界面接觸狀態(tài)和溫度對(duì)電纜附件界面擊穿電壓和形態(tài)特性影響研究

吳 凱， 吳少雷， 馮 玉， 張?zhí)旆澹?池正南

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引 言

2021 年我國首次將“雙碳”目標(biāo)寫入政府工作報(bào)告，意味著現(xiàn)階段能源的利用開始向低碳化、清潔化方向轉(zhuǎn)變[1]。近年來，隨著海上風(fēng)電的戰(zhàn)略地位不斷提高，應(yīng)用于大陸與海島供電系統(tǒng)中的海底電纜需求也不斷增加[2-4]。電纜系統(tǒng)通常包括電纜本體和電纜附件，在常用的電纜系統(tǒng)中，附件絕緣和電纜本體主絕緣通常采用不同的材料，使得電纜附件中存在多處不同絕緣介質(zhì)界面。其中內(nèi)屏蔽罩與外應(yīng)力錐之間的界面最為關(guān)鍵，通常由內(nèi)部的絕緣層和外部的附件絕緣層組成，一般“電纜接頭界面”均指該區(qū)域的界面。事實(shí)上，電纜本體與附件絕緣之間易發(fā)生沿面放電的擊穿，導(dǎo)致電纜附件成為整個(gè)電纜系統(tǒng)中最薄弱的地方[5-10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約70%的電纜故障是由電纜附件的故障引起[11-12]。不同于單一介質(zhì)絕緣體表面的擊穿，電纜附件內(nèi)的復(fù)合界面擊穿不僅與介質(zhì)材料的絕緣性能有關(guān)，復(fù)合界面的接觸狀態(tài)和界面間隙填充物也是導(dǎo)致界面擊穿的重要因素。

隨著電纜的大量使用，電纜接頭雙層介質(zhì)界面擊穿故障逐漸引起研究人員的重視，已有學(xué)者針對(duì)電纜附件界面失效機(jī)理展開了研究。D FOURNIER 等[13-15]研究了雙層介質(zhì)界面的交流擊穿特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面擊穿電壓隨著界面壓強(qiáng)的增大而增大，而老化會(huì)降低界面壓強(qiáng)，從而使得界面擊穿電壓降低。E KANTAR 等[16-18]針對(duì)界面粗糙度、界面壓力、材料彈性模量和復(fù)合介質(zhì)填充物對(duì)雙層介質(zhì)界面擊穿強(qiáng)度的影響開展了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面交流擊穿電壓隨著界面壓強(qiáng)的增大而增大，彈性模量越小，其對(duì)界面壓強(qiáng)的影響越顯著。此外，還發(fā)現(xiàn)使用絕緣油充滿界面空腔有利于提高界面擊穿電壓。杜伯學(xué)課題組[19-21]研究分析了雙層介質(zhì)界面擊穿電壓隨粗糙度、界面壓強(qiáng)等因素的變化，并基于分形維數(shù)研究了XLPE 表面的破壞現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面粗糙程度越大，界面放電光越強(qiáng)，電痕破壞通道越寬。另外，電痕的破壞通道隨著壓力的增加而變窄且更加規(guī)則。

目前研究學(xué)者針對(duì)界面粗糙度、界面壓強(qiáng)對(duì)雙層介質(zhì)界面擊穿電壓的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，而關(guān)于界面接觸狀態(tài)和溫度對(duì)界面擊穿電壓以及擊穿特性的研究還有所缺乏。因此，本文選取電纜附件用絕緣材料硅橡膠（silicone rubber, SR）和聚乙烯（polyethylene, PE）材料，搭建多物理場下界面擊穿試驗(yàn)平臺(tái)，研究在交流電壓下，不同界面粗糙程度、不同界面壓強(qiáng)及不同溫度對(duì)SR/PE復(fù)合界面擊穿電壓的影響規(guī)律，對(duì)擊穿后的界面進(jìn)行拍攝，分析不同條件下界面擊穿形態(tài)的微觀特性；基于此，對(duì)多物理場下SR/PE 界面擊穿的影響過程進(jìn)行分析與討論。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料及試樣制備

