液氮中绝缘材料的击穿特性研究

■ 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 牛田野 张贵峰 张皓

1 引言

近几十年来，伴随着高温超导技术的发展，将超导技术应用于电工领域已经在世界范围内受到普遍的重视。超导电力技术的实际应用，能够大幅降低电网损耗，提高电力系统运行的稳定性和可靠性[1]。

超导电力技术的迅速应用，除取决于超导材料和制冷技术的进步外，绝缘材料对提高超导电工设备的技术经济指标和运行可靠性也起到了重要作用[2]。近年来，国内外学者针对固体绝缘材料在低温下的体电阻率、相对介电常数和击穿场强等电气性能开展了一定的研究。王之瑄等人针对电缆纸、聚丙烯层压纸（PPLP）、聚酰亚胺薄膜(PI)、低密度聚乙烯薄膜(LDPE)在常温和液氮低温下的电气性能进行了试验研究，主要考察材料的体电阻率、相对介电常数和击穿场强。试验结果表明，随着温度的降低以上四种绝缘材料的体积电阻率均显著增大，在液氮浸渍下，PI的体积电阻率最高，PPLP次之，电缆纸最差；液氮温度下，四种材料的介电常数略低于常温下，其中以PI薄膜最小，PPLP最大；低温下各材料的工频击穿场强和冲击击穿场强均高于常温下，其中以PI薄膜最大，电缆纸最小[3]。J. Gerhold研究发现，随着温度的下降，聚酯的体积电阻率显著提高，环氧树脂的介质损耗角正切值随着温度的降低而减小。牛皮纸在低温时的介电常数要低于高温时，而聚酰亚胺、聚丙烯和聚四氟乙烯的介电常数则不随温度变化。乙烯-丙烯橡胶的直流击穿场强随着温度的降低而显著提高，低密度聚乙烯的直流击穿场强则不随温度变化[4]。E. Husain等人选用皱纹纸、牛皮纸、胶木、云母片、PVC胶带、有机玻璃等绝缘材料为研究对象，测试各材料在常温和液氮低温下的工频击穿场强、介电常数和介质损耗角正切值。试验结果表明，以上绝缘材料在低温下的工频击穿场强高于常温下，而低温下的介电常数和介质损耗角正切值均低于常温下[5]。

目前，固体绝缘材料击穿场强的数据多是在交流电压下测得，而现阶段研发的某些超导电力装置需要运行在较高的直流电压下，因此有必要研究绝缘材料在低温下的直流击穿特性。本文通过测试聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（PI）和聚酯（PET）三种材料在常温和液氮低温环境下、不同电极系统中的负极性直流击穿场强和工频击穿场强，为选择适于低温环境的电气绝缘材料，以及选用在低温环境中进行击穿测试的电极系统，提供了一定的参考依据。

2 试验装置与试验方案

2.1 电极系统

参照ISO1325和GB/T1408.1-1999标准，选择柱-柱、球-柱、柱-板和球-板四种电极系统进行击穿场强测试，电极选用不锈钢材料，电极系统如图1所示。本文选用四种电极系统进行测试，目的是考察不同的电极系统对绝缘材料击穿场强的影响。在前期试验中，利用螺纹将上、下电极固定在托架上，通过旋转螺杆的方式来压紧试样。后来经过试验发现：由于在低温环境下金属电极会产生收缩，导致在常温时压紧的试样在低温时会产生松动，与电极不能良好接触从而影响测试，因此该固定方式在低温环境中是不可行的。经改动，将下电极通过螺纹固定在托架上，而把上电极做成光滑圆杆，使其能自如穿过托架中心的通孔并上下移动，利用重力压在试样上，这样在低温环境中仍能保证电极与试样的良好接触。根据ISO1325，上电极重量应为50g2g，太轻则重力不足以压紧试样，太重则会导致试样发生变形。

2.2 低温试验系统

在超导电工设备的实际工况中，绝缘部件经常采用“冷绝缘”的方式，即固体绝缘材料需浸渍于低温液体中，一般用液氮或液氦作为低温制冷剂[6,7]。本文中涉及的“低温环境”特指在77k的液氮中，需要将电极和试样浸渍于液氮中进行击穿场强测试，“常温环境”特指在300k的空气中。试验腔体的外壁由双层不锈钢制成，两层间的夹层填充泡沫塑料，容器顶部用泡沫塑料板遮盖，以起到较好的绝热效果。经测试，该腔体绝热性能良好，液氮在装入后挥发较慢，能够为击穿测试提供稳定的低温环境。

