（高电压与绝缘技术专业论文）磁场环境下酚醛树脂和聚丙烯的绝缘破坏.pdf

中文摘要 酚醛树脂和聚丙烯作为绝缘材料在电气绝缘的各个领域得到了广泛的应用。 随着电力工业的发展，绝缘材料应用到各种各样的运行环境，如在变压器，电抗 器等器件周围广泛分布着磁通密度在0 1t 至lt 之间的磁场，这会对附近的电 子电气设备的绝缘性能产生影响，威胁到设备的安全稳定运行。另一方面随着电 子产品的消费量日益增加，石油化工合成有机材料的消耗也将日益增长。然而石 油资源越来越少，而且石化产品废弃物因无法降解造成严重的环境污染。近年来， 国外学者提出采用生物可降解材料作为电气绝缘材料，并正进行生物降解材料作 为绝缘材料可行性的实验研究工作。但目前的研究很少涉及使用环境对生物可降 解材料绝缘性能的影响，生物可降解材料在高电场，低气压以及磁场环境下绝缘 性能的研究不多。因此，考察磁场条件下酚醛树脂和生物可降解聚丙烯等绝缘材 料的绝缘性能具有理论意义和实用价值。 本文首先以酚醛树脂板为试样，采用脉冲高压电源，研究了针一板电极条件 下，磁场环境对酚醛树脂表面碳化过程的影响。另一方面，以开发生物降解新生 绝缘材料为目的，采用生物可降解改性聚丙烯为试样，进行了针一针电极条件下 高电压小电流的耐电弧实验，以测试磁场环境对生物可降解聚丙烯绝缘性能的影 响。结果表明：对于酚醛树脂，当e x b 的方向平行于试样表面或垂直于试样表 面向内时，酚醛树脂的碳化率随着磁通密度的增加而增大。当e b 的方向垂直 于试样表面向外时，酚醛树脂的碳化率随着磁通密度的增加而增大。对于生物可 降解聚丙烯，当e b 的方向竖直于由电极和试样所构成的平面向上时，生物可 降解聚丙烯的侵蚀深度随着磁通密度的增加而减小。当e b 的方向竖直于由电 极和试样所构成的平面向下时，侵蚀深度随着磁通密度的增加而增大。在相同环 境下，生物可降解聚丙烯的侵蚀深度均小于普通聚丙烯，即生物可降解聚丙烯的 耐电弧性强于普通聚丙烯。 关键词：酚醛树脂聚丙烯生物可降解材料磁场绝缘破坏 a bs t r a c t p o l y m e rm a t e r i a l ss u c ha sp h e n o l i cr e s i na n dp o l y p r o p y l e n ea r ew i d e l yu s e da s i n s u l a t i o nm a t e r i a lo fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i cd e v i c e sf o rt h e i rg r e a td i e l e c t r i c p r o p e r t i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y , t h ed e v i c e sa l eo f t e nw o r k i n gi n c o m p l e xe n v i r o n m e n t f o re x a m p l e ，t h em a g n e t i cf i e l dw h i c ha r o u n dt r a n s f o r m e r s a n dr e a c t o r sw o u l dm a k ed i e l e c t r i cb r e a k d o w no fp h e n o l i cr e s i na n dp o l y p r o p y l e n ei n t h ed e v i c e sa n df i n a l l yr e s u ki ns e r i o u sf a i l u r e s o nt h eo t h e rh a n d ，p e t r o c h e m i c a l o r g a n i cm a t e r i a l sa l s ob r i n gs e r i o u sp r o b l e m so fp o l l u t i o nw h i c hh a v et h r e a t e n e d p e o p l e sl i v e s i ti ss i g n i f i c a n tt oo p e nu pt h ea p p l i c a t i o no fb i o d e g r a d a b l ei n s u l a t i o n m a t e r i a l h o w e v e r , t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l do nd i e l e c t r i cb r e a k d o w nh a sn o tb e e n s u f f i c i e m l y s t u d i e do np h e n o l i cr e s i na n d p o l y p r o p y l e n e t h e r e f o r e ，f r o m t h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yp o i n to fv i e w , i ti si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do ns u r f a c ed i e l e c t r i cb r