液氮中絕緣材料的擊穿特性研究

■ 華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 牛田野 張貴峰 張皓

1 引言

近幾十年來，伴隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于電工領(lǐng)域已經(jīng)在世界范圍內(nèi)受到普遍的重視。超導(dǎo)電力技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，能夠大幅降低電網(wǎng)損耗，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

超導(dǎo)電力技術(shù)的迅速應(yīng)用，除取決于超導(dǎo)材料和制冷技術(shù)的進(jìn)步外，絕緣材料對(duì)提高超導(dǎo)電工設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行可靠性也起到了重要作用[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)固體絕緣材料在低溫下的體電阻率、相對(duì)介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等電氣性能開展了一定的研究。王之瑄等人針對(duì)電纜紙、聚丙烯層壓紙（PPLP）、聚酰亞胺薄膜(PI)、低密度聚乙烯薄膜(LDPE)在常溫和液氮低溫下的電氣性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要考察材料的體電阻率、相對(duì)介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的降低以上四種絕緣材料的體積電阻率均顯著增大，在液氮浸漬下，PI的體積電阻率最高，PPLP次之，電纜紙最差；液氮溫度下，四種材料的介電常數(shù)略低于常溫下，其中以PI薄膜最小，PPLP最大；低溫下各材料的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)和沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)均高于常溫下，其中以PI薄膜最大，電纜紙最小[3]。J. Gerhold研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的下降，聚酯的體積電阻率顯著提高，環(huán)氧樹脂的介質(zhì)損耗角正切值隨著溫度的降低而減小。牛皮紙?jiān)诘蜏貢r(shí)的介電常數(shù)要低于高溫時(shí)，而聚酰亞胺、聚丙烯和聚四氟乙烯的介電常數(shù)則不隨溫度變化。乙烯-丙烯橡膠的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著溫度的降低而顯著提高，低密度聚乙烯的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)則不隨溫度變化[4]。E. Husain等人選用皺紋紙、牛皮紙、膠木、云母片、PVC膠帶、有機(jī)玻璃等絕緣材料為研究對(duì)象，測(cè)試各材料在常溫和液氮低溫下的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值。試驗(yàn)結(jié)果表明，以上絕緣材料在低溫下的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于常溫下，而低溫下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值均低于常溫下[5]。

目前，固體絕緣材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)多是在交流電壓下測(cè)得，而現(xiàn)階段研發(fā)的某些超導(dǎo)電力裝置需要運(yùn)行在較高的直流電壓下，因此有必要研究絕緣材料在低溫下的直流擊穿特性。本文通過測(cè)試聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亞胺（PI）和聚酯（PET）三種材料在常溫和液氮低溫環(huán)境下、不同電極系統(tǒng)中的負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)和工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)，為選擇適于低溫環(huán)境的電氣絕緣材料，以及選用在低溫環(huán)境中進(jìn)行擊穿測(cè)試的電極系統(tǒng)，提供了一定的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

2.1 電極系統(tǒng)

參照ISO1325和GB/T1408.1-1999標(biāo)準(zhǔn)，選擇柱-柱、球-柱、柱-板和球-板四種電極系統(tǒng)進(jìn)行擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，電極選用不銹鋼材料，電極系統(tǒng)如圖1所示。本文選用四種電極系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，目的是考察不同的電極系統(tǒng)對(duì)絕緣材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。在前期試驗(yàn)中，利用螺紋將上、下電極固定在托架上，通過旋轉(zhuǎn)螺桿的方式來壓緊試樣。后來經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于在低溫環(huán)境下金屬電極會(huì)產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致在常溫時(shí)壓緊的試樣在低溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，與電極不能良好接觸從而影響測(cè)試，因此該固定方式在低溫環(huán)境中是不可行的。經(jīng)改動(dòng)，將下電極通過螺紋固定在托架上，而把上電極做成光滑圓桿，使其能自如穿過托架中心的通孔并上下移動(dòng)，利用重力壓在試樣上，這樣在低溫環(huán)境中仍能保證電極與試樣的良好接觸。根據(jù)ISO1325，上電極重量應(yīng)為50g2g，太輕則重力不足以壓緊試樣，太重則會(huì)導(dǎo)致試樣發(fā)生變形。

2.2 低溫試驗(yàn)系統(tǒng)

在超導(dǎo)電工設(shè)備的實(shí)際工況中，絕緣部件經(jīng)常采用“冷絕緣”的方式，即固體絕緣材料需浸漬于低溫液體中，一般用液氮或液氦作為低溫制冷劑[6,7]。本文中涉及的“低溫環(huán)境”特指在77k的液氮中，需要將電極和試樣浸漬于液氮中進(jìn)行擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，“常溫環(huán)境”特指在300k的空氣中。試驗(yàn)腔體的外壁由雙層不銹鋼制成，兩層間的夾層填充泡沫塑料，容器頂部用泡沫塑料板遮蓋，以起到較好的絕熱效果。經(jīng)測(cè)試，該腔體絕熱性能良好，液氮在裝入后揮發(fā)較慢，能夠?yàn)閾舸y(cè)試提供穩(wěn)定的低溫環(huán)境。

