LDPE在植物絕緣油和礦物絕緣油中的直流擊穿特性研究

張立彤， 趙孝磊， 胡明濤， 尹 毅， 趙 剛

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引 言

近年來，我國經濟快速發展，對電能的需求逐漸增加，大功率及全控型電力電子器件快速發展，超高壓遠距離直流輸電工程和各類短距離柔性直流輸電工程的建設規模不斷增加[1]，與此同時，電力電子設備及電子器件也朝著集成化、小型化的方向發展[2]，這對電介質材料的絕緣特性提出了更高要求。聚烯烴電介質材料因其良好的絕緣和易加工特性，在電力電子設備中得到了廣泛應用。直流擊穿強度是評價聚烯烴電介質絕緣特性的主要參數之一，對聚烯烴電介質的直流擊穿特性進行相關試驗研究具有一定的實際意義[3]。

此外，社會對電網安全及環境保護的意識逐漸增強，使得電網正在向更加環保、高效的方向轉型[4]。植物絕緣油是一種具有高燃點、低毒性且可再生的環保型液體絕緣介質，其理化性能與電氣性能已達到變壓器用絕緣油標準的要求，且其多項理化特性（電場分布均勻、局部放電少、閃點高等）均優于當前廣泛應用的礦物絕緣油。

目前國內外學者關于植物絕緣油放電特性的研究已有一定的成果，對礦物絕緣油和植物絕緣油的擊穿特性、放電過程及放電機理的差異進行了研究，并給出了相應的解釋。研究普遍認為在非均勻電場、長間隙的條件下，植物絕緣油的擊穿電壓低于礦物絕緣油，而且植物絕緣油放電更劇烈，放電起始電壓更低，流注發展更快，這是由于兩種絕緣油的理化性質不同[5-6]。關于流注放電機理方面的研究亦十分匱乏，主要包含電子發射理論和場電離理論。

目前關于植物絕緣油和礦物絕緣油中聚合物直流擊穿特性差異的試驗研究還十分有限，特別是植物絕緣油中聚合物擊穿特性的研究更加匱乏，研究不同絕緣油對聚合物直流擊穿特性的影響，對于植物絕緣油自身的發展和取代礦物絕緣油成為更加高效、更加環保的絕緣用油具有推動作用。

本文分別在植物絕緣油和礦物絕緣油中對低密度聚乙烯（LDPE）進行正極性的直流擊穿實驗，仿真分析兩種絕緣油中試樣擊穿強度差異的原因，并對兩種絕緣油中試樣沿面閃絡特性和擊穿點位置的差異作出解釋，希望對深入理解聚烯烴材料的擊穿過程、影響因素及植物絕緣油的發展提供參考。

1 實 驗

1.1 試樣制備與預處理

實驗使用的LDPE 樣品型號為Q/3201-BYC-01。首先將顆粒狀原材料在80℃下真空（100 Pa）脫氣24 h，然后將樣品放入模具中并在120℃、20 MPa的條件下進行熱壓，最后在機械壓力下自然冷卻至室溫。通過以上步驟，得到厚度約為120 μm 的片狀試樣用于后續的直流擊穿實驗。實驗前，所有試樣均在50℃下真空（100 Pa）脫氣12 h，以消除機械應力。

1.2 直流擊穿實驗

直流擊穿實驗裝置如圖1所示，球-球電極采用直徑為20 mm 的銅球，電極系統及試樣置于絕緣油中。采用GB/T 1408—2006 推薦的快速升壓法進行正極性直流擊穿實驗[7-8]，升壓速率取1 kV/s，分別在植物絕緣油和礦物絕緣油中進行直流擊穿實驗。由于擊穿電壓具有較大的分散性，在每種絕緣油中至少對兩片試樣進行20次有效擊穿，根據實驗所得擊穿電壓與擊穿點的實際厚度計算擊穿強度。實驗中采用鑫德FR3 大豆絕緣油和變壓器用昆侖25#礦物絕緣油，每次實驗前對油進行過濾處理，實驗結束后進行密封保存。

圖1 擊穿實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the breakdown test

1.3 關于沿面閃絡和擊穿點位置

在進行直流擊穿實驗的同時，記錄沿油-試樣界面放電即沿面閃絡發生次數和擊穿點位置。沿面閃絡多發生在試樣邊緣位置，因此在試樣邊緣處施加電壓時，有可能發生沿面閃絡。試樣擊穿時記錄擊穿數據，在油-試樣界面沿面閃絡時記錄閃絡次數。每次擊穿后，記錄擊穿點的位置，以區分擊穿點是在電極接觸區還是非接觸區。其中，球電極與試樣接觸的區域（半徑約為1.5 mm 的圓形區域）稱為接觸區，接觸區以外為非接觸區。