e a k d o w n i nt h i sp a p e r , p h e n o l i cr e s i na n db i o d e g r a d a b l ep o l y p r o p y l e n ew e r ee m p l o y e dt o i n v e s t i g a t et h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l do nm i g r a t i o nr a t eo fs u r f a c ec a r b o n i z a t i o na n d a l er e s i s t a n c e t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tu n d e re l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l db y u s i n gap u l s ep o w e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t , w i t hi n c r e a s eo ft h em a g n e t i cf l u x d e n s i t y , t h em i g r a t i o nr a t eo fp h e n o l i cr e s i ni n c r e a s e dw h e ne x bd r i f t e di n t ot h e s u r f a c eb u td e c r e a s e dw h e ne x bd r i f t e da w a yf r o mt h es u r f a c e w i t hi n c r e a s eo ft h e e l e c t r o d ed i s t a n c ea n dd i s c h a r g ei n t e r v a l ，t h ee r o s i o nd e p t ho fb i o d e g r a d a b l e p o l y p r o p y l e n ed e c r e a s e da n dw i t hi n c r e a s eo f t h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，t h ee r o s i o n d e p t ho fb i o d e g r a d a b l ep o l y p r o p y l e n ei n c r e a s e d w i t hi n c r e a s eo ft h em a g n e t i cf l u x d e n s i t y , t h ee r o s i o nd e p t hd e c r e a s e dw h e nt h ea n g l eb e t w e e nm a g n e t i c f i e l da n d e l e c t r i cf i l e di s9 0 。b u ti n c r e a s e dw h e nt h ea n g l ej s2 7 0 。 k e yw o r d s ：p h e n o l i c r e s i n ，p o l y p r o p y l e n e ，b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r , m a g n e t i c f i e l d ，d i e l e c t r i cb r e a k d o w n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不氢含为获得鑫壅蕉鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。+ 一躲讯铜期：铲7 年l 月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞墨堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：能桶 签字日期：渺7 年l 月矿日签字日期：渺年l 月甜日 聊躲枷际 签字日期：2 如7 年2 月五伯 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 高电压技术是电力工程的一个重要分支，它随着电力系统输电电压的提高和 近代物理的进展而得到发展。高电压技术包含了下列内容：气体、液体和固体电 介质的放电机理及规律；高压电气设备的绝缘性能、结构及绝缘检测技术；高电 压的产生及检测技术；电力系统过电压的成因及其限制措施；电力系统的绝缘水 平与绝缘配合等。 目前，世界上的交、直流输电电压已高达7 5 0k v 和5 0 0l ( v ，并且部分地区 已建成了1 0 0 0k v 及以上的特高压输电系统。随着输电电压的提高，需要生产相 应的高压电气设备，这就需要有绝缘性能好的电介质材料。2 0 世纪5 0 年代开始， 有机高分子绝缘材料凭借其高电阻率，低介质损耗，高耐电强度，易于加工等特 点，逐步取代了天然绝缘介质材料，成为电工材料的重要分支【l l 。酚醛树脂( p l ) 和聚丙烯( p p ) 作为有机绝缘材料，具有优异的物理、化学和机械特性。