泡水時間對聚乙烯絕緣材料電氣性能的影響

高翾宇 于思源 譚景洋

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

關(guān)鍵詞：浸泡實驗;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，研究水分對聚乙烯絕緣材料電氣性能的影響對電纜的應(yīng)用和發(fā)展有著重要意義。

水分對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，會使水分子進(jìn)一步侵入。電纜在日常運行過程中，由于電流的通過會產(chǎn)生一定的熱量。在水分的長期作用下，絕緣材料會出現(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與其組成的大分子鏈結(jié)發(fā)生相對運動，此時絕緣層外的水分子會侵入絕緣層，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絕緣材料的浸泡實驗

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

由此可以看出，浸泡實驗使試樣的體積電阻率減小，相對介電常數(shù)增大、擊穿場強(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，相對相對介電常數(shù)這個參數(shù)的變化率最小，為7.9%。即可認(rèn)為水分對相對介電常數(shù)的影響最小;體積電阻率這個參數(shù)的變化率最大，為137%。即可認(rèn)為潮氣對體積電阻率的影響最大。并且發(fā)現(xiàn)在浸泡時間達(dá)70h以上時，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導(dǎo)致直流絕緣產(chǎn)生相對應(yīng)的變化，在水分含量增大時，絕緣材料離子和電子的遷移速率也會隨之增加[3]。且在施加電壓相同時，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，即便浸泡時間加長，絕緣材料的絕緣電阻變化也不會太大。

對體積電阻率的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型

通過MATLAB對體積電阻率的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到體積電阻率與時間的函數(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)計電纜時的重要考慮因素。本次實驗由于設(shè)備老化、測量過程中不可避免地系統(tǒng)誤差等原因，實驗數(shù)據(jù)難免會出現(xiàn)一定的偏差。

參考文獻(xiàn)

曾燕華，李揚，王娟.電工絕緣材料微量水分在線檢測系統(tǒng)[J].電工技術(shù)，2004（2）：30–31.

周陽.影響電纜絕緣性能的因素研究及其對策[D].大連理工大學(xué)，2015.

蔣洪富.濕度對聚合物絕緣材料電氣性能的影響[J].特殊電工，1981（4）：58–62.