吳 凱， 吳少雷， 馮 玉， 張?zhí)旆澹?池正南

（1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108）

0 引 言

2021 年我國首次將“雙碳”目標寫入政府工作報告，意味著現階段能源的利用開始向低碳化、清潔化方向轉變[1]。近年來，隨著海上風電的戰(zhàn)略地位不斷提高，應用于大陸與海島供電系統中的海底電纜需求也不斷增加[2-4]。電纜系統通常包括電纜本體和電纜附件，在常用的電纜系統中，附件絕緣和電纜本體主絕緣通常采用不同的材料，使得電纜附件中存在多處不同絕緣介質界面。其中內屏蔽罩與外應力錐之間的界面最為關鍵，通常由內部的絕緣層和外部的附件絕緣層組成，一般“電纜接頭界面”均指該區(qū)域的界面。事實上，電纜本體與附件絕緣之間易發(fā)生沿面放電的擊穿，導致電纜附件成為整個電纜系統中最薄弱的地方[5-10]。據統計，大約70%的電纜故障是由電纜附件的故障引起[11-12]。不同于單一介質絕緣體表面的擊穿，電纜附件內的復合界面擊穿不僅與介質材料的絕緣性能有關，復合界面的接觸狀態(tài)和界面間隙填充物也是導致界面擊穿的重要因素。

隨著電纜的大量使用，電纜接頭雙層介質界面擊穿故障逐漸引起研究人員的重視，已有學者針對電纜附件界面失效機理展開了研究。D FOURNIER 等[13-15]研究了雙層介質界面的交流擊穿特性，結果發(fā)現界面擊穿電壓隨著界面壓強的增大而增大，而老化會降低界面壓強，從而使得界面擊穿電壓降低。E KANTAR 等[16-18]針對界面粗糙度、界面壓力、材料彈性模量和復合介質填充物對雙層介質界面擊穿強度的影響開展了研究，結果發(fā)現界面交流擊穿電壓隨著界面壓強的增大而增大，彈性模量越小，其對界面壓強的影響越顯著。此外，還發(fā)現使用絕緣油充滿界面空腔有利于提高界面擊穿電壓。杜伯學課題組[19-21]研究分析了雙層介質界面擊穿電壓隨粗糙度、界面壓強等因素的變化，并基于分形維數研究了XLPE 表面的破壞現象，結果發(fā)現界面粗糙程度越大，界面放電光越強，電痕破壞通道越寬。另外，電痕的破壞通道隨著壓力的增加而變窄且更加規(guī)則。

目前研究學者針對界面粗糙度、界面壓強對雙層介質界面擊穿電壓的影響進行了相關研究，而關于界面接觸狀態(tài)和溫度對界面擊穿電壓以及擊穿特性的研究還有所缺乏。因此，本文選取電纜附件用絕緣材料硅橡膠（silicone rubber, SR）和聚乙烯（polyethylene, PE）材料，搭建多物理場下界面擊穿試驗平臺，研究在交流電壓下，不同界面粗糙程度、不同界面壓強及不同溫度對SR/PE復合界面擊穿電壓的影響規(guī)律，對擊穿后的界面進行拍攝，分析不同條件下界面擊穿形態(tài)的微觀特性；基于此，對多物理場下SR/PE 界面擊穿的影響過程進行分析與討論。

1 試 驗

1.1 原材料及試樣制備

采用中藍晨光的雙組分液體硅橡膠為原材料，制備厚度為2 mm 的塊狀樣品。首先以1∶1 的質量比稱取雙組分SR，將其放入懸臂式攪拌器攪拌20 min 以上，使其充分混和；接著將混合完成的原料放入真空干燥箱處理10 min，以去除材料中的氣泡；最后將原料注入模具，使用平板硫化機在165℃、5 MPa 下進行硫化，得到尺寸為40 mm×40 mm×2 mm的試驗樣品。

選用萬河塑膠絕緣材料公司的PE 材料，從PE上切取長寬均為40 mm、厚度為1 mm 的薄片作為試驗樣品。之后分別使用80、400、600、1 000、2 000目的磨砂紙對PE樣品進行打磨，并使用無水乙醇進行清洗，制成5 種不同粗糙度的薄片試樣。根據界面粗糙度的不同，將打磨完的聚乙烯試樣分別記為PEg80、PEg400、PEg600、PEg1000、PEg2000，而SR/PEg80則代表由SR試片與80目磨砂紙打磨過的PE試片組成的復合樣品，其余樣品命名方式以此類推。

