王思宇，劉 洋，雷志鵬，韓坤瑩，石志杰，劉兆貴，王 業(yè)

（太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，煤礦電氣設(shè)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(yōu)異的電絕緣性能和耐電暈性，同時具有優(yōu)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(yīng)用于煤礦、石油、船舶等領(lǐng)域的供電電纜中[1]。然而，在煤礦井下使用的EPDM電纜運行環(huán)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(fā)熱老化的影響，還因電纜隨采煤機往復(fù)行走而承受各種拉拽或擠壓力和熱應(yīng)力的作用，致使電纜絕緣使用壽命大幅縮短，導(dǎo)致電纜故障頻發(fā)[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(guī)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(zhì)損耗因數(shù)，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(tài)。趙瑞雪等[4]通過測量不同SiO2添加量的EPDM的穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)電流，結(jié)合空間電荷限制電流機制，分析了EPDM的電導(dǎo)機制隨場強的變化規(guī)律。劉英等[5]以電纜中間接頭用EPDM為研究對象，對交聯(lián)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(yīng)力和電應(yīng)力，對試樣進行電性能及力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)電應(yīng)力會造成電纜絕緣表面部分基團被破壞并氧化，拉伸應(yīng)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(shù)函數(shù)對電流曲線進行擬合，通過擬合得出的特征參數(shù)計算了老化指數(shù)，并分析了老化指數(shù)與試樣絕緣狀況之間的關(guān)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(fā)現(xiàn)當(dāng)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(xiàn)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(xiàn)有的研究成果主要集中在EPDM的老化或者除電應(yīng)力外單一應(yīng)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(yīng)力作用，特別是擠壓力和熱應(yīng)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(yīng)力作用下EPDM的電導(dǎo)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(guī)律，通過分段線性擬合的方法分析電導(dǎo)現(xiàn)象；根據(jù)普爾效應(yīng)深度理解擠壓力和熱應(yīng)力對EPDM絕緣性能的影響，為多應(yīng)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(jù)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(jīng)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(yù)熱至120℃，然后將未被硫化的膠片置于模具上預(yù)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(chǎn)生的副產(chǎn)物和機械應(yīng)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(tǒng)進行測試。電流表選擇KESIGHT B2981A，與上位機相連，實時讀取電流數(shù)據(jù)。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(jié)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(shè)置為30、60、90、120℃，擠壓力分別設(shè)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(jié)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(jù)測量結(jié)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(wěn)態(tài)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(jù)泄漏電流公式（I=U/R）可知，場強增大，流經(jīng)試樣的電導(dǎo)電流隨之增大；另一方面由于場強增大，電子電導(dǎo)逐漸開始起作用，試樣的導(dǎo)電能力上升，極化電流隨之增大。同時，試樣內(nèi)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(fā)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(yīng)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(chǎn)生位移，試樣的導(dǎo)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(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。這是因為EPDM絕緣材料內(nèi)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(fā)生形變，分子間的吸引作用更加穩(wěn)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(dāng)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(dǎo)開始起主要作用，試樣的電導(dǎo)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(nèi)部的微小氣隙等缺陷可能也會隨著場強的增大而發(fā)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(dǎo)率分析

根據(jù)測得的極化電流值，選取測量終期的電流值作為接近穩(wěn)態(tài)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(dǎo)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(dǎo)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(wěn)態(tài)體電流密度。

從圖4中可以看出，隨著溫度升高，EPDM的電導(dǎo)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(dǎo)率呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。不同電場強度下EPDM的電導(dǎo)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(dǎo)率大于10 kV/mm時EPDM的電導(dǎo)率。

3 電導(dǎo)機制分析

根據(jù)上述的電流密度和電導(dǎo)率計算結(jié)果，繪制出90℃下的lgJS-lgE曲線并進行分段線性擬合，結(jié)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(yīng)力作用下的EPDM絕緣試樣接近穩(wěn)態(tài)時的電流密度呈現(xiàn)出分段變化的趨勢，其中低場強區(qū)的電流密度增長較慢，而高場強區(qū)的電流密度增長較快。低場強區(qū)lgJS-lgE曲線的擬合斜率為1左右，表明此時試樣的電導(dǎo)特性符合歐姆電導(dǎo)機制。而當(dāng)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(dǎo)機制發(fā)生了變化，由歐姆電導(dǎo)機制轉(zhuǎn)化為空間電荷限制電流機制（SCLC）[17]。

在低場強時，試樣的電導(dǎo)率γ是載流子的遷移率μf、載流子數(shù)目n和電子電荷量q的乘積，與E無關(guān)。根據(jù)歐姆定律，lgJS-lgE曲線的斜率為1。而在高場強時，根據(jù)SCLC，在lgJS-lgE非線性區(qū)域內(nèi)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(shù)；ε0是真空介電常數(shù)；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(jù)式（4），在lgJS-lgE非線性區(qū)內(nèi)，lgJS-lgE的斜率應(yīng)當(dāng)為2[16-17]。出現(xiàn)這種現(xiàn)象有兩方面原因，一是電壓的升高能夠降低介質(zhì)與電極之間的勢壘寬度，使得載流子從電極注入介質(zhì)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(fā)。根據(jù)圖5，這一現(xiàn)象僅僅與試樣外加的場強有關(guān)，場強較低時，試樣符合歐姆電導(dǎo)機制，當(dāng)場強升高到某一閾值，試樣的電導(dǎo)機制轉(zhuǎn)變?yōu)镾CLC。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(fā)生改變，不影響電導(dǎo)。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(xiàn)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(dǎo)活動，EPDM的電導(dǎo)機制更容易轉(zhuǎn)變成SCLC。隨著擠壓力的增大，閾值場強大體上呈現(xiàn)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(fā)生劣化，促進了電導(dǎo)過程。

閾值場強（EΩ）與閾值電壓（VΩ）的關(guān)系如式（5）所示。

根據(jù)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(dǎo)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(fā)射電子的能力明顯增強，電極與介質(zhì)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(zhì)內(nèi)部。同時溫度升高，載流子發(fā)生電導(dǎo)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(dāng)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(jié)論與之前對吸收比、電導(dǎo)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(jié)論

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

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

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