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復合聚乙烯體積電阻率與直流擊穿強度的測量與研究
1 前 言
高壓電纜運行中由于導體發熱而引起絕緣由內到外形成溫度梯度。在溫度梯度場作用下?聚合物電阻的負溫度特性及高溫側電極 （電纜導體） 上的電荷注入和遷移?加劇了位于電纜絕緣層外表面 的電荷積聚和場強畸變?降低絕緣電氣穿強度?更易 造成電纜在斷電或電壓極性反轉時的早期破壞。 因此?研制高壓直流塑料電纜的關鍵是削除絕緣材料中的空間電荷。目前?國內外很多學者通過添加、共混、接枝、共聚等各種聚合物改性方法?努力尋找更好的適用于直流電纜絕緣的添加劑。具有代表性的有90年代末日本學者在 XLPE 中添加極 性／導電無機填料成功研制了±250kV 超高壓直流電纜。而近期日本學者提出的納米 MgO 粒子添加劑也成功的用于超高壓電纜的研發。我國學者 在電纜絕緣材料改性方面也進行了大量的研究工作?但尚未取得突破性進展。 制備了一種低密度聚乙烯（LDPE）納米復合材料?研究了這種復合材料的空間電荷、體積電阻率與直流擊穿特性。結果表明?含有1％納米填料的這種 LDPE 納米復合材料能有效消弱溫度梯度場下LDPE 材料中電荷積聚和場強畸變現象。
2 實 驗
2．1 試樣制備
基料選用大慶產18D 低密度聚乙烯 （LDPE）? 密度約為0．917g／cm 3。添加劑選用進口納米粉末? 粒徑約20～30nm?利用在130℃的密式混煉機上熔融共混?制備成分散均勻的 LDPE 納米復合材 料。在120℃的平板硫化機中?壓力為2～2．5 MPa?熱壓成10mm×10mm×0．5mm 的薄片試 樣?壓制時間為20min。
2．2 直流擊穿特性
將厚度100μm 的試樣夾在直經 ●16mm 球－ 球電極中?為防止空氣擊穿?將試樣和電極浸入硅 油中?直流電壓以2kV／s 速度升壓至試樣擊穿。試驗結果取十個試樣擊穿場強的平均值并計算標準偏差。
2．3體積電阻率測量
用國產 ZST-121型航天縱橫電阻率測試儀? 測量試樣的體積電阻率?試樣兩面以硅脂粘貼標準 的鋁箔三電極系統?試樣厚度約為0．5mm。
3 結果與討論
3．1 空間電荷及場強分布
圖1為純 LDPE 試樣在電極溫度差 ΔT =40 ℃時不同直流電場（30MV／m、50MV／m、70MV／ m）作用下的空間電荷及場強分布。圖中虛線表示兩 個電極的位置?左側為正電極（低溫側?Al 表示為鋁 電極）?右側為負電極（高溫側?SC 表示為半導體電 極）?圖中箭頭表示在加壓0～20min 過程中的空間 電荷及場強變化趨勢。 從圖1可見?外施場強越高?試樣低溫側附近的 負電荷積聚越來越多?伴隨著低溫側的場強畸變也 越來嚴重。 圖2所示為1％納米復合 LDPE 材料的在電極 溫度差ΔT =40℃時不同直流電場（30MV／m、50 MV／m、70MV／m）作用下的空間電荷及場強分布。 由圖2可見?外施場強增加?試樣低溫側附近的負電 荷積聚較少?場強畸變量不明顯。表明此1％納米復 合 LDPE 材料?能有效抑制溫度梯度效應引起的電 導梯度變化及高溫側電極同極性電荷注入對場強的 畸變作用。
根據上述實驗結果?做出溫度差ΔT =40℃時? 純 LDPE 及1％納米復合 LDPE 材料中外施場強 與最大畸變電場的關系?如圖3所示。
由圖3可見?當外施場強達到70MV／m 時?純 LDPE 中最大畸變場強達到240MV／m?超過平均 場強3倍以上。而1％納米復合 LDPE 材料中?最大 畸變電場與外施場強基本相同
3．2 體積電阻率與直流擊穿強度
表1為純 LDPE 與1％納米 LDPE 復合材料 的體積電阻率與直流擊穿強度值。
表1 純 LDPE 及添加1％納米復合 LDPE 后 的體積電阻率與直流擊穿強度
由表1可見?1％納米 LDPE 復合材料的體積 電阻率略有增加?而直流擊穿強度基本保持不變。
研究表明?研制的1％納米 LDPE 復合材料能有效消弱溫度梯度場對 LDPE 絕緣的場強畸變特 性?且未改變 LDPE 的直流擊穿強度。探討其改性 機理可能是：①其中的納米粉末降低了 LDPE 絕緣 電阻對溫度的依賴性;②納米粉末能提高電荷注入 閾值場強?從而有效抑制電極上電荷注入。因此?研 制的納米復合 LDPE 絕緣材料有望用于高壓直流 電纜絕緣的改性研究。針對上述的分析?可通過一 些列實驗進行驗證?如此種納米復合絕緣材料的電 阻率的溫度特性、高場強電導與電荷入陷特性、陷阱 能級的變化、直流預壓反極性擊穿強度等?希望能對 國產高壓直流電纜的研發找到新的突破。
4 結 論
研究1％納米復合 LDPE 絕緣材料在溫度梯度 場下的空間電荷特性、直流擊穿強度及體積電阻率 的變化?主要結論如下：
（1）研制的納米復合 LDPE 能有效消弱溫度梯 度場對 LDPE 絕緣的場強畸變特性。
（2）1％納米 LDPE 復合材料未改變 LDPE 的 直流擊穿強度?但體積電阻率略有增加。