龔華勇， 楊國濤， 嚴鶴翔

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水市蓮都區(qū)供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引 言

乙丙橡膠（ethylene propylene diene monomer，EPDM）具有優(yōu)異的抗氧化、耐臭氧、耐熱、耐水和耐候特性，同時又保留了橡膠類材料固有的柔軟性，被廣泛應用于中、高壓電纜，特別適用于煤礦、核電站、船舶等領域，其用量約占全部電纜的15%[1-2]。在這些場合中，乙丙橡膠絕緣電纜常作為柔性電纜使用，在實際使用中不可避免地會受到電、熱、機械等因素的聯(lián)合作用[3-5]，有時還會伴隨著輻射、水分、油等因素的影響，導致乙丙橡膠絕緣結構易產(chǎn)生缺陷，加速絕緣劣化，引發(fā)電纜故障。因此，研究各種因子共同作用下乙丙橡膠絕緣性能的變化規(guī)律十分必要。

國內外學者已經(jīng)開展了多因子作用下乙丙橡膠電纜絕緣性能的研究，其中針對電、熱、輻照作用下乙丙橡膠絕緣性能變化規(guī)律的研究較多。如針對核電站中使用的乙丙橡膠電纜，學者們分析了不同輻照條件下受溫度影響，乙丙橡膠的斷裂伸長率、熱性能、抗氧化程度、交聯(lián)度和主鏈斷裂等變化的原因和規(guī)律，結果表明，輻照和熱老化會引起乙丙橡膠壽命降低，使其分子鏈中的主鍵斷裂，形成烴基和碳基等自由基[6-9]。此外，周長亮等[10-11]對船用乙丙橡膠電纜絕緣在電和熱因子作用下的性能進行了研究，建立了基于溫度的壽命評估模型。王業(yè)等[12]研究了擠壓力和熱因子作用下電纜絕緣用三元乙丙橡膠的介電頻譜，發(fā)現(xiàn)擠壓力和溫度對直流電導率有明顯影響，從而使乙丙橡膠的復介電常數(shù)發(fā)生變化。林晨等[13]研究了電、熱、擠壓力聯(lián)合老化后乙丙橡膠的極化去極化電流，給出了老化因子和低頻介質損耗因數(shù)與老化時間的關系式。ZHOU L等[14]研究了彎曲應力和熱因子共同作用下高鐵車載乙丙橡膠電纜的老化特性，得出嚴重的彎曲將導致乙丙橡膠的斷裂伸長率下降，從而影響使用壽命。綜上所述，國內外學者研究了不同因子作用下乙丙橡膠的理化、老化性能和部分介電性能，為理解不同因子作用下乙丙橡膠性能的變化規(guī)律起到了積極作用。然而針對應力造成的影響，多側重于研究電、熱、擠壓或彎曲應力長時老化后介電性能的變化規(guī)律，既存在所施加機械應力水平較低，也存在介電性能研究不全面的問題。因此，有必要研究更多應力水平下乙丙橡膠絕緣各種介電性能的變化規(guī)律，為現(xiàn)場評估絕緣狀態(tài)提供依據(jù)。

本研究針對多因子作用下柔性電纜用乙丙橡膠絕緣的導電性，重點研究壓力和溫度對乙丙橡膠絕緣極化電流的影響，測量并分析不同電場強度、壓力和溫度下乙丙橡膠的極化電流，基于極化指數(shù)和電導率分析極化電流的變化規(guī)律，討論導電機制對極化電流的影響。

1 試 驗

1.1 試樣制備

使用電纜用乙丙橡膠（XJ-30 型，山東明聯(lián)新材料有限公司）膠片[15]制作試樣，該膠片已經(jīng)過密煉和濾橡，可直接用于乙丙橡膠電纜絕緣。制作試樣時，首先用酒精清潔模具和膠片表面，將膠片在120℃的平板硫化機上預熱1 min；之后在平板硫化機中熱壓硫化15 min，溫度約為165℃，壓力約為14 MPa。硫化結束后，盡快將膠片從模具中取出以防止過硫化，隨后將其置于溫度為80℃的真空干燥箱中烘焙24 h 進行預處理，以消除硫化產(chǎn)生的副產(chǎn)物和機械應力。制得的乙丙橡膠圓片試樣直徑為100 mm、厚度約為0.6 mm。

