硅橡膠直流沿面閃絡(luò)及其對材料表面物化特征的影響

謝 慶，胡志亮，冉慧娟，任 潔，陸 路，王幼男，焦羽豐

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003)

硅橡膠直流沿面閃絡(luò)及其對材料表面物化特征的影響

謝 慶，胡志亮，冉慧娟，任 潔，陸 路，王幼男，焦羽豐

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003)

研究絕緣材料沿面閃絡(luò)特性及閃絡(luò)前后表面物化特征，有助于進(jìn)一步認(rèn)識閃絡(luò)過程，對探究降低沿面閃絡(luò)對材料影響，提高材料閃絡(luò)電壓的方法，有指導(dǎo)意義。因此，以硅橡膠為例，用韋伯分布統(tǒng)計方法探索了沿面閃絡(luò)電壓的規(guī)律，用原子力顯微鏡、傅立葉變換紅外光譜測試技術(shù)，對閃絡(luò)前后的表面特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：閃絡(luò)電壓隨著氣壓與放電距離的增加而升高，且此過程中不同階段二者對閃絡(luò)電壓影響程度不同；不同電場下的閃絡(luò)電壓服從二參數(shù)韋伯概率分布，尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β可表征不同電場下材料的沿面絕緣性能。閃絡(luò)后硅橡膠表面凸起和溝壑程度變大，表面粗糙度增加，Si-(CH3)2官能團(tuán)含量降低，同等條件下，電場不均勻度越高，上述現(xiàn)象越明顯。

直流閃絡(luò)；不同電場；韋伯分布；物化特征

0 引 言

固體絕緣材料常用于支撐隔離不同電位間的導(dǎo)體，如果導(dǎo)體間的電壓過高，在絕緣材料和介質(zhì)的交界面上就會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生貫穿分界面的放電通道，稱之為沿面閃絡(luò)[1]。閃絡(luò)不但影響設(shè)備的正常運(yùn)行，而且?guī)硪幌盗械慕?jīng)濟(jì)和安全問題。因此，針對絕緣材料閃絡(luò)特性及閃絡(luò)前后材料表面的物化特征進(jìn)行研究，對改善材料絕緣性能，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

閃絡(luò)電壓統(tǒng)計方法有很多，對于破壞性放電實驗可采用對數(shù)正態(tài)分布、韋伯分布和耿貝爾分布來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[2]。文獻(xiàn)[3]即采用韋伯分布來分析液氮環(huán)境中聚合物絕緣材料的擊穿電壓。Elizondo等人通過實驗驗證了聚苯乙烯在真空中的沿面閃絡(luò)電壓服從韋伯分布[4]。然而，目前對于不同電場、不同氣壓及不同放電距離下的沿面閃絡(luò)實驗數(shù)據(jù)分布規(guī)律的研究相對較少。

絕緣材料發(fā)生沿面閃絡(luò)后，閃絡(luò)電弧會對絕緣材料表面產(chǎn)生破壞，甚至導(dǎo)致絕緣材料因外絕緣退化而引發(fā)故障。文獻(xiàn)[5]研究了重復(fù)微秒脈沖下環(huán)氧樹脂表面在空氣中老化特性，發(fā)現(xiàn)隨著老化時間的積累，材料表面由老化形成顆粒狀物數(shù)量變多，外形變大，水接觸角變小。文獻(xiàn)[6]研究了高海拔環(huán)境下聚合物的電痕破壞現(xiàn)象，指出聚合物沿面閃絡(luò)產(chǎn)生的熱量等因素會使材料表面分解碳化，從而形成局部的導(dǎo)電“電痕”，而且這種破壞程度隨著氣壓的變化而變化。文獻(xiàn)[7]指出，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(G/R)在液氮中的沿面閃絡(luò)電弧會改變其表面狀況，同時使環(huán)氧樹脂基體發(fā)生分解，改變了表面電阻率。但是，目前針對絕緣材料在不同電場下閃絡(luò)前后的表面物化特性的研究不夠充分。