采用中藍(lán)晨光的雙組分液體硅橡膠為原材料，制備厚度為2 mm 的塊狀樣品。首先以1∶1 的質(zhì)量比稱取雙組分SR，將其放入懸臂式攪拌器攪拌20 min 以上，使其充分混和；接著將混合完成的原料放入真空干燥箱處理10 min，以去除材料中的氣泡；最后將原料注入模具，使用平板硫化機(jī)在165℃、5 MPa 下進(jìn)行硫化，得到尺寸為40 mm×40 mm×2 mm的試驗(yàn)樣品。

選用萬河塑膠絕緣材料公司的PE 材料，從PE上切取長寬均為40 mm、厚度為1 mm 的薄片作為試驗(yàn)樣品。之后分別使用80、400、600、1 000、2 000目的磨砂紙對(duì)PE樣品進(jìn)行打磨，并使用無水乙醇進(jìn)行清洗，制成5 種不同粗糙度的薄片試樣。根據(jù)界面粗糙度的不同，將打磨完的聚乙烯試樣分別記為PEg80、PEg400、PEg600、PEg1000、PEg2000，而SR/PEg80則代表由SR試片與80目磨砂紙打磨過的PE試片組成的復(fù)合樣品，其余樣品命名方式以此類推。

圖1(a)、(b)分別為SR/PE 雙層介質(zhì)界面試樣布置和界面電極布置。使用厚度為0.05 mm 的銅箔作為界面電極，采用尖-板電極模型，其具體參數(shù)如圖1(b)所示。

圖1 SR/PE界面試樣布置和界面電極布置Fig.1 SR/PE interface specimen arrangement and interfacial electrode arrangement

1.2 界面擊穿試驗(yàn)

為了對(duì)試樣施加一定的壓力，本文采用如圖2所示的界面施壓裝置。該裝置主要由3塊有機(jī)玻璃板、環(huán)氧樹脂材料的螺栓和螺母以及壓力傳感器組成。有機(jī)玻璃板四角的孔徑略大于螺栓直徑，故螺栓與玻璃板之間的力可以忽略不計(jì)。上兩片板中間放置試樣，下兩片板之間放置壓力傳感器。試驗(yàn)前旋緊螺母，壓力通過螺栓傳至板間。壓力傳感器的示數(shù)即可認(rèn)為是試樣所受的力。

圖2 界面施壓裝置和樣品布置Fig.2 Interfacial pressure application device and sample arrangement

圖3 為交流電壓下的界面擊穿試驗(yàn)平臺(tái)，由交流高壓電源、調(diào)壓器、交流阻容分壓器、保護(hù)電阻、試驗(yàn)區(qū)域等組成。試驗(yàn)區(qū)域主要包括SR/PE界面試樣、烘箱以及界面施壓裝置。

圖3 界面擊穿試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Interfacial breakdown testing platform

界面粗糙度和界面壓強(qiáng)組的試驗(yàn)均在25 ℃、70%濕度下進(jìn)行。界面溫度組的溫度通過圖3中試驗(yàn)區(qū)域中的鼓風(fēng)干燥箱控制。試驗(yàn)前，將樣品放置在干燥箱中靜置30 min 使其充分受熱。試驗(yàn)中采用短時(shí)快速加壓的方式，以0.5 kV/s 的升壓速率進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。不同的變量組分別進(jìn)行10 次擊穿試驗(yàn)，將10 次擊穿電壓取平均值作為該變量下SR/PE界面的擊穿電壓。將擊穿后的PE、SR 界面放置在光學(xué)顯微鏡下觀察擊穿通道。

