張安,潘貴翔,李廣建,楊雁,魏隆,高國(guó)強(qiáng)

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111; 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610031)

0 引 言

車載高壓電纜終端由于其特殊的運(yùn)行工況及作用,由多種絕緣層、電應(yīng)力控制管及屏蔽層等材料復(fù)合疊加熱縮而成,其絕緣結(jié)構(gòu)較電纜本體復(fù)雜,生產(chǎn)工藝要求較高,是整個(gè)車載高壓電纜系統(tǒng)絕緣性能的薄弱點(diǎn)。在電纜終端生產(chǎn)工藝中,需剝除由電纜本體延伸至終端接頭處的外屏蔽層,以致終端再加壓運(yùn)行過(guò)程中外屏蔽層與外半導(dǎo)體層截?cái)嗵帉a(chǎn)生較為集中電場(chǎng)且極易發(fā)生畸變,該處不僅存在徑向分布的電場(chǎng),同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲的電場(chǎng)線[1-5]。由于電場(chǎng)集中處的場(chǎng)強(qiáng)極高,將致使截?cái)嗵幗^緣材料層間產(chǎn)生局部游離放電,長(zhǎng)時(shí)間放電現(xiàn)象會(huì)使得終端局部熱積聚效應(yīng)增強(qiáng),最終演變成終端絕緣擊穿失效,嚴(yán)重時(shí)終端將發(fā)生爆炸,造成惡劣的安全事故。為解決潛在的安全隱患,工程師在終端外屏蔽層截?cái)嗵幵偌友b一層熱縮電應(yīng)力管,用來(lái)緩和、分散集中畸變電場(chǎng),最終達(dá)到改善終端電場(chǎng)分布的目的。盡管電纜終端EPDM主絕緣耐熱老化性能較強(qiáng),在120 ℃下可長(zhǎng)期使用,在150 ℃～200 ℃下可短暫或間歇使用,耐熱溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電纜纜芯過(guò)熱的最高溫度。但是,電纜終端應(yīng)力管卻不能長(zhǎng)期承受高溫過(guò)熱沖擊,其材料電氣及機(jī)械性能參數(shù)維穩(wěn)性較EPDM脆弱。目前,熱縮應(yīng)力管材質(zhì)主要是由多種高分子材料共混或共聚而成,以極性高分子材料為基材,再加入導(dǎo)電碳黑、高介電陶瓷填料等等制備而成[6],在電學(xué)表現(xiàn)形式上具有一定半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性質(zhì)。

近年來(lái),由于車載高壓電纜終端爆炸事故頻發(fā),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電纜終端電場(chǎng)分布及其絕緣結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了相關(guān)研究并得到部分結(jié)論,對(duì)積極維護(hù)車載高壓電纜系統(tǒng)正常運(yùn)行貢獻(xiàn)了理論及實(shí)踐指導(dǎo)意義[7-13]。文獻(xiàn)[4]明確指出,應(yīng)力管作為電纜終端調(diào)控并改善集中電場(chǎng)并預(yù)防電場(chǎng)畸變的重要附件,應(yīng)同時(shí)兼顧電應(yīng)力控制和體積電阻率兩項(xiàng)技術(shù)要求,兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)隨著應(yīng)力管材料長(zhǎng)期所運(yùn)行的環(huán)境而發(fā)生改變;文獻(xiàn)[14]研究并指出,應(yīng)力管的阻抗會(huì)影響電纜終端電位分布,阻抗太大或者太小都會(huì)引起絕緣結(jié)構(gòu)放電擊穿,間接揭示了應(yīng)力管介電參數(shù)的重要性;文獻(xiàn)[15-16]研究了電力機(jī)車高壓電纜柔性終端放電擊穿故障并分析指出,在外界氣候變化干擾下,柔性終端由于其主絕緣層和應(yīng)力管層的貼合面緊密度控制不佳,使得電纜終端出現(xiàn)了可以發(fā)生放電的氣隙通道,最終導(dǎo)致終端放電貫穿失效,嚴(yán)重時(shí)由于放電釋放的熱量積聚使得終端發(fā)熱爆炸;文獻(xiàn)[17-20]研究了低溫下應(yīng)力管界面對(duì)車載高壓電纜終端局部放電特性的影響,在應(yīng)力管中加入了樹(shù)脂基復(fù)合材料,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能提高電纜終端局部放電的起始電壓與熄滅電壓,同時(shí)還能有效降低電纜終端的局部放電量,改變放電相位區(qū)間。總結(jié)以上研究發(fā)現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交直流高壓電纜本體絕緣結(jié)構(gòu)及故障類型研究相對(duì)較為豐富,但對(duì)車載高壓電纜終端部件材料熱損傷及其復(fù)合界面放電問(wèn)題研究不足,本課題的開(kāi)展對(duì)掌握電纜終端絕緣性能劣化機(jī)理和狀態(tài)評(píng)估具有重要的工程參考價(jià)值及意義[21-23]。