1.2 極化電流測量原理及步驟

極化電流測量原理如圖1所示。測量中使用三電極結構，其中測量電極用于測量極化電流，保護電極用于防止沿面泄漏電流對測量結果產(chǎn)生干擾。高壓電極直徑為40 mm，測量電極直徑為25 mm。由于流過乙丙橡膠絕緣的是pA 級的電流，為滿足極化電流對測量精度的要求，選擇KEITHLEY 6517B 型靜電計測量電流。此外，由于測量結果很容易受到外部環(huán)境的干擾，在測量過程中，將試樣和電極置于不銹鋼屏蔽筒中，并放置于恒溫干燥箱內，以屏蔽外部干擾，減小外部環(huán)境條件的影響。

圖1 極化電流測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of polarization current measurement

通過恒溫干燥箱控制溫度，溫控器控溫精度為±1℃，測量溫度分別為30、60、90、120℃。通過在試樣上施加不同質量的砝碼控制施加于乙丙橡膠上的壓力，施加的壓力分別為200、400、600、800、1 000 kPa。極化電流測量電場強度分別為1、3、5、10、15、20、25 kV/mm。測量時，先在絕緣上施加相應的溫度或壓力，并靜置30 min。施加壓力后試樣厚度會隨受壓程度不同發(fā)生變化，如圖2 所示。從圖2 可以看出，當壓力為800 kPa 時，試樣的厚度減小約13%。因此，本文計算所施電場強度和電導率時使用的試樣厚度均為溫度和壓力施加30 min 后試樣的厚度，從而減小厚度變化帶來的誤差。

圖2 試樣厚度和壓力的關系Fig.2 Relationship between pressure and thickness of sample

待溫度穩(wěn)定后，在乙丙橡膠兩端施加直流電壓Udc，即圖1 中的開關S1切換至位置1，介質內部會發(fā)生極化現(xiàn)象，從而在乙丙橡膠中流過極化電流ip(t)。經(jīng)過一定的極化時間后，將開關S1切換至位置2，使乙丙橡膠短接，此時在乙丙橡膠內部流過去極化電流。在極化電流測量過程中，將靜電計與計算機連接，每秒采集1 次電流，一共采集600 s。每個電場強度下的極化電流測量完畢后，將開關S1切換至位置2，開關S2閉合，使乙丙橡膠兩端接地600 s 后，進行下一個電場強度下的極化電流測量。

2 極化電流測量結果

2.1 不同壓力下的極化電流

圖3所示為溫度為30℃時不同壓力下乙丙橡膠的極化電流曲線。因為不同壓力下極化電流曲線變化趨勢類似，所以這里僅給出施加壓力為0、400、600、1 000 kPa 下的極化電流曲線。從圖3 可以看出，相同壓力下，乙丙橡膠的極化電流均隨著電場強度的增大而增大。

圖3 不同壓力下乙丙橡膠的極化電流Fig.3 Polarization current of EPDM under different pressure

為進一步分析壓力對極化電流的影響，分別計算了極化指數(shù)和電導率，如圖4 和圖5 所示。極化指數(shù)為60 s 時的極化電流與600 s 時的極化電流的比值，絕緣材料的極化指數(shù)一般大于2，當絕緣劣化或性能變差時，極化指數(shù)會變小。從圖4可以看出，隨著壓力的增大，乙丙橡膠的極化指數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在約600 kPa 時，極化指數(shù)最大。相同壓力下，電場強度越高，極化指數(shù)越小，表明乙丙橡膠的性能正在逐漸下降。從圖5(a)中不同壓力下乙丙橡膠的電導率可以得出，施加相同電場強度時，隨著壓力的升高，乙丙橡膠電導率的變化趨勢與極化指數(shù)相反，即呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在壓力約為600 kPa 時出現(xiàn)最小值。進一步分析圖5(b)，相同壓力下，施加低電場強度時，電導率隨電場增大而略微增大；當電場強度大于10 kV/mm 后，電導率隨電場強度升高而明顯增大。這與不同電場下乙丙橡膠的導電機制相關，將在后續(xù)內容中討論。

圖4 不同壓力下乙丙橡膠的極化指數(shù)Fig.4 Polarization index of EPDM under different pressure

圖5 不同壓力和場強下乙丙橡膠的電導率Fig.5 Electrical conductivity of EPDM under different pressure and electric field intensity

2.2 不同溫度下的極化電流

圖6為30、60、90、120℃下未施加壓力時乙丙橡膠的極化電流曲線。從圖6可以看出，相同溫度下，乙丙橡膠的極化電流均隨著電場強度的增大而增大，且隨著測量時間的增加，極化電流快速衰減到穩(wěn)定值，即電導電流。

