溫度對環(huán)氧樹脂空間電荷特性影響的研究

王青山，陳少卿

(1.內(nèi)江電業(yè)局，四川內(nèi)江 641003;2.四川電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引言

由于環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的介電及機械性能，因此在國民經(jīng)濟的多個領(lǐng)域中被廣泛應用。無論是通用技術(shù)領(lǐng)域還是高新技術(shù)領(lǐng)域，無論是國防軍事工業(yè)，還是民用工業(yè)，以至于人們的日常生活中都可以看到它的蹤跡［1］。在電力及電子領(lǐng)域環(huán)氧被用做澆鑄料并廣泛應用于干式變壓器、電力互感器、絕緣子、干式套管、電容器、印刷電路原件等［2－5］。在直流電力設(shè)備絕緣中，空間電荷易于積聚，從而畸變電場，影響絕緣壽命。而當溫度升高時，絕緣的電性能以及金屬電極注入電荷的能力都將發(fā)生變化，但溫度對環(huán)氧中空間電荷的影響如何，卻少有報道。這里制備了低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的純環(huán)氧材料，研究了電場強度10～50 kV/mm，玻璃化轉(zhuǎn)變前后及相變溫度附近純環(huán)氧材料的空間電荷特性，并給出了相應解釋。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

1)材料選取。由于PEA法測試系統(tǒng)中壓電傳感器(PVDF)溫度上限(80℃)的限制，為了研究環(huán)氧玻璃化轉(zhuǎn)變前后的空間電荷特性，基料使用E51環(huán)氧(75W%)與柔性環(huán)氧(25W%)的混合體，通過DSC測到所得材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為62℃。

2)材料制備。取E51環(huán)氧(75W%)與柔性環(huán)氧(25W%)充分攪拌混合。向混合溶液中加入適量的酸酐固化劑和促進劑并充分攪拌，再將混合溶液置于攪拌、抽真空和控溫一體的環(huán)氧澆注系統(tǒng)中進行攪拌和抽真空(真空度控制在100 Pa左右，避免小分子物質(zhì)揮發(fā))40 min左右，然后通過真空澆注，將混合溶液注入不銹鋼的模具中，在80℃下固化5 h，最后再在120℃下固化10 h后降至室溫。所得材料厚度為0.1 mm和0.3 mm兩種，尺寸為100 mm×100 mm的方形平板材料。

1.2 空間電荷測量

采用電聲脈沖法(pulsed electroacoustic method，簡稱PEA)測量環(huán)氧材料中空間電荷分布，測量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。直流電源為0～30 kV，脈沖寬度為5 ns，幅值為0～1 kV。壓電傳感器(PVDF)薄膜厚度為9 μm。以半導電橡膠作為測量系統(tǒng)上電極，金屬鋁板作為下電極，聲耦合劑是硅油。適用循環(huán)油加熱系統(tǒng)實現(xiàn)不同溫度下的空間電荷測量。空間電荷測量系統(tǒng)的分辨率取決于外加納秒脈沖電壓的半峰寬、壓電傳感器的厚度及放大器的頻率帶寬。由計算可得本實驗室的空間電荷測量裝置的測量分辨率為 10 μm［6，7］。

圖1 空間電荷測試系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果及討論

實驗記錄了加壓以及短路過程中材料中的空間電荷分布，實驗場強為10～50 kV/mm，加壓時間為1 h;研究了短路10 s時各電場強度下的空間電荷分布，而且分析了各溫度下(40℃、60℃和80℃)空間電荷衰減隨短路時間的變化;并通過陷阱計算方法，分析了材料中陷阱的分布情況。實驗發(fā)現(xiàn)溫度對環(huán)氧材料的空間電荷集聚及消散有重要影響。

由于材料較厚(0.3 mm)在聲波傳播過程中畸變比較嚴重，直接得到的空間電荷波形不能反映材料中真正的空間電荷特性，故對所得測量結(jié)果進行了波形恢復［8］。

