交流电压下聚丙烯/硅橡胶界面的击穿过程分析

随着我国城市化进程的不断推进和城镇工业、居民用电需求的逐年递增，电力电缆尤其是挤塑电缆由于具有传输容量大、占地少、可靠性高等优点，已被越来越多地应用于城市输配电系统。截至2011年底，国网公司在运电缆线路总长度已达28×104km，其中交联聚乙烯XLPE（cross-linked poly⁃ethylene）电缆占据主导地位[1]。早期敷设的XLPE电缆已临近其设计寿命，需进行替换处置。但是XLPE材料不可回收，废旧电缆主绝缘只能通过焚烧、填埋方式处理，造成资源极大浪费。开发研制新型可回收电缆主绝缘材料，使未来的电缆线路具备绿色环保属性，是研究人员和工程技术人员十分关注的热点课题之一。

近年来，国内外已有多个研究小组针对可回收电缆主绝缘材料进行研究。Li等对低密度聚乙烯LDPE（low-density polyethylene）及其共混物的电气、机械性能进行了研究，发现一定比例的共混物具有比XLPE更低的介质损耗和更高的击穿强度，并具有更高的抗拉强度和断裂伸长率[2-3]；Hoster等则对聚丙烯PP（polypropylene）材料作为可回收电缆主绝缘材料的可行性进行研究，分析了多种PP材料的机械性能和交流击穿强度，认为PP经过改性可以满足电缆主绝缘的使用要求，是可回收电缆主绝缘的重要选择之一[4]；日本学者Kurahashi等报道了采用PP材料作为主绝缘生产的22 kV可回收电缆示范线路，研究了该电缆线路在交流电压下工作时主绝缘PP的电气性能，发现PP的交流击穿强度和介质损耗均完全满足工程要求[5]。事实上，PP材料具有优异的电气和耐热性能[6-7]，是典型的热塑性材料，可以回收利用，符合环境友好型电缆绝缘的发展需求[8]，是电缆绝缘材料未来发展的重要方向之一。

在高压电缆中，电缆的故障将会导致电缆线路的停电，而电缆维修成本和维修周期较长，高压电缆的故障会严重影响电网的安全稳定运行，造成巨大损失[9-10]。在电力电缆系统中，电缆附件是其最薄弱的环节之一，由电缆附件引发的故障占整个电缆系统故障的81%[1]。在电缆中间接头内，电缆主绝缘和接头绝缘之间的界面存在较强的切向电场[11]，易于诱发界面放电和击穿事故，是导致接头故障的重要因素。为保障电缆接头的绝缘安全，有必要针对界面击穿的规律进行研究并探讨提高界面击穿强度的方法。国内外研究者已针对电缆接头内部的界面放电现象进行了研究，分析了界面粗糙度、压强、涂敷硅脂等因素对界面击穿特征的影响[12-14]。但这些研究主要考虑了上述因素对界面宏观击穿特征（击穿场强、击穿时间）的影响，缺乏对界面放电从起始到击穿完整过程的分析，对界面击穿过程中的微观机理和特征的探讨尚不充足。

本文选取可回收电缆主绝缘材料PP和电缆附件常用的硅橡胶材料SiR（silicon rubber）为实验样品，研究了交流电压下PP/SiR界面击穿的引发和发展过程，分析了放电过程中不同阶段的特征，为提高可回收电缆附件的安全运行提供参考。厚55 μm的铝箔作为电极，顶角30°的尖电极与高压电源相连，平板电极接地，尖板电极间的距离为8 mm。参考实际工程中电缆中间接头处的界面压强0.1～0.3 MPa[11]，本实验将其设定为0.12 MPa。

