3種絕緣薄膜在液氮中拉伸狀態(tài)下的沖擊絕緣強度

馬宏明 胡南南 黑穎頓 楊 鑫

(1云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院 昆明 650217)

(2長沙理工大學電氣與信息工程學院 長沙 410114)

1 引言

近十年來，高溫超導電力裝置的研制水平得到了極大的提高［1-5］，其電壓等級也在往輸電電壓等級發(fā)展，因而，對液氮環(huán)境中絕緣材料的電氣性能研究愈加重要［6-9］。聚酰亞胺薄膜(Polyimide)，聚丙烯層壓紙(polypropylene laminated paper，簡稱PPLP)和聚四氟乙烯薄膜(polytetrafluoroethylene，簡稱PTFE)已被證實在液氮中具有良好的電氣性能［10-11］，是常用的低溫薄膜絕緣材料。

絕緣薄膜一般用于繞包型絕緣部件，使用時以一定的張力繞包于導體上，薄膜會承受一定的拉伸應力。液氮中，薄膜的絕緣強度會隨著拉伸應力的改變而改變，因而，需要對液氮中一定拉伸應力范圍內(nèi)薄膜材料絕緣強度的變化情況進行研究，而該領(lǐng)域研究所見報道較少。文獻［12-13］通過實驗，測量了Polyimide，PPLP和PTFE 3種薄膜在液氮中不同拉伸應力下的交流和直流絕緣強度。

沖擊絕緣強度也是衡量絕緣材料電氣性能的重要指標，通過設計的試品拉伸狀態(tài)擊穿試驗裝置測量了Polyimide，PPLP和PTFE 3種薄膜材料在液氮中的沖擊絕緣強度，并用Weibull概率分布的方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到了3種材料50%擊穿概率和0.1%擊穿概率的沖擊絕緣強度，為繞包型絕緣結(jié)構(gòu)的高溫超導電力裝置的絕緣設計提供基礎數(shù)據(jù)。

2 實驗裝置、實驗方法和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置和接線方式如圖1所示。實驗電源為400 kV沖擊電壓發(fā)生器，用于提供標準雷電沖擊電壓波。選用BHT400 kV弱阻尼電容式分壓器(變比為420∶1)用于電壓測量。液氮盛放于長、寬、高分別為450，350和450 mm的泡沫容器中。

拉伸狀態(tài)絕緣測試裝置連同試品一起浸漬于液氮環(huán)境。如圖1上方的細節(jié)展示所示，薄膜試品夾于兩塊環(huán)氧板塊的電極中間，上端固定，下端懸掛不同質(zhì)量的砝碼，使試品處于不同的拉伸狀態(tài)。

拉伸狀態(tài)絕緣測試裝置共設計5對相同的電極，從上至下依次排列，因而，同一試品，可連續(xù)進行5次相同的擊穿實驗。5對電極均為棒-棒電極，棒電極的直徑為6 mm，頂端削成直徑2 mm的倒角，分別固定于固定環(huán)氧板塊和移動環(huán)氧板塊內(nèi)［14］。

以超導電纜本體為例，PPLP繞包于通流導體上時，一般承受的繞包張力為4ˉ9 N［15］;同時考慮泡沫容器的承受能力，砝碼質(zhì)量分別選擇0.5，1和2 kg共3種，在液氮中對試品的拉伸力分別為4.01，8.036 和16.07 N。

試品所受的拉伸應力σ可由式(1)計算。

圖1 實驗裝置及接線圖Fig.1 Figure of experiment setup and wiring method

式(1)中，F(xiàn)為砝碼對試品的拉力，N;w為試品寬度，mm;t為試品厚度，mm。3種薄膜試品的規(guī)格如表1所示。

表1 3種試品的規(guī)格Table 1 Specifications of 3 specimens

2.2 實驗方法

沖擊絕緣擊穿電壓的實驗方法采用逐級加壓法，即首先設定一個較低的電壓進行實驗，如果沒有擊穿，則增加2 kV繼續(xù)進行，直至試品擊穿，記錄該電壓為本次試品的擊穿電壓Vi。