因此， 在电气绝缘的各个领域都得到了广泛的应用，得到很好的效果【2 圳。在电力工业 中，随着传输容量的不断增大，电压等级逐步升高，对各种电力设备运行的安全 性和可靠性要求也越来越高。长久以来，绝缘故障一直是电力系统故障的主要原 因之一【4 】。作为电气电子设备的重要组成部分，酚醛树脂和聚丙烯绝缘性能的好 坏，直接关系到设备乃至整个系统运行的安全性和可靠性。因此，对酚醛树脂和 聚丙烯绝缘特性的研究日益受到重视。 酚醛树脂和聚丙烯等绝缘材料在实际的应用中会遇到各种各样的运行环境， 例如高温、高场强、低气压、强磁场等等m 】。每一种因素对绝缘破坏均有重要 的影响。随着绝缘材料应用越来越广泛，研究者纷纷把目光投向了环境因素对绝 缘破坏影响的研究 9 1 。 我国对聚合物的研究起步较晚，但在使用方面却发展迅速。为了提高聚合物 绝缘使用的安全性和可靠性，防止各类由绝缘老化现象引起的停电乃至火灾事故 发生，聚合物的绝缘特性研究具有重要的意义。关于绝缘击穿现象研究的最新动 向大概可分为以下三个方向：( 1 ) 绝缘击穿机理的研究；( 2 ) 标准实验法的研究； ( 3 ) 绝缘击穿与环境因素影响的研究【l o 】。本文主要把重点放在环境对材料绝缘 破坏的影响上。 第一章绪论 1 2 选题背景 随着电子工业的发展，电气设备应用到越来越复杂的环境中，因此外界环境 对绝缘材料绝缘性能的影响就显得尤为重要。在自然界中广泛分布着磁场；在工 业生产应用中，由于工作大电流的作用，在如电动机、变压器、电抗器、电磁铁 等设备周围也分布着强大的磁场【1 1 l 。通常，磁场的强弱可以用磁通密度来表征。 磁通密度的定义为单位面积中穿过的磁通量，其单位为特斯拉，磁通密度也称为 磁感应强度。空间某点处的磁通密度越大，说明该点的磁场越强【1 2 j 。电磁场的存 在不仅会对通信造成干扰【”】，使得传输信号发生畸变，也会对生活于电磁场环 境下的人身健康造成伤害。电磁兼容和电磁污染的研究指出，人类长期生活于磁 通密度超过0 1m t 的环境中，就会对人体造成伤害【1 4 】。另外，工业中存在的强大 磁场，会对周围的电气电子设备的绝缘材料特性造成影响，威胁了设备运行的可 靠性和安全性 1 5 j 6 l 。因此，考察磁场环境下的绝缘表面破坏现象，不仅为电气电 子设备的安全运行提供理论基础，对保证系统的安全运行，具有现实意义。随着 西部开发的进行，越来越多的输电线路和电气设备将工作于海拔超过4 0 0 0m 的 高原上t 1 7 - 1 9 】。我国广袤的高原地区，具有低温、低气压、强紫外线辐射等特点。 这些恶劣因素都将对电气设备的绝缘构成极大威胁【1 9 。矧。随着气压的降低，气体 的起始放电电压逐步减小【2 1 l 。研究证明，气压的降低严重影响了绝缘材料表面击 穿的特性，进而威胁系统运行的安全稳定性。因此，对低气压下绝缘表面破坏机 理的研究，对维护系统安全，保障西部开发输变电工程的顺利实施，具有重大的 意义。目前，我国的西部开发工程正在进行当中。每年，大量的绝缘子、传输线 及电气电子设备等被运往高原地区安装运行1 1 9 】。这些电气电子设备需要工作于 低气压和磁场环境下，受其影响，电气电子设备的绝缘性能发生了变化。 资源短缺、环境恶化、人口膨胀是当今社会发展面临的三大问题。随着高分 子材料工业技术的迅速发展，其用途已渗透到国民经济各部门以及人民生活的各 个领域，已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。聚合物工业蓬勃发展的 同时也导致了环境污染的加剧，引起了人们对聚合物废料处理的关注。目前全世 界每年生产塑料约1 4 亿吨，使用后废弃的大约占生产量的5 0 - - 6 0 。产生的 不可自然分解的废弃物对环境造成了极大的威胁，大量的高分子材料被废弃，变 成污染源，它们不仅大煞风景，而且还造成地下水及土壤污染，妨碍动植物生长， 危及人类健康和生存。我国每年消费塑料近4 0 0 0 万吨，同时，每年有近千万吨 塑料废弃物造成环境污染，它们对环境的污染、对生态平衡的破坏已引起了社会 极大的关注。随着各类电子电气设备的普及，其中塑料的使用量也逐年递增，据 统计，我国1 9 9 8 年用于电子电气方面的各类塑料达2 0 0 万吨，在塑料消费中占 第一章绪论 第三位，而废旧电子电气设备中的塑料成分为3 0 左右。各种废旧电子电气设备 中的塑料与其他塑料产品相比，其回收处理更为不易，其中大部分都直接废弃， 不仅造成资源的浪费，同时也对环境造成了恶劣影响瞄l 。面对经济发展中如影 随形的高消耗、高污染和资源环境约束问题，我国开始寻求经济增长模式的全面 转变，走节约型发展道路。循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心， 以“减量化、再利用、资源化为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征， 符合可持续发展理念的经济增长模式，是对“大量生产、大量消费、大量废弃” 的传统增长模式的根本变革。2 0 0 4 年中央经济工作会议提出大力发展循环经济。 这说明，缓解我国资源全面紧张的状况刻不容缓；同时，如同“知识经济一样， “循环经济已经融入中国主流经济概念当中，将对中国未来经济发展产生深远 的影响。 当前电子电气设备中塑料的处理以掩埋和焚烧为主，但这两种处理方法会产 生新的有害物质脚】。掩埋后这些废弃物无法自行溶于大自然，其残留物会造成 持久性有机污染，一旦进入生物循环，必然会对人类造成伤害，而焚烧则会产生 有害气体，直接对空气造成污染。