1 加速熱老化試驗(yàn)

1.1 電纜終端結(jié)構(gòu)

文中所研究車載電纜終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主體全長(zhǎng)650 mm～660 mm,由多種材料包封而成;終端最里層是以銅為導(dǎo)體的纜芯,纜芯外是用半導(dǎo)體層包覆著的絕緣層材料;靠近終端首端部分使用熱縮管和工業(yè)用膠與起連接作用的銅質(zhì)線鼻子緊密連接;應(yīng)力控制管材料位于靠近尾端部分,其作用是緩和局部電場(chǎng)過(guò)于集中,從而避免因電場(chǎng)畸變導(dǎo)致局部放電絕緣損壞的問(wèn)題發(fā)生;和電纜本體連接的部分由屏蔽層和防水護(hù)套組成;終端最外層包覆有防止爬電發(fā)生的傘裙。

圖1 電纜終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 試樣制備

選擇耐壓等級(jí)為36 kV的熱縮應(yīng)力管材料,熱縮前后直徑比為70/29 mm,厚度為1 mm。該應(yīng)力控制材料初始為管狀物,首先可沿應(yīng)力管徑向裁剪得到長(zhǎng)度及厚度分別為150 mm*1 mm、直徑為70 mm的圓柱狀樣品,將樣品分為三大組,分別編號(hào)為A、B、C,每組15個(gè)圓柱狀試樣;其次用酒精及蒸餾水擦拭應(yīng)力管試樣內(nèi)外面祛除表面污穢雜質(zhì);最后在陰涼、干燥且室溫為20 ℃±5 ℃的環(huán)境中放置24 h以上,避免陽(yáng)光直射,再將管狀應(yīng)力管裁剪成50 mm*50 mm的方形試樣置于老化箱中進(jìn)行高溫?zé)崂匣囼?yàn)。

1.3 加速熱老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于應(yīng)控管是由極性高分子聚合物材料為基材、導(dǎo)電碳黑及多種高介電填料混合制備而成,故參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 214274-2003《高聚物多孔彈性材料加速老化試驗(yàn)》及SN EN 50 264-1-2 008《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛電力和控制電纜,具有特殊的防火性能-第1部分:通用要求》,結(jié)合車載運(yùn)行工況及應(yīng)控管區(qū)別于其它純復(fù)合絕緣材料的材質(zhì)特性來(lái)設(shè)定試驗(yàn)溫度點(diǎn)。查閱車載監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息以及應(yīng)力管DSC測(cè)試數(shù)據(jù)可知,動(dòng)車組車載高壓電纜纜芯發(fā)熱的最大溫度可達(dá)到90 ℃～100 ℃,日常工作溫度在40 ℃～80 ℃,應(yīng)力管玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在130 ℃附近,熔融溫度在480 ℃左右。目前,以非線性應(yīng)力管所表現(xiàn)出的電學(xué)性能可將其劃分為半導(dǎo)電材料,但根據(jù)材料性能及老化特性來(lái)劃分卻同大多數(shù)電纜絕緣材料一樣,其自然老化速率與人工加速熱老化速率之間仍存在著隨著外部溫度的上升,熱老化速率呈指數(shù)倍增加的變化規(guī)律[24-25],試樣的老化速率取決于化學(xué)反應(yīng)速率。上述老化過(guò)程遵循阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程,即:

(1)