本文以硅橡膠(SR)為例，采用針-針、針-板、棒-棒、棒-板4種電極，進(jìn)行了不同氣壓及不同放電距離下的正極性直流沿面閃絡(luò)實驗，通過韋伯分布統(tǒng)計方法分析不同實驗條件下閃絡(luò)電壓的變化規(guī)律，結(jié)合原子力顯微鏡(AFM)和傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)，觀測并分析了不同電場下閃絡(luò)前后硅橡膠表面的形貌特征和化學(xué)特性。整個實驗有助于對絕緣材料沿面閃絡(luò)過程的進(jìn)一步理解，同時為絕緣材料改性及提高絕緣材料閃絡(luò)電壓提供實驗基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

圖1 沿面閃絡(luò)實驗裝置Fig.1 Experimental set-up for surface flashover

實驗裝置如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由高壓直流電源(DW-P503-1ACF7，輸出電壓0～50 kV)、保護(hù)電阻(1 MΩ 100 kV)、真空泵、實驗腔體、測量系統(tǒng)等幾部分組成。其中測量系統(tǒng)用于測量閃絡(luò)電壓，包括泰克高壓探頭(P6015A，分壓比1 000∶1)和泰克示波器(DPO2012B采樣頻率1 GHz，帶寬200 MHz)。實驗腔體的材質(zhì)為不銹鋼，腔體內(nèi)部有電極插槽用于固定和更換電極，電極下方有固定絕緣材料的載物臺，腔體外部安裝有二維操作裝置，通過調(diào)節(jié)一維操裝置來調(diào)節(jié)電極之間的距離和材料表面放電位置。

1.2 實驗電極

本文所用針電極、棒電極和板電極材質(zhì)為黃銅，針電極為半圓錐形(底面直徑為0.6 cm，長為3.4 cm)；棒電極為指形(曲率半徑為0.75 cm，長為4 cm)；板電極為兩半圓柱形(直徑分別為1.5 cm和3 cm，長分別為3.25 cm和0.75 cm)。實驗過程中電極平面壓貼在絕緣材料表面。

1.3 實驗過程

實驗在室溫25 ℃，相對濕度為40%下進(jìn)行，所用硅橡膠成片狀，大小為80×40×1.5 mm，實驗前，先用清水沖洗掉硅橡膠切片上的灰塵，然后依次放入丙酮、無水乙醇、去離子水中進(jìn)行超聲清洗。最后放入干燥箱中進(jìn)行烘干處理，以備實驗使用。實驗所需不同氣壓條件由真空泵提供。沿面放電距離分別為3 mm，6 mm和9 mm。加壓時采用均勻升壓法[8]，電壓上升速度為100 V/s，當(dāng)硅橡膠表面發(fā)生閃絡(luò)時，電壓的幅值和波形通過示波器記錄下來，每組實驗重復(fù)操作20次，每次相隔5 min。實驗后，采用原子力顯微鏡和傅立葉變換紅外光譜儀對閃絡(luò)后的硅橡膠表面進(jìn)行物理形貌和化學(xué)特性分析。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 硅橡膠沿面閃絡(luò)特性