工頻擊穿試驗(yàn)采用江都華宇高壓電氣有限公司生產(chǎn)的HY-AC20-1型工頻試驗(yàn)變壓器，試驗(yàn)電壓最高可達(dá)150kV。直流擊穿試驗(yàn)采用北京市機(jī)電研究院生產(chǎn)的BGG直流高壓發(fā)生器，試驗(yàn)電壓最高可達(dá)120kV，圖2為低溫下直流擊穿測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.3 試驗(yàn)方案

把聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亞胺（PI）和聚酯（PET）三種聚合物薄膜均制作成直徑50mm的圓片，厚度為0.1mm。試驗(yàn)前，為了除去灰塵和污垢，電極先后用丙酮和去離子水清洗，在333K的高溫下烘烤干燥2小時(shí)。試樣先后用無水乙醇和去離子水清洗，在333K的高溫下鼓風(fēng)干燥12小時(shí)后使用。

對(duì)三種材料在常溫和低溫環(huán)境下，測(cè)試其工頻和負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)。分別使用柱-柱電極、球-柱電極、柱-平板電極和球-平板電極，三種材料各取十片試樣進(jìn)行測(cè)試，最后結(jié)果取算數(shù)平均值，以樣本方差來表示數(shù)據(jù)的分散性。

試驗(yàn)電壓由零開始以500m/s的速度上升直至發(fā)生擊穿。由于本試驗(yàn)中采用手動(dòng)升壓，升壓速度很難保證勻速，因此應(yīng)在升壓過程中盡量滿足在10秒鐘內(nèi)升至5kV，在20秒鐘內(nèi)升至10kV，以此類推。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工頻電壓下各材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)

表1為工頻電壓下各種材料在常溫和低溫中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。從表中可看出，工頻電壓下PTFE和PI在低溫中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比常溫中有所提高，PET則略微下降，四種電極系統(tǒng)測(cè)得的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)均符合上述規(guī)律。在低溫中，對(duì)于四種電極系統(tǒng)，測(cè)得PI的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)均高于其余兩種材料。

表中的變化幅度，其中Eb1為低溫中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，Eb2為常溫中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

從表1中可知，PTFE和PI在低溫中的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)比常溫中明顯提高，并且PI提高的程度大于PTFE ，而PET在低溫中的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)比常溫中略微下降。

3.2 直流電壓下各材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)

表2為直流電壓下各種材料在常溫和低溫下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。從表中可看出，負(fù)極性直流電壓下三種材料在低溫中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)均比常溫中有所下降，四種電極系統(tǒng)測(cè)得的負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均符合上述規(guī)律。在低溫中，對(duì)于四種電極系統(tǒng)，測(cè)得PI的負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均高于其余兩種材料。

從表2中可知，三種材料在液氮中的負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均比常溫中有所下降，PI下降的程度最小，PTFE次之，PET下降程度最嚴(yán)重。

3.3 數(shù)據(jù)分散性分析

樣本方差用來反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性，表3和表4為工頻電壓和負(fù)極性直流電壓下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的樣本方差。從表中看出，工頻電壓下數(shù)據(jù)的樣本方差均小于0.5，而直流電壓下數(shù)據(jù)的樣本方差大多在1～3之間，即直流電壓下數(shù)據(jù)的分散性明顯大于工頻電壓下。初步分析，可能由于本試驗(yàn)中采用手動(dòng)升壓，升壓速度不穩(wěn)定使得空間電荷的積聚速度不同，導(dǎo)致直流電壓下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性較大。

?

?

?

?

4 結(jié)論

本文通過測(cè)試PTFE、PI和PET三種聚合物絕緣材料在常溫和低溫下、不同電極系統(tǒng)中的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)和負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，得到如下結(jié)論：（1） 設(shè)計(jì)制作了四套用于低溫下固體絕緣材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試的電極系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，這四套電極系統(tǒng)均能滿足試驗(yàn)測(cè)試要求，得到的試驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。（2） PTFE和PI在低溫中的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)比常溫中有所提高，PI提高的程度明顯大于PTFE；PET則略微下降。（3） 三種材料在低溫中的負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均比常溫中有所下降，PI下降的程度最小，PTFE次之，PET下降程度最嚴(yán)重。（4）測(cè)得低溫中PI的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)和負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)都明顯大于PTFE和PET。

[1]時(shí)東陸，周午縱，梁維耀,高溫超導(dǎo)應(yīng)用研究[M],上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2]肖立業(yè)，超導(dǎo)電力技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]，電網(wǎng)技術(shù),2004（9）:33-38.

[3]王之瑄，邱捷，吳招座，冷絕緣超導(dǎo)電纜絕緣材料測(cè)試綜述[J]，低溫與超導(dǎo),2008,36(12):14-18.

[4] J. Gerhold, Proper ties of Cryogenic insul ants[J], Cryogenics, Vo l.38,pp 1063-1081, 1998.

[5] E. Husain, M. M. Mohsin, A. Masood and M.U.Zuber i,Dielectric Behavior of Insulating Materials under Liquid Nitrogen[J], IEEE Electr.Insul. Con f. Electrical Manufacturing and Coil Winding Conference,Cincinnati, Ohio, USA, pp.359 - 363, 2001.

[6]滕玉平等,超導(dǎo)電纜絕緣及其材料性能[J],絕緣材料，2005(1):61-63.

[7]桂林電器科學(xué)研究所,低溫電工絕緣[M],機(jī)械工業(yè)出版社，1983.