除此之外，也有人利用添加化学药剂的方法来 处理废塑料，虽然可实现对部分塑料的回收，但仍无法实现环境循环。而如果使 用生物降解高分子材料则可实现完全的环境循环，符合我国当前可持续性经济发 展的要求。因此，生物降解高分子材料的研究开发已成为工业界发展的重要发展 战略，而且成为全球瞩目的研究开发热点。 生物降解高分子材料，亦称之为“绿色生态高分子”，是指在一定条件下， 能在微生物分泌酶的作用下而分解的材料。其主要有两方面的用途：利用其生 物可降解性，解决环境污染问题，以保证人类的可持续发展。利用其可降解性 和吸收性，用作生物医用材料。这类材料可在生物体内分解，参与人体的新陈代 谢，并最终排出体外。生物降解高分子的研究初期多集中于部分降解的高分子材 料，现已逐渐被否定。目前生物可降解高分子材料的基本特征是在自然界能完全 生物降解。美国、日本、德国等发达国家都先后制定了限用或禁用非降解塑料的 法规，不少国家还制定了生物可降解高分子材料的研究开发计划和措施。我国也 有很多科研单位开展了这方面的研究，由于成本、技术、投入等因素的制约，虽 然对生物降解高分子材料已有研究和试用，但对其开发和应用，尤其是工业化集 成技术的形成还及待解决。 生物降解高分子材料的降解是指在生物( 主要是指真菌、细菌等) 作用下， 聚合物发生降解、同化的过程。完全生物降解塑料的降解，即生物降解塑料被细 菌、霉菌等作用消化吸收的过程，大致有3 种方式： ( 1 ) 生物的物理作用，由于生物细胞的生长而使物质发生机械性毁坏； 第一章绪论 ( 2 ) 生物的化学作用，微生物对聚合物的作用而产生新的物质； ( 3 ) 酶的直接作用，微生物侵蚀部分导致塑料分解或氧化崩裂。 无论是哪种方式，经过一定的时间，生物降解材料的高分子主链都会断裂，相对 分子质量逐渐变小，以致最终成为单体或代谢成二氧化碳和水。 生物降解塑料品种众多，就目前而言，淀粉塑料产量居首位，占总量的2 3 以上，我国建成的降解塑料生产线绝大多数是填充型淀粉塑料和双降解淀粉塑 料。淀粉作为开发具有生物降解性产品基本聚合物的潜在优势在于： ( 1 ) 淀粉在各种环境中都具备完全生物降解能力； ( 2 ) 塑料中的淀粉分子降解或灰化后，形成二氧化碳气体，不对土壤或空气 产生毒害； ( 3 ) 采取适当的工艺使淀粉热塑性化后可达到用于制造塑料材料的机械性 能； ( 4 ) 淀粉是可再生资源，取之不尽，开拓淀粉的利用有利于农村经济的发展。 为拓展生物降解材料的应用领域及解决电气电子类产品中塑料污染的问题， 最近有学者提出将其应用于电气电子设各。目前电器的使用量已经达到了一个很 大的数目，不同电子产品，其对应组分的比例会有很大差异，但整体而言，塑料 占电子电器废物总重的比例很高，而且其份额也有逐步增加的趋势，再加上电力 系统的不断扩大以及电子技术的发展使得电气电子设备的应用量日益增加，随之 而来的是这些电子设备废弃物及其绝缘外壳的处理和回收，如果能够使用生物可 降解材料做其绝缘外壳，其回收处理就会变得容易很多，而且其成本也将降低。 然而，由于该课题的研究处于起步阶段，该类材料的电气绝缘性质还不为人 们了解，尽管有些外国学者已经在实验室研究了一些基本电气性质，但距离绝缘 材料的使用标准还有很多工作未做，而且己作的实验也仅仅是在特定的一类条件 下进行的，条件的改变必然会引起其电气性质的变化，因此，距离该材料的实际 应用还有很长的一段路，这正是该课题提出的意义。我们需要测量该材料在各种 条件下的电气绝缘性质以及探讨该材料对环境的适应能力，根据绝缘材料的使用 标准测量材料其他方面的性质，如热学性能、机械性能等。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 磁场环境下绝缘破坏的研究 波兰学者k o l a c z k o w s k i 对真空环境下，磁场对气体间隙预放电电流的影响 第一章绪论 做了细致的研究。他的研究表明，间隙的长度，电极的形状和极性，磁通密度的 大小均会影响间隙击穿电压f 执2 7 1 。印度学者j cp a u l 从理论上对气体，液体，固 体介质在磁场作用下的松弛极化现象做了深入的研究，并建立了相关模型随2 9 1 。 德克萨斯大学的r k o r z e k w a 对近地运行轨道的高真空下磁场作用的固体介 质的表面闪络的研究p 0 啪1 以及m o h k i 和s s a i t o 对磁场环境下，真空中固体绝缘 表面的气体绝缘破坏的研究p 7 】最全面。r k o r z e k w a 的研究主要针对近地运行轨 道中的磁绝缘子效应。在近地运行轨道中，部分元件暴露于真空环境中，脉冲电 源系统的正常工作受到了由等离子体，紫外线辐射，真空中的释放气体等作用引 起的闪络的影响。而主要限制脉冲电源系统工作电压的，就是绝缘表面的闪络。 提高给定的电极一绝缘配置系统稳定工作电压的方法之一，是在绝缘表面适当的 放置磁场，并把这个称为“磁绝缘子效应”。人们已经对“磁绝缘子效应”的基 本机理进行了大量研究并付诸应用。鉴于以上的研究背景，他设计了两个实验， 来研究近地运行轨道中磁绝缘子作用。在这两个实验中，分别使用了直流磁场和 脉冲磁场，对实验试样表面的闪络进行考察。实验结论：当e b 的方向偏离试样 表面( r k o r z e k w a 定义为负磁场) ，磁通密度达到0 4t 时，闪络电压显著提高。 而对于脉冲磁场( e b 的方向指向表面) ，闪络电压先降低，然后又升高到一个 更高的幅值。