2 結(jié)果與討論

2.1 粗糙度對(duì)界面擊穿電壓和形態(tài)的影響

圖4 為不同粗糙程度的SR/PE 試樣在0.1 MPa壓強(qiáng)下的界面擊穿電壓分布規(guī)律。從圖4 可以看出，SR/PEg2000 樣品的界面擊穿電壓最高為17.7 kV，而SR/PEg80 樣品的界面擊穿電壓僅為10.1 kV。試驗(yàn)結(jié)果表明雙層介質(zhì)界面的擊穿電壓受界面粗糙度的影響顯著，界面越光滑越有利于提高界面的擊穿電壓。此外，由于未打磨的PE樣品在制備過程中表面難免會(huì)存在一些劃痕、微凹槽等缺陷[21]，界面的光滑程度反而不如由細(xì)密的2 000 目磨砂紙打磨的PE 界面，因此其擊穿電壓低于SR/PEg2000樣品。

圖4 不同粗糙度下的界面擊穿電壓Fig.4 Interfacial breakdown voltage under different roughness

圖5 為PE 和SR 界面的接觸示意圖。實(shí)際在粗糙面接觸時(shí)，都是由表面上最高的微凸體先接觸，因此兩個(gè)介質(zhì)界面的接觸可視為粗糙面上不規(guī)則的微凸體之間的接觸[22]。從圖5(a)可以看出，使用80 目磨砂紙打磨的PE 表面的微凸體高度隨機(jī)分布，PE與SR 的真實(shí)接觸面積較小，界面間隙數(shù)量少但尺寸大。間隙中的氣體是影響界面擊穿的重要因素，與固體介質(zhì)相比，空氣的介電常數(shù)較小，導(dǎo)致空氣在更低的電壓下引發(fā)局部放電和擊穿，因此試樣SR/PEg80 的界面擊穿電壓最低。從圖5(b)可知，使用2 000 目磨砂紙打磨的PE 板表面光滑，PE 表面的微凸體高度分度較為規(guī)整，PE 與SR 的真實(shí)接觸面積較大，界面間隙的數(shù)量多且尺寸小，總的間隙體積小，因此SR/PEg2000擊穿電壓高。

圖5 SR和PE的接觸原理圖Fig.5 Schematic diagram of contact between SR and PE

圖6 為不同粗糙度下SR/PE 樣品界面擊穿后的圖像，其中(a1)～(a5)為PE 界面，(b1)～(b5)為SR 界面，圖像中棕黃略帶黑色的部分為碳化區(qū)域。從圖6 可以明顯看出碳化區(qū)域的碳痕主要留在PE 表面，而在SR表面的碳痕相較于PE表面并不明顯。因此后續(xù)主要針對(duì)擊穿后的PE 界面的擊穿形態(tài)圖像進(jìn)行分析。

圖6 不同粗糙度下PE/SR樣品界面擊穿后的圖案Fig.6 Interfacial images of PE/SR samples after breakdown under different roughness

圖7 給出了雙層介質(zhì)界面碳痕演變的示意圖。隨著界面電壓的升高，間隙中的氣體率先被擊穿，出現(xiàn)放電現(xiàn)象。隨著放電的進(jìn)行，高能粒子產(chǎn)生的能量使得PE 材料表面的C=C、C-H 鍵逐漸被打斷，缺陷表面開始出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，碳顆粒隨著碳化析出隨機(jī)附著在PE 表面。隨著電壓的不斷升高，PE 表面碳化越來越嚴(yán)重，界面的碳顆粒逐漸聯(lián)結(jié)形成碳痕。隨著電場的進(jìn)一步增大，碳化現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，最終界面的碳顆粒相互連接成一個(gè)完整的通道貫穿整個(gè)界面，又由于碳顆粒具有一定的導(dǎo)電性，此時(shí)相當(dāng)于將高壓電極和接地極短路，導(dǎo)致界面絕緣完全失效。

圖7 界面碳痕演變示意圖Fig.7 Schematic diagram of interfacial carbon trace evolution

此外，從圖6(a1)～(a5)可以發(fā)現(xiàn)，隨著界面光滑程度的提高，碳化區(qū)域減小。這是因?yàn)樘蓟瘏^(qū)域的大小與放電的隨機(jī)性相關(guān)。界面越光滑，PE 和SR界面間的間隙總尺寸越小，使得放電的隨機(jī)性降低，從起始放電到界面擊穿，所有的放電路徑幾乎在同一位置，同一位置的界面被反復(fù)破壞，致使碳化現(xiàn)象出現(xiàn)的地方集中，即碳化區(qū)域減小[21]。