1.4 仿真

本研究中建立球-試樣-球二維軸對稱流體模型，如圖2所示，運用有限元法對粒子的對流擴散和泊松方程進行計算求解。根據已有的液體電解質中放電過程的流體模型，研究兩種絕緣油的放電過程對LDPE試樣擊穿過程的影響。

圖2 球-試樣-球二維軸對稱流體仿真模型Fig.2 Two-position fluid simulation model of the ball electrode-sample-ball electrode

描述液體電介質中放電過程的流體模型源于MORROW 和LOWKE 提出的模型[9]，其控制方程組主要由帶電粒子、中性粒子的對流與擴散方程以及電場的泊松方程組成，如式（1）～（5）所示。

式（1）～（5）中：ρp、ρn、ρe分別為正離子、負離子和電子的密度；μp、μn、μe分別為正離子、負離子和電子的遷移速度；t代表時間；G1(|E|)表示電荷密度產生率的源項；ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數，εr為相對介電常數；e是電子的電量；φ為電勢；E為電場強度；Rpe、Rpn分別表示正離子與電子的復合率、正離子與負離子的復合率；τa為電子吸附時間。

流體運動擴散方程通過正、負離子和電子的連續方程來解釋電荷產生、復合和俘獲的過程。結合電場的泊松方程，可以進一步計算不同粒子的分布狀態等重要信息?？紤]到液體電解質的高密度和電子的平均自由程短等因素，一般認為場電離是油中帶電粒子產生的主要機制。場電離是絕緣油分子在高場強下直接電離為正離子和電子的過程。本文中帶電粒子的源項如式（6）所示。

式（6）中：h為普朗克常數；a為分子距離；m*為有效電子質量；n0為可被電離分子群的數量密度；Δ為液體介質的電離能。

在實驗中，兩種油中LDPE 試樣的擊穿電壓集中在30～60 kV，厚度為120 μm。因此，在模擬中，設置試樣厚度為120 μm，電壓為20 kV，以驗證擊穿前兩種絕緣油放電所帶來的差異。兩種絕緣油的具體參數如表1 所示，正極性沖擊電壓下植物絕緣油與礦物絕緣油的擊穿特性如表2所示。

表1 兩種絕緣油參數Tab.1 The parameters of two insulating oils

表2 絕緣油電氣強度Tab.2 Electric strength of insulating oils

2 實驗結果

2.1 直流電氣強度

絕緣油中擊穿的LDPE 試樣如圖3 所示。從圖3 可以看出，擊穿點位置均勻排布。電氣強度與絕緣材料本身的結構、性質密切相關，此外還受到環境因素及電壓施加方式的影響，因此，電氣強度受到多個不確定因素的制約，多數條件下作為一個統計量進行處理。將片狀試樣的不同位置擊穿后，會得到一組有一定差異的實驗數據，且表現出一定的統計分布特性[10]。Weibull 分布是處理擊穿數據的常用方法[9]，兩參數Weibull 分布表達式如式（7）所示。式（7）中：p為擊穿概率；E為試樣的電氣強度；β為形狀參數；E0為試樣特征電氣強度，其值等于擊穿概率p為63.2%時的電氣強度。

圖3 樣品擊穿后的圖片Fig.3 The breakdown sample picture

依據Weibull 分布，對兩種絕緣油中LDPE 試樣的電氣強度數據進行擬合，如圖4 所示。擬合直線與電氣概率為63.2%的虛線的交點即為對應的特征電氣強度E0；β為形狀參數，其值越大，表示數據越集中。從圖4 可以看出，礦物絕緣油中E0為453.46 kV/mm，β為26.03；植物絕緣油中E0為508.11 kV/mm，β為30.53。植物絕緣油中LDPE 的電氣強度明顯高于礦物絕緣油中的電氣強度，且數據更集中。

圖4 LDPE在兩種絕緣油中電氣強度的Weibull分布Fig.4 Weibull distribution of the electric strength for LDPE in the two insulating oils

2.2 沿面閃絡

在兩種絕緣油中進行LDPE 直流擊穿實驗的同時，發現試樣在兩種絕緣油中表現出不同的沿面閃絡特性。在施加電壓點與試樣邊緣距離相同時，在植物絕緣油中的試樣可以正常擊穿，而在礦物絕緣油中的試樣則有可能出現沿面閃絡現象，如圖5所示。

圖5 礦物絕緣油中試樣的沿面閃絡現象Fig.5 Photograph of a sample with surface flashover in mineral insulating oil