在最大的负磁场中，直流磁场已经使得放电通道存在于绝缘试样的 边缘，构成了一个闭合的环形。这种情况下的闪络电压比直接贯通两极的闪络电 压低。并可以解释为：当b 0 时，磁场使得电子向表面运动，从而引起了表面气体的解吸附。他的研究还讨论 了不同的实验条件，如表面粗糙度、气压、介质的类型、低密度背后等离子体等， 对“磁绝缘子效应”的影响。一般来说，增大表面粗糙度和气压，会降低磁绝缘 子效应。m o h k i 和s s a i t o 对高真空度下，磁场对表面闪络的影响进行研究。 采用了密封容器以获得t o r r 数量级的高真空，利用电磁场，并分别使用点对点电 极，环对环电极，环对点电极，点对环电极四种不同形式的电极，并考虑了背后 电极的影响。研究的主要结论可以阐述如下：电极形状和背后电极对闪络的影响 极大。无论电极形状如何，磁通密度如何，当施加负脉冲时，不会产生v 型的 特征曲线。无磁场时，当气压低于巴申最小值时，背后电极对闪络影响极大。 此外，h e y l e n 在他的研究中系统的阐述了磁场对于气体的电离和击穿的作 用，并总结了磁场的“等价削弱电场法则”。他的研究在原有的巴申定理基础上， 通过对加入磁场后电子运动轨迹的推导，修正了巴申定理，为其他各国学者的后 续研究，提供了坚实的理论基础【3 8 】。美国学者h e g e l e r 进行了模拟近地运行轨道 环境下绝缘子表面的击穿特性的研究。通过等离子体和紫外线照射来模拟空间环 境，实验中采用的磁场与材料表面平行，但和电场垂直。磁通密度可以取到4 0 m t 。 第一章绪论 研究结果表明：磁通密度为3 0 m t 的磁场就足以使得等离子体偏出绝缘间隙，因 此当e x b 偏转向外时，磁场的加入会显著推迟表面击穿的发生【3 9 1 。 国内，b xd u 曾对磁场环境下印刷电路板的表面破坏进行了研究。其研究 通过在固定时间里滴加电解液方式，并记录滴加数量的方法来确定破坏时间。结 果表明，印刷电路板破坏的难易程度依赖于磁场和电场的夹角：当夹角为9 0 度 时，印刷电路板难破坏；当夹角为2 7 0 度时，印刷电路板容易破坏 7 , 8 , 4 0 】。另外， 范震冈和袁晓燕曾在其研究中指出，环氧树脂的体电阻率随着磁通密度的增加而 增大 4 1 , 4 2 】。但是，与此类似的研究却极少。国内的研究者主要把目光放在了磁场 所引起的机械效应和热效应所引起的事故和损失上 1 5 , 1 6 , 4 3 】，却忽略了磁场环境下 绝缘介质的破坏而导致设备事故这一重要的现象。综上所述，国内外对磁场环境 下绝缘击穿的研究还存在以下不足。第一，多数研究是在真空环境下开展的，对 于常压下磁场的存在所引起的沿面闪络及事故的研究考察较少。第二，对于有机 材料表面破坏特性的研究较少，还有需要进一步研究。 1 3 2 低气压环境下绝缘破坏的研究 随着海拔高度的增大，空气变得逐渐稀薄，大气压力和相对密度减小，因而 空气的电气强度也将降低。对于气压对气体放电的影响巴申定律很好的解释了： 当气压高于巴申最低点时，随着气压的升高，气体的放电电压逐渐增大；当气压 低于巴申最低点时，随着气压的降低，气体放电电压逐渐增大 2 q 。气体放电的 这种特性也被应用于电气绝缘的诸多领域。一切带电导体都不可能悬浮在大气 中，而必须用固体绝缘装置将它们悬挂起来( 例如用绝缘子串悬挂输电导线) 或 支撑起来( 例如用支柱绝缘子支撑母线) 。两极之间固体绝缘功能的丧失有两种 可能：其一是固体介质本身被击穿，另一是沿着固体介质表面发生闪落。固体绝 缘表面的闪络，是一种特殊的气体放电现象。其特性不仅与气体放电特性相关， 还与固体表面的特性有关【2 。因此，考察绝缘表面放电受气压环境的影响，应 该综合考虑气体放电和固体放电的特性。近年来，为了使传输线路能适应高原地 区低气压覆冰环境工作的需要，有学者在多功能人工气候室内进行了低气压下覆 冰绝缘子直流闪络特性的研究，得出完全覆冰绝缘子的闪络电压随气压的降低而 下降的结论【伽4 6 1 。对于大气环境下电力系统的外绝缘特性方面的研究，文献 2 1 】 指出，由于我国西部存在高海拔的地质特征，低气压等自然条件对输电线路的外 绝缘有着很大的影响，深入研究上述恶劣环境对材料绝缘特性的影响，能够为我 国高原地区的电气设备运行提供必要的理论基础，具有极大的社会意义和经济 价值。文献【4 7 】指出大气污染造成的输变电设备外绝缘污闪对电力系统造成了严 第一章绪论 重危害，我国复杂的地貌和气象特征也使得污闪问题尤为突出。文献 4 8 1 中使用 三种复合绝缘子在四种海拔高度上进行了低气压和人工污秽的实验，并和典型的 电瓷绝缘子作了比较，同时进行了憎水性状态下复合绝缘子的污闪实验。结果表 明，复合绝缘子污闪电压随气压降低有规律地降低。另外，国内对于有机绝缘材 料在低气压环境下的绝缘破坏特性的研究甚少，仍处于初级阶段。对于有机绝缘 材料的破坏现象，b xd u 等人进行了较系统的研究 2 1 们。文献【6 】在减压状态下 测试了有机绝缘材料的绝缘性能，并对各种有机绝缘材料进行了分类，并且认为， 低气压环境下有机绝缘的破坏特性与材料固有的示氧值有关。在对有机材料的研 究中发现，气压对有机绝缘材料表面破坏的作用，还因材料的分子结构不同而不 同。总之我国对低气压下有机绝缘表面破坏的机理研究仍处于初级的探索阶段， 还需要进一步努力。 1 3 3 生物可降解材料的研究 生物可降解的研究涉及材料科学、生物科学、机械科学、电气绝缘科学，是 这些学科的综合应用，一种材料的研究开发及利用必然要涉及到很多的内容。 为了解决塑料污染问题，上世纪7 0 年代科学家提出了降解塑料概念，按降 解机理可分为光降解塑料和生物降解塑料两大类。