2.2 壓強(qiáng)對(duì)界面擊穿電壓和形態(tài)的影響

圖8 為SR/PEg400 樣品在0.05、0.075、0.10、0.20及0.30 MPa壓強(qiáng)下的界面擊穿電壓。從圖8可以看出，在0.05 MPa 的界面壓強(qiáng)下，界面的擊穿電壓最低為5.9 kV。當(dāng)壓強(qiáng)增大至0.10 MPa 時(shí)，界面擊穿電壓快速上升至11.1 kV，上升幅度為88.1%。后期隨著界面壓強(qiáng)的進(jìn)一步上升，擊穿電壓上升幅度減緩，當(dāng)界面壓強(qiáng)上升至0.30 MPa時(shí)，擊穿電壓提高至13.0 kV，相較于0.10 MPa 下的擊穿電壓僅上升了17.1%。

圖8 不同壓強(qiáng)下SR/PEg400樣品界面擊穿電壓分布Fig.8 Interfacial breakdown voltage of SR/PEg400 sample interface under different pressures

J A GREENWOOD等[23-24]基于Hetz 彈性接觸理論建立了粗糙表面接觸的Greend-Williamson（GW）模型。根據(jù)G-W 模型可以估算出SR/PE 雙層介質(zhì)界面在不同狀態(tài)下界面接觸的特征量，其中彈性接觸條件下真實(shí)接觸面積與界面壓強(qiáng)的定義如式（1）所示[25]。

式（1）中：Ar為真實(shí)接觸面積；Aa為理論接觸面積；Pa為界面壓強(qiáng)；E*為復(fù)合界面的彈性模量；σ為微凸體高度的均方差；βm為微凸體平均曲率半徑。

當(dāng)界面壓強(qiáng)較小時(shí)，復(fù)合界面存在著大量的間隙，而間隙中氣體的介電常數(shù)小于PE或者SR，因此界面電場分布極不均勻。由于氣隙的擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于固體材料，界面更容易放電[26]。而增大界面壓強(qiáng)時(shí)，由式（1）可知雙層介質(zhì)界面的真實(shí)接觸面積Ar增大（其中Aa為定值），間隙中的氣體體積減小，這時(shí)界面電場的分布變均勻，放電也不容易產(chǎn)生。因此增加界面壓強(qiáng)有利于提升界面的絕緣性能[20,27]。

圖9為不同壓強(qiáng)下PE界面的擊穿形態(tài)。

圖9 不同壓強(qiáng)下PE擊穿后的界面圖像Fig.9 Interfacial images after breakdown of PE under different roughness

由圖9可知，當(dāng)界面壓強(qiáng)為0.05 MPa時(shí)，擊穿形態(tài)并沒有明顯的碳化區(qū)域。這是因?yàn)榈蛪簭?qiáng)下，復(fù)合界面的間隙較大，此時(shí)擊穿電壓較低，產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象至界面完全被擊穿的時(shí)間間隔較短，所以界面碳化現(xiàn)象并不嚴(yán)重。當(dāng)界面壓強(qiáng)增大到0.075 MPa 時(shí)，隨著電壓的逐漸升高，伴隨著局部放電產(chǎn)生的高能粒子，碳顆粒開始在PE 表面積聚，此時(shí)由于界面產(chǎn)生起始放電至擊完全擊穿具有明顯的時(shí)間間隔，界面上的碳顆粒逐漸聯(lián)結(jié)出現(xiàn)了明顯的碳化現(xiàn)象。隨著界面壓強(qiáng)的進(jìn)一步增大，界面碳化區(qū)域逐漸減小。雖然高壓強(qiáng)下?lián)舸╇妷河兴嵘?，但其提升幅度較小，如圖8所示。此時(shí)，間隙隨著壓強(qiáng)的增大而大幅減小，界面放電的隨機(jī)性較弱，因此界面碳化區(qū)域減小[26]。