在一組實驗中，控制施加電壓點與試樣邊緣距離為2 cm，對兩種絕緣油中試樣發生沿面閃絡的次數進行了統計，結果如表3所示。

從表3 可以看出，在施加電壓點與試樣邊緣相同的情況下，礦物絕緣油中更易發生沿面閃絡。

2.3 擊穿位置

兩種絕緣油中試樣擊穿點分布示意圖如圖6所示。從圖6可以看出，LDPE在植物絕緣油中的擊穿點位置相對更加集中，80%發生在球電極與試樣接觸位置，20%發生在球電極周圍；而礦物絕緣油中的擊穿點位置相對分散，80%發生在球電極周圍，20%發生在電極與試樣接觸位置。兩者表現出較大的差距，有待進一步探討。

圖6 在兩種油中試樣擊穿點分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of the breakdown point distribution of the samples in the two insulating oils

3 討 論

目前研究普遍認為，擊穿是在高電場強度下，空間電荷不斷注入引起聚合物內部場強嚴重畸變而發生的現象，而在不同外界環境影響的條件下，同一聚合物會出現直流電氣強度不同的情況[11-12]，此時應著重考慮外在因素對于擊穿特性的影響，因此試樣內部空間電荷注入并非上述差異的原因，不做論述。本文主要探討兩種絕緣油放電對于LDPE試樣擊穿特性的影響。

在進行直流擊穿實驗時，同時伴隨著沿面閃絡的發生，而研究絕緣油放電過程的差異恰好能解釋兩種絕緣油中沿面閃絡差異的現象，故將沿面閃絡同直流電氣強度、擊穿點位置一同討論。

3.1 電氣強度

圖7是兩種絕緣油中電極附近的電場強度分布。從圖7 可以看出，礦物絕緣油放電產生的場強遠高于植物絕緣油放電所產生的場強。這是由于兩種絕緣油的組成不同，植物絕緣油中大部分為低電離勢分子，較為容易發生電離；而礦物絕緣油中大部分為高電離勢分子，需要更高的電壓才能發生電離[13-16]。因此，維持兩種絕緣油放電發展的場強也有所不同，維持植物絕緣油放電發展所需的場強較低，而維持礦物絕緣油放電發展所需的場強則較高。在施加同樣電壓的條件下，礦物絕緣油中LDPE 試樣不需要更高的電壓就可以發生擊穿，而植物絕緣油中LDPE 試樣的擊穿則需要施加更高的電壓。

圖7 電極附近的電場強度分布Fig.7 Distribution of electric field intensity around the electrodes

圖8是選定電場線上的空間電荷密度示意圖。從圖8 可以看出，礦物絕緣油中所選電場線末端即試樣表面處的電場強度遠高于植物絕緣油中試樣表面電場強度，進一步證明了上述分析。

圖8 選定電場線上的空間電荷密度示意圖Fig.8 Schematic diagram of the space charge density on the electric field line

圖9是某條電場線上不同放電時間下的空間電荷密度。從圖9 可以看出，植物絕緣油中電場線上的空間電荷密度比礦物絕緣油中的高出2～3 個數量級，表現出很大的差距，說明相同電壓條件下，植物絕緣油更易電離，與上述論述相符。一般而言，空間電荷密度最大處應為流注的波頭，結合圖8 和圖9 分析，礦物絕緣油中電場強度最大處和空間電荷密度最大處為同一位置，植物油中電場強度最大處在電荷密度最大處之后，因此礦物絕緣油流注波頭處即為最大場強處，而植物絕緣油中最大場強處在波頭后方，這是電場線上兩種絕緣油的空間電荷密度的差異較大導致的[17-19]。植物絕緣油更易電離，會產生更多的空間電荷，在相同位置、相同背景場強下植物絕緣油中的空間電荷引起的畸變電場更大，對于波頭后方位置的電場強度增強作用更加明顯。同樣，植物絕緣油中空間電荷引起的畸變電場會進一步促進其電離，產生更多的空間電荷，形成一個正反饋，如圖10所示（E1為電極產生的場強，Esum為電極加電離的正電荷產生的場強）。

圖9 電場線上的空間電荷密度Fig.9 Schematic diagram of the space charge density on the electric field line

圖10 空間電荷對電場的增強作用Fig.10 Schematic diagram of the space charge enhanced electric field

圖11 同極性電荷對電場分布的影響Fig.11 Influence of homopolar charges on the electric field distribution

