不同壓力和溫度下電纜用乙丙橡膠絕緣的極化電流研究

龔華勇， 楊國(guó)濤， 嚴(yán)鶴翔

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水市蓮都區(qū)供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引 言

乙丙橡膠（ethylene propylene diene monomer，EPDM）具有優(yōu)異的抗氧化、耐臭氧、耐熱、耐水和耐候特性，同時(shí)又保留了橡膠類材料固有的柔軟性，被廣泛應(yīng)用于中、高壓電纜，特別適用于煤礦、核電站、船舶等領(lǐng)域，其用量約占全部電纜的15%[1-2]。在這些場(chǎng)合中，乙丙橡膠絕緣電纜常作為柔性電纜使用，在實(shí)際使用中不可避免地會(huì)受到電、熱、機(jī)械等因素的聯(lián)合作用[3-5]，有時(shí)還會(huì)伴隨著輻射、水分、油等因素的影響，導(dǎo)致乙丙橡膠絕緣結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生缺陷，加速絕緣劣化，引發(fā)電纜故障。因此，研究各種因子共同作用下乙丙橡膠絕緣性能的變化規(guī)律十分必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了多因子作用下乙丙橡膠電纜絕緣性能的研究，其中針對(duì)電、熱、輻照作用下乙丙橡膠絕緣性能變化規(guī)律的研究較多。如針對(duì)核電站中使用的乙丙橡膠電纜，學(xué)者們分析了不同輻照條件下受溫度影響，乙丙橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率、熱性能、抗氧化程度、交聯(lián)度和主鏈斷裂等變化的原因和規(guī)律，結(jié)果表明，輻照和熱老化會(huì)引起乙丙橡膠壽命降低，使其分子鏈中的主鍵斷裂，形成烴基和碳基等自由基[6-9]。此外，周長(zhǎng)亮等[10-11]對(duì)船用乙丙橡膠電纜絕緣在電和熱因子作用下的性能進(jìn)行了研究，建立了基于溫度的壽命評(píng)估模型。王業(yè)等[12]研究了擠壓力和熱因子作用下電纜絕緣用三元乙丙橡膠的介電頻譜，發(fā)現(xiàn)擠壓力和溫度對(duì)直流電導(dǎo)率有明顯影響，從而使乙丙橡膠的復(fù)介電常數(shù)發(fā)生變化。林晨等[13]研究了電、熱、擠壓力聯(lián)合老化后乙丙橡膠的極化去極化電流，給出了老化因子和低頻介質(zhì)損耗因數(shù)與老化時(shí)間的關(guān)系式。ZHOU L等[14]研究了彎曲應(yīng)力和熱因子共同作用下高鐵車載乙丙橡膠電纜的老化特性，得出嚴(yán)重的彎曲將導(dǎo)致乙丙橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率下降，從而影響使用壽命。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同因子作用下乙丙橡膠的理化、老化性能和部分介電性能，為理解不同因子作用下乙丙橡膠性能的變化規(guī)律起到了積極作用。然而針對(duì)應(yīng)力造成的影響，多側(cè)重于研究電、熱、擠壓或彎曲應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)老化后介電性能的變化規(guī)律，既存在所施加機(jī)械應(yīng)力水平較低，也存在介電性能研究不全面的問題。因此，有必要研究更多應(yīng)力水平下乙丙橡膠絕緣各種介電性能的變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估絕緣狀態(tài)提供依據(jù)。

本研究針對(duì)多因子作用下柔性電纜用乙丙橡膠絕緣的導(dǎo)電性，重點(diǎn)研究壓力和溫度對(duì)乙丙橡膠絕緣極化電流的影響，測(cè)量并分析不同電場(chǎng)強(qiáng)度、壓力和溫度下乙丙橡膠的極化電流，基于極化指數(shù)和電導(dǎo)率分析極化電流的變化規(guī)律，討論導(dǎo)電機(jī)制對(duì)極化電流的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

