基于極化電流的擠壓力和熱應力作用下電纜用乙丙橡膠絕緣性能的研究

王思宇，劉 洋，雷志鵬，韓坤瑩，石志杰，劉兆貴，王 業

（太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

0 引言

乙丙橡膠（EPDM）是以乙烯和丙烯為主要單體合成的共聚物，其具有優異的電絕緣性能和耐電暈性，同時具有優良的耐老化性能、耐腐蝕性能以及良好的彈性，作為絕緣材料廣泛應用于煤礦、石油、船舶等領域的供電電纜中[1]。然而，在煤礦井下使用的EPDM電纜運行環境惡劣，特別是綜采工作面采煤機用EPDM拖拽電纜絕緣，不僅要承受采煤機頻繁變換負荷啟停形成的高電流發熱老化的影響，還因電纜隨采煤機往復行走而承受各種拉拽或擠壓力和熱應力的作用，致使電纜絕緣使用壽命大幅縮短，導致電纜故障頻發[2]。因此，研究力、熱、電多因子作用下EPDM電纜的絕緣性能變化規律，對于掌握EPDM拖拽電纜絕緣的故障機理或性能評價方法具有重要意義。

林晨等[3]通過測量極化/去極化電流，利用等溫松弛法和擴展德拜模型提取了老化因子和低頻介質損耗因數，從時域和頻域兩個角度評估了不同老化時間的EPDM電纜絕緣的老化狀態。趙瑞雪等[4]通過測量不同SiO2添加量的EPDM的穩態電導電流，結合空間電荷限制電流機制，分析了EPDM的電導機制隨場強的變化規律。劉英等[5]以電纜中間接頭用EPDM為研究對象，對交聯聚乙烯-三元乙丙橡膠電纜界面的絕緣試樣施加不同的拉伸應力和電應力，對試樣進行電性能及力學性能測試，發現電應力會造成電纜絕緣表面部分基團被破壞并氧化，拉伸應力能夠促進這一變化過程。門汝佳等[6]通過對EPDM絕緣試樣進行電熱老化試驗，測取其極化電流，利用三階衰減指數函數對電流曲線進行擬合，通過擬合得出的特征參數計算了老化指數，并分析了老化指數與試樣絕緣狀況之間的關系。DAI C等[7]采用脈沖電聲法，給未老化和在150℃下老化18 h的EPDM電纜施加不同的交流電場，發現當場強超過閾值場強（5 kV/mm）時，未老化和老化18 h的試樣均明顯出現空間電荷，試樣的絕緣性能變差。綜上可知，極化-去極化電流（PDC）法已被廣泛地運用于EPDM絕緣性能的評估。但現有的研究成果主要集中在EPDM的老化或者除電應力外單一應力作用對EPDM絕緣性能的影響[3-11]。而對于EPDM在運行過程中可能會遇到的多應力作用，特別是擠壓力和熱應力同時施加后絕緣性能變化的研究較少。

為了進一步明確擠壓力和熱應力作用下EPDM的電導性能，本研究測量在電、熱、擠壓力同時作用下EPDM絕緣的極化電流，分析極化電流曲線及其典型特征量隨溫度、電場強度和擠壓力的變化規律，通過分段線性擬合的方法分析電導現象；根據普爾效應深度理解擠壓力和熱應力對EPDM絕緣性能的影響，為多應力作用下電纜用EPDM絕緣失效的可能性評估提供參考。

1 試驗

1.1 試樣制備

根據GB/T 7594.8—1987《電線電纜橡皮絕緣和橡皮護套第8部分：90℃橡皮絕緣》，使用經過密煉和濾橡的DCJ30M型乙丙橡膠膠片制作試樣[13]。制樣時先將模具放在平板硫化機上預熱至120℃，然后將未被硫化的膠片置于模具上預熱1 min，再將試樣在壓力為10 MPa、溫度為160℃下熱壓硫化15 min。完成后，取出試樣，放入溫度為80℃的真空干燥箱靜置48 h，消除硫化產生的副產物和機械應力。制備完成的試樣厚度為0.6～0.7 mm。

1.2 極化電流測試

極化電流測試電路如圖1所示。為了消除表面泄漏電流和電場不均勻帶來的影響，試驗采用三電極系統進行測試。電流表選擇KESIGHT B2981A，與上位機相連，實時讀取電流數據。在測量開始前，首先需要對試樣兩端進行短接放電，避免在試樣上殘留的剩余電荷對試驗結果造成影響。試驗開始時，首先閉合K1和K3，5 s后斷開K3，開始進行極化電流的測量，測試時間為600 s。測試完畢之后，為了消除剩余電荷對下次測量的影響，需要斷開K1，閉合K2和K3，對試樣進行放電，放電時間至少為30 min。測量極化電流時溫度分別設置為30、60、90、120℃，擠壓力分別設置為 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，電場強度為1～25 kV/mm。每一條件下的極化電流至少使用3個試樣進行測量，然后對測試結果進行擬合。

