm,表面積100mm×100mm。硅橡膠(SR)試樣:甲基乙烯基硅樹(shù)脂、2-4二六過(guò)氧苯甲酰、氣相法白碳黑、二氧化鈦和二苯基硅二醇等5種成分按一定比例混合后,在250℃下模壓硫化15min,試樣厚度0.3mm,表面積100mm×100mm。首先,在120℃下將三元乙丙橡膠及硅橡膠分別預(yù)熱10min,然后將2試樣在80℃下用一定壓力使其成為三元乙丙橡膠/硅橡膠構(gòu)成的雙層介質(zhì)。1.2聲電傳感器的工作原理采用電聲脈沖法測(cè)量試樣中空間電荷分布,測(cè)量設(shè)備的原理如圖1所示。脈沖幅值200V,寬度20ns,聲電傳感器聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)厚度30μm,測(cè)量電極分別用Al(下電極)和Cu(上電極)制成,聲耦合劑是硅油。測(cè)量前試樣用酒精清洗,在80℃烘箱中熱處理5h。2空間電荷分布在場(chǎng)強(qiáng)為+10kV/mm(對(duì)應(yīng)Al電極為正極性時(shí)的情況記為正電場(chǎng),相反為負(fù)電場(chǎng),以下同)下,SR/EPDM雙層介質(zhì)中的空間電荷分布示于圖2。雖然2種材料的試樣厚度相同(均為0.3mm),但由于壓力波在2種材料內(nèi)部的傳播速度不同(SR中約為811m/s,EPDM中約為1200m/s),所以實(shí)際上壓力波在2種材料內(nèi)部的傳播時(shí)間是不同的。基于此原因,在圖2中用壓力波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間來(lái)等效表示沿介質(zhì)厚度方向的幾何位置(以下各圖同)。圖中空間電荷的分布幾乎不隨加壓時(shí)間的增長(zhǎng)而變化,所以只畫(huà)出一條曲線?？梢?jiàn),硅橡膠介質(zhì)的內(nèi)部與三元乙丙橡膠內(nèi)部基本全部為負(fù)極性電荷。但由于在2介質(zhì)的分界面處,εr不連續(xù),載流子不能自由的通過(guò)分界面,所以開(kāi)始在分界面處積累起正極性電荷。在場(chǎng)強(qiáng)為-10kV/mm下,此雙層介質(zhì)中的空間電荷分布示于圖3。在2層介質(zhì)分界面處積累上負(fù)極性電荷。而且隨著時(shí)間的推移,介質(zhì)內(nèi)部的空間電荷變化較明顯,Al電極界面上的電荷峰值隨著加壓時(shí)間的增加而減小。眾所皆知,電極界面電荷密度式中:εr和εo分別是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù);ρ(z)為空間電荷密度;Eav為平均電場(chǎng)強(qiáng)度。由式(1)可見(jiàn),電極附近異極性空間電荷的減小會(huì)促使σ的減少。這是由于Al電極不斷注入同極性電荷,因而不斷“中和”掉電極附近的異極性電荷,因此造成Al電極界面上的電荷峰值隨著加壓時(shí)間的增加而減小。結(jié)合參考文獻(xiàn),可以推斷Al(-)電極此時(shí)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)射電子了。在場(chǎng)強(qiáng)為+30kV/mm下,雙層介質(zhì)中空間電荷分布示于圖4。圖中空間電荷的分布仍幾乎不隨加壓時(shí)間的增長(zhǎng)而變化,所以只畫(huà)出一條曲線。比較圖4與圖2可見(jiàn),在場(chǎng)強(qiáng)+30kV/mm下雙層介質(zhì)中的異極性電荷相對(duì)多了很多,所以在介質(zhì)分界面處的電荷相應(yīng)也較多。在場(chǎng)強(qiáng)為-30kV/mm下,雙層介質(zhì)中的空間電荷分布示于圖5中。Al(-)電極發(fā)射電子的現(xiàn)象已相當(dāng)明顯,隨著時(shí)間的推移,Al(-)電極注入電子的現(xiàn)象變得越來(lái)越明顯,當(dāng)加壓時(shí)間為4h時(shí),可明顯的看到在負(fù)電極(Al)的旁邊出現(xiàn)了另一個(gè)負(fù)峰,其發(fā)射的電子不斷“中和”掉Al電極附近的正電荷,因而異極性電荷峰隨著時(shí)間的增加而下降。在裝配預(yù)制式附件的過(guò)程中,為了使復(fù)合絕緣材料之間有更好的接觸及消除摩擦,需要在2層介質(zhì)的界面處涂上硅脂。