1 试样制备和实验过程

界面放电实验在（23±2）℃、相对湿度为45%的条件下进行，采用的实验电路如图2所示。将输出为25 kVrms的工频交流电源，经保护电阻连接至试样的高压电极，在PP/SiR界面的尖板电极间激发放电。在接地线上卡接高频电流传感器HFCT（high-frequency current transformer，天津学子电力设备有限公司，频率响应范围：0.8～100 MHz）测量界面放电信号，并将其与同步电压信号一起经高速采集卡（采样率1 Ms/s）传输至计算机处理。同时，采用微距摄像机记录界面击穿的过程，并与采集卡获取的放电信号进行同步记录和处理。根据采集的放电信号，提取得到放电发展过程中的PRPD图、放电重复频率放电幅值（N-Q）统计、界面击穿时间等特征。为保证实验结果的可重复性，每种样品均选取至少15组进行实验，取其典型结果示于文中。

1.1 试样制备

选取薄板状等规PP（PPH-P03，中石化北海公司）和高温硫化SiR（矽美硅材料公司）材料作为试样。两类试样的尺寸均为长8 cm、宽5 cm、厚0.5 cm。为考察试样本征性能对界面放电的影响，未在二者的接触面涂敷硅脂，且试样内无添加剂，这为观察界面放电的特征提供了条件。采用无水乙醇充分清洗后，放入真空干燥箱内，在30℃下干燥2 h后取出待用。

1.2 界面放电实验

为模拟电缆接头内界面处的不均匀电场，采用如图1所示的尖板电极结构。在PP表面平整贴附

2 结果与讨论

采用PP和SiR试样进行界面放电实验，其平均击穿时间为14.1 s，其典型发展过程如图3所示。当25 kVrms的交流电压施加在电极间时，由于尖电极曲率半径较小，其周围场强较高而引发电离现象。如图3（a）中Ⅰ所示，在尖电极端部已可观察到明亮的放电点。在外施电压作用时间0～2.0 s内，电极间并未形成明显的放电通道。随着时间的推移，放电通道逐步形成，如图3（a）中Ⅱ所示，并由尖电极向对面的板电极不断延伸，这一过程从2.0 s持续至15.2 s。当放电通道与对面的板电极连接时，界面发生击穿现象。由于短路电弧的热效应，PP/SiR的表面被烧蚀形成碳化痕迹，如图3（a）中Ⅲ所示，界面的绝缘性能丧失。本文依据界面放电电弧的形成和发展过程，将其划分为放电起始和发展两个阶段。在放电起始阶段，并未观察到明显的放电通道；而在放电发展阶段，形成了明显的放电通道并逐步延伸至对面电极，导致界面击穿。界面放电过程中，放电脉冲的幅值与时间的关系如图3（b）所示。可见，在放电起始阶段，脉冲幅值较小且相对稀疏；在放电发展阶段，脉冲幅值逐步增大且重复频率升高。当界面击穿时，出现幅值大且密集的放电脉冲，从而导致界面的破坏。

研究表明，聚合物固体绝缘材料的界面放电现象与材料的表面状态密切相关。图4为界面处两固体介质接触面的微观形貌示意。由图可见，界面由不规则接触面和气孔两部分组成。为了便于分析，将不规则气孔简化为圆形，不规则接触面简化为平面。由于尖电极附近电场较强，其周围的气孔区域将产生局部放电现象。PP/SiR界面处气孔内的局部放电是放电通道延展的重要原因。根据Paschen定律，得到气孔的击穿场强Ea[15]为

式中：p0=0.1MPa；p为气孔的气压；d为气孔直径；A=0.001 01 kV·mm；B=2.4 kV/mm；C=-0.009 7 kV；D=2.244 kV·mm-0.5。由式（1）可知，在界面压强一定的情况下，气孔的击穿场强与气孔大小相关，d越大，Ea越小。

若假设电极间施加的电压为Vz，则有

式中：Vai为气孔上的电压；Vci为接触面上的电压。当气孔内发生局部放电时，气孔上承受的电压会有所下降，接触面上的电压会相应地上升。在靠近尖电极处，三结合处的高电场强度和升高的Vci将有助于电极向接触面注入电荷，并沿界面向对面的板电极迁移。由于在聚合物表面存在大量的能量水平处于禁带的表面态，电荷沿接触面迁移时将被陷阱俘获，并进一步受激发脱陷从而在陷阱间以跳跃电导输运。对于本文外施交流电压的情况，正、负半周期内电极将对接触面周期性的进行电荷的注入抽出，在此期间正、负电荷的复合形成的光子可辅助激发陷阱电荷脱陷，促使其进一步沿接触面向对面电极迁移。当电荷穿越接触面与气孔内的放电火花汇合时，放电通道即由尖电极向前伸展了一段距离。此时，放电通道与板电极间的电场将被加强，接触面和气孔承担的电场提高，通道继续向对面电极延伸。由于放电通道的电流已较大，其热效应已不容忽视。放电通道产生的热使气孔内的气体膨胀，接触面相互脱离，加剧通道向对面电极的进一步延展，直至贯穿电极发生击穿现象。