式中K為化學(xué)反應(yīng)速度,即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量;Aa和Ea分別為化學(xué)反應(yīng)的指前因子和活化能;R為玻耳茲曼常量;T為化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的絕對(duì)溫度。

將制備的試樣分成三組,編號(hào)為A/B/C,每個(gè)溫度條件下對(duì)應(yīng)5個(gè)試驗(yàn)樣品,故根據(jù)試驗(yàn)需求一共需要制備18*5=120個(gè)樣品。每次對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí),須將5個(gè)樣品同時(shí)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)并取得平均值作為最終數(shù)據(jù)。加速熱老化試驗(yàn)及取樣測(cè)試周期安排如表1所示。

表1 熱老化試驗(yàn)溫度及取樣測(cè)試周期安排

值得注意的是,老化過(guò)程中應(yīng)盡量避免頻繁打開(kāi)老化箱、防止老化箱間斷性工作等問(wèn)題,待熱老化試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)保證在相對(duì)干燥的空氣環(huán)境下進(jìn)行老化參數(shù)測(cè)試,每個(gè)溫度采樣點(diǎn)下分別對(duì)試樣取樣5～6次,可得到一系列不同老化程度的試樣數(shù)據(jù)。熱老化試驗(yàn)前后應(yīng)遵循以下規(guī)范:

(1)應(yīng)力管試樣經(jīng)無(wú)水乙醇洗凈并進(jìn)行干燥處理,然后將部分方形試樣可用四角用木質(zhì)夾子固定在鐵架上,通過(guò)在四角施加相應(yīng)的拉力以盡量減少試樣在熱老化過(guò)程中產(chǎn)生的形變,可有效避免試樣邊緣翹起,方便試樣進(jìn)行部分測(cè)試試驗(yàn),以減少干擾,切記注意試樣熱老化過(guò)程中不可折疊、重疊;

(2)待熱老化之后取出試樣需在干燥密閉容器內(nèi)、室溫下冷卻24 h以上,待試樣充分冷卻至室溫以后并再次使用酒精及蒸餾水對(duì)應(yīng)控管表面進(jìn)行清洗和干燥處理;

(3)將制作完成的試樣需使用自封袋封存于室溫干燥環(huán)境之中,以避免試樣遭受外部環(huán)境諸如水分、污穢、光照等二次干擾破壞。

1.4 模型制作及閃絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

應(yīng)力管/EPDM復(fù)合層間界面安裝結(jié)構(gòu)較為特殊,為探究其界面放電擊穿特性,閃絡(luò)試驗(yàn)電極采用銅箔電極。針對(duì)不同老化條件下應(yīng)力管試樣設(shè)計(jì)了層間界面閃絡(luò)試驗(yàn),為了能更好模擬極端情況下電纜終端應(yīng)力管與EPDM復(fù)合層間界面沿面放電發(fā)展趨勢(shì),參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12422-2015《電氣絕緣材料和絕緣制件局部放電試驗(yàn)方法》制作了強(qiáng)極性的針-板電極模型,可以更好地模擬電纜終端在運(yùn)行過(guò)程中復(fù)合層間界面處惡劣的畸變電場(chǎng)分布。

可借助有限元仿真軟件分析針-板電極結(jié)構(gòu)在外加電壓下電場(chǎng)的分布情況,在電極兩端模擬加壓為10 kV,電極間距為10 mm,仿真結(jié)果如圖2所示。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),由于針-板電極模型結(jié)構(gòu)極為不對(duì)稱性,場(chǎng)強(qiáng)最高可達(dá)1.54 MV/m,且電場(chǎng)集中區(qū)域全部積聚于針頭尖端處,可使模型在較低的加壓情況下就能發(fā)生起始放電,增加了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可觀測(cè)性。

圖2 針-板電極模型仿真

銅箔電極厚度應(yīng)盡可能薄,才能更加精確模擬復(fù)合絕緣層間界面放電形式,本文采用的銅箔電極厚度為0.01 mm,板銅箔電極邊緣制作成圓弧狀無(wú)棱角,針銅箔電極針頭為30°,設(shè)定電極間距離為0～20 mm范圍內(nèi)可調(diào),試驗(yàn)時(shí)用亞克力板夾緊并固定防止電極移動(dòng)。