使用電纜用乙丙橡膠（XJ-30 型，山東明聯(lián)新材料有限公司）膠片[15]制作試樣，該膠片已經(jīng)過密煉和濾橡，可直接用于乙丙橡膠電纜絕緣。制作試樣時(shí)，首先用酒精清潔模具和膠片表面，將膠片在120℃的平板硫化機(jī)上預(yù)熱1 min；之后在平板硫化機(jī)中熱壓硫化15 min，溫度約為165℃，壓力約為14 MPa。硫化結(jié)束后，盡快將膠片從模具中取出以防止過硫化，隨后將其置于溫度為80℃的真空干燥箱中烘焙24 h 進(jìn)行預(yù)處理，以消除硫化產(chǎn)生的副產(chǎn)物和機(jī)械應(yīng)力。制得的乙丙橡膠圓片試樣直徑為100 mm、厚度約為0.6 mm。

1.2 極化電流測(cè)量原理及步驟

極化電流測(cè)量原理如圖1所示。測(cè)量中使用三電極結(jié)構(gòu)，其中測(cè)量電極用于測(cè)量極化電流，保護(hù)電極用于防止沿面泄漏電流對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾。高壓電極直徑為40 mm，測(cè)量電極直徑為25 mm。由于流過乙丙橡膠絕緣的是pA 級(jí)的電流，為滿足極化電流對(duì)測(cè)量精度的要求，選擇KEITHLEY 6517B 型靜電計(jì)測(cè)量電流。此外，由于測(cè)量結(jié)果很容易受到外部環(huán)境的干擾，在測(cè)量過程中，將試樣和電極置于不銹鋼屏蔽筒中，并放置于恒溫干燥箱內(nèi)，以屏蔽外部干擾，減小外部環(huán)境條件的影響。

圖1 極化電流測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of polarization current measurement

通過恒溫干燥箱控制溫度，溫控器控溫精度為±1℃，測(cè)量溫度分別為30、60、90、120℃。通過在試樣上施加不同質(zhì)量的砝碼控制施加于乙丙橡膠上的壓力，施加的壓力分別為200、400、600、800、1 000 kPa。極化電流測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1、3、5、10、15、20、25 kV/mm。測(cè)量時(shí)，先在絕緣上施加相應(yīng)的溫度或壓力，并靜置30 min。施加壓力后試樣厚度會(huì)隨受壓程度不同發(fā)生變化，如圖2 所示。從圖2 可以看出，當(dāng)壓力為800 kPa 時(shí)，試樣的厚度減小約13%。因此，本文計(jì)算所施電場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率時(shí)使用的試樣厚度均為溫度和壓力施加30 min 后試樣的厚度，從而減小厚度變化帶來的誤差。

圖2 試樣厚度和壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between pressure and thickness of sample

待溫度穩(wěn)定后，在乙丙橡膠兩端施加直流電壓Udc，即圖1 中的開關(guān)S1切換至位置1，介質(zhì)內(nèi)部會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，從而在乙丙橡膠中流過極化電流ip(t)。經(jīng)過一定的極化時(shí)間后，將開關(guān)S1切換至位置2，使乙丙橡膠短接，此時(shí)在乙丙橡膠內(nèi)部流過去極化電流。在極化電流測(cè)量過程中，將靜電計(jì)與計(jì)算機(jī)連接，每秒采集1 次電流，一共采集600 s。每個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度下的極化電流測(cè)量完畢后，將開關(guān)S1切換至位置2，開關(guān)S2閉合，使乙丙橡膠兩端接地600 s 后，進(jìn)行下一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度下的極化電流測(cè)量。

2 極化電流測(cè)量結(jié)果

2.1 不同壓力下的極化電流

圖3所示為溫度為30℃時(shí)不同壓力下乙丙橡膠的極化電流曲線。因?yàn)椴煌瑝毫ο聵O化電流曲線變化趨勢(shì)類似，所以這里僅給出施加壓力為0、400、600、1 000 kPa 下的極化電流曲線。從圖3 可以看出，相同壓力下，乙丙橡膠的極化電流均隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。

