谢庆;胡志亮;冉慧娟;任洁;陆路;王幼男;焦羽丰
【摘 要】研究绝缘材料沿面闪络特性及闪络前后表面物化特征,有助于进一步认识闪络过程,对探究降低沿面闪络对材料影响,提高材料闪络电压的方法,有指导意义.因此,以硅橡胶为例,用韦伯分布统计方法探索了沿面闪络电压的规律,用原子力显微镜、傅立叶变换红外光谱测试技术,对闪络前后的表面特性进行了分析.结果表明:闪络电压随着气压与放电距离的增加而升高,且此过程中不同阶段二者对闪络电压影响程度不同;不同电场下的闪络电压服从二参数韦伯概率分布,尺度参数α和形状参数β可表征不同电场下材料的沿面绝缘性能.闪络后硅橡胶表面凸起和沟壑程度变大,表面粗糙度增加,Si-(CH3)2官能团含量降低,同等条件下,电场不均匀度越高,上述现象越明显. 【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2017(044)001
【总页数】李天民8页(P31-38)
【关键词】直流闪络;不同电场;韦伯分布;物化特征
【作 者】谢庆;胡志亮;冉慧娟;任洁;陆路;王幼男;焦羽丰
【作者单位】华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003 【正文语种】中 文
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【中图分类】routemapTM89
固体绝缘材料常用于支撑隔离不同电位间的导体，如果导体间的电压过高，在绝缘材料和介质的交界面上就会出现放电现象，甚至产生贯穿分界面的放电通道，称之为沿面闪络[1]。闪络不但影响设备的正常运行，而且带来一系列的经济和安全问题。因此，针对绝缘
材料闪络特性及闪络前后材料表面的物化特征进行研究，对改善材料绝缘性能，保证设备安全稳定运行具有重要意义。
闪络电压统计方法有很多，对于破坏性放电实验可采用对数正态分布、韦伯分布和耿贝尔分布来进行数据分析[2]。文献[3]即采用韦伯分布来分析液氮环境中聚合物绝缘材料的击穿电压。Elizondo等人通过实验验证了聚苯乙烯在真空中的沿面闪络电压服从韦伯分布[4]。然而，目前对于不同电场、不同气压及不同放电距离下的沿面闪络实验数据分布规律的研究相对较少。
绝缘材料发生沿面闪络后，闪络电弧会对绝缘材料表面产生破坏，甚至导致绝缘材料因外绝缘退化而引发故障。文献[5]研究了重复微秒脉冲下环氧树脂表面在空气中老化特性，发现随着老化时间的积累，材料表面由老化形成颗粒状物数量变多，外形变大，水接触角变小。文献[6]研究了高海拔环境下聚合物的电痕破坏现象，指出聚合物沿面闪络产生的热量等因素会使材料表面分解碳化，从而形成局部的导电“电痕”，而且这种破坏程度随着气压的变化而变化。文献[7]指出，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(G/R)在液氮中的沿面闪络电弧会改变其表面状况，同时使环氧树脂基体发生分解，改变了表面电阻率。但是，目前针对绝缘材料在不同电场下闪络前后的表面物化特性的研究不够充分。
本文以硅橡胶(SR)为例，采用针-针、针-板、棒-棒、棒-板4种电极，进行了不同气压及不同放电距离下的正极性直流沿面闪络实验，通过韦伯分布统计方法分析不同实验条件下闪络电压的变化规律，结合原子力显微镜(AFM)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)，观测并分析了不同电场下闪络前后硅橡胶表面的形貌特征和化学特性。整个实验有助于对绝缘材料沿面闪络过程的进一步理解，同时为绝缘材料改性及提高绝缘材料闪络电压提供实验基础。 1.1 实验装置
实验装置如图1所示，整个系统主要由高压直流电源(DW-P503-1ACF7，输出电压0～50 kV)、保护电阻(1 MΩ 100 kV)、真空泵、实验腔体、测量系统等几部分组成。其中测量系统用于测量闪络电压，包括泰克高压探头(P6015A，分压比1 000∶1)和泰克示波器(DPO2012B采样频率1 GHz，带宽200 MHz)。实验腔体的材质为不锈钢，腔体内部有电极插槽用于固定和更换电极，电极下方有固定绝缘材料的载物台，腔体外部安装有二维操作装置，通过调节一维操装置来调节电极之间的距离和材料表面放电位置。
1.2 实验电极
本文所用针电极、棒电极和板电极材质为黄铜，针电极为半圆锥形(底面直径为0.6 cm，长为3.4 cm)；棒电极为指形(曲率半径为0.75 cm，长为4 cm)；板电极为两半圆柱形(直径分别为1.5 cm和3 cm，长分别为3.25 cm和0.75 cm)。实验过程中电极平面压贴在绝缘材料表面。