3.2 沿面閃絡

影響沿面閃絡的因素主要有兩個：沿著試樣表面的電場強度（即切向場強）和空間電荷的極性、密度[19-20]。切向場強越大越易發生沿面閃絡；與電極同極性的空間電荷對沿面閃絡起抑制作用，而且密度越大抑制作用越強，具體可以從電場的角度來解釋[19-20]。同極性電荷對電場分布影響的示意圖如圖11 所示，其中E1為電極產生的場強，EQ為正電荷產生的場強。

本實驗中采用的電極系統，其電極附近的電場分布及正、負電荷遷移示意圖如圖12所示。以施加正極性電壓的電極和同極性空間電荷為例，空間電荷產生的電場方向和電極本身的電場方向相反，起到削弱電極產生電場的作用，進而抑制沿面閃絡?？臻g電荷密度越大，其產生的電場強度越大，抑制作用也就越強。

圖12 同極性電荷對電場的削弱作用Fig.12 Inhibition effect of homopolar charges on the electric field distribution.

絕緣油分子在高壓下電離成正離子和負離子，施加正極性電壓時，負離子向正電極運動最后在電極表面消失，正離子會在試樣表面堆積而形成空間電荷。此時，電極附近的場強分布如圖13 所示，結合圖9 分析可知，兩種絕緣油中電場分布也與圖12中描述相類似。試樣表面堆積的正極性空間電荷會對沿面閃絡起到一定的抑制作用。兩種絕緣油中試樣表面累積的空間電荷密度如圖14 所示。從圖14可以看出，植物絕緣油中試樣表面堆積了更多的同極性空間電荷，這對沿面閃絡的抑制作用更強，與實驗結果相符。

圖13 二維空間電荷時空分布圖Fig.13 The 2D flat map of space charge distribution

圖14 試樣表面的空間電荷密度Fig.14 Space charge density accumulated on the surface of sample

影響沿面閃絡的另一個因素為切向場強。兩種絕緣油中沿著試樣表面的切向場強如圖15所示。從圖15可以看出，在電極與試樣接觸區以外的一定區域內，礦物絕緣油中切向場強明顯高于植物絕緣油中的切向場強[21-23]。如前所述，礦物絕緣油放電產生更大的場強，因此影響沿面閃絡的切向場強也會更大。從切向場強的角度也可解釋礦物絕緣油中試樣更易出現沿面閃絡的現象。

圖15 兩種絕緣油沿樣品表面的切向場強Fig.15 Tangential field strength along the surface of sample in the two insulating oils

綜上所述，植物絕緣油中試樣表面堆積更多的同極性電荷，對沿面閃絡的抑制作用更明顯；同樣，植物絕緣油中試樣表面切向場強更小，不易出現沿面閃絡。從影響沿面閃絡的兩個因素分析，都可以得出植物絕緣油中更不易出現沿面閃絡的結論，與實驗結果相符。

3.3 擊穿位置

當電場強度達到聚合物能夠承受的極限場強時，就會發生擊穿。在本實驗采用的電極系統中，主要是由試樣表面電場強度的垂直分量導致LDPE試樣擊穿。兩種絕緣油中試樣表面的電場強度垂直分量如圖16所示。

圖16 兩種絕緣油在試樣表面的電場強度垂直分量Fig.16 Vertical component of the electric field intensity on the sample surface in the two insulating oils

從圖16可以看出，在電極與試樣接觸區以外一定區域內，礦物絕緣油中試樣表面電場強度垂直分量高于接觸區，因此礦物絕緣油中擊穿發生在接觸區以外一定區域內的概率更大；而植物絕緣油中，電極與試樣接觸區的電場強度高于接觸區以外的區域，因此植物絕緣油中擊穿發生在接觸區的概率更大。從圖16還可以看出，礦物絕緣油中電場強度垂直分量比植物絕緣油中的高，進一步印證了前文所述的在礦物絕緣中LDPE 試樣的電氣強度更低的實驗結果。

4 結 論

本文分別在植物絕緣油和礦物絕緣油中進行了LDPE 試樣的直流擊穿實驗，并通過仿真分析絕緣油放電過程對LDPE 試樣擊穿的影響，主要得到以下結論：

（1）維持植物絕緣油放電的電場強度較低，且植物絕緣油中電極和試樣接觸區的電場強度高于其他區域，從而導致了植物絕緣油中LDPE 試樣的直流擊穿場強較高，且擊穿點位置更加集中。

（2）相比礦物絕緣油，植物絕緣油更易發生電離，產生更多的同極性電荷，對于沿面閃絡的抑制作用更強，加之植物絕緣油中試樣表面切向場強更小，所以植物絕緣油中不易出現沿面閃絡。

（3）電離勢低的絕緣油對于聚合物擊穿特性的影響更小，能夠提高聚合物的擊穿場強，且能更好地抑制沿面閃絡。