環(huán)氧絕緣材料電氣及機(jī)械性能對電痕特性的影響

金 巖，劉 晶，呼翔宇

（國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300230）

在電氣設(shè)備服務(wù)社會的過程中，絕緣材料無疑是至關(guān)重要的一環(huán)，關(guān)乎人民安全。研究表明，自20 世紀(jì)末電力首次開始流入商業(yè)市場中，在電氣設(shè)備開始快速發(fā)展的同時(shí)，絕緣材料也進(jìn)入了高速發(fā)展的軌道，環(huán)氧樹脂憑借其高強(qiáng)度、良好的隔熱能力和優(yōu)異的介電性能成為廣泛應(yīng)用的絕緣材料［1］。到目前為止，絕緣材料的失效仍然是導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞的主要原因，而除去自然老化和機(jī)械損傷破壞絕緣完整性外，沖擊電壓的累積也是造成絕緣材料的失效的常見原因之一［2-3］。當(dāng)環(huán)氧樹脂表面存在環(huán)境因素導(dǎo)致的潮濕、污穢等表面附著，隨著沖擊電壓累積到一定程度時(shí)，表面將會有漏電電流，由于這種情況下漏電電流路徑電阻很大，產(chǎn)生的焦耳熱使表面水分快速蒸發(fā)，正在干燥帶形成的瞬間液膜的電阻迅速減小，強(qiáng)放電和高溫使材料表面碳化，最終形成短路的現(xiàn)象，稱“電痕破壞”［4］。杜伯學(xué)等在研究中指出，材料表面放電高溫形成碳化導(dǎo)電通道是電氣設(shè)備發(fā)生絕緣破壞的主要原因［5］。

對于環(huán)氧樹脂類聚合物材料而言，在電痕破壞過程中材料絕大部分分解為氣體，由于材料表面碳化通路難以形成，不易發(fā)生絕緣性能失效。然而一旦環(huán)氧樹脂發(fā)生完全的絕緣破壞，那就代表材料完全失去絕緣性能［6］。研究表明，材料的耐電痕特性受到多種因素的影響，環(huán)境因素［7-8］和材料結(jié)構(gòu)［9-10］、性能［11］都對其有著較大的影響。

本文采用斜板電痕法(IEC 60587-1984) 來測定不同二氧化硅添加量下環(huán)氧樹脂的耐電痕性。并且對材料的電氣性能和機(jī)械性能進(jìn)行了測試，通過對比研究其對耐電痕特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用東南化工廠生產(chǎn)的雙酚A 環(huán)氧樹脂和增韌固化劑，商用微米級二氧化硅（SiO2）。二氧化硅的摻雜量選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%、65% 和75% 三種含量。為使二氧化硅在環(huán)氧樹脂中均勻分布，在分散步驟之前利用二甲基二氯硅烷(C2H6Cl2Si) 對SiO2進(jìn)行改性處理。使用超聲儀將二氧化硅和環(huán)氧樹脂進(jìn)行均勻分散后加入固化劑持續(xù)超聲40min，40℃恒溫處理24h 后制備得到環(huán)氧樹脂材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用斜板電痕測試儀，按IEC 60587-1984 對環(huán)氧樹脂進(jìn)行耐電痕測試，并統(tǒng)計(jì)材料的擊穿時(shí)間，實(shí)驗(yàn)電壓為2.5kV，樣品尺寸為340mm×340mm×5mm，使用深度尺對實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的電痕深度進(jìn)行測量。

環(huán)氧樹脂的電氣性能按GB/T 1408-2006 進(jìn)行測試；體積電阻率按GB/T 1410-2006 進(jìn)行測試；根據(jù)GB/T 1040-2008、GB/T 9341-2008 對材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸速率為5mm/min，彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)速率為2mm/min，試樣尺寸為80mm×10mm×4mm。所有測試均使用5 個平行試樣以消除偶然性誤差。

2 耐電痕測試結(jié)果與分析

施加電壓后，三種摻加不同含量二氧化硅的環(huán)氧樹脂的電痕時(shí)間見表1。

表1 不同二氧化硅摻雜下環(huán)氧樹脂電痕時(shí)間（h)Table 1 Electric tracing time of epoxy resin with different silica doping

從表1 數(shù)據(jù)可以得到，隨著二氧化硅摻雜量的升高，電痕時(shí)間呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。在55% 的二氧化硅摻加量下的環(huán)氧樹脂的電痕時(shí)間均在7h 以上，多數(shù)達(dá)到7.5h，耐電痕性能十分優(yōu)異。而隨著二氧化硅含量的增加至75%，電痕時(shí)間均在半小時(shí)以內(nèi)，最快甚至在12min 內(nèi)出現(xiàn)電痕。這意味著更高二氧化硅的添加量對環(huán)氧樹脂的耐電痕性能有著反向的作用，55% 二氧化硅摻加量對抑制材料表面電痕破壞效果最佳。然而，根據(jù)郭燕霞［12］的研究中提出，材料的電痕破壞不僅與泄露電流的時(shí)間相關(guān)，絕緣材料表面產(chǎn)生泄露電流的大小也十分重要。在本次測試中，持續(xù)通入2.5kV 的高電壓，不同二氧化硅摻雜下的環(huán)氧樹脂材料呈現(xiàn)出不同的電痕時(shí)間，這意味著二氧化硅的摻加改變了環(huán)氧樹脂表面的電導(dǎo)率。