圖1(a)、(b)分別為SR/PE 雙層介質界面試樣布置和界面電極布置。使用厚度為0.05 mm 的銅箔作為界面電極，采用尖-板電極模型，其具體參數如圖1(b)所示。

圖1 SR/PE界面試樣布置和界面電極布置Fig.1 SR/PE interface specimen arrangement and interfacial electrode arrangement

1.2 界面擊穿試驗

為了對試樣施加一定的壓力，本文采用如圖2所示的界面施壓裝置。該裝置主要由3塊有機玻璃板、環(huán)氧樹脂材料的螺栓和螺母以及壓力傳感器組成。有機玻璃板四角的孔徑略大于螺栓直徑，故螺栓與玻璃板之間的力可以忽略不計。上兩片板中間放置試樣，下兩片板之間放置壓力傳感器。試驗前旋緊螺母，壓力通過螺栓傳至板間。壓力傳感器的示數即可認為是試樣所受的力。

圖2 界面施壓裝置和樣品布置Fig.2 Interfacial pressure application device and sample arrangement

圖3 為交流電壓下的界面擊穿試驗平臺，由交流高壓電源、調壓器、交流阻容分壓器、保護電阻、試驗區(qū)域等組成。試驗區(qū)域主要包括SR/PE界面試樣、烘箱以及界面施壓裝置。

圖3 界面擊穿試驗平臺Fig.3 Interfacial breakdown testing platform

界面粗糙度和界面壓強組的試驗均在25 ℃、70%濕度下進行。界面溫度組的溫度通過圖3中試驗區(qū)域中的鼓風干燥箱控制。試驗前，將樣品放置在干燥箱中靜置30 min 使其充分受熱。試驗中采用短時快速加壓的方式，以0.5 kV/s 的升壓速率進行擊穿試驗。不同的變量組分別進行10 次擊穿試驗，將10 次擊穿電壓取平均值作為該變量下SR/PE界面的擊穿電壓。將擊穿后的PE、SR 界面放置在光學顯微鏡下觀察擊穿通道。

2 結果與討論

2.1 粗糙度對界面擊穿電壓和形態(tài)的影響

圖4 為不同粗糙程度的SR/PE 試樣在0.1 MPa壓強下的界面擊穿電壓分布規(guī)律。從圖4 可以看出，SR/PEg2000 樣品的界面擊穿電壓最高為17.7 kV，而SR/PEg80 樣品的界面擊穿電壓僅為10.1 kV。試驗結果表明雙層介質界面的擊穿電壓受界面粗糙度的影響顯著，界面越光滑越有利于提高界面的擊穿電壓。此外，由于未打磨的PE樣品在制備過程中表面難免會存在一些劃痕、微凹槽等缺陷[21]，界面的光滑程度反而不如由細密的2 000 目磨砂紙打磨的PE 界面，因此其擊穿電壓低于SR/PEg2000樣品。

圖4 不同粗糙度下的界面擊穿電壓Fig.4 Interfacial breakdown voltage under different roughness

圖5 為PE 和SR 界面的接觸示意圖。實際在粗糙面接觸時，都是由表面上最高的微凸體先接觸，因此兩個介質界面的接觸可視為粗糙面上不規(guī)則的微凸體之間的接觸[22]。從圖5(a)可以看出，使用80 目磨砂紙打磨的PE 表面的微凸體高度隨機分布，PE與SR 的真實接觸面積較小，界面間隙數量少但尺寸大。間隙中的氣體是影響界面擊穿的重要因素，與固體介質相比，空氣的介電常數較小，導致空氣在更低的電壓下引發(fā)局部放電和擊穿，因此試樣SR/PEg80 的界面擊穿電壓最低。從圖5(b)可知，使用2 000 目磨砂紙打磨的PE 板表面光滑，PE 表面的微凸體高度分度較為規(guī)整，PE 與SR 的真實接觸面積較大，界面間隙的數量多且尺寸小，總的間隙體積小，因此SR/PEg2000擊穿電壓高。

