3种绝缘薄膜在液氮中拉伸状态下的冲击绝缘强度

马宏明 胡南南 黑颖顿 杨 鑫

(1云南电网有限责任公司电力科学研究院 昆明 650217)

(2长沙理工大学电气与信息工程学院 长沙 410114)

1 引言

近十年来，高温超导电力装置的研制水平得到了极大的提高［1-5］，其电压等级也在往输电电压等级发展，因而，对液氮环境中绝缘材料的电气性能研究愈加重要［6-9］。聚酰亚胺薄膜(Polyimide)，聚丙烯层压纸(polypropylene laminated paper，简称PPLP)和聚四氟乙烯薄膜(polytetrafluoroethylene，简称PTFE)已被证实在液氮中具有良好的电气性能［10-11］，是常用的低温薄膜绝缘材料。

绝缘薄膜一般用于绕包型绝缘部件，使用时以一定的张力绕包于导体上，薄膜会承受一定的拉伸应力。液氮中，薄膜的绝缘强度会随着拉伸应力的改变而改变，因而，需要对液氮中一定拉伸应力范围内薄膜材料绝缘强度的变化情况进行研究，而该领域研究所见报道较少。文献［12-13］通过实验，测量了Polyimide，PPLP和PTFE 3种薄膜在液氮中不同拉伸应力下的交流和直流绝缘强度。

冲击绝缘强度也是衡量绝缘材料电气性能的重要指标，通过设计的试品拉伸状态击穿试验装置测量了Polyimide，PPLP和PTFE 3种薄膜材料在液氮中的冲击绝缘强度，并用Weibull概率分布的方法对数据进行处理，得到了3种材料50%击穿概率和0.1%击穿概率的冲击绝缘强度，为绕包型绝缘结构的高温超导电力装置的绝缘设计提供基础数据。

2 实验装置、实验方法和数据处理方法

2.1 实验装置

实验装置和接线方式如图1所示。实验电源为400 kV冲击电压发生器，用于提供标准雷电冲击电压波。选用BHT400 kV弱阻尼电容式分压器(变比为420∶1)用于电压测量。液氮盛放于长、宽、高分别为450，350和450 mm的泡沫容器中。

拉伸状态绝缘测试装置连同试品一起浸渍于液氮环境。如图1上方的细节展示所示，薄膜试品夹于两块环氧板块的电极中间，上端固定，下端悬挂不同质量的砝码，使试品处于不同的拉伸状态。

拉伸状态绝缘测试装置共设计5对相同的电极，从上至下依次排列，因而，同一试品，可连续进行5次相同的击穿实验。5对电极均为棒-棒电极，棒电极的直径为6 mm，顶端削成直径2 mm的倒角，分别固定于固定环氧板块和移动环氧板块内［14］。

以超导电缆本体为例，PPLP绕包于通流导体上时，一般承受的绕包张力为4¯9 N［15］;同时考虑泡沫容器的承受能力，砝码质量分别选择0.5，1和2 kg共3种，在液氮中对试品的拉伸力分别为4.01，8.036 和16.07 N。

试品所受的拉伸应力σ可由式(1)计算。

图1 实验装置及接线图Fig.1 Figure of experiment setup and wiring method

式(1)中，F为砝码对试品的拉力，N;w为试品宽度，mm;t为试品厚度，mm。3种薄膜试品的规格如表1所示。

表1 3种试品的规格Table 1 Specifications of 3 specimens

2.2 实验方法

冲击绝缘击穿电压的实验方法采用逐级加压法，即首先设定一个较低的电压进行实验，如果没有击穿，则增加2 kV继续进行，直至试品击穿，记录该电压为本次试品的击穿电压Vi。

不同拉伸应力下，每种材料均进行10次击穿实验，绝缘击穿强度Ei由Vi/t计算得来(Vi表示每次的击穿电压;t表示薄膜材料的厚度;mm)。

2.3 数据处理方法

固体电介质击穿场强的数据一般遵从Weibull概率分布模型［16-17］。对于二维参数的Weibull分布，概率分布如式(2)所示:

式(2)中，E指绝缘击穿强度，(kV/mm);m称为形状参数;η称为尺度参数。

本文对3种材料在液氮中不同拉伸应力下的10次绝缘击穿强度数据，按照Weibull概率分布的方法进行处理，得出50%击穿概率、0.1%击穿概率的绝缘击穿强度 E50%、E0.1%。E50%用于反映冲击绝缘击穿强度对拉伸应力的变化规律;E0.1%则可为超导电力装置的绝缘设计提供基础数据。

3 实验结果及数据处理

Polyimide、PTFE和PPLP 3种薄膜材料在液氮中各个拉伸应力下的冲击绝缘强度实验结果的韦伯分布如图2¯图4所示。

图2 Polyimide薄膜在液氮中各个拉伸应力下冲击绝缘强度的韦伯概率分布Fig.2 Weibull plot of impulse breakdown strengths for polyimide under every tensile stress in LN2

通过Matlab软件对冲击绝缘强度数据进行韦伯概率分布计算，得出液氮中3种材料拉伸状态下的E50%和E0.1%，如表2所示。3种材料在液氮中50%击穿概率的冲击击穿强度E50%随拉伸应力的变化规律如图5所示。

图3 PPLP在液氮中各个拉伸应力下冲击绝缘强度的韦伯概率分布Fig.3 Weibull plot of impulse breakdown strengths for PPLP under every tensile stress in LN2

图4 PTFE薄膜在液氮中各个拉伸应力下冲击绝缘强度的韦伯概率分布Fig.4 Weibull plot of impulse breakdown strengths for PTFE under every tensile stress in LN2

表2 3种试品在液氮中各个拉伸应力下的50%击穿概率和0.1%击穿概率的冲击绝缘强度Table 2 Impulse dielectric strengths for 50%breakdown probability and 0.1%breakdown probability of 3 types specimens at every tensile stress in LN2

由图5和表2中50%击穿概率的冲击击穿强度E50%的数据可见，随拉伸应力的增加，3种材料的冲击击穿强度均随之下降，但下降的幅度均很小，16.07 N拉伸力时的冲击击穿强度相对于无拉伸力时，聚酰亚胺下降7.74%，PPLP下降3.26%，聚四氟乙烯下降 5.86%。

图5 液氮中3种材料拉伸状态下的50%击穿概率的冲击击穿强度E50%Fig.5 Impulse breakdown strength E50%of 3 films under tension status in liquid nitrogen

3种材料的冲击击穿强度聚酰亚胺最高，介于225.120 3¯244.009 8 kV/mm 之间;聚四氟乙烯次之，介于 184.341 6¯195.823 kV/mm 之间;PPLP 最低，介于 147.9473¯152.933 1 kV/mm 之间。

5 结论

通过薄膜试品拉伸状态击穿实验装置，对Polyimide，PPLP和PTFE共3种薄膜绝缘材料在液氮中的冲击绝缘强度进行了测量，并用Weibull概率分布的方法对数据结果进行了处理，得到了液氮中3种材料50%击穿概率和0.1%击穿概率的冲击绝缘强度随试品承受的拉伸应力的变化关系。

结果发现随拉伸应力的增加，3种材料的冲击击穿强度均随之下降，但下降的幅度均很小;3种材料的冲击击穿强度聚酰亚胺最高，聚四氟乙烯次之，PPLP最低。所得结果可为超导电力装置的绝缘设计提供数据基础。

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