就生物降解塑料而言，英国科 学家g j l g r i m n 提出在惰性聚合物中加入廉价的可生物降解性天然淀粉作为填 充剂的观点引起了人们对生物降解塑料的关注。上世纪8 0 年代开发降解塑料呼 声最高的是美国，有1 1 个州颁布了相关法规。美国a m i t e c h 公司在1 9 9 8 年投 资一亿美元建设了一个以玉米淀粉为基料的生产降解垃圾袋整套生产线。 我国塑料工业起步较晚但发展迅速，1 9 9 8 年塑料制品总量已近千万吨，包 装材料和农用地膜约占塑料制品总量的3 5 ，达3 5 0 万吨，因此“白色污染”也 很严重，其中一次性塑料用品和地膜每年约有2 0 0 万吨作为垃圾抛弃，因此我国 也正大力研究降解塑料。我国淀粉塑料首先由江西科学院研究成功，并于1 9 8 8 年建立国内第一条淀粉混聚乙烯醇流延法生产可降解地膜生产线，现在参与研究 开发的单位已达6 0 多家，建成生产线上百条，生产能力可达2 0 万吨，其中1 0 多条是从国外引进的。 目前，国外主要是对聚乳酸( p l a ) 的研究，已经成功地开发出p l a 这种 生物降解材料，且已经有批量生产的公司，国内还没有这类产品的生产。而要将 这种材料实际应用于电气设备，又必须全面地测定该类材料的绝缘性能以及其他 的如化学性质、物理性质、机械性能等各方面的性能。而为了搞清其回收利用， 又必须利用生物酶以及生物科学的相关知识。 第一章绪论 国外学者对p l a 绝缘性能进行了初步的研究，目前的主要研究有【粕1 1 ： 日本学者t a k a s h in a k a g a w a 和t a k u on a k i r i 研究了p l a 的基本的电气性能。这 些性能包括在室温下的体电阻率、介电常数和介质损耗率等。为了进行对比，他 们还测量了目前作为电线和电缆绝缘材料的交联聚乙烯( x l p e ) 的相应性能。 结果表明，p l a 的标准脉冲破坏强度是x l p e 的1 3 倍，这样电线和电缆的绝缘 层厚度就有望减小。他们还分别测量了p l a 和x l p e 的空间电荷的积累情况。在 施加直流电压小段时间以后，l 一聚乳酸( p l l a ) 的空间累积电荷是x l p e 的一 半。这两位学者还探讨了p l l a 样品的生物可降解性，在研究中，他们选取了两 种p l l a 的薄膜和柱状样品：一种是结晶度高于5 0 的c p l l a ，另一种是结晶 度低于10 的a p l l a ，p l l a 的老化特性主要取决于其高度整齐的结构。在日 常情况下，p l l a 的生物降解的过程和其他的可生物降解的聚合物一样，分为两 个阶段。在第一个阶段里，p l l a 发生了解聚。在解聚的过程中，微生物通过酶 的新陈代谢过程对p l l a 进行降解。在第二个阶段里，已经解聚的p l l a 通过土壤 里的微生物的酶的作用被分解为c 0 2 和h 2 0 。除此之外，解聚还会由非酶水解或 光分解引起。但第二阶段的非生物分解不是由非酶水解或光分解引起的。很明显， 第二阶段的分解过程是由微生物引起的。结果表明c p l l a 有明显的降解现象。 对p l l a 电气性能的主要测量方法和结果有：电树老化实验时所用的样品是底面 为2 0 m m x 4 m m ，高为2 5 m m 的矩形棱柱。将矩形棱柱的一边接地，在棱柱的另 一边把一个针尖插进2 0 m m 处，针尖的曲率半径为3 1 t m 。当在针上施加6 5 k v 的 电压后，p l l a 的内部将有电树生成。他们用一种非线性的测量电导率的方法分 别测量了p l l a 和x l p e 从频率为l o m h z 至ui o m p l z 的介电常数和电导率。在测量 结果的基础上，得到了体电阻率、介电常数和介质损耗率，结果表明p l l a 的体 电阻率和介质损耗率同x l p e 的基本相等。而p l l a 的介电常数要比x l p e 的大。 这说明p l l a 可能适宜用作绝缘材料。用来测量标准脉冲破坏强度的样品的厚度 为2 5 0 p m ，在实验过程中，使用了一种管式的系统，这种系统应用了特殊的电极。 当直流电压施加到样品两端时，他们用脉冲电声法分别测量了x l p e 和p l l a 的空 间累积电荷。 在室温下，聚乙烯一l 一乳酸( p l l a ) 和对苯二酸琥珀酸盐( p e t s ) 拥有 相对低的导电率，这可以和低密度聚乙烯( l d p e ) 相媲美。但是，当p l l a 和 p e t s 处在玻璃态的时候，两者就有相对比较高的导电率。而且，当温度处在玻 璃态附近的时候，p l l a 和p e t s 的导电电流迅速升高。另外三种生物可降解聚 合物材料，聚已酸内酯丁烯琥珀酸盐( p c l b s ) 、聚丁烯琥珀酸盐( p b s ) 、聚 丁烯琥珀酸盐己二酸( p b s a ) ，在室温条件下都处在橡胶状态并且有高的导电率。 虽然所有的样品都拥有近似相同的脉冲击穿强度，但是p l l a 和p e t s 在玻璃态 第一章绪论 温度附近拥有较高的击穿强度。这样显著的反常显现，作者认为是由于p l l a 和 p e t s 在转化为玻璃态的时候消耗了部分外加脉冲电源的能量所致。在室温条件 下交流或者直流电源，p l l a 和p e t s 比p c l b s 和p b s 拥有较高的击穿强度。 生物可降解聚合物是一种能够被微生物所分解的物质。在众多生物可降解聚合物 中，有学者研究了p l l a 的一些电气性能，这些性能包括在室温下的体电阻率、 介电常数和介质损耗率。