圖6 不同溫度下乙丙橡膠的極化電流Fig.6 Polarization current of EPDM under different temperature

進一步提取極化指數(shù)和電導率，如圖7 和圖8所示。從圖7可以看出，隨著溫度升高，極化指數(shù)整體呈現(xiàn)下降的趨勢，且電場強度升高到5 kV/mm 以后，施加的場強越高，極化指數(shù)越低。對比分析電場強度和溫度對乙丙橡膠性能的影響可以發(fā)現(xiàn)，僅當電場強度為25 kV/mm 時，所有測量溫度下的極化指數(shù)小于2。但是也應注意到，不同電場強度下，隨溫度升高，極化指數(shù)的下降速率不同。從圖8 可以看出，隨著溫度升高，乙丙橡膠的電導率呈指數(shù)上升，且溫度和電場強度越高，電導率的上升速率越快。當溫度為120℃，電場強度為25 kV/mm 時，電導率達到1.08×10-12S/m。說明在高溫和高場強下，乙丙橡膠的絕緣性能將變差，電導電流升高，即電導率升高，絕緣電阻降低。

圖8 不同溫度下乙丙橡膠的電導率Fig.8 Electrical conductivity of EPDM under different temperature

2.3 不同壓力和溫度下的極化電流

由前述分析可知，極化指數(shù)和電導率能夠更加清晰地反映不同壓力和溫度下乙丙橡膠的極化電流特性。因此，后續(xù)分析壓力和溫度共同作用下的極化電流時，直接選取極化指數(shù)和電導率進行分析。

圖9 為施加電場強度分別為1 kV/mm 和25 kV/mm 時不同壓力和溫度下乙丙橡膠的極化指數(shù)。從圖9(a)可以看出，不同溫度下，隨著壓力升高，極化指數(shù)整體呈先增大后減小的趨勢，在壓力約為400 kPa時出現(xiàn)最大值。壓力為1 000 kPa時，60、90、120℃下乙丙橡膠的極化指數(shù)均低于未施加壓力時的極化指數(shù)，其中電場強度為1 kV/mm 時60、90、120℃下乙丙橡膠的極化指數(shù)分別約為1.97、1.48、1.27，電場強度為25 kV/mm 時分別約為1.21、1.10、1.08。從圖9(b)可以看出，相同壓力下，當壓力較大時，溫度對乙丙橡膠的極化指數(shù)的影響變弱，但極化指數(shù)仍隨溫度升高而逐漸減小。結合圖9(a)和(b)可以看出，當溫度從60℃升高到120℃，壓力為400 kPa 時，電場強度為1 kV/mm 下的極化指數(shù)從5.63降低為2.84，25 kV/mm 下的極化指數(shù)從2.2 降低為1.17；壓力為1 000 kPa時，1 kV/mm下的極化指數(shù)從1.97 降低為1.27，25 kV/mm 下的極化指數(shù)從1.21 降低為1.08。類似地，當溫度升高后，壓力對極化指數(shù)的影響也會減弱，特別是當溫度為120℃時，極化指數(shù)隨壓力升高僅出現(xiàn)輕微下降。

圖10為不同壓力和溫度下乙丙橡膠的電導率。結合圖5(a)可知，相同電場強度下，隨著壓力的升高，乙丙橡膠的電導率先減小后增大。此外，溫度對電導率也有明顯影響，即溫度升高，電導率升高。從圖10 可以看出，當溫度達到120℃時，電導率隨溫度上升大幅升高，電場強度為1 kV/mm 和25 kV/mm時分別達到6.72×10-13S/m和3.34×10-12S/m。

圖10 不同壓力和溫度下乙丙橡膠的電導率Fig.10 Electrical conductivity of EPDM under different pressure and temperature

3 討 論

不同壓力和溫度下乙丙橡膠絕緣的極化電流、極化指數(shù)和電導率的變化，與其導電機制相關。為分析導電機制，本文選取施加電壓600 s時的電導電流作為穩(wěn)態(tài)電流計算乙丙橡膠的準穩(wěn)態(tài)電導電流密度Js，如式（1）所示。