不同拉伸應力下，每種材料均進行10次擊穿實驗，絕緣擊穿強度Ei由Vi/t計算得來(Vi表示每次的擊穿電壓;t表示薄膜材料的厚度;mm)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

固體電介質(zhì)擊穿場強的數(shù)據(jù)一般遵從Weibull概率分布模型［16-17］。對于二維參數(shù)的Weibull分布，概率分布如式(2)所示:

式(2)中，E指絕緣擊穿強度，(kV/mm);m稱為形狀參數(shù);η稱為尺度參數(shù)。

本文對3種材料在液氮中不同拉伸應力下的10次絕緣擊穿強度數(shù)據(jù)，按照Weibull概率分布的方法進行處理，得出50%擊穿概率、0.1%擊穿概率的絕緣擊穿強度 E50%、E0.1%。E50%用于反映沖擊絕緣擊穿強度對拉伸應力的變化規(guī)律;E0.1%則可為超導電力裝置的絕緣設計提供基礎數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

Polyimide、PTFE和PPLP 3種薄膜材料在液氮中各個拉伸應力下的沖擊絕緣強度實驗結(jié)果的韋伯分布如圖2ˉ圖4所示。

圖2 Polyimide薄膜在液氮中各個拉伸應力下沖擊絕緣強度的韋伯概率分布Fig.2 Weibull plot of impulse breakdown strengths for polyimide under every tensile stress in LN2

通過Matlab軟件對沖擊絕緣強度數(shù)據(jù)進行韋伯概率分布計算，得出液氮中3種材料拉伸狀態(tài)下的E50%和E0.1%，如表2所示。3種材料在液氮中50%擊穿概率的沖擊擊穿強度E50%隨拉伸應力的變化規(guī)律如圖5所示。

圖3 PPLP在液氮中各個拉伸應力下沖擊絕緣強度的韋伯概率分布Fig.3 Weibull plot of impulse breakdown strengths for PPLP under every tensile stress in LN2

圖4 PTFE薄膜在液氮中各個拉伸應力下沖擊絕緣強度的韋伯概率分布Fig.4 Weibull plot of impulse breakdown strengths for PTFE under every tensile stress in LN2

表2 3種試品在液氮中各個拉伸應力下的50%擊穿概率和0.1%擊穿概率的沖擊絕緣強度Table 2 Impulse dielectric strengths for 50%breakdown probability and 0.1%breakdown probability of 3 types specimens at every tensile stress in LN2

由圖5和表2中50%擊穿概率的沖擊擊穿強度E50%的數(shù)據(jù)可見，隨拉伸應力的增加，3種材料的沖擊擊穿強度均隨之下降，但下降的幅度均很小，16.07 N拉伸力時的沖擊擊穿強度相對于無拉伸力時，聚酰亞胺下降7.74%，PPLP下降3.26%，聚四氟乙烯下降 5.86%。

圖5 液氮中3種材料拉伸狀態(tài)下的50%擊穿概率的沖擊擊穿強度E50%Fig.5 Impulse breakdown strength E50%of 3 films under tension status in liquid nitrogen

3種材料的沖擊擊穿強度聚酰亞胺最高，介于225.120 3ˉ244.009 8 kV/mm 之間;聚四氟乙烯次之，介于 184.341 6ˉ195.823 kV/mm 之間;PPLP 最低，介于 147.9473ˉ152.933 1 kV/mm 之間。

5 結(jié)論

通過薄膜試品拉伸狀態(tài)擊穿實驗裝置，對Polyimide，PPLP和PTFE共3種薄膜絕緣材料在液氮中的沖擊絕緣強度進行了測量，并用Weibull概率分布的方法對數(shù)據(jù)結(jié)果進行了處理，得到了液氮中3種材料50%擊穿概率和0.1%擊穿概率的沖擊絕緣強度隨試品承受的拉伸應力的變化關(guān)系。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨拉伸應力的增加，3種材料的沖擊擊穿強度均隨之下降，但下降的幅度均很小;3種材料的沖擊擊穿強度聚酰亞胺最高，聚四氟乙烯次之，PPLP最低。所得結(jié)果可為超導電力裝置的絕緣設計提供數(shù)據(jù)基礎。

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