圖2 純環(huán)氧材料40℃下不同場強預壓1 h后短路10 s時的空間電荷分布

圖2所示為40℃下施加不同電場強度后短路10 s時的空間電荷分布情況。由圖可見，在該溫度下，當電場強度較低時(≤20 kV/mm)，材料內(nèi)部觀察不到空間電荷的注入，只在金屬電極上出現(xiàn)因極化而產(chǎn)生的空間電荷峰。而當電場強度進一步提高時(≥30 kV/mm)，在正電極附近出現(xiàn)正的電荷峰，在負電極附近出現(xiàn)負電荷峰，即當電場強度進一步提高時材料中出現(xiàn)明顯的同極性電荷峰，并在金屬電極處感應相反極性的電荷峰。

圖3所示為60℃下施加不同電場強度后短路10 s時的空間電荷分布情況。從圖中可見，當電場強度較低(＜20 kV/mm)時，材料中不存在空間電荷的注入，僅在金屬電極上出現(xiàn)少量的感應電荷，這與40℃時的情況是相同的。當電場強度進一步升高(E=20 kV/mm)時，材料內(nèi)部沒有明顯的空間電荷峰，但金屬電極上感應的電荷峰明顯增大。當電場強度繼續(xù)升高(30 kV/mm≤E≤60 kV/mm)時，在正電極附近出現(xiàn)明顯的負電荷峰，而在負電極附近出現(xiàn)明顯的正電荷峰，即此時材料中出現(xiàn)明顯的異極性空間電荷。而且當電場強度從50 kV/mm上升到60 kV/mm時，材料中的異極性空間電荷的總量基本不變，呈現(xiàn)一種“飽和”的狀態(tài)。異極性電荷的產(chǎn)生是由材料中的反應副產(chǎn)物和添加劑引起的［1］。實驗溫度從40℃提高到60℃，接近了材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使得雜質(zhì)離子易于在電場作用下發(fā)生遷移，并聚集在相反極性的電極附近，形成異極性空間電荷。

圖3 純環(huán)氧材料60℃下不同場強預壓1 h后短路10 s時的空間電荷分布

為了進一步研究異極性電荷的成分，將材料先進行烘干和抽真空處理，脫去材料中的水份等揮發(fā)性雜質(zhì)，并在同樣條件下進行了空間電荷測試實驗。結(jié)果如圖4所示:發(fā)現(xiàn)經(jīng)過真空處理后材料中的電荷雖然仍然是異極性空間電荷，但電荷峰值明顯有所降低。這種差別說明大氣中某種揮發(fā)性雜質(zhì)是引起異極性空間電荷的因素之一。當抽真空時，可以將其去除，但如果放置在大氣中則會吸附而產(chǎn)生異極性電荷。這種雜質(zhì)可能是空氣中的水分，由于環(huán)氧材料表面易于吸附空氣中的水分，而水分子在電場下又可被電離成H+和OH－而產(chǎn)生異極性電荷。

圖4 純環(huán)氧材料經(jīng)烘干脫氣處理60℃下不同場強預壓1 h后短路10 s時的空間電荷量

圖5所示為80℃下施加不同電場強度1 h后短路10 s時的空間電荷分布圖，由圖可見，當電場強度較小時(E=10 kV/mm)，材料中有少量的負空間電荷注入，在正電極附近出現(xiàn)負電荷峰，而負電極感應正電荷。當電場強度進一步升高(E≥20 kV/mm)時，材料內(nèi)部出現(xiàn)大量的負空間電荷，并且負的空間電荷貫穿材料，在兩個金屬電極上，均感應出正的空間電荷。