式（1）中：i∞(t)為加壓600 s 時的穩(wěn)態(tài)電流值；Amel為測量電極的面積。

圖11為90℃時，不同壓力下的準穩(wěn)態(tài)電導電流密度與電場強度的關系曲線。不同溫度下，準穩(wěn)態(tài)電導電流密度與電場強度關系曲線類似。從圖11可以看出，準穩(wěn)態(tài)電導電流密度呈現(xiàn)出分段變化的趨勢。低場強時，壓力作用明顯，不同壓力下的準穩(wěn)態(tài)電導電流密度間隔較為分散；電場強度增大后，壓力影響減弱，準穩(wěn)態(tài)電導電流密度較為集中。如前所述，隨著壓力的升高，不同電場強度下的準穩(wěn)態(tài)電導電流密度先減小后增大。在低場強（低于10 kV/mm）下準穩(wěn)態(tài)電導電流密度變化較緩。隨著場強升高至某一閾值，準穩(wěn)態(tài)電導電流密度迅速增大，這表明其導電機制發(fā)生了轉變。

圖11 不同壓力下乙丙橡膠的準穩(wěn)態(tài)電導電流密度Fig.11 Quasi-steady-state current density of EPDM at different pressure

低場強區(qū)與高場強區(qū)的兩條擬合線的交點對應的電場強度表示空間電荷開始注入的閾值場強[16]，其值如表1 所示。從表1 可以看出，低場強區(qū)擬合直線的斜率接近1，說明此時準穩(wěn)態(tài)電導電流密度與場強之間存在線性關系，滿足歐姆定律，處于歐姆電導區(qū)。而高場強區(qū)的擬合直線斜率接近2，可知高場強區(qū)的電導特性滿足空間電荷限制電流機制[17]。這種隨電場變化而出現(xiàn)非線性電導現(xiàn)象的主要原因有兩方面：一是電場強度增大會降低電極和介質間勢壘，使得注入的電子數(shù)量增多，并在試樣內部局部區(qū)域積聚；另一方面，電場會增加陷阱中俘獲的電子或使空穴熱激發(fā)，在一定條件下深陷阱將被填滿而不再捕獲載流子，導致載流子克服勢壘的約束而迅速增加。

表1 不同壓力下的Js-E曲線的參數(shù)Tab.1 Parameters of Js-E curves of EPDM at different pressure

圖12 為不同壓力和溫度下乙丙橡膠的閾值場強和載流子遷移率。閾值場強的高低與絕緣中參與導電的電荷數(shù)量相關。當外施電場超過閾值場強后，電荷快速移動，電荷密度增大，電導電流密度上升，電導率增大，絕緣性能變差。從圖12 可以看出，隨著壓力的升高，閾值場強呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在約400 kPa 時乙丙橡膠的閾值場強達到最大值。一定程度上，施加較低的壓力會限制乙丙橡膠分子鏈的運動，減弱載流子的傳輸，閾值場強升高，電導率降低。此外乙丙橡膠分子間距離減小，從而使得空間電荷注入量減小，也會導致閾值場強增大。隨著壓力的進一步增大，壓力使乙丙橡膠向受力的垂直方向擠出，撕裂乙丙橡膠的趨勢增大，加劇缺陷的形成，導致勢壘降低。注入的電子更容易越過勢壘參與電導輸運，使得絕緣電導率升高，閾值場強降低。隨著溫度的升高，乙丙橡膠中的雜質受熱而激發(fā)活化成為雜質離子并發(fā)生定向躍遷，或是雜質能級中的電子被激發(fā)，使得乙丙橡膠中能夠參與電導過程的自由電荷密度呈指數(shù)增長。此外，根據(jù)肖特基注入理論，溫度升高會增加載流子的動能，增大載流子濃度和載流子遷移率，使其更容易越過勢壘而參與電導過程。因此隨著溫度升高，閾值場強呈下降趨勢，且電導率增大。

圖12 乙丙橡膠的閾值場強和載流子遷移率Fig.12 Threshold field strength and carrier mobility of EPDM

4 結 論

（1）不同電場強度下，隨著壓力的升高，乙丙橡膠的極化指數(shù)先增大后減小，電導率先減小后增大。與此不同，隨著溫度的升高，乙丙橡膠的極化指數(shù)逐漸減小，電導率呈指數(shù)升高。當壓力較高時，溫度對乙丙橡膠極化指數(shù)的影響變弱，但極化指數(shù)仍隨溫度升高而略微減小。類似地，當溫度升高后，壓力對極化指數(shù)的影響也會減弱。

（2）不同壓力和溫度下的準穩(wěn)態(tài)電導電流密度與電場強度關系曲線均呈分段線性變化趨勢，低場強區(qū)為歐姆電導區(qū)，高場強區(qū)滿足空間電荷限制電流機制。導電性能變化的閾值點（即閾值場強）與壓力和溫度相關。