电声脉冲法测量复合绝缘中空间电荷分布

电声脉冲法测量复合绝缘中空间电荷分布

0双向介质复合缘构三乙二醇具有良好的耐候性，具有以下优点：良好的耐候性；良好的气候性和颜色稳定性，使产品不破裂，颜色长期不变。良好的耐寒性和抗寒性好。在55c下，仍然有良好的弯曲性。弹性强，压缩变形小。电绝缘性好，尤其是耐电断性好。三元乙丙橡胶的综合性能超过了丁基橡胶和氯丁橡胶,主要被用作电力电缆、控制电缆、电焊机电缆、船用电缆等的绝缘。硅橡胶不但具备高压绝缘应有的特性,而且还有优良的表面憎水性和抗污秽性能及抗电痕性能,因而己被广泛使用在工频电力电缆及其附件中。电缆的终端或护套绝缘与电缆绝缘构成了双层介质的复合绝缘。然而实验及工程应用均表明,双层介质的绝缘薄弱点出现在2种介质的分界面及电极与介质的分界面处。众所皆知,空间电荷不仅畸变电场分布,也和介质电老化和击穿机制密切相关。因此为了研制直流电缆的预制式附件,提高现有直流制品的工作电场强度,研究空间电荷在双层介质中对电场分布的影响是十分必要的。1实验计划1.1材料、试样及试剂三元乙丙橡胶(EPDM)试样:工业化的三元乙丙橡胶是用络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)而成的无规共聚物。试样厚度0.3mm,表面积100mm×100mm。硅橡胶(SR)试样:甲基乙烯基硅树脂、2-4二六过氧苯甲酰、气相法白碳黑、二氧化钛和二苯基硅二醇等5种成分按一定比例混合后,在250℃下模压硫化15min,试样厚度0.3mm,表面积100mm×100mm。首先,在120℃下将三元乙丙橡胶及硅橡胶分别预热10min,然后将2试样在80℃下用一定压力使其成为三元乙丙橡胶/硅橡胶构成的双层介质。1.2声电传感器的工作原理采用电声脉冲法测量试样中空间电荷分布,测量设备的原理如图1所示。脉冲幅值200V,宽度20ns,声电传感器聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)厚度30µm,测量电极分别用Al(下电极)和Cu(上电极)制成,声耦合剂是硅油。测量前试样用酒精清洗,在80℃烘箱中热处理5h。2空间电荷分布在场强为+10kV/mm(对应Al电极为正极性时的情况记为正电场,相反为负电场,以下同)下,SR/EPDM双层介质中的空间电荷分布示于图2。虽然2种材料的试样厚度相同(均为0.3mm),但由于压力波在2种材料内部的传播速度不同(SR中约为811m/s,EPDM中约为1200m/s),所以实际上压力波在2种材料内部的传播时间是不同的。基于此原因,在图2中用压力波在介质中传播的时间来等效表示沿介质厚度方向的几何位置(以下各图同)。图中空间电荷的分布几乎不随加压时间的增长而变化,所以只画出一条曲线。可见,硅橡胶介质的内部与三元乙丙橡胶内部基本全部为负极性电荷。但由于在2介质的分界面处,εr不连续,载流子不能自由的通过分界面,所以开始在分界面处积累起正极性电荷。在场强为-10kV/mm下,此双层介质中的空间电荷分布示于图3。在2层介质分界面处积累上负极性电荷。而且随着时间的推移,介质内部的空间电荷变化较明显,Al电极界面上的电荷峰值随着加压时间的增加而减小。众所皆知,电极界面电荷密度式中:εr和εo分别是介质的相对介电常数和真空介电常数;ρ(z)为空间电荷密度;Eav为平均电场强度。由式(1)可见,电极附近异极性空间电荷的减小会促使σ的减少。这是由于Al电极不断注入同极性电荷,因而不断“中和”掉电极附近的异极性电荷,因此造成Al电极界面上的电荷峰值随着加压时间的增加而减小。结合参考文献,可以推断Al(-)电极此时已经开始发射电子了。