圖1 極化電流測試電路圖Fig.1 Polarization current measurement circuitry

2 極化電流及其特征量

2.1 極化電流曲線

根據測量結果，EPDM的極化電流用三支路擴展德拜模型進行擬合，如式（1）所示。

式（1）中：Ip為隨時間t變化的極化電流；I0是穩態時的泄漏電流；A1exp(-t/τ1)表示絕緣的體極化；A2exp(-t/τ2)表示晶體與非晶體的界面極化；A3exp(-t/τ3)表示離子與基團的界面極化[14]。

圖2為EPDM在90℃下未施加擠壓力時的極化電流曲線，圖2中實線為使用三支路擴展德拜模型擬合得到的曲線。從圖2中可以看出，隨著場強的增大，極化電流整體呈上升趨勢。這是因為一方面根據泄漏電流公式（I=U/R）可知，場強增大，流經試樣的電導電流隨之增大；另一方面由于場強增大，電子電導逐漸開始起作用，試樣的導電能力上升，極化電流隨之增大。同時，試樣內部微小的孔洞和縫隙等缺陷可能也會隨著場強的增大而發生局部放電，造成試樣的極化電流增大。

圖2 90℃未施加擠壓力時的極化電流曲線Fig.2 Polarization current curves at 90℃without extrusion pressure

2.2 吸收比K分析

為了完整反映EPDM極化電流的吸收過程，并找出其在擠壓力和熱應力下的變化趨勢，引入吸收比K，其表達式如式（2）所示。

式（2）中，I15和I60分別為施加直流電壓后，15 s時流過試樣的電流和60 s時流過試樣的電流。

對于電纜絕緣等大部分絕緣材料來說，一般認為吸收比越大，流過EPDM的電流衰減速度越快，吸收特性更好，其絕緣狀況越好[15]。

圖3分別為10 kV/mm和20 kV/mm場強作用下，EPDM絕緣試樣的吸收比隨擠壓力和溫度變化的趨勢圖。由圖3可知，隨溫度的升高，EPDM的吸收比減小。這是因為溫度升高，分子熱運動加劇，帶電粒子更容易擺脫周圍分子的束縛而產生位移，試樣的導電性能上升，絕緣性能下降，吸收比減小。

圖3 不同溫度和擠壓力下的吸收比KFig.3 Absorption ratio K under different temperatures and extrusion pressures

從圖3還可以看出，隨擠壓力的增大，吸收比整體呈現先減小后增大再減小的趨勢。這是因為EPDM絕緣材料內部不可避免地存在一定量的微孔，在擠壓力作用下，這些微孔會發生形變，分子間的吸引作用更加穩定，分子排列更加緊湊，載流子注入和遷移更加困難；擠壓力的作用也會使得陷阱排列更加均勻，使得載流子越過勢壘更加困難。超過了擠壓力造成絕緣劣化對絕緣性能的影響，絕緣性能變好，吸收比增大。但擠壓力過大時，會造成絕緣劣化，其對絕緣性能的影響開始起主要作用，吸收比開始減小，絕緣性能變差。

此外，當場強增大，吸收比的減小速度變快，與極化電流的分析一致。這是因為隨著場強增大到某一程度，電子電導開始起主要作用，試樣的電導性能隨場強的增大而增大，試樣的吸收比減小，絕緣性能下降。同時，由于場強增大，絕緣體內部的微小氣隙等缺陷可能也會隨著場強的增大而發生局部放電[16]。這些都會影響EPDM的絕緣性能，使其吸收比的減小速度變快。

2.3 電導率分析

根據測得的極化電流值，選取測量終期的電流值作為接近穩態時的電流值I∞，按式（3）計算得到10 kV/mm和20 kV/mm場強作用下的電導率γ隨溫度和擠壓力的變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同溫度和擠壓力的電導率曲線Fig.4 Conductivity curves under different temperatures and extrusion pressure

式（3）中：E為外加場強；A1為試驗所用測量電極面積；Js為穩態體電流密度。

從圖4中可以看出，隨著溫度升高，EPDM的電導率明顯增大，表明絕緣性能變差。隨著擠壓力的增大，EPDM的電導率呈現先減小后增大的規律。不同電場強度下EPDM的電導率隨溫度變化趨勢基本一致。相同溫度下，電場強度為20 kV/mm時EPDM的電導率大于10 kV/mm時EPDM的電導率。