圖3 不同壓力下乙丙橡膠的極化電流Fig.3 Polarization current of EPDM under different pressure

為進(jìn)一步分析壓力對(duì)極化電流的影響，分別計(jì)算了極化指數(shù)和電導(dǎo)率，如圖4 和圖5 所示。極化指數(shù)為60 s 時(shí)的極化電流與600 s 時(shí)的極化電流的比值，絕緣材料的極化指數(shù)一般大于2，當(dāng)絕緣劣化或性能變差時(shí)，極化指數(shù)會(huì)變小。從圖4可以看出，隨著壓力的增大，乙丙橡膠的極化指數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在約600 kPa 時(shí)，極化指數(shù)最大。相同壓力下，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，極化指數(shù)越小，表明乙丙橡膠的性能正在逐漸下降。從圖5(a)中不同壓力下乙丙橡膠的電導(dǎo)率可以得出，施加相同電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，隨著壓力的升高，乙丙橡膠電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)與極化指數(shù)相反，即呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在壓力約為600 kPa 時(shí)出現(xiàn)最小值。進(jìn)一步分析圖5(b)，相同壓力下，施加低電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，電導(dǎo)率隨電場(chǎng)增大而略微增大；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于10 kV/mm 后，電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度升高而明顯增大。這與不同電場(chǎng)下乙丙橡膠的導(dǎo)電機(jī)制相關(guān)，將在后續(xù)內(nèi)容中討論。

圖4 不同壓力下乙丙橡膠的極化指數(shù)Fig.4 Polarization index of EPDM under different pressure

圖5 不同壓力和場(chǎng)強(qiáng)下乙丙橡膠的電導(dǎo)率Fig.5 Electrical conductivity of EPDM under different pressure and electric field intensity

2.2 不同溫度下的極化電流

圖6為30、60、90、120℃下未施加壓力時(shí)乙丙橡膠的極化電流曲線。從圖6可以看出，相同溫度下，乙丙橡膠的極化電流均隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，且隨著測(cè)量時(shí)間的增加，極化電流快速衰減到穩(wěn)定值，即電導(dǎo)電流。

圖6 不同溫度下乙丙橡膠的極化電流Fig.6 Polarization current of EPDM under different temperature

進(jìn)一步提取極化指數(shù)和電導(dǎo)率，如圖7 和圖8所示。從圖7可以看出，隨著溫度升高，極化指數(shù)整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且電場(chǎng)強(qiáng)度升高到5 kV/mm 以后，施加的場(chǎng)強(qiáng)越高，極化指數(shù)越低。對(duì)比分析電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度對(duì)乙丙橡膠性能的影響可以發(fā)現(xiàn)，僅當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為25 kV/mm 時(shí)，所有測(cè)量溫度下的極化指數(shù)小于2。但是也應(yīng)注意到，不同電場(chǎng)強(qiáng)度下，隨溫度升高，極化指數(shù)的下降速率不同。從圖8 可以看出，隨著溫度升高，乙丙橡膠的電導(dǎo)率呈指數(shù)上升，且溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度越高，電導(dǎo)率的上升速率越快。當(dāng)溫度為120℃，電場(chǎng)強(qiáng)度為25 kV/mm 時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到1.08×10-12S/m。說明在高溫和高場(chǎng)強(qiáng)下，乙丙橡膠的絕緣性能將變差，電導(dǎo)電流升高，即電導(dǎo)率升高，絕緣電阻降低。

圖8 不同溫度下乙丙橡膠的電導(dǎo)率Fig.8 Electrical conductivity of EPDM under different temperature

2.3 不同壓力和溫度下的極化電流

由前述分析可知，極化指數(shù)和電導(dǎo)率能夠更加清晰地反映不同壓力和溫度下乙丙橡膠的極化電流特性。因此，后續(xù)分析壓力和溫度共同作用下的極化電流時(shí)，直接選取極化指數(shù)和電導(dǎo)率進(jìn)行分析。