圖6分別給出了當(dāng)2層介質(zhì)界面處涂了硅脂之后測(cè)得的空間電荷分布圖?？梢?jiàn),界面處積累的電荷明顯分別小于圖2~4所示的界面電荷,而且Al、Cu電極處的電極界面電荷也分別小于圖2~4。另外由圖6(d)可見(jiàn),隨著時(shí)間的推移,2介質(zhì)界面處的正極性電荷明顯躍過(guò)界面向EPDM內(nèi)部滲透,而在圖5中此現(xiàn)象并不明顯。這說(shuō)明涂在2介質(zhì)界面處的硅脂成了輸運(yùn)界面兩側(cè)正負(fù)載流子的載體,使得在2介質(zhì)界面處積累的空間電荷比不涂硅脂時(shí)減少了很多。3正極性載流子與epda電極復(fù)合由于雙層介質(zhì)的分界面處空間電荷分布不均勻,電場(chǎng)較為集中,所以成為復(fù)合絕緣的薄弱點(diǎn)。分別對(duì)照?qǐng)D2~4與圖6(a)、(b)、(c)可見(jiàn),雖然在雙層介質(zhì)分界面上積聚的空間電荷分布形狀并未發(fā)生改變,但圖6(a)、(b)、(c)中的分界面處電荷明顯小于圖2、3、4中的,這必然有效地降低分界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度。然而對(duì)照?qǐng)D6(d)與圖5可見(jiàn),雖然圖6(d)中分界面處積聚的正極性電荷多一些,但由于在分界面兩側(cè)均為正極性電荷,對(duì)電場(chǎng)的畸變并不十分明顯,經(jīng)用自編的電場(chǎng)計(jì)算軟件計(jì)算可知在分界面處的場(chǎng)強(qiáng)為35.2kV/mm,與此相反,在圖5中,由于在分界面附近的電荷呈異極性性質(zhì),此處局部場(chǎng)強(qiáng)很大,經(jīng)計(jì)算可知為42.6kV/mm,所以硅脂可有效降低分界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度。另一方面,當(dāng)分界面處無(wú)硅脂時(shí),事實(shí)上極難將分界面處的空氣隙完全排凈,由于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很低,所以被“束縛”在分界面處的空間電荷極易引起局部擊穿現(xiàn)象。由圖2、圖4與圖6(a)、(c)可見(jiàn),當(dāng)硅橡膠側(cè)的Al電極為正極性時(shí),界面電荷也為正極性,而且空間電荷的分布幾乎不隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變化,這可能是由于SR中的電導(dǎo)是由負(fù)極性載流子形成的,而EPDM中的電導(dǎo)則是由正極性載流子形成的。此時(shí)SR中的負(fù)極性載流子與EPDM中的正極性載流子分別被吸引至Al(+)電極與Cu(-)電極附近,所以使SR中的正極性載流子、EPDM中的負(fù)極性載流子不可能穿過(guò)界面產(chǎn)生復(fù)合現(xiàn)象,導(dǎo)致界面處積聚的正極性電荷在數(shù)量上趨于穩(wěn)定。由圖3、圖5與圖6(b)、(d)可見(jiàn),當(dāng)硅橡膠側(cè)的Al電極為負(fù)極性時(shí),界面電荷此時(shí)也為負(fù)極性。由于硅橡膠中的載流子呈現(xiàn)負(fù)極性,所以此時(shí)很容易穿過(guò)界面,與另一側(cè)的EPDM中正極性載流子發(fā)生復(fù)合現(xiàn)象,其結(jié)果是界面電荷峰隨加壓時(shí)間的增長(zhǎng)而減少,EPDM介質(zhì)內(nèi)部的正電荷也隨時(shí)間而減少。由圖3與圖6(b)可見(jiàn),此時(shí)Al(-)電極與Cu(+)電極界面上的電荷峰值均隨著加壓時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。這是因?yàn)殡娮幼⑷氲膭?shì)壘高度約為φM-χ,而空穴注入的勢(shì)壘高度約為Eg-(φM-χ),由于外施電場(chǎng)E的作用,能帶發(fā)生傾斜,勢(shì)壘變窄,使得電子和空穴的注入變成可能(這里φM表示金屬的功函數(shù),Eg表示聚合物的能帶間隙,χ表示電子的親和力)。由于Al的功函數(shù)比Cu的低(Al約為3.5,Cu約為4.33),因此Al電極比Cu電極易注入電子,相反,Cu電極應(yīng)比Al電極易注入空穴。因此說(shuō)明Al(-)與Cu(+)電極