圖5 SR和PE的接觸原理圖Fig.5 Schematic diagram of contact between SR and PE

圖6 為不同粗糙度下SR/PE 樣品界面擊穿后的圖像，其中(a1)～(a5)為PE 界面，(b1)～(b5)為SR 界面，圖像中棕黃略帶黑色的部分為碳化區(qū)域。從圖6 可以明顯看出碳化區(qū)域的碳痕主要留在PE 表面，而在SR表面的碳痕相較于PE表面并不明顯。因此后續(xù)主要針對擊穿后的PE 界面的擊穿形態(tài)圖像進行分析。

圖6 不同粗糙度下PE/SR樣品界面擊穿后的圖案Fig.6 Interfacial images of PE/SR samples after breakdown under different roughness

圖7 給出了雙層介質界面碳痕演變的示意圖。隨著界面電壓的升高，間隙中的氣體率先被擊穿，出現放電現象。隨著放電的進行，高能粒子產生的能量使得PE 材料表面的C=C、C-H 鍵逐漸被打斷，缺陷表面開始出現碳化現象，碳顆粒隨著碳化析出隨機附著在PE 表面。隨著電壓的不斷升高，PE 表面碳化越來越嚴重，界面的碳顆粒逐漸聯結形成碳痕。隨著電場的進一步增大，碳化現象愈加嚴重，最終界面的碳顆粒相互連接成一個完整的通道貫穿整個界面，又由于碳顆粒具有一定的導電性，此時相當于將高壓電極和接地極短路，導致界面絕緣完全失效。

圖7 界面碳痕演變示意圖Fig.7 Schematic diagram of interfacial carbon trace evolution

此外，從圖6(a1)～(a5)可以發(fā)現，隨著界面光滑程度的提高，碳化區(qū)域減小。這是因為碳化區(qū)域的大小與放電的隨機性相關。界面越光滑，PE 和SR界面間的間隙總尺寸越小，使得放電的隨機性降低，從起始放電到界面擊穿，所有的放電路徑幾乎在同一位置，同一位置的界面被反復破壞，致使碳化現象出現的地方集中，即碳化區(qū)域減小[21]。

2.2 壓強對界面擊穿電壓和形態(tài)的影響

圖8 為SR/PEg400 樣品在0.05、0.075、0.10、0.20及0.30 MPa壓強下的界面擊穿電壓。從圖8可以看出，在0.05 MPa 的界面壓強下，界面的擊穿電壓最低為5.9 kV。當壓強增大至0.10 MPa 時，界面擊穿電壓快速上升至11.1 kV，上升幅度為88.1%。后期隨著界面壓強的進一步上升，擊穿電壓上升幅度減緩，當界面壓強上升至0.30 MPa時，擊穿電壓提高至13.0 kV，相較于0.10 MPa 下的擊穿電壓僅上升了17.1%。

圖8 不同壓強下SR/PEg400樣品界面擊穿電壓分布Fig.8 Interfacial breakdown voltage of SR/PEg400 sample interface under different pressures

J A GREENWOOD等[23-24]基于Hetz 彈性接觸理論建立了粗糙表面接觸的Greend-Williamson（GW）模型。根據G-W 模型可以估算出SR/PE 雙層介質界面在不同狀態(tài)下界面接觸的特征量，其中彈性接觸條件下真實接觸面積與界面壓強的定義如式（1）所示[25]。

式（1）中：Ar為真實接觸面積；Aa為理論接觸面積；Pa為界面壓強；E*為復合界面的彈性模量；σ為微凸體高度的均方差；βm為微凸體平均曲率半徑。

當界面壓強較小時，復合界面存在著大量的間隙，而間隙中氣體的介電常數小于PE或者SR，因此界面電場分布極不均勻。由于氣隙的擊穿場強遠低于固體材料，界面更容易放電[26]。而增大界面壓強時，由式（1）可知雙層介質界面的真實接觸面積Ar增大（其中Aa為定值），間隙中的氣體體積減小，這時界面電場的分布變均勻，放電也不容易產生。因此增加界面壓強有利于提升界面的絕緣性能[20,27]。

圖9為不同壓強下PE界面的擊穿形態(tài)。

圖9 不同壓強下PE擊穿后的界面圖像Fig.9 Interfacial images after breakdown of PE under different roughness