同时，为了便于比较，他们还测量了目前作为电线和电 缆绝缘材料的交联聚乙烯( x l p e ) 的相应性能。结果表明，p l a 的标准脉冲破 坏强度是x l p e 的1 3 倍。因此，电线和电缆的绝缘层厚度有可能减小。他们还 分别测量了p l a 和x l p e 的空间电荷的积累情况。在施加直流电压一小段时间 以后，l 一聚乳酸( p l l a ) 的空间累积电荷是x l p e 的一半。有些日本学者还通 过观察生物可降解聚合物的形状、重量、分子量和空间电荷的分布研究它们在水 溶液中的降解过程。n h i r a i 等研究了两种生物可降解聚合物( 聚乳酸和淀粉脂) 的介电特性。他们指出：与低密度聚乙烯相比，上述两种材料所累积的空间电荷 更多，其部分原因是聚合物中羟基和羰基的存在。淀粉脂中的介电常数和电导率 均高于聚乳酸，而聚乳酸的这两项指标与低密度聚乙烯在数值上十分接近。淀粉 脂的介质击穿强度低于低密度聚乙烯，而聚乳酸的击穿强度高于低密度聚乙烯。 对于抗紫外线所致的光降解的能力，淀粉脂高于聚乳酸，但均低于低密度聚乙烯。 目前存在的主要问题是：该材料一些基本电气绝缘性能还处在实验室研究阶 段，比如其容抗、电介常数和介质损耗角虽然经一些学者测量得知与x l p e 基本 相同，而且其耐冲击压力比x l p e 还要强，但这只是在实验室的特定环境下进行 的，还不能确定其在各种环境下的性质以及对环境的影响，而且其化学性质和热 学性质还未探明。因此距离将p l l a 一类的生物降解材料应用于电缆和电线以及 其它电子设备还需要一段时间，但国内外学者均看好这类材料尤其是p l l a ，希 望其具有良好的绝缘性能和对环境的适应能力。 1 4 本文的主要工作 本文采用可调节间距的永磁铁模拟磁场环境，考察了磁场环境对酚醛树脂表 面碳化过程的影响。为了探索生物可降解材料的绝缘特性，本文还在磁场环境下 对由淀粉改性而得的淀粉改性聚丙烯进行了高电压小电流的耐电弧实验，并与普 通聚丙烯做了比较。 在本文中，主要进行了如下实验： 1 针一板电极条件下酚醛树脂的表面碳化实验。 2 针一针电极条件下生物可降解聚丙烯的耐电弧实验。 第一章绪论 实验的整个过程包括：试样的制备、磁路和电路设计、数据的采集、整理和 分析。本实验使用针一板和针一针两种电极模拟不均匀电场，分别测量了酚醛树 脂形成碳化导电通路的绝缘破坏时间和聚丙烯的侵蚀深度，采用单筒连续变倍视 频显微镜对碳化过程和侵蚀过程进行。利用软件m a t l a b 对实验的数据进行整理 和分析。 结果证明，磁场环境对酚醛树脂的碳化过程和聚丙烯的耐电弧性能与磁场和 电场的相对角有关。 第二章研究的理论基础 第二章研究的理论基础 在电场作用下，固体介质的击穿可能因电击穿、热击穿和电化学击穿引起。 本章着重介绍了固体电介质的基本击穿类型及影响因素，并对发生在固体表面的 沿面闪络现象进行了综述。有机固体材料具有独特的破坏特性，本章对有机固体 材料表面的绝缘破坏机理进行了简述，并对影响有机绝缘表面绝缘破坏的因素进 行简单介绍。 2 1 固体的击穿理论 2 1 1 固体击穿的基本类型 4 , 2 1 , 6 2 】 固体介质具有较好的绝缘特性，被广泛地应用于电气绝缘的各个领域。在电 场的作用下，固体介质的击穿可能是电击穿、热击穿、电化学击穿所引起的。实 际的电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，它不仅取决于介质本身的特 性，还与绝缘结构形式，电场的均匀性，# l - 力n 电压波形和加压时间以及工作环境 等诸多因素有关，所以往往要用多种理论来说明其击穿过程。 1 电击穿理论 固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘 性能的现象。 电击穿理论是建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上的，固体电介质中存 在的少量传导电子，在电场的加速下与晶格结点上的原子碰撞，碰撞电离可形成 电子崩，当电子崩足够强时，会破坏介质晶格结构导致击穿的发生。在极不均匀 电场及冲击电压作用下，介质会产生明显的不完全击穿现象，不完全击穿由于累 积效应导致绝缘性能逐渐下降，同时介质的击穿电压亦会随着冲击电压施加的次 数的增多而下降。 在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情 况下，固体介质的击穿通常为电击穿，其击穿场强一般可达1 05 1 0 s k v m ，比 热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为1 03 1 0 4k v m 。电击穿的主要特征为： 击穿电压几乎与环境温度无关；除时间很短的情况外，击穿时间与电压作用时间 关系不大；介质发热不明显；电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。 第二章研究的理论基础 电击穿有两种理论，即固有击穿理论和电子崩击穿理论。 a ( e ，a ，t 0 ) = b ( a ，t o ) ( 2 一1 ) a ( e ，a ，t o ) ：电场作用下单位时间内电子获得的能量 b ( a ，t o ) ：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量 e ：电场a ：标志电子的状态因子t o 晶格温度 固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成立，获得和失去的能量平衡， 超过则不成立，引起破坏，称之为固有击穿理论。 