制作長(zhǎng)寬同為50 mm*50 mm未老化的EPDM試樣,先將EPDM與老化應(yīng)力管試樣上下貼合,并在復(fù)合層間放入針-板銅箔試驗(yàn)電極,電極間距設(shè)置為10 mm,再放入設(shè)計(jì)制作的亞克力板中夾緊固定,模型如圖3實(shí)物圖所示。特別地,為確保每次試驗(yàn)時(shí)復(fù)合界面層間壓力不變,可參考車載高壓電纜終端制作工藝,每次試驗(yàn)之前可經(jīng)電子應(yīng)變片測(cè)量層間壓力大小并統(tǒng)一為0.15 MPa。

圖3 復(fù)合層間界面模型實(shí)物圖

根據(jù)試驗(yàn)要求搭建如圖4所示的閃絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái),其中分壓限流保護(hù)電阻用水電阻充當(dāng),用于限制擊穿電流,減小對(duì)變壓器及工頻電壓操作臺(tái)的絕緣損壞;成套分壓器是耦合電容,自帶高精度電壓顯示功能,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外加電壓數(shù)據(jù);工頻電壓操作臺(tái)包含調(diào)壓器,可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)調(diào)壓范圍為0～100 kV;試驗(yàn)電壓采用逐級(jí)加壓方式,可分為以下兩個(gè)操作階段:

圖4 閃絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)

第一階段,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓器,初始加壓上升速率控制為每升高1 kV保持10 s,同時(shí)利用局部放電檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控模型的局部放電信號(hào),當(dāng)出現(xiàn)較密集的重復(fù)性放電信號(hào)后,可記錄當(dāng)前電壓為起始放電電壓;

第二階段,當(dāng)模型達(dá)到起始放電電壓后,繼續(xù)升壓至重復(fù)出現(xiàn)大于100 pC放電信號(hào)時(shí)注意緩慢升壓,維持每升高0.5 kV保持10 s的速率升壓,直至發(fā)生沿面閃絡(luò)。

2 結(jié)果及機(jī)理分析

2.1 起始放電電壓

試驗(yàn)時(shí)需進(jìn)行5次應(yīng)力管試樣/EPDM復(fù)合層間界面模型放電閃絡(luò)試驗(yàn),取該5次試驗(yàn)的放電信號(hào)平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果,下文閃絡(luò)電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)亦是如此。圖5所示為不同老化條件下所測(cè)得的試樣局部放電PRPD圖譜:

如圖5(a)所示當(dāng)100 ℃老化20天應(yīng)力管試樣與EPDM復(fù)合層間界面在加壓至5.2 kV時(shí),在圖譜第一、三象限處出現(xiàn)了重復(fù)性“駝峰”狀起始放電信號(hào),放電相位為35°～105°及220°～290°基本在電壓峰值附近,此時(shí)電壓即為起始放電電壓,試樣的平均放電量QAvg較小為13.32 pC,最大放電量QPeak為20.39 pC左右,同時(shí)放電能量PDs及放電次數(shù)n都維持在一個(gè)較低水平;結(jié)合試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知,在低溫老化初期,熱老化對(duì)應(yīng)力管介電性能的影響并不明顯,介電常數(shù)實(shí)部ε′較未老化時(shí)下降不大,電導(dǎo)率基本維持不變,因此試樣仍具備一定的電場(chǎng)疏散能力,故此時(shí)應(yīng)力管可對(duì)層間界面放電現(xiàn)象起到一定抑制作用,因此平均放電量QAvg較小;如圖5(b)所示,當(dāng)老化進(jìn)行至30天時(shí),試樣的平均放電量QAvg為23.81 pC,平均放電量QAvg較老化20天時(shí)上升10.5 pC左右,最大放電量QPeak為40.84 pC,較老化20天時(shí)上升20.5 pC左右,放電能量PDs與放電次數(shù)n較老化20天時(shí)近似增長(zhǎng)一倍,同時(shí)該試樣的放電相位為33°～122°及215°～322°有變寬趨勢(shì)但不明顯,說(shuō)明在100 ℃下老化時(shí)間增加對(duì)界面放電產(chǎn)生有限的促進(jìn)作用,證實(shí)了應(yīng)力管擁有一定耐低溫老化能力,符合應(yīng)力管130 ℃玻璃化轉(zhuǎn)變溫度理論;但此老化條件下試樣的機(jī)械硬度、脆性較未老化時(shí)有所增加,延展性降低?？傻贸醪浇Y(jié)論:在100 ℃老化下,熱老化對(duì)應(yīng)力管試樣材料機(jī)械性能的影響大于對(duì)其電氣性能的影響;