本实验中，在界面放电的起始阶段，接触面上载流子的迁移过程和气孔内的局部放电主要发生在尖电极附近，该阶段的放电幅值和重复频率均较低。另外，由于电荷跨越接触面与气孔内的放电火花汇合、形成可见放电通道需要一定的时间，这导致在放电起始阶段无法观察到明显的放电通道。一旦尖电极附近形成放电火花，其释放的光子、热和机械振动效应均将加快陷阱电荷的脱陷，从而使电荷输运和放电通道的延展过程加快。随着时间的推移，越来越多的气孔放电汇入放电通道，放电过程进入发展阶段。由于放电通道发展方向前端的电场不断加剧，电荷沿接触面的迁移和气孔内局部放电的程度均被加强，使得放电脉冲的幅值和重复频率不断增加，放电通道迅速延伸并贯穿电极，形成击穿。这一分析与图3（a）、（b）所示的放电通道发展过程及其对应的放电脉冲特征吻合较好。

各阶段内界面放电的相位分布PRPD（phase resolved partial discharge）和N-Q分布特征分别如图5和图6所示。在放电起始和发展阶段，局部放电脉冲都集中在交流电压的第1、3象限，且第1象限的放电比第3象限强烈，这与气固界面的沿面放电的特征相似。由图6可知，在放电起始阶段，脉冲幅值相对较小，未观测到750 mV以上的放电脉冲，250 mV以上放电的重复频率很低。这是由于此时靠近板电极的大部分区域电场较弱，故在尖电极附近接触面和气孔上承担的电压Va和Vc均较低，电荷沿接触面的输运和气孔内的放电均很微弱。在放电发展阶段，放电通道的延伸使其前方区域的电场加强，Va和Vc均不断提高，故放电脉冲幅值和重复频率均增大，最大脉冲幅值可超过1 000 mV。对比放电起始和发展阶段的N-Q图可知，在各个放电量区间内，发展阶段的放电重复频率均高于起始阶段，也印证了发展阶段的放电程度强于起始阶段。

对图3（b）中各秒内测得的放电电流进行积分，计算视在放电量Qt+1和放电能量Wt+1，则有

式中：R为传感器输入阻抗；U为测得放电幅值。

视在放电量与时间的对应关系、放电能量与时间的对应关系如图7所示。在放电起始阶段，每秒的视在放电量均在2×10-3C以下，每秒放电能量小于0.5 μJ，视在放电量和放电能量都明显小于放电发展阶段；而在放电通道出现以后，每秒的视在放电量和放电能量比起始阶段显著增大，放电量最大达到6×10-3C，放电能量最大达到2.84 μJ；在放电发展阶段内视在放电量和放电能量有所起伏，总体呈现增大趋势。

3 结论

选取等规PP和高温硫化SiR为试样，研究了交流电压下PP/SiR界面的放电过程，分析了放电特征的变化规律。主要结论如下。

（1）PP/SiR界面放电过程包含放电起始和通道发展两个阶段。起始阶段的界面电极间无明显放电现象，其对应的放电脉冲幅值、重复频率、视在放电量和放电能量均较小。

（2）发展阶段的界面电极间可见明显的放电通道，其对应的放电脉冲幅值和重复频率均较大，视在放电量和放电能量比起始阶段明显增加。

（3）两个阶段的PRPD均集中在工频的第1、3象限，放电特征与气固界面特征类似。

（4）界面处的微气孔和界面处的表面陷阱是影响界面放电发展的主要因素。