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材料耐漏電起痕性能的影響因素

瀏覽次數:38發布日期:2021-12-21

當高分子材料被水或被電解質溶液污染時,其表面  在外加電場的作用下會產生泄漏電流。由于污染層的電  導率不均勻,該電流產生的熱量將使污染層中某些區域  內的水分蒸發,從而形成電阻較高的干帶。干帶導  致電流中斷,引發電火花,電火花產生的熱量加劇材料  發生降解碳化。如果降解碳化的產物揮發,或者在外力  的作用下離開材料表面,那么放電只會發生在最初形成  的位置而不會向其它區域延伸,這種情況下材料被擊穿  也只是被點蝕。如果降解碳化的產物留在材料表面,那  么其較低的電阻將使電場強度集中于此,引發放電重復  發生,使其周圍產生更多的低電阻區域,最終形成碳化  物的通路,導致材料失效,即漏電起痕。

國際電工委員會(IEC)制定了 IEC 60112[2] 和 IEC  60587[3] 兩種標準試驗方法,前者又稱滴液法,適于工  作環境較為溫和的材料,后者又稱斜板法,適用于高壓  或者在較為惡劣條件下工作的材料。IEC 60112 標準試  驗方法規定試樣應水平放置在金屬板或玻璃板上,滴液  裝置在樣品正上方 300mm,兩電極材質為鉑,間距為  4mm,交流頻率為 48~60 Hz,電壓從 100 V 開始每次提  高 25 V 直到 600V 或者直到發生電痕破壞。相對漏電起  痕指數(CTI)則定義為試驗液滴下 50 滴時不發生電痕  破壞的最大電壓值,對于 600 V 下仍不發生電痕破壞的  樣品,規定用滴液 50 滴后的侵蝕深度來表征其耐電痕性。  IEC60587 則規定試樣 45°傾斜放置,試驗液的導管安  裝在試樣上部并以一定的液流量持續加液,兩電極材質  為不銹鋼,間距為 50mm,高壓端放置在試樣上部,接  地端放置在試樣下部,交流頻率為 48~62 Hz,在規定的  電壓和液流量下進行測試,記錄發生電痕破壞所用的時  間以表征試樣的耐漏電起痕性。

漏電起痕現象是高分子材料特有的絕緣破壞形式,  其本質是電火花熱作用下的熱擊穿。這一現象的產生與  材料自身的性質以及環境因素有著密切的聯系。提高導  熱率、憎水性、制品表面光滑程度、降低降解過程中的  成碳量,都可以起到提高材料耐漏電起痕性的作用。另外,  隨著電子電氣行業的發展,高分子絕緣材料的使用范圍  更加廣泛,應該關注其在非常規條件下的耐漏電起痕性,影響高分子材料的耐漏電起痕因素有以下幾點

1、材料導熱能力的影響

導熱能力對耐漏電起痕性的影響體現在放電階段,  此時,導熱能力較強的材料可以導出電火花產生的熱量,  降低放電區域的溫度,延緩材料的降解與電痕的發展。  通常使用具有良好絕緣性和高熱導率的填料來提高材料,試驗人員通過氮化鋁與氮化硼對硅橡膠耐漏電起痕性的影響試驗測試研究發現,相對于氮化鋁可以更大幅度提高硅橡膠的導熱率,使熱量  分散的同時又延緩了干帶的形成,因此測試過程中添加氮化硼的硅橡膠中心區域的溫度一直保持在 130℃左右,耐  漏電起痕性也得到了顯著的提升,而 AlN 的添加則無法  抑制硅橡膠中心區域溫度的升高,亦無法提升其耐漏電起痕性。。結果表明,導熱率與蝕損質量負相關,  即導熱率越高,蝕損質量越低,耐漏電起痕性越強。

2、污染液與親水性的影響

在不同的工作環境下,高分子材料接觸的污染液  有所不同,其耐漏電起痕性也會產生差異,一般來說  電導率越高,泄漏電流越大,電痕也就更容易產生。

3、降解過程與產物的影響

電痕破壞的最終步驟是材料在電火花的熱作用下發  生降解。早期的研究表明,聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯等乙烯基聚合物在降解時,其側基可以與氫結合,形  成揮發性化合物,留下單雙鍵交替主鏈結構。芳香族聚  合物降解時會首先形成苯基自由基,然后重新結合形成  類似石墨的結構,這些以碳碳雙鍵為骨架的結構導電性  較好,有利于電痕的發展。而聚酰胺、硅橡膠等聚合  物,熱降解的產物以單鍵碳與雜原子為主,導電性較差,  電痕發展受阻。

4、特殊工作環境的影響

高分子材料在高海拔地區的使用有時會受到氣壓的  限制,低氣壓下的耐漏電起痕性除了與氧氣含量有關之  外,還與材料的化學結構有關。實驗人員探究了低氣  壓(50kPa)時不同高分子材料的耐漏電起痕性,發現隨  著氣壓的降低,聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的 CTI  降低,環氧樹脂的 CTI 幾乎不變,聚碳酸酯(PC)的  CTI 大幅提高。分析認為,PBT 有較長的碳鏈,在正常  情況下傾向于與氧氣結合形成二氧化碳,但是在低氣壓  下,氧氣的含量不足,大量的碳在材料表面聚集,加速  了碳痕的形成。環氧樹脂分子鏈中苯環占了很大的比例,  即使在正常的大氣壓下,表面成碳的速度也遠大于碳與  氧氣結合形成二氧化碳離開材料表面的速度,因此空氣  中的氧含量對環氧樹脂的耐漏電起痕性沒有太大的影響。 而 PC 的氧指數相對較高,在氧含量較低時難以燃燒,  碳痕的形成也就非常困難,因此 CTI 值大幅提高

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