由于熱老化溫度升高會(huì)加劇材料電氣性能的劣化速率,由圖5(c)所示,在相同老化時(shí)間下,125 ℃老化20天試樣的起始放電電壓下降至3.7 kV左右,放電相位有變窄趨勢(shì),雖然起始電壓降低但平均起始放電量QAvg卻出現(xiàn)了增大趨勢(shì)平均放電量QAvg增長(zhǎng)為48.45 pC,最大放電量QPeak增長(zhǎng)為81 pC,兩參量較100 ℃老化20天均增長(zhǎng)3～4倍,并且放電能量PDs和放電次數(shù)急劇增加較100 ℃老化20天增長(zhǎng)近7倍,同樣如圖5(d)所示125 ℃老化30天的試樣,其平均放電量QAvg增長(zhǎng)為79.80 pC最大放電量QPeak增長(zhǎng)為139.1 pC,兩參量較125 ℃老化20天增長(zhǎng)不到一倍,放電次數(shù)n無(wú)明顯變化,說(shuō)明在125 ℃下老化時(shí)間增加同樣對(duì)界面放電發(fā)展產(chǎn)生有限的促進(jìn)作用,而老化溫度的升高對(duì)于界面放電有明顯的促進(jìn)作用;同時(shí)應(yīng)力管試樣宏觀機(jī)械性形貌較100 ℃老化時(shí)變化并不明顯,此時(shí)老化溫度的升高使得試樣電氣及機(jī)械性能出現(xiàn)雙重改變,但相比較而言其電氣性能的改變大于機(jī)械性能,因此應(yīng)力管疏散和調(diào)控電場(chǎng)集中的能力變?nèi)?因此放電量增大;

圖5(e)所示140 ℃老化10天,試樣起始放電電壓為3.9 kV左右,平均放電量QAvg為56.43 pC,最大放電量QPeak為110.8 pC,此時(shí)電壓即為起始放電電壓,放電功率PDis和放電次數(shù)較未老化和低溫老化的6倍之多,各項(xiàng)放電數(shù)據(jù)較低溫老化時(shí)均大量升高,放電相位為35°～115°及204°～296°,放電密集區(qū)域變大;如圖5(f)所示140 ℃下當(dāng)老化進(jìn)行至20天時(shí),試樣起始放電電壓下降至3.3 kV左右,平均放電量QAvg為79.22 pC,最大放電量QPeak為174 pC,其各個(gè)放電統(tǒng)計(jì)參量均是低溫老化8倍之多,同時(shí)應(yīng)力管機(jī)械硬度變軟,較老化前形變較大;經(jīng)分析,由于應(yīng)力管玻璃換轉(zhuǎn)變溫度Tg為130 ℃,老化溫度為140 ℃時(shí)應(yīng)力管材料狀態(tài)已經(jīng)由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài),會(huì)加速破壞材料相關(guān)電氣及機(jī)械特性,因此在較高溫老化下,特別是高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時(shí),試樣的電氣及機(jī)械性能所受影響最大。

根據(jù)復(fù)合層間界面閃絡(luò)試驗(yàn),記錄起始放電電壓相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示,繪制出不同老化條件下應(yīng)力管/EPDM復(fù)合層間界面起始放電電壓相關(guān)數(shù)據(jù)如圖6所示,分別為起始放電電壓及起始放電電壓下降率。

表2 平均起始放電電壓相關(guān)數(shù)據(jù)

圖6 平均起始放電電壓相關(guān)數(shù)據(jù)