圖2為硅橡膠閃絡(luò)電壓的變化圖，可以看出：在不同電場下，電極距離越遠(yuǎn)，閃絡(luò)電壓越大；氣壓越高，閃絡(luò)電壓越大。另外從圖中折線變化過程可以看出，氣壓(50～70 kPa)比較低時，閃絡(luò)電壓隨氣壓升高而緩慢上升，即圖中對應(yīng)直線斜率較低，當(dāng)氣壓增加(90～100 kPa)時，閃絡(luò)電壓隨氣壓上升顯著提高，即圖中對應(yīng)直線斜率較高，這種現(xiàn)象在棒-棒、棒-板電極條件下尤為明顯。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，在50～70 kPa時，氣壓低，電子的平均自由程大，自由程不是影響閃絡(luò)電壓的主要因素，所以隨著氣壓的上升閃絡(luò)電壓上升并不明顯，當(dāng)氣壓到達(dá)90～100 kPa此時單位體積的氣體分子數(shù)增加，導(dǎo)致平均自由程進(jìn)一步減小，相鄰碰撞之間，電子積聚到足夠動能的概率減小，電子的平均自由程已成決定閃絡(luò)電壓大小的主要因素，所以此時氣壓上升，閃絡(luò)電壓顯著升高。但是針-針電極隨著氣壓上升，閃絡(luò)電壓基本成線性增加，而沒有出現(xiàn)上述的那種變化，其中的原因可能是，由于針-針電極電場極不均勻，局部場強(qiáng)大，使得在50～100 kPa范圍內(nèi)影響閃絡(luò)電壓的主要因素是場強(qiáng)，而非電子的平均自由程，所以閃絡(luò)電壓近似成線性增長。以上這種不同因素對閃絡(luò)電壓在不同階段影響程度不同的特點，在絕緣設(shè)計時應(yīng)該特別注意，針對不同特點加以防護(hù)，以提高系統(tǒng)整體絕緣性能。

圖2 硅橡膠不同電場與不同氣壓下的沿面閃絡(luò)電壓Fig.2 Surface flashover voltage of SR under different electric fields and different pressure

2.2 硅橡膠閃絡(luò)電壓的韋伯分布參數(shù)分析

韋伯分布在可靠性理論研究中應(yīng)用頗廣，該分布的物理模型基于最弱環(huán)節(jié)原則，對于二參數(shù)韋伯分布，其累積概率函數(shù)如式(1)所示：

(1)

式中：F(t)為當(dāng)外加電壓不大于t時的絕緣擊穿概率。尺度參數(shù)α可用于描述絕緣系統(tǒng)的閃絡(luò)電壓特征值。形狀參數(shù)β可用來表征絕緣系統(tǒng)對電壓升高的敏感性。

對式(1)整理可得，

(2)

當(dāng)測試樣本足夠多時，可認(rèn)為累計擊穿概率近似等于擊穿電壓不大于t的樣本所占總體的百分比。即定義閃絡(luò)電壓Ui下的累積閃絡(luò)概率為

(3)

式中：ni為閃絡(luò)電壓不高于Ui的樣本數(shù)目；n為測試樣本容量。

然而由于實際條件限制，在實驗中樣本容量總是有限的。為使小樣本的統(tǒng)計盡量接近總體分布，對于韋伯分布，引入“失效等級”概念，即通過樣本的擊穿百分?jǐn)?shù)來估計總體的累積擊穿概率。將試樣按照閃絡(luò)電壓升序排列，則每個閃絡(luò)電壓對應(yīng)的序號稱為“失效序數(shù)”。此時閃絡(luò)電壓為Ui時的樣本累積擊穿概率可由下式表述：

(4)

式中：失效序數(shù)i表示Ui在整體樣本閃絡(luò)電壓中的排序。若出現(xiàn)若干樣本的閃絡(luò)電壓相等，則賦予這些樣本相同的失效序數(shù)。為減少小樣本容量帶來的誤差，本文使用中位秩計算失效等級，其計算公式如式(5)所示。

(5)

本文每組參數(shù)下取20組實驗數(shù)據(jù)(閃絡(luò)電壓)。將每組電壓數(shù)據(jù)由小到大排序，由式(5)計算每組電壓下的累積閃絡(luò)概率。將閃絡(luò)電壓和累積閃絡(luò)概率數(shù)據(jù)代入式(2)的X和Y中，利用最小二乘擬合方法得到Y(jié)與X的關(guān)系：

Y=aX+b

(6)

則尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β可分別由下式得到：

(7)