工频击穿试验采用江都华宇高压电气有限公司生产的HY-AC20-1型工频试验变压器，试验电压最高可达150kV。直流击穿试验采用北京市机电研究院生产的BGG直流高压发生器，试验电压最高可达120kV，图2为低温下直流击穿测试的试验系统。

2.3 试验方案

把聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（PI）和聚酯（PET）三种聚合物薄膜均制作成直径50mm的圆片，厚度为0.1mm。试验前，为了除去灰尘和污垢，电极先后用丙酮和去离子水清洗，在333K的高温下烘烤干燥2小时。试样先后用无水乙醇和去离子水清洗，在333K的高温下鼓风干燥12小时后使用。

对三种材料在常温和低温环境下，测试其工频和负极性直流击穿场强。分别使用柱-柱电极、球-柱电极、柱-平板电极和球-平板电极，三种材料各取十片试样进行测试，最后结果取算数平均值，以样本方差来表示数据的分散性。

试验电压由零开始以500m/s的速度上升直至发生击穿。由于本试验中采用手动升压，升压速度很难保证匀速，因此应在升压过程中尽量满足在10秒钟内升至5kV，在20秒钟内升至10kV，以此类推。

3 试验结果与分析

3.1 工频电压下各材料的击穿场强

表1为工频电压下各种材料在常温和低温中的击穿场强。从表中可看出，工频电压下PTFE和PI在低温中的击穿场强比常温中有所提高，PET则略微下降，四种电极系统测得的工频击穿场强均符合上述规律。在低温中，对于四种电极系统，测得PI的工频击穿场强均高于其余两种材料。

表中的变化幅度，其中Eb1为低温中的击穿场强，Eb2为常温中的击穿场强。

从表1中可知，PTFE和PI在低温中的工频击穿场强比常温中明显提高，并且PI提高的程度大于PTFE ，而PET在低温中的工频击穿场强比常温中略微下降。

3.2 直流电压下各材料的击穿场强

表2为直流电压下各种材料在常温和低温下的击穿场强。从表中可看出，负极性直流电压下三种材料在低温中的击穿场强均比常温中有所下降，四种电极系统测得的负极性直流击穿场强均符合上述规律。在低温中，对于四种电极系统，测得PI的负极性直流击穿场强均高于其余两种材料。

从表2中可知，三种材料在液氮中的负极性直流击穿场强均比常温中有所下降，PI下降的程度最小，PTFE次之，PET下降程度最严重。

3.3 数据分散性分析

样本方差用来反映试验数据的分散性，表3和表4为工频电压和负极性直流电压下试验数据的样本方差。从表中看出，工频电压下数据的样本方差均小于0.5，而直流电压下数据的样本方差大多在1～3之间，即直流电压下数据的分散性明显大于工频电压下。初步分析，可能由于本试验中采用手动升压，升压速度不稳定使得空间电荷的积聚速度不同，导致直流电压下试验数据的分散性较大。

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4 结论

本文通过测试PTFE、PI和PET三种聚合物绝缘材料在常温和低温下、不同电极系统中的工频击穿场强和负极性直流击穿场强，得到如下结论：（1） 设计制作了四套用于低温下固体绝缘材料击穿场强测试的电极系统，试验结果表明，这四套电极系统均能满足试验测试要求，得到的试验结果有良好的一致性。（2） PTFE和PI在低温中的工频击穿场强比常温中有所提高，PI提高的程度明显大于PTFE；PET则略微下降。（3） 三种材料在低温中的负极性直流击穿场强均比常温中有所下降，PI下降的程度最小，PTFE次之，PET下降程度最严重。（4）测得低温中PI的工频击穿场强和负极性直流击穿场强都明显大于PTFE和PET。

[1]时东陆，周午纵，梁维耀,高温超导应用研究[M],上海科学技术出版社，2008.

[2]肖立业，超导电力技术的现状和发展趋势[J]，电网技术,2004（9）:33-38.

[3]王之瑄，邱捷，吴招座，冷绝缘超导电缆绝缘材料测试综述[J]，低温与超导,2008,36(12):14-18.

[4] J. Gerhold, Proper ties of Cryogenic insul ants[J], Cryogenics, Vo l.38,pp 1063-1081, 1998.

[5] E. Husain, M. M. Mohsin, A. Masood and M.U.Zuber i,Dielectric Behavior of Insulating Materials under Liquid Nitrogen[J], IEEE Electr.Insul. Con f. Electrical Manufacturing and Coil Winding Conference,Cincinnati, Ohio, USA, pp.359 - 363, 2001.

[6]滕玉平等,超导电缆绝缘及其材料性能[J],绝缘材料，2005(1):61-63.

[7]桂林电器科学研究所,低温电工绝缘[M],机械工业出版社，1983.