3 電導機制分析

根據上述的電流密度和電導率計算結果，繪制出90℃下的lgJS-lgE曲線并進行分段線性擬合，結果如圖5所示。

圖5 90℃下的lgJS-lgE曲線Fig.5 lgJS-lgE curves at 90℃

由圖5可知，隨著場強的增大，多應力作用下的EPDM絕緣試樣接近穩態時的電流密度呈現出分段變化的趨勢，其中低場強區的電流密度增長較慢，而高場強區的電流密度增長較快。低場強區lgJS-lgE曲線的擬合斜率為1左右，表明此時試樣的電導特性符合歐姆電導機制。而當外加場強超過閾值場強（約為10 kV/mm）時，擬合曲線的斜率為2左右，說明此時試樣的電導機制發生了變化，由歐姆電導機制轉化為空間電荷限制電流機制（SCLC）[17]。

在低場強時，試樣的電導率γ是載流子的遷移率μf、載流子數目n和電子電荷量q的乘積，與E無關。根據歐姆定律，lgJS-lgE曲線的斜率為1。而在高場強時，根據SCLC，在lgJS-lgE非線性區域內沒有陷阱時，空間電荷限制電流如式（4）所示。

式（4）中：εr是相對介電常數；ε0是真空介電常數；VΩ是閾值電壓，在本研究中可以等效為閾值場強；d為試樣厚度。

根據式（4），在lgJS-lgE非線性區內，lgJS-lgE的斜率應當為2[16-17]。出現這種現象有兩方面原因，一是電壓的升高能夠降低介質與電極之間的勢壘寬度，使得載流子從電極注入介質更加容易；二是電壓升高，陷阱能夠捕獲更多的電子，使得載流子克服勢壘迅速激發。根據圖5，這一現象僅僅與試樣外加的場強有關，場強較低時，試樣符合歐姆電導機制，當場強升高到某一閾值，試樣的電導機制轉變為SCLC。隨著外加的溫度和擠壓力的改變，試樣僅僅是JS和閾值場強發生改變，不影響電導。閾值場強隨溫度和擠壓力變化的曲線如圖6所示。

圖6 閾值場強隨溫度和擠壓力的變化Fig.6 Threshold field strength changes with temperatures and extrusion pressures

由圖6可知，隨著溫度的升高，閾值場強大體上呈現減小的趨勢，說明溫度升高能夠促進載流子的注入與遷移，載流子能夠更容易地越過勢壘參與電導活動，EPDM的電導機制更容易轉變成SCLC。隨著擠壓力的增大，閾值場強大體上呈現先增大后減小的趨勢，說明隨著擠壓力的增大，分子間距減小，載流子的注入和越過勢壘變得困難，但擠壓力過大，試樣的絕緣狀況發生劣化，促進了電導過程。

閾值場強（EΩ）與閾值電壓（VΩ）的關系如式（5）所示。

根據式（4）和式（5），在已知試樣厚度、已測取試樣閾值場強EΩ與閾值電流密度jΩ的情況下，可以推導出載流子遷移率（μf）的計算公式，如式（6）所示。

圖7為不同溫度和擠壓力下的載流子遷移率曲線。從圖7可以看出，隨著溫度升高，電極發射電子的能力明顯增強，電極與介質間的勢壘降低，載流子更容易克服原子核的吸引作用并且越過勢壘，注入介質內部。同時溫度升高，載流子發生電導活動的活化能降低，遷移率明顯上升。而擠壓力上升，則會先阻礙載流子的注入與遷移，當擠壓力過高時，絕緣的劣化又會促進載流子的遷移過程。此結論與之前對吸收比、電導率以及閾值場強的分析基本一致。因此，相同溫度下，隨著擠壓力升高，載流子遷移率先減小后增大。

圖7 不同溫度和擠壓力下的載流子遷移率Fig.7 Carrier mobility under different temperature and different pressure

4 結論

（1）擠壓力和熱應力下EPDM的電導率與溫度和電場強度呈正相關。隨擠壓力的增大，電導率先減小后增大，吸收比則與溫度呈負相關。

（2）隨著場強的增大，EPDM的電導機制發生轉變，使準穩態電流密度曲線呈分段線性變化趨勢，表現出非線性電導特性。而溫度和擠壓力并不影響電導機理，只改變電導機制過渡點的場強和電流密度。

（3）根據SCLC計算得到載流子遷移率，進一步明確了擠壓力和熱應力對EPDM絕緣性能的影響機理。