硅橡膠在不同條件下正極性沿面直流閃絡(luò)電壓的韋伯分布擬合情況如圖3和圖4所示。對閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)處理，得到各特征參數(shù)如表1和表2所示。

圖3 空氣中硅橡膠沿面閃絡(luò)電壓的韋伯分布Fig.3 Webb distribution of SR surface flashover voltage in air

圖4 70 kPa中硅橡膠沿面閃絡(luò)電壓的韋伯分布Fig.4 Webb distribution of SR surface flashover voltage under 70 kPa

由擬合圖可見，在不同電極、不同放電距離下的數(shù)據(jù)擬合呈現(xiàn)出直線形態(tài)，并且大部分點都在所擬合的直線上或者周圍，表示X和Y的線性程度較好，驗證了硅橡膠在大氣中和低氣壓下的直流閃絡(luò)電壓服從韋伯分布。

表1 空氣中閃絡(luò)電壓韋伯分布參數(shù)

表2 70 kPa中閃絡(luò)電壓韋伯分布參數(shù)

尺度參數(shù)α的值等于沿面閃絡(luò)概率密度函數(shù)最大時的閃絡(luò)電壓，與電壓有相同的量綱，即韋伯分布的閃絡(luò)電壓特征值U0，且此時的累積閃絡(luò)概率為0.632。比較電極之間的閃絡(luò)電壓特征值可知，同種電極隨著放電間距增大，閃絡(luò)電壓特征值變大；隨著氣壓的降低，閃絡(luò)電壓特征值降低，相同條件下，針-針電極的閃絡(luò)電壓特征值在四種電極類型中最小，這是由于針-針電極為極不均勻電場，同等電壓下局部場強(qiáng)更大，容易產(chǎn)生電子的發(fā)射，從而利于沿面閃絡(luò)的發(fā)展。

形狀參數(shù)β的值等于圖3和圖4中擬合直線的斜率，代表擊穿概率隨外加電壓增大的變化速率。比較表1和表2中的形狀參數(shù)可知，本實驗中，四種電極對應(yīng)β的值，針-針電極對應(yīng)β的值最大，即表明針-針電極對電壓的升高更加敏感。這是由于針電極端部的電場強(qiáng)度較棒電極高得多，對于增加等量的外加電壓，針-針電極間電場強(qiáng)度增幅比較大，對應(yīng)的β值較其他電極對應(yīng)的β值大。

由此可見，尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β可表征不同電場下材料的沿面絕緣性能。Horatio Rodrigo等人用韋伯分布研究了平板電極間不同直徑圓柱絕緣子在不同溫度下的閃絡(luò)電壓的尺度參數(shù)與形狀參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)實驗中低溫環(huán)境下對應(yīng)的參數(shù)大于高溫條件下的參數(shù)，這是由于溫度變化導(dǎo)致絕緣材料的相對介電常數(shù)改變[9]。Wilson等人利用三參數(shù)韋伯分布研究了不同材料在不同電場下以脈沖源作為激勵的閃絡(luò)電壓規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在同等條件下不同材料的形狀參數(shù)β的值不同，可以根據(jù)β值的大小來比較不同材料累積閃絡(luò)概率隨著外加電壓的敏感性，且極不均勻電場下的β值較大，另外閃絡(luò)電壓高對應(yīng)的尺度參數(shù)與位置參數(shù)之和較大的趨勢與本文所用二參數(shù)韋伯分布的尺度參數(shù)變化規(guī)律類似[10]。綜上所述，可以通過韋伯參數(shù)值來的衡量這個系統(tǒng)的閃絡(luò)特性。

2.3 硅橡膠表面閃絡(luò)前后的物理特性

本文主要以空氣中，在3 mm間距棒-棒電極和針-針電極下閃絡(luò)20次前后的硅橡膠為例，進(jìn)行了AFM測試(掃描區(qū)域選定為30×30 μm)，并做相應(yīng)分析。