由圖9可知，當界面壓強為0.05 MPa時，擊穿形態(tài)并沒有明顯的碳化區(qū)域。這是因為低壓強下，復合界面的間隙較大，此時擊穿電壓較低，產生局部放電現象至界面完全被擊穿的時間間隔較短，所以界面碳化現象并不嚴重。當界面壓強增大到0.075 MPa 時，隨著電壓的逐漸升高，伴隨著局部放電產生的高能粒子，碳顆粒開始在PE 表面積聚，此時由于界面產生起始放電至擊完全擊穿具有明顯的時間間隔，界面上的碳顆粒逐漸聯結出現了明顯的碳化現象。隨著界面壓強的進一步增大，界面碳化區(qū)域逐漸減小。雖然高壓強下擊穿電壓有所提升，但其提升幅度較小，如圖8所示。此時，間隙隨著壓強的增大而大幅減小，界面放電的隨機性較弱，因此界面碳化區(qū)域減小[26]。

2.3 溫度對界面擊穿電壓和形態(tài)的影響

本試驗在0.1 MPa的壓強下分別測試了25、40、55、70、85℃下SR/PEg400 樣品的擊穿電壓，結果如圖10 所示。從圖10 可以看出，25℃時界面的擊穿電壓最高，達到11.1 kV。

圖10 不同溫度下SR/PEg400樣品的界面擊穿電壓Fig.10 Interfacial breakdown voltage of SR/PEg400 sample under different temperatures

根據固體介質的陷阱理論，介質的能帶在外加電場的作用下發(fā)生傾斜，載流子通過尖電極按照Richardson-Schottky 定律[28]以熱電離的方式注入雙層介質界面。此外，聚乙烯或者硅橡膠材料表面難免會存在缺陷，隨著溫度的升高，缺陷俘獲的載流子受熱激發(fā)獲得足夠的能量后越過勢壘到達雙層介質界面[29]，從而引發(fā)載流子激增。

文獻[30]提出擊穿場強與聚合物的自由體積有關。當溫度升高時，介質表面材料的自由體積增多，載流子平均自由行程增加，促使電離更加容易，此時界面擊穿速率更快，因此當溫度為40℃時擊穿電壓明顯下降。

如圖10 所示，隨著溫度的進一步上升，擊穿電壓并未顯著下降。PE 的熔點在85～110℃范圍內，此時溫度逐漸接近PE 材料的熔點，使得PE 表面變得柔軟。在一定界面壓力的作用下，PE 和SR 之間界面的真實接觸面增大，界面的間隙減小。此時的界面載流子雖然增多，但由于界面間隙減小，載流子平均自由行程減小，在外電場的作用下載流子獲得的能量不足以引起電離至界面擊穿，因此在高溫下界面擊穿電壓并未顯著下降。

圖11 為不同溫度下PE 界面的擊穿形態(tài)。從圖11 可以看到，隨著溫度從25℃升高至55℃，界面碳化區(qū)域變大，顏色更深。這是因為溫度升高，界面間隙中氣體的熱電離更劇烈，導致界面放電更劇烈，PE 界面的分子鏈斷裂嚴重，所以界面的碳化區(qū)域更大。而隨著溫度的進一步上升，由于材料軟化導致界面接觸面積上升，間隙尺寸減小，間隙中氣體分子數量減少，導致界面放電概率下降，從而對界面的破壞能力減弱，因此界面碳化區(qū)域減小。

圖11 不同溫度下PE擊穿后的界面圖像Fig.11 Interfacial images after breakdown of PE under different temperatures

3 結 論

本文針對不同界面接觸狀態(tài)和溫度對SR/PE雙層介質界面的擊穿電壓和形態(tài)進行研究，得到以下主要結論：

（1）SR/PE 雙層介質界面擊穿后的碳痕主要留在PE板表面。

（2）PE 界面光滑程度越高，SR/PE 界面擊穿電壓越高，且PE界面的碳化區(qū)域越??；界面壓強越大，雙層介質界面擊穿電壓越高，而PE界面的碳化區(qū)域呈先增大后減小的趨勢。

（3）SR/PE 雙層介質的界面擊穿電壓隨溫度的升高整體呈下降的趨勢。由于溫度的升高，SR變得更加柔軟，在一定壓力下SR/PE 的真實接觸面積增大，導致界面的擊穿電壓沒有明顯下降。此外，隨著溫度的升高，PE界面碳化面積呈現先增大后減小的趨勢。