由表2和圖6(a)所示,在較低溫(100 ℃、120 ℃)老化前20天,應(yīng)力管試樣平均起始放電電壓有“先增大后減小”的趨勢(shì),結(jié)合現(xiàn)象及老化過(guò)程分析,低溫老化溫度使得應(yīng)力管試樣材料各共聚物之間加劇了共聚狀態(tài),共聚速率大于熱分解速率,因此減少了游離小分子移動(dòng),電導(dǎo)率下降,使得試樣的絕緣性能有所增強(qiáng),因此起始放電電壓及閃絡(luò)電壓較未老化時(shí)出現(xiàn)了一定的上升現(xiàn)象,可稱此現(xiàn)象為老化“特殊過(guò)渡階段”;但在140 ℃高溫老化下,共聚速率遠(yuǎn)小于熱分解速率,并未出現(xiàn)這種絕緣性能增強(qiáng)現(xiàn)象,且平均起始放電電壓最低,材料較快得到老化失效,故呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢(shì);由圖6(b)及前面對(duì)起始放電電壓PRPD圖譜的分析可知,在老化前期5～10天時(shí)140 ℃高溫老化的試樣起始放電電壓下降速率最低,這是由于該試樣本身起始放電電壓最低僅有3.7 kV,隨著老化進(jìn)行到10～15天時(shí),由于老化溫度的升高導(dǎo)致應(yīng)力管疏散和調(diào)控電場(chǎng)集中的能力變?nèi)?故125 ℃及140 ℃老化試樣的起始放電電壓下降速率開(kāi)始明顯大于低溫100 ℃老化的試樣,直到老化進(jìn)行到15～20天時(shí),老化溫度為140 ℃的應(yīng)力管材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài),加速絕緣材料的劣化破壞導(dǎo)致起始放電電壓下降速率也最快。

2.2 閃絡(luò)電壓

根據(jù)復(fù)合層間界面閃絡(luò)試驗(yàn),記錄閃絡(luò)電壓相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示,繪制出不同老化條件下應(yīng)力管/EPDM復(fù)合層間界面閃絡(luò)電壓相關(guān)數(shù)據(jù)如圖7所示。

表3 平均閃絡(luò)電壓相關(guān)數(shù)據(jù)

層間界面模型閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖7所示,閃絡(luò)電壓相關(guān)數(shù)據(jù)與起始放電電壓總體變化趨勢(shì)相似;較低溫(100 ℃、125 ℃)老化前期,由于材料局部絕緣性能得到短暫增強(qiáng),所以其沿面閃絡(luò)電壓也出現(xiàn)了短暫的上升的“過(guò)渡階段”。在較高溫140 ℃老化作用下,由于熱分解反應(yīng)劇烈,老化溫度超過(guò)了材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=130 ℃),高溫老化前期并無(wú)類似過(guò)渡階段發(fā)生,相同老化時(shí)間下閃絡(luò)電壓最低,且隨著老化加深下降幅度較大;在各個(gè)溫度老化后期,由于材料內(nèi)部及表面絕緣劣化程度較大,平均閃絡(luò)電壓均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。

2.3 復(fù)合層間界面閃絡(luò)特性微觀分析

通過(guò)開(kāi)展不同老化條件下應(yīng)力管試樣表面電位測(cè)試工作發(fā)現(xiàn),試樣表面經(jīng)熱老化之后深陷阱能級(jí)中心、密度峰值等特性參數(shù)會(huì)大量向淺陷阱轉(zhuǎn)變。當(dāng)外加電場(chǎng)作用下,由于淺陷阱對(duì)表面電荷的束縛能力減弱,試樣表面某些電荷較易受到電場(chǎng)作用使其“落陷”移動(dòng),自由移動(dòng)的正/負(fù)電荷在試樣表面某處形成陷阱電荷局部積聚效應(yīng),使得該處電場(chǎng)畸變嚴(yán)重甚至出現(xiàn)起始放電現(xiàn)象,直接影響應(yīng)力管試樣的放電特性;陷阱也可以對(duì)試樣表面電荷的輸運(yùn)特性和消散特性起到限制作用,間接干擾應(yīng)力管試樣載流子遷移運(yùn)動(dòng)和電導(dǎo)率,并最終影響其表面的放電發(fā)展過(guò)程。下面就應(yīng)力管/EPDM復(fù)合層間界面部分微觀放電過(guò)程進(jìn)行分析。