圖5 硅橡膠閃絡(luò)前AFM觀測圖Fig.5 AFM images of SR before flashover

圖6 空氣中棒-棒電極閃絡(luò)后AFM觀測圖Fig.6 AFM images of rod-rod electrode flashover in air

圖7 空氣中針-針電極閃絡(luò)后AFM觀測圖Fig.7 AFM images of pin-pin electrode flashover in air

圖5為閃絡(luò)前硅橡膠表面形貌，由圖可以看出，材料自身微觀表面非絕對平滑，局部出現(xiàn)一些毛刺，略成褶皺狀，但材料表面上各個部分落差小，總體表面高低起伏變化不大，較為平整。圖6為空氣中棒-棒電極下硅橡膠表面閃絡(luò)后的AFM圖像，可以看出，材料表面起伏程度發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)了類似“山嶺”的條狀帶，這些條狀帶延伸至表面很廣的范圍，這可能是在放電過程中，電弧放電產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致材料表面因受熱而變形所致。圖7為空氣中針-針電極下硅橡膠表面閃絡(luò)后的AFM圖像，硅橡膠表面變化較之前更加明顯，出現(xiàn)了大范圍溝壑和凸起，這些變深、變廣溝壑和凸起說明閃絡(luò)對材料表面形貌產(chǎn)生顯著影響。

為了解材料表面的微觀形貌，本文借助NanoScope Analysis軟件計算了材料表面的粗糙度。如圖8所示為硅橡膠表面的表面粗糙度的平均值(觀測點附近，測量5個點取平均值)，由圖可知，閃絡(luò)前的材料表面粗糙度比較小，約為45 nm，閃絡(luò)后的材料表面的粗糙度發(fā)生變化，表面粗糙度增加，即閃絡(luò)過程改變了硅橡膠表面形貌，尤其是針-針電極，其閃絡(luò)后材料表面粗糙度達(dá)到了400 nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于閃絡(luò)前材料表面的粗糙度。上述原因可能是：由于針-針電極端為極不均勻電場，局部場強(qiáng)較大，其針端放電電弧能量高，電弧產(chǎn)生的熱量對材料表面產(chǎn)生嚴(yán)重的灼燒，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)凹凸不平的溝壑和凸起，而棒電極端為稍不均勻電場，局部場強(qiáng)較低，且端部產(chǎn)生的電弧能量比較分散，所以在相同的放電次數(shù)下，針電極下材料表面的凹凸起伏變化程度要比棒電極明顯。

圖8 不同電極閃絡(luò)下的硅橡膠表面粗糙度Fig.8 Surface roughness of SR under different electrode flashover

前面論述了不同情況的閃絡(luò)對材料表面的影響程度，相關(guān)研究如：重慶大學(xué)的廖瑞金等人研究了局部放電對油浸絕緣紙表面損傷特性，發(fā)現(xiàn)不同損傷階段絕緣表面形貌特性不同，材料表面三維粗糙度先下降后上升，提出以不同階段表面形貌特點為參考信息，用來判斷油浸絕緣紙表面狀況及缺陷發(fā)展?fàn)顩r[11]。武漢大學(xué)的劉洋研究了不同電暈時間下硅橡膠的老化試驗，發(fā)現(xiàn)隨著電暈老化時間的增加，硅橡膠表面逐漸變粗糙，在電暈的作用下表面由整體變?yōu)閴K狀，出現(xiàn)深度不同的陷阱，表面粗糙度增加[12]。這些研究說明閃絡(luò)對材料表面會產(chǎn)生多方面的影響，結(jié)合本文針對不同電場閃絡(luò)前后表面粗糙度的研究，為探索閃絡(luò)對聚合物材料表面的微觀影響補(bǔ)充了數(shù)據(jù)。