2.3 溫度對(duì)界面擊穿電壓和形態(tài)的影響

本試驗(yàn)在0.1 MPa的壓強(qiáng)下分別測試了25、40、55、70、85℃下SR/PEg400 樣品的擊穿電壓，結(jié)果如圖10 所示。從圖10 可以看出，25℃時(shí)界面的擊穿電壓最高，達(dá)到11.1 kV。

圖10 不同溫度下SR/PEg400樣品的界面擊穿電壓Fig.10 Interfacial breakdown voltage of SR/PEg400 sample under different temperatures

根據(jù)固體介質(zhì)的陷阱理論，介質(zhì)的能帶在外加電場的作用下發(fā)生傾斜，載流子通過尖電極按照Richardson-Schottky 定律[28]以熱電離的方式注入雙層介質(zhì)界面。此外，聚乙烯或者硅橡膠材料表面難免會(huì)存在缺陷，隨著溫度的升高，缺陷俘獲的載流子受熱激發(fā)獲得足夠的能量后越過勢壘到達(dá)雙層介質(zhì)界面[29]，從而引發(fā)載流子激增。

文獻(xiàn)[30]提出擊穿場強(qiáng)與聚合物的自由體積有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，介質(zhì)表面材料的自由體積增多，載流子平均自由行程增加，促使電離更加容易，此時(shí)界面擊穿速率更快，因此當(dāng)溫度為40℃時(shí)擊穿電壓明顯下降。

如圖10 所示，隨著溫度的進(jìn)一步上升，擊穿電壓并未顯著下降。PE 的熔點(diǎn)在85～110℃范圍內(nèi)，此時(shí)溫度逐漸接近PE 材料的熔點(diǎn)，使得PE 表面變得柔軟。在一定界面壓力的作用下，PE 和SR 之間界面的真實(shí)接觸面增大，界面的間隙減小。此時(shí)的界面載流子雖然增多，但由于界面間隙減小，載流子平均自由行程減小，在外電場的作用下載流子獲得的能量不足以引起電離至界面擊穿，因此在高溫下界面擊穿電壓并未顯著下降。

圖11 為不同溫度下PE 界面的擊穿形態(tài)。從圖11 可以看到，隨著溫度從25℃升高至55℃，界面碳化區(qū)域變大，顏色更深。這是因?yàn)闇囟壬撸缑骈g隙中氣體的熱電離更劇烈，導(dǎo)致界面放電更劇烈，PE 界面的分子鏈斷裂嚴(yán)重，所以界面的碳化區(qū)域更大。而隨著溫度的進(jìn)一步上升，由于材料軟化導(dǎo)致界面接觸面積上升，間隙尺寸減小，間隙中氣體分子數(shù)量減少，導(dǎo)致界面放電概率下降，從而對(duì)界面的破壞能力減弱，因此界面碳化區(qū)域減小。

圖11 不同溫度下PE擊穿后的界面圖像Fig.11 Interfacial images after breakdown of PE under different temperatures

3 結(jié) 論

本文針對(duì)不同界面接觸狀態(tài)和溫度對(duì)SR/PE雙層介質(zhì)界面的擊穿電壓和形態(tài)進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）SR/PE 雙層介質(zhì)界面擊穿后的碳痕主要留在PE板表面。

（2）PE 界面光滑程度越高，SR/PE 界面擊穿電壓越高，且PE界面的碳化區(qū)域越小；界面壓強(qiáng)越大，雙層介質(zhì)界面擊穿電壓越高，而PE界面的碳化區(qū)域呈先增大后減小的趨勢。

（3）SR/PE 雙層介質(zhì)的界面擊穿電壓隨溫度的升高整體呈下降的趨勢。由于溫度的升高，SR變得更加柔軟，在一定壓力下SR/PE 的真實(shí)接觸面積增大，導(dǎo)致界面的擊穿電壓沒有明顯下降。此外，隨著溫度的升高，PE界面碳化面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。