文中采用的銅箔電極、應(yīng)力管、EPDM和復(fù)合層間界面少量殘余氣體由于介電常數(shù)差異較大,當(dāng)在復(fù)合層間界面處給銅箔電極施加持續(xù)加壓時(shí),在電極尖端周圍所形成的電場(chǎng)密度極不均勻,電場(chǎng)模變化程度也很大,因此在陰極四個(gè)結(jié)合點(diǎn)較易激發(fā)產(chǎn)生初期電子;在復(fù)合層間界面間初期電子在外加電場(chǎng)作用下獲得能量而相互加速碰撞,撞擊過(guò)程產(chǎn)生的能量也不斷積聚,使得高速自由移動(dòng)的電子相互碰撞而發(fā)展成電子崩,電子崩再撞擊層間界面的少量氣體分子可能誘發(fā)形成第二次電子崩,迫使放電形式沿著陰極區(qū)域逐漸向陽(yáng)極區(qū)域發(fā)展,促進(jìn)了擊穿通道形成,進(jìn)而發(fā)生界面閃絡(luò)現(xiàn)象,如圖8所示。

圖8 復(fù)合層間界面閃絡(luò)的微觀發(fā)展過(guò)程

結(jié)合應(yīng)力管試樣的表面電荷陷阱特性和遷移特性,可以更好揭示試樣的表面電荷對(duì)復(fù)合層間界面放電發(fā)展至閃絡(luò)微觀過(guò)程的影響規(guī)律,如圖9所示。

圖9 老化前后復(fù)合層間界面沿面閃絡(luò)

隨著熱老化程度不斷加深,持續(xù)熱應(yīng)力給試樣表面造成的理化破壞愈發(fā)嚴(yán)重,熱分解現(xiàn)象也較為強(qiáng)烈,加速了試樣表面的深陷阱向淺陷阱的轉(zhuǎn)變過(guò)程,降低了深陷阱勢(shì)壘及密度。由于應(yīng)力管試樣表面深陷阱對(duì)電子的束縛能力較強(qiáng),而淺陷阱束縛電子能力較弱,因此深陷密度不斷減少過(guò)程對(duì)表面電荷的脫陷和遷移現(xiàn)象起到了一定促進(jìn)作用;持續(xù)熱老化使得電子、空穴的遷移率和電導(dǎo)率不斷增加,外加電場(chǎng)下增加了電子與模型內(nèi)殘留氣體分子碰撞能量,促使了二次電子崩的形成。因此持續(xù)熱老化作用將導(dǎo)致應(yīng)力管試樣表面陷阱特性發(fā)生了從深陷阱到淺陷阱的一系列轉(zhuǎn)變過(guò)程,進(jìn)而降低了復(fù)合層間界面的平均起始放電電壓及交流閃絡(luò)電壓。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合車載高壓電纜終端應(yīng)力管實(shí)際運(yùn)行工況,針對(duì)應(yīng)力管熱老化特性劣化機(jī)理,設(shè)計(jì)了不同老化條件下應(yīng)力管人工加速熱老化試驗(yàn),并著重探究了老化應(yīng)力管試樣/EPDM復(fù)合層間界面放電發(fā)展的影響規(guī)律?，F(xiàn)得出以下結(jié)論:

(1)應(yīng)力管試樣/EPDM復(fù)合層間界面模型耐壓能力與應(yīng)力管試樣的老化條件、老化程度和界面處電場(chǎng)的均勻程度密切相關(guān);

(2)熱老化過(guò)程中的熱分解反應(yīng)促使了試樣表面小分子、離子及深/淺陷阱的生成,對(duì)試樣的表面電荷及電子、空穴的輸運(yùn)特性產(chǎn)生直接影響;

(3)試樣表面深陷阱不斷轉(zhuǎn)化為淺陷阱,深陷阱密度減小,對(duì)電子束縛減弱,促使更多的陷阱電荷脫陷和遷移,試樣的載流子遷移率和電導(dǎo)率增加,降低了界面模型的平均起始放電電壓及交流閃絡(luò)電壓。