此外須注意到，閃絡(luò)對材料表面粗糙度產(chǎn)生影響，反過來表面粗糙度的改變會進(jìn)一步影響閃絡(luò)電壓，但目前表面粗糙度對絕緣材料閃絡(luò)特性的影響尚無定論，相關(guān)研究顯示材料表面粗糙度對沿面閃絡(luò)的發(fā)展起著促進(jìn)與阻礙的雙重作用。例如郎艷等人研究發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙度的增加，有機(jī)玻璃的真空沿面閃絡(luò)電壓呈先減小后增大[13]，丁立健等人采用碳化硅磨料對氧化鋁陶瓷進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn),如果材料的表面粗糙度越高，則其真空沿面閃絡(luò)電壓越低[14]。結(jié)合本文上述內(nèi)容，可為研究閃絡(luò)電壓與表面粗糙度的關(guān)系提供參考。

2.4 硅橡膠表面閃絡(luò)前后的化學(xué)特性

傅里葉紅外光譜(FTIR)測試技術(shù)可對有機(jī)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，本文以空氣中間距3 mm棒-棒電極和針-針電極下閃絡(luò)20次前后的硅橡膠為例，對其進(jìn)行了傅立葉變換紅外光譜測試，并做相應(yīng)分析。硅橡膠的分子式非常簡單，主鏈由Si—O—Si組成，側(cè)鏈由—CH3組成[15]。硅橡膠的化學(xué)基團(tuán)和其在紅外光譜中對應(yīng)的吸收峰波數(shù)如表3所示。圖9為空氣中不同電極下硅橡膠閃絡(luò)前后的紅外光譜圖，由圖可以看出，硅橡膠表面的紅外譜圖在波數(shù)為500～1 500 cm-1之間有三個波峰段，依次對應(yīng)Si(CH3)2、Si—O—Si、Si—CH3三個官能團(tuán)。通過吸光度大致可以預(yù)知三個官能團(tuán)在硅橡膠表面的含量。

本文以Si-(CH3)2官能團(tuán)為例，并作出其對應(yīng)吸收峰的放大圖，從圖中可以看出，在兩種電極下放電后，硅橡膠表面Si-(CH3)2官能團(tuán)含量有所降低，且針-針電極下Si-(CH3)2的含量少于棒-棒電極。可以分析，由于發(fā)生沿面放電，大量的高速粒子頻繁撞擊材料表面，導(dǎo)致硅橡膠表面的Si-C鍵和C-H鍵發(fā)生斷裂，這些斷裂開的化學(xué)鍵與空氣中的氧氣分子等反應(yīng)，導(dǎo)致表面Si-(CH3)2的含量有所降低，結(jié)合AFM可知，閃絡(luò)后，材料表面的形貌發(fā)生了變化，可見閃絡(luò)不僅改變了其表面的物理結(jié)構(gòu)，而且也破壞了材料表面的化學(xué)鍵。而在針電極下，由于針尖的電弧能量比棒電極下的電弧能量要強(qiáng)，所以更加容易破壞Si-C鍵和C-H鍵，這樣經(jīng)過相同的放電次數(shù)，針-針下Si-(CH3)2減少的含量要高于棒-棒電極下Si-(CH3)2減少的含量。

表3 硅橡膠近似吸收峰波數(shù)及對應(yīng)官能團(tuán)

Tab.3 Approximate absorption peak wave numbers and functional groups of SR

官能團(tuán)近似吸收峰對應(yīng)波數(shù)/cm-1Si-CH31255～1270Si-(CH3)2700～800Si-O-Si1000～1100