圖5 純環(huán)氧材料80℃下不同場強預壓1 h后短路10 s時的空間電荷分布

由以上結(jié)果可以看出，溫度和電場強度嚴重影響環(huán)氧中的空間電荷分布，特別是當溫度高于環(huán)氧的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的情況。在外施電場下，不同溫度時，環(huán)氧材料中均出現(xiàn)了不同程度的極化現(xiàn)象。當T=40℃，在電場強度E≤20 kV/mm時，環(huán)氧材料內(nèi)部無空間電荷積聚，金屬電極上出現(xiàn)空間電荷的感應峰。溫度升高為T=60℃時，當電場強度E≤20 kV/mm時，金屬電極上出現(xiàn)空間電荷感應峰，材料內(nèi)部無空間電荷出現(xiàn)。但這種情況下，當E=20 kV/mm時，金屬電極上的空間電荷感應峰明顯增大，這是由于此時的溫度接近環(huán)氧材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=62℃)，所以環(huán)氧中的極性分子易于在電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，故感應電荷增多，金屬電極上的空間電荷感應峰增大。當T=80℃時，在極低的電場強度下E≤20 kV/mm時，有明顯的注入現(xiàn)象。這說明當溫度和電場強度升高時，注入的電荷會掩蓋極化現(xiàn)象。

T=40℃，當E≥30 kV/mm時，材料中出現(xiàn)同極性空間電荷，說明在40℃時，環(huán)氧材料的空間電荷注入閾值應該介于20 kV/mm和30 kV/mm之間。但與T=40℃不同，當T=60℃時，材料中出現(xiàn)了異極性空間電荷。異極性空間電荷的出現(xiàn)主要是由于材料中的雜質(zhì)和副產(chǎn)物引起的，當溫度接近環(huán)氧的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，這些副產(chǎn)物易于形成異極性電荷峰。但此時同極性電荷的注入仍然是存在的，之所以沒有顯現(xiàn)出來是被形成的異極性空間電荷所掩蓋。這也是T=60℃時，注入量相對T=40℃時較少的原因。當T=80℃時，由于此時的溫度遠高于環(huán)氧材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，故其機械和電性能與玻璃態(tài)時有所不同。與T=40℃和T=60℃不同的是，此時當E=10 kV/mm時，環(huán)氧材料中出現(xiàn)負電荷的注入，這說明高溫有利于電子的注入，此時沒有出現(xiàn)雜質(zhì)及副產(chǎn)物引起的正電荷峰，這是由于被負電荷峰所掩蓋的原因。這種條件下，正電極出現(xiàn)正電荷峰，負電極仍然為負極性，只是幅值有所下降，這說明負電荷的注入量還不夠多，不足以在負電極處感應正電荷峰。但當E≥20 kV/mm時，環(huán)氧材料內(nèi)部出現(xiàn)大量的負電荷，此時金屬電極上均感應出正電荷峰，說明當電場強度升高時，出現(xiàn)了大量的電荷注入。在T=80℃時，環(huán)氧材料的電導增大，在高電場強度下會釋放較多的焦耳熱，但由于環(huán)氧材料浸漬在絕緣油中，故其影響可以忽略，可以認為此時的材料溫度仍為80℃［9］。

3 結(jié)語

研究了環(huán)氧材料中的空間電荷特性，測量了不同溫度、不同電場強度下環(huán)氧材料中的空間電荷分布;分析了溫度、電場強度、加壓時間等因素對環(huán)氧材料中空間電荷特性的影響;并進一步研究了環(huán)氧材料玻璃化轉(zhuǎn)變前后的空間電荷特性。主要得到以下結(jié)論。

(1)環(huán)氧材料中的空間電荷分布受到溫度及外施電場的影響。溫度對環(huán)氧中空間電荷的影響較大。當溫度與環(huán)氧的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)相比，處于不同狀態(tài)(低于Tg、接近于Tg、高于Tg)時，環(huán)氧材料中的空間電荷分布呈現(xiàn)出較大區(qū)別。環(huán)氧材料中的空間電荷量隨溫度升高而增大;特別是當溫度為80℃時，空間電荷量明顯增大。

2)環(huán)氧材料中異極性電荷的出現(xiàn)主要是由于材料中的水分等揮發(fā)性雜質(zhì)，以及固化過程中形成的其他雜質(zhì)電離在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近遷移而造成的。當溫度高于環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，材料中出現(xiàn)大量的空間電荷，說明環(huán)氧樹脂由玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變更有利于空間電荷的形成。

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