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得到加速，与品格产生碰 撞电离，反复碰撞形成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构 破坏，称之为电子崩击穿理论。 2 热击穿理论 由于电介质存在介质损耗，在电场的作用下电介质会逐渐发热升温，温度升 高导致电介质绝缘电阻下降，使电流进一步增大，又使损耗发热随之增大，发热 升温过程中也同时发生通过电极或其它介质不断散热，如果同一时间内发热大于 散热，则介质温度不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终导致击穿。但是， 如果发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、溶化、碳化或烧焦， 从而以热击穿形式完成，也可以因介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完 成。 3 电化学击穿 在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最 终导致击穿，这种过程称电老化。绝缘子绝缘劣化的主要原因往往是介质内气隙 的局部放电造成的，介质在工作电压作用下，由于气隙中场强比固体介质中高， 而气隙的击穿场强又远低于固体的击穿场强，所以在气隙或气泡内很容易发生电 离，这种电离对固体介质的绝缘有许多不良后果。如气泡体积膨胀使介质开裂、 分层，并使该部分绝缘的电导和介质损失增大；电离的作用还可以使有机绝缘物 分解，新分解出的气体又会加入到新的电离过程中。电离还会造成电场的局部畸 变，使局部介质承受过高的电压，对电离的进一步发展起促进作用。介质中可长 期存在局部放电而并不击穿，局部放电产生的活性气体如等对介质将产生氧化和 腐蚀作用。此外，由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤 和局部的过热，导致介质的劣化。电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系很 密切，但也因介质种类的不同而不同。有实验表明，无机绝缘材料耐局部放电的 性能较好。在电化学击穿中，还有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝 缘材料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素 而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上 第二章研究的理论基础 留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝状放电劣化。在交流电压下，树枝 化放电劣化是局部放电产生带电粒子冲击固体介质引起固体介质电化学劣化的 结果。在冲击电压下，则可能是局部放电场强超过了材料的电击穿场强所造成的 结果。电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交 流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生。 2 1 2 影响固体击穿的因素 4 , 2 1 , 6 2 】 影响固体介质击穿电压的因素很多，主要因素如下： 1 电场的均匀程度 均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电压较高，且与介质厚度有直线关系； 在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度的增加而下降，当厚度增加时，散热困难， 可能出现热击穿，故增加厚度的意义更小。实际工程种使用的固体介质往往很不 均匀致密，即使处于均匀电场中，由于含有气泡和杂质或其他缺陷都将使电场发 生变化，气泡中先行游离，也会逐渐损害到固体介质。因为，经过干燥、浸油、 浸胶等工艺过程可使固体介质除去气泡、杂质，可以提高其电气强度，在绝缘材 料组合上，使各部分尽可能合理承担电压。 2 电压作用时间 如果作用时间很短( 0 1 s 以下) ，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压 当然也很高。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果再加压后数分钟 到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时候很难区分清楚。 比如在工频交流i m i n 耐压实验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。 电压作用时间长达数十小时甚至几年才能发生击穿，大多属于电化学击穿。 3 温度 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高， 且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低； 如果其周围媒质的温度也高，