圖9 空氣中硅橡膠的FTIR圖譜Fig.9 The FTIR micrographs of SR in air

總之，不同程度的放電，會對聚合物表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響，文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)絕緣子老化越嚴(yán)重，Si-CH3和Si-O-Si吸收峰面積越小，提出用外觀檢查的方法和基團(tuán)對應(yīng)吸收峰面積對絕緣子老化等級的進(jìn)行劃分。華北電力大學(xué)的梁英等人指出理論上，復(fù)合絕緣子側(cè)鏈Si-(CH3)2較易受外界應(yīng)力的作用而斷裂，即以側(cè)鏈Si-(CH3)2的含量變化來反映絕緣子的老化狀態(tài)較為靈敏，并計算了不同電壓等級下復(fù)合絕緣子不同位置傘裙FTIR譜圖，發(fā)現(xiàn)老化程度越高的地方Si-(CH3)2吸收峰的面積越小[17]。上述觀點與本文的結(jié)論有類似之處，說明研究閃絡(luò)前后聚合物表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，對評判材料的狀況有一定參考價值。

復(fù)合絕緣子閃絡(luò)在電力系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生，閃絡(luò)電弧會使聚合物降解，放電對硅橡膠產(chǎn)生物理化學(xué)腐蝕，造成有機(jī)分子鏈內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂，改變了絕緣介質(zhì)的性能。研究硅橡膠閃絡(luò)前后化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，為探索閃絡(luò)電壓變化的原因，改進(jìn)硅橡膠的生產(chǎn)工藝及硅橡膠掛網(wǎng)應(yīng)用提供借鑒。

3 結(jié) 論

(1)實驗條件下，硅橡膠沿面閃絡(luò)電壓隨著氣壓與放電距離的增加而升高，且此過程中不同階段二者對硅橡膠閃絡(luò)電壓影響程度不同。

(2)不同電場下的硅橡膠直流閃絡(luò)電壓服從韋伯概率分布，而且可以通過韋伯分布中的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β來判別不同電場下硅橡膠的沿面絕緣性能。

(3)硅橡膠發(fā)生沿面閃絡(luò)后，由于電弧灼燒，其表面溝壑和凸起程度增加，表面粗糙度上升，Si-(CH3)2等官能團(tuán)含量降低，同等條件下，電場不均勻度越高，現(xiàn)象越明顯。

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DC Surface Flashover of Silicon Rubber and Its Influence on the Physical and Chemical Characteristics of the Material Surface

XIE Qing, HU Zhiliang, RAN Huijuan, REN Jie, LU Lu, WANG Younan, JIAO Yufeng

(Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The research on surface flashover properties of insulation material and physical and chemical characteristics before and after flashover will be helpful for further understanding of the flashover process, which can provide references for the study on reducing the influence of surface flashover on materials and improving the flashover voltage of the material. So, taking the silicon rubber as example, the law of flashover voltage was explored by using the Weibull distribution statistics method, and the surface properties of the silicon rubber were analyzed by atomic force microscope and Fourier transform infrared spectrum technology. The result shows that flashover voltage increases with increasing pressure and arcing distance, and in the different stages of the process, the two factors have different impacts on flashover voltage. The flashover voltage under different electric field obeys two-parameter Weibull probability distribution. The scale parameterαand shape parameterβcan be applied to characterize the surface insulating properties of the material under different electric fields. After the surface flashover, the surface roughness of silicone rubber increased, the content of functional group, Si-(CH3)2, decreased. It is more obvious when the electric field is uneven under the same condition.

DC flashover; different electric fields; Weibull distribution; physical and chemical characteristics

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.05

2016-05-10.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51307060, 51507066)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助(2016ZZD07)；河北省自然科學(xué)基金項目(E2015502081)；新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金項目(LAPS16009).

TM89

A

1007-2691(2017)01-0031-08

謝 慶(1979-),男，副教授，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)；胡志亮(1990-),男，碩士研究生，研究方向為電工理論與新技術(shù)；冉慧娟(1979-),女，講師，研究方向為高電壓絕緣技術(shù)與放電等離子體；任 潔(1994-),女，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)；陸 路(1993-),男，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)；王幼男(1993-),男，碩士研究生，研究方向為電工理論與新技術(shù)；焦羽豐(1993-),男，碩士研究生，研究方向為電工理論與新技術(shù)。