在场强为+30kV/mm下,双层介质中空间电荷分布示于图4。图中空间电荷的分布仍几乎不随加压时间的增长而变化,所以只画出一条曲线。比较图4与图2可见,在场强+30kV/mm下双层介质中的异极性电荷相对多了很多,所以在介质分界面处的电荷相应也较多。在场强为-30kV/mm下,双层介质中的空间电荷分布示于图5中。Al(-)电极发射电子的现象已相当明显,随着时间的推移,Al(-)电极注入电子的现象变得越来越明显,当加压时间为4h时,可明显的看到在负电极(Al)的旁边出现了另一个负峰,其发射的电子不断“中和”掉Al电极附近的正电荷,因而异极性电荷峰随着时间的增加而下降。在装配预制式附件的过程中,为了使复合绝缘材料之间有更好的接触及消除摩擦,需要在2层介质的界面处涂上硅脂。图6分别给出了当2层介质界面处涂了硅脂之后测得的空间电荷分布图。可见,界面处积累的电荷明显分别小于图2~4所示的界面电荷,而且Al、Cu电极处的电极界面电荷也分别小于图2~4。另外由图6(d)可见,随着时间的推移,2介质界面处的正极性电荷明显跃过界面向EPDM内部渗透,而在图5中此现象并不明显。这说明涂在2介质界面处的硅脂成了输运界面两侧正负载流子的载体,使得在2介质界面处积累的空间电荷比不涂硅脂时减少了很多。3正极性载流子与epda电极复合由于双层介质的分界面处空间电荷分布不均匀,电场较为集中,所以成为复合绝缘的薄弱点。分别对照图2~4与图6(a)、(b)、(c)可见,虽然在双层介质分界面上积聚的空间电荷分布形状并未发生改变,但图6(a)、(b)、(c)中的分界面处电荷明显小于图2、3、4中的,这必然有效地降低分界面处的电场强度。然而对照图6(d)与图5可见,虽然图6(d)中分界面处积聚的正极性电荷多一些,但由于在分界面两侧均为正极性电荷,对电场的畸变并不十分明显,经用自编的电场计算软件计算可知在分界面处的场强为35.2kV/mm,与此相反,在图5中,由于在分界面附近的电荷呈异极性性质,此处局部场强很大,经计算可知为42.6kV/mm,所以硅脂可有效降低分界面处的电场强度。另一方面,当分界面处无硅脂时,事实上极难将分界面处的空气隙完全排净,由于空气的击穿场强很低,所以被“束缚”在分界面处的空间电荷极易引起局部击穿现象。由图2、图4与图6(a)、(c)可见,当硅橡胶侧的Al电极为正极性时,界面电荷也为正极性,而且空间电荷的分布几乎不随时间的增长而变化,这可能是由于SR中的电导是由负极性载流子形成的,而EPDM中的电导则是由正极性载流子形成的。此时SR中的负极性载流子与EPDM中的正极性载流子分别被吸引至Al(+)电极与Cu(-)电极附近,所以使SR中的正极性载流子、EPDM中的负极性载流子不可能穿过界面产生复合现象,导致界面处积聚的正极性电荷在数量上趋于稳定。由图3、图5与图6(b)、(d)可见,当硅橡胶侧的Al电极为负极性时,界面电荷此时也为负极性。由于硅橡胶中的载流子呈现负极性,所以此时很容易穿过界面,与另一侧的EPDM中正极性载流子发生复合现象,其结果是界面电荷峰随加压时间的增长而减少,EPDM介质内部的正电荷也随时间而减少。由图3与图6(b)可见,此时Al(-)电极与Cu(+)电极界面上的电荷峰值均随着加压时间的延长而减小。这是因为电子注入的势垒高度约为φM-χ,而空穴注入的势垒高度约为Eg-(φM-χ),由于外施电场E的作用,能带发生倾斜,势垒变窄,使得电子和空穴的注入变成可能(这里φM表示金属的功函数,Eg表示聚合物的能带间隙,χ表示电子的亲和力)。由于Al的功函数比Cu的低(Al约为3.5,Cu约为4.33),因此Al电极比Cu电极易注入电子,相反,Cu电极应比Al电极易注入空穴。因此说明Al(-)与Cu(+)电极