圖9 為施加電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1 kV/mm 和25 kV/mm 時(shí)不同壓力和溫度下乙丙橡膠的極化指數(shù)。從圖9(a)可以看出，不同溫度下，隨著壓力升高，極化指數(shù)整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，在壓力約為400 kPa時(shí)出現(xiàn)最大值。壓力為1 000 kPa時(shí)，60、90、120℃下乙丙橡膠的極化指數(shù)均低于未施加壓力時(shí)的極化指數(shù)，其中電場(chǎng)強(qiáng)度為1 kV/mm 時(shí)60、90、120℃下乙丙橡膠的極化指數(shù)分別約為1.97、1.48、1.27，電場(chǎng)強(qiáng)度為25 kV/mm 時(shí)分別約為1.21、1.10、1.08。從圖9(b)可以看出，相同壓力下，當(dāng)壓力較大時(shí)，溫度對(duì)乙丙橡膠的極化指數(shù)的影響變?nèi)?，但極化指數(shù)仍隨溫度升高而逐漸減小。結(jié)合圖9(a)和(b)可以看出，當(dāng)溫度從60℃升高到120℃，壓力為400 kPa 時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度為1 kV/mm 下的極化指數(shù)從5.63降低為2.84，25 kV/mm 下的極化指數(shù)從2.2 降低為1.17；壓力為1 000 kPa時(shí)，1 kV/mm下的極化指數(shù)從1.97 降低為1.27，25 kV/mm 下的極化指數(shù)從1.21 降低為1.08。類似地，當(dāng)溫度升高后，壓力對(duì)極化指數(shù)的影響也會(huì)減弱，特別是當(dāng)溫度為120℃時(shí)，極化指數(shù)隨壓力升高僅出現(xiàn)輕微下降。

圖10為不同壓力和溫度下乙丙橡膠的電導(dǎo)率。結(jié)合圖5(a)可知，相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，隨著壓力的升高，乙丙橡膠的電導(dǎo)率先減小后增大。此外，溫度對(duì)電導(dǎo)率也有明顯影響，即溫度升高，電導(dǎo)率升高。從圖10 可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到120℃時(shí)，電導(dǎo)率隨溫度上升大幅升高，電場(chǎng)強(qiáng)度為1 kV/mm 和25 kV/mm時(shí)分別達(dá)到6.72×10-13S/m和3.34×10-12S/m。

圖10 不同壓力和溫度下乙丙橡膠的電導(dǎo)率Fig.10 Electrical conductivity of EPDM under different pressure and temperature

3 討 論

不同壓力和溫度下乙丙橡膠絕緣的極化電流、極化指數(shù)和電導(dǎo)率的變化，與其導(dǎo)電機(jī)制相關(guān)。為分析導(dǎo)電機(jī)制，本文選取施加電壓600 s時(shí)的電導(dǎo)電流作為穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算乙丙橡膠的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度Js，如式（1）所示。

式（1）中：i∞(t)為加壓600 s 時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流值；Amel為測(cè)量電極的面積。

圖11為90℃時(shí)，不同壓力下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。不同溫度下，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系曲線類似。從圖11可以看出，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度呈現(xiàn)出分段變化的趨勢(shì)。低場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，壓力作用明顯，不同壓力下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度間隔較為分散；電場(chǎng)強(qiáng)度增大后，壓力影響減弱，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度較為集中。如前所述，隨著壓力的升高，不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度先減小后增大。在低場(chǎng)強(qiáng)（低于10 kV/mm）下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度變化較緩。隨著場(chǎng)強(qiáng)升高至某一閾值，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度迅速增大，這表明其導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

圖11 不同壓力下乙丙橡膠的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度Fig.11 Quasi-steady-state current density of EPDM at different pressure