1.3 实验过程
实验在室温25 ℃，相对湿度为40%下进行，所用硅橡胶成片状，大小为80×40×1.5 mm，实验前，先用清水冲洗掉硅橡胶切片上的灰尘，然后依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗。最后放入干燥箱中进行烘干处理，以备实验使用。实验所需不同气压条件由真空泵提供。沿面放电距离分别为3 mm，6 mm和9 mm。加压时采用均匀升压法[8]，电压上升速度为100 V/s，当硅橡胶表面发生闪络时，电压的幅值和波形通过示波器记录下来，每组实验重复操作20次，每次相隔5 min。实验后，采用原子力显微镜和傅立叶变换红外光谱仪对闪络后的硅橡胶表面进行物理形貌和化学特性分析。
2.1 硅橡胶沿面闪络特性
图2为硅橡胶闪络电压的变化图，可以看出：在不同电场下，电极距离越远，闪络电压越大；气压越高，闪络电压越大。另外从图中折线变化过程可以看出，气压(50～70 kPa)比较低时，闪络电压随气压升高而缓慢上升，即图中对应直线斜率较低，当气压增加(90～100 kPa)时，闪络电压随气压上升显著提高，即图中对应直线斜率较高，这种现象在棒-棒、棒-板电极条件下尤为明显。造成这种现象的原因可能是，在50～70 kPa时，气压低，电子的平均自由程大，自由程不是影响闪络电压的主要因素，所以随着气压的上升闪络电压上升并不明显，当气压到达90～100 kPa此时单位体积的气体分子数增加，导致平均自由程进一步减小，相邻碰撞之间，电子积聚到足够动能的概率减小，电子的平均自由程已成决定闪络电压大小的主要因素，所以此时气压上升，闪络电压显著升高。但是针-针电极随着气压上升，闪络电压基本成线性增加，而没有出现上述的那种变化，其中的原因可能是，由于针-针电极电场极不均匀，局部场强大，使得在50～100 kPa范围内影响闪络电压的主要因素是场强，而非电子的平均自由程，所以闪络电压近似成线性增长。以上这种不同因素对闪络电压在不同阶段影响程度不同的特点，在绝缘设计时应该特别注意，针对不同特点加以防护，以提高系统整体绝缘性能。
2.2 硅橡胶闪络电压的韦伯分布参数分析
韦伯分布在可靠性理论研究中应用颇广，该分布的物理模型基于最弱环节原则，对于二参数韦伯分布，其累积概率函数如式(1)所示：
式中：F(t)为当外加电压不大于t时的绝缘击穿概率。尺度参数α可用于描述绝缘系统的闪络电压特征值。形状参数β可用来表征绝缘系统对电压升高的敏感性。
对式(1)整理可得，
其中，
当测试样本足够多时，可认为累计击穿概率近似等于击穿电压不大于t的样本所占总体的百分比。即定义闪络电压Ui下的累积闪络概率为
式中：ni为闪络电压不高于Ui的样本数目；n为测试样本容量。
然而由于实际条件限制，在实验中样本容量总是有限的。为使小样本的统计尽量接近总体分布，对于韦伯分布，引入“失效等级”概念，即通过样本的击穿百分数来估计总体的累积击穿概率。将试样按照闪络电压升序排列，则每个闪络电压对应的序号称为“失效序数”。此时闪络电压为Ui时的样本累积击穿概率可由下式表述：
式中：失效序数i表示Ui在整体样本闪络电压中的排序。若出现若干样本的闪络电压相等，则赋予这些样本相同的失效序数。为减少小样本容量带来的误差，本文使用中位秩计算失效等级，其计算公式如式(5)所示。
中原钢结构论坛本文每组参数下取20组实验数据(闪络电压)。将每组电压数据由小到大排序，由式(5)计算每组电压下的累积闪络概率。将闪络电压和累积闪络概率数据代入式(2)的X和Y中，利用最小二乘拟合方法得到Y与X的关系：
Y=aX+b
则尺度参数α和形状参数β可分别由下式得到：
硅橡胶在不同条件下正极性沿面直流闪络电压的韦伯分布拟合情况如图3和图4所示。对闪络电压数据处理，得到各特征参数如表1和表2所示。
婆梅氏比重计由拟合图可见，在不同电极、不同放电距离下的数据拟合呈现出直线形态，并且大部分点都在所拟合的直线上或者周围，表示X和Y的线性程度较好，验证了硅橡胶在大气中和低气压下的直流闪络电压服从韦伯分布。
尺度参数α的值等于沿面闪络概率密度函数最大时的闪络电压，与电压有相同的量纲，即韦伯分布的闪络电压特征值U0，且此时的累积闪络概率为0.632。比较电极之间的闪络电压特征值可知，同种电极随着放电间距增大，闪络电压特征值变大；随着气压的降低，闪络电压特征值降低，相同条件下，针-针电极的闪络电压特征值在四种电极类型中最小，这是由于针-针电极为极不均匀电场，同等电压下局部场强更大，容易产生电子的发射，从而利于沿面闪络的发展。
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