高翾宇 于思源 譚景洋

摘要：通過浸泡實(shí)驗(yàn)對(duì)聚乙烯絕緣材料的電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，研究了濕度對(duì)聚乙烯絕緣材料電氣性能的影響，并建立數(shù)學(xué)模型，得到浸泡時(shí)間與體積電阻率的函數(shù)表達(dá)式。

關(guān)鍵詞：浸泡實(shí)驗(yàn);聚乙烯;電氣性能;數(shù)學(xué)模型

引言

絕緣的作用主要是使電纜中的導(dǎo)體與周圍環(huán)境或相鄰導(dǎo)體間相互絕緣。電纜的質(zhì)量和使用壽命很大程度上取決于絕緣材料的電性能，電纜在運(yùn)行中，絕緣層需具備穩(wěn)定的特性，較高的絕緣電阻及擊穿強(qiáng)度，良好的耐樹枝放電和局部放電特性[1]。而絕緣材料的電氣性能與其水分含量密切相關(guān)。聚乙烯以優(yōu)良的耐低溫性、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性在電纜中得到廣泛利用。因此，研究水分對(duì)聚乙烯絕緣材料電氣性能的影響對(duì)電纜的應(yīng)用和發(fā)展有著重要意義。

水分對(duì)PE絕緣材料的影響

由于塑料的結(jié)構(gòu)具有高分子性并且其中含有極性基團(tuán)，從而使水分能夠進(jìn)入其中。在周圍大氣與塑料之間存在的分壓差的作用下，會(huì)使水分子進(jìn)一步侵入。電纜在日常運(yùn)行過程中，由于電流的通過會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。在水分的長期作用下，絕緣材料會(huì)出現(xiàn)表面受潮現(xiàn)象，在一定溫度作用下絕緣材料中的大分子聚合物將會(huì)與其組成的大分子鏈結(jié)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)絕緣層外的水分子會(huì)侵入絕緣層，進(jìn)入到聚合物的內(nèi)部。而聚合物中由于極性分子水分子的數(shù)量增多會(huì)使導(dǎo)電離子增多[2]，從而使絕緣性能下降。水蒸氣吸附于絕緣結(jié)構(gòu)的表面將使絕緣結(jié)構(gòu)受到較為嚴(yán)重的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣效果的減弱。

PE絕緣材料的浸泡實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步探究水分對(duì)PE絕緣材料的影響，我們對(duì)完全一樣的PE在相同室溫下分別進(jìn)行了1h、2h、3h、4h、5h、70h、95h、115h、140h、165h的泡水實(shí)驗(yàn)，并對(duì)晾干后的試樣進(jìn)行了體積電阻率、相對(duì)介電常數(shù)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量，結(jié)果如下表1所示：

由此可以看出，浸泡實(shí)驗(yàn)使試樣的體積電阻率減小，相對(duì)介電常數(shù)增大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。即使絕緣材料的電氣性能降低。經(jīng)過進(jìn)一步分析可知，相對(duì)相對(duì)介電常數(shù)這個(gè)參數(shù)的變化率最小，為7.9%。即可認(rèn)為水分對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響最小;體積電阻率這個(gè)參數(shù)的變化率最大，為137%。即可認(rèn)為潮氣對(duì)體積電阻率的影響最大。并且發(fā)現(xiàn)在浸泡時(shí)間達(dá)70h以上時(shí)，PE絕緣材料的絕緣電阻變化不再明顯。這是由于在電壓作用下，絕緣材料內(nèi)部電子和離子的遷移會(huì)導(dǎo)致直流絕緣產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的變化，在水分含量增大時(shí)，絕緣材料離子和電子的遷移速率也會(huì)隨之增加[3]。且在施加電壓相同時(shí)，體積電阻率與體電流成反比，體積電阻率下降，絕緣性能變差。并且在絕緣范圍內(nèi)，水分子隨著浸泡時(shí)間的增加不斷侵入到絕緣材料的內(nèi)部，當(dāng)絕緣材料內(nèi)部離子趨于飽和時(shí)，即便浸泡時(shí)間加長，絕緣材料的絕緣電阻變化也不會(huì)太大。

對(duì)體積電阻率的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型

通過MATLAB對(duì)體積電阻率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到體積電阻率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系：

其中p1=–39.14;p2=6744;p3=–2214;q1=–104.2;q2=7532;q3=–6108。

擬合圖像如下圖1所示：

結(jié)語

PE是目前應(yīng)用范圍比較廣的絕緣材料，而水分對(duì)絕緣材料的電氣性能具有極其重要的影響，因此研究水分對(duì)絕緣材料的性能影響是十分必要的，并且設(shè)法提高電纜的耐濕性也是在設(shè)計(jì)電纜時(shí)的重要考慮因素。本次實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備老化、測(cè)量過程中不可避免地系統(tǒng)誤差等原因，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難免會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。

參考文獻(xiàn)

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