除了電痕時(shí)間，材料在電痕破壞后的蝕痕深度同樣是評價(jià)材料耐電痕性能的重要參數(shù)，對各個試樣的電痕蝕痕深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表 2。

表2 不同二氧化硅摻雜下環(huán)氧樹脂電痕蝕痕深度（cm)Table 2 Electric tracing depth of epoxy resin with different silica doping amounts

從表2 中可得，環(huán)氧蝕痕深度隨著二氧化硅摻加量的增加而減小，蝕痕深度的降低代表試樣較小的電痕時(shí)間，這也符合我們從表1 中得到的結(jié)論。

值得注意的是，電痕破壞中材料表面殘留的液體是十分重要的影響因素。對于親水材料而言，溶液易附著在材料表面，電痕破壞的起始電壓較低，相同電壓下放電的起始時(shí)間較小，為電痕破壞提供條件，反之憎水材料不易附著溶液，電痕破壞的起始電壓較高，相同電壓下放電的起始時(shí)間較大，產(chǎn)生的放電火花懸浮高度越大越高，放電對材料表面碳化的影響越小，電痕破壞較為困難。因此，采用費(fèi)爾伯恩接觸角測試儀對三種不同摻加SiO2含量的環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1 可以看到，隨著二氧化硅摻加量從55% 增加到65%，接觸角只有略微的升高，而摻加量達(dá)到75%時(shí)，接觸角從109.6° 升高到135.1°，這可能是二氧化硅的添加量過大導(dǎo)致表面粗糙度大幅度升高引起的?？傮w而言環(huán)氧樹脂呈現(xiàn)憎水性，滿足絕緣材料的設(shè)計(jì)需求。

圖1 不同二氧化硅摻雜量下環(huán)氧樹脂材料的接觸角Fig. 1 Contact angle of epoxy resin materials with different silica doping amounts

3 環(huán)氧樹脂材料電氣性能

不同二氧化硅添加量的環(huán)氧材料的體積電阻率、表面電阻率和介電強(qiáng)度的測試結(jié)果見表3。

表3 不同二氧化硅摻雜下環(huán)氧樹脂的電氣性能Table 3 Electrical properties of epoxy resin with different silica doping amounts

從表3 可以得到，不同含量二氧化硅的環(huán)氧樹脂體積電阻率和表面電阻率都較大，介電強(qiáng)度隨二氧化硅含量的增加而降低，二氧化硅含量對環(huán)氧樹脂的電氣性能影響不大。但研究表明，體積電阻率和材料表面集聚電荷的遷移速率和體電流密度相關(guān)，體積電阻率的增大代表電荷沿內(nèi)部消散時(shí)間的延長，而表面電阻率越小則代表表面電荷積聚后的消散速度越快，即一定程度上增加閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)，因此為提高材料的耐電痕性能，應(yīng)該降低材料體積電阻，增大材料表面電阻率。

4 環(huán)氧樹脂材料機(jī)械性能

環(huán)氧樹脂絕緣材料的機(jī)械性能測試包括沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度，為消除偶然誤差，取5 組平行試樣的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同二氧化硅摻雜下環(huán)氧樹脂的機(jī)械性能Table 4 Mechanical properties of epoxy resin with different silica doping amounts

從表4 可以看出，環(huán)氧樹脂材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都是隨著微米二氧化硅添加含量的增加而正相關(guān)的，然而材料的彎曲強(qiáng)度卻隨著二氧化硅含量的增加出現(xiàn)先減小后增加的V 字型關(guān)系。結(jié)合電痕破壞實(shí)驗(yàn)來看，材料機(jī)械性能的提高反而降低了材料的耐電痕特性。而根據(jù)Chandrasekar［13］對硅橡膠材料拉伸強(qiáng)度與電痕破壞的研究表明，拉伸強(qiáng)度的提高可以延長材料的電痕時(shí)間，這與我們的研究結(jié)論是不對應(yīng)的，這代表對于不同的材料而言，機(jī)械性能與電痕破壞的關(guān)系是不同的，兩者之間并沒有必然的聯(lián)系，需要對不同的材料進(jìn)行特定的實(shí)驗(yàn)來了解材料的耐電痕特性。

5 結(jié)論

二氧化硅摻雜量對環(huán)氧材料的接觸角影響較小，但總體呈現(xiàn)出較好的憎水性，滿足設(shè)計(jì)需求；環(huán)氧材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都隨二氧化硅摻量的增加而正相關(guān)升高，然而彎曲強(qiáng)度則是65% 摻量時(shí)為極小值；表面電阻率和體積電阻率對電痕破壞的影響較高，為提高材料的耐電痕性能，應(yīng)該降低材料體積電阻率，增大材料表面電阻率。