低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)與高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的兩條擬合線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度表示空間電荷開始注入的閾值場(chǎng)強(qiáng)[16]，其值如表1 所示。從表1 可以看出，低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)擬合直線的斜率接近1，說明此時(shí)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度與場(chǎng)強(qiáng)之間存在線性關(guān)系，滿足歐姆定律，處于歐姆電導(dǎo)區(qū)。而高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的擬合直線斜率接近2，可知高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的電導(dǎo)特性滿足空間電荷限制電流機(jī)制[17]。這種隨電場(chǎng)變化而出現(xiàn)非線性電導(dǎo)現(xiàn)象的主要原因有兩方面：一是電場(chǎng)強(qiáng)度增大會(huì)降低電極和介質(zhì)間勢(shì)壘，使得注入的電子數(shù)量增多，并在試樣內(nèi)部局部區(qū)域積聚；另一方面，電場(chǎng)會(huì)增加陷阱中俘獲的電子或使空穴熱激發(fā)，在一定條件下深陷阱將被填滿而不再捕獲載流子，導(dǎo)致載流子克服勢(shì)壘的約束而迅速增加。

表1 不同壓力下的Js-E曲線的參數(shù)Tab.1 Parameters of Js-E curves of EPDM at different pressure

圖12 為不同壓力和溫度下乙丙橡膠的閾值場(chǎng)強(qiáng)和載流子遷移率。閾值場(chǎng)強(qiáng)的高低與絕緣中參與導(dǎo)電的電荷數(shù)量相關(guān)。當(dāng)外施電場(chǎng)超過閾值場(chǎng)強(qiáng)后，電荷快速移動(dòng)，電荷密度增大，電導(dǎo)電流密度上升，電導(dǎo)率增大，絕緣性能變差。從圖12 可以看出，隨著壓力的升高，閾值場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在約400 kPa 時(shí)乙丙橡膠的閾值場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大值。一定程度上，施加較低的壓力會(huì)限制乙丙橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)，減弱載流子的傳輸，閾值場(chǎng)強(qiáng)升高，電導(dǎo)率降低。此外乙丙橡膠分子間距離減小，從而使得空間電荷注入量減小，也會(huì)導(dǎo)致閾值場(chǎng)強(qiáng)增大。隨著壓力的進(jìn)一步增大，壓力使乙丙橡膠向受力的垂直方向擠出，撕裂乙丙橡膠的趨勢(shì)增大，加劇缺陷的形成，導(dǎo)致勢(shì)壘降低。注入的電子更容易越過勢(shì)壘參與電導(dǎo)輸運(yùn)，使得絕緣電導(dǎo)率升高，閾值場(chǎng)強(qiáng)降低。隨著溫度的升高，乙丙橡膠中的雜質(zhì)受熱而激發(fā)活化成為雜質(zhì)離子并發(fā)生定向躍遷，或是雜質(zhì)能級(jí)中的電子被激發(fā)，使得乙丙橡膠中能夠參與電導(dǎo)過程的自由電荷密度呈指數(shù)增長(zhǎng)。此外，根據(jù)肖特基注入理論，溫度升高會(huì)增加載流子的動(dòng)能，增大載流子濃度和載流子遷移率，使其更容易越過勢(shì)壘而參與電導(dǎo)過程。因此隨著溫度升高，閾值場(chǎng)強(qiáng)呈下降趨勢(shì)，且電導(dǎo)率增大。

圖12 乙丙橡膠的閾值場(chǎng)強(qiáng)和載流子遷移率Fig.12 Threshold field strength and carrier mobility of EPDM

4 結(jié) 論

（1）不同電場(chǎng)強(qiáng)度下，隨著壓力的升高，乙丙橡膠的極化指數(shù)先增大后減小，電導(dǎo)率先減小后增大。與此不同，隨著溫度的升高，乙丙橡膠的極化指數(shù)逐漸減小，電導(dǎo)率呈指數(shù)升高。當(dāng)壓力較高時(shí)，溫度對(duì)乙丙橡膠極化指數(shù)的影響變?nèi)?，但極化指數(shù)仍隨溫度升高而略微減小。類似地，當(dāng)溫度升高后，壓力對(duì)極化指數(shù)的影響也會(huì)減弱。

（2）不同壓力和溫度下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系曲線均呈分段線性變化趨勢(shì)，低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)為歐姆電導(dǎo)區(qū)，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)滿足空間電荷限制電流機(jī)制。導(dǎo)電性能變化的閾值點(diǎn)（即閾值場(chǎng)強(qiáng)）與壓力和溫度相關(guān)。