溫度和機械應力對GF/EP介電強度的影響

劉樹美　敖明　李忠華

摘要：為了研究溫度和機械應力對玻璃纖維/環氧樹脂（Glass Fiber/Epoxy， GF/EP）復合材料介電強度的影響，分別在不同溫度、不同應力大小和不同應力作用形式下對GF/EP復合材料進行了工頻擊穿試驗，并依據電介質的擊穿理論分析了溫度和機械應力對其介電強度的影響規律。試驗結果表明：在環境溫度一定的情況下，GF/EP復合材料的擊穿強度隨拉應力的增大而減小；在彎曲正應力增大的初始階段擊穿強度有所上升，而后呈下降趨勢；在確定的機械應力下，GF/EP復合材料低溫和高溫的介電強度都比室溫下有所提高。研究結果為GF/EP復合材料在工程實際應用中提供了重要的實驗基礎。

關鍵詞：GF/EP復合材料；溫度；機械應力；介電強度

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.016

中圖分類號： TM85

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0087-06

Abstract：To research the effects of temperature and mechanical stresses on the dielectric breakdown strength （DBS） of Glass Fiber/Epoxy （GF/EP） composites， the AC breakdown test has been carried out on the GF/EP composites under different temperatures、different stress magnitude and different style of the stresses， the effects of temperature and mechanical stresses on the dielectric strength have been analyzed according to the dielectric breakdown theory. The results show that： the dielectric strength of GF/EP composites decrease with increasing tensile stress under certain temperature； the dielectric strength increase at first with increasing bending stress， reach a maximum and indicate a decreasing tendency thereafter； compared to room temperature， the dielectric strength of GF/EP composites have been increased in different level under certain stress. The results provide important experimental basis for GF/EP composites in the practical application.

Keywords：Glass Fiber / Epoxy composites； temperature； mechanical stress； dielectric strength

0引言

玻璃纖維/環氧樹脂（GF/EP）復合材料具有較高的機械和介電性能，而且耐疲勞、耐腐蝕，憑借其良好的絕緣性能和優異的力學性能，被廣泛應用于電機、繞包絕緣干式變壓器、戶外干式空心電抗器等高壓電力設備的絕緣結構中[1-2]。

電力設備的運行狀況直接關系到電網的安全與穩定，而電力設備的可靠性在很大程度上取決于絕緣的工作情況，電力設備中的絕緣一旦發生擊穿，就會對整個系統造成難以估量的危害。可見，復合材料的擊穿特性是評價設備復合絕緣程度好壞的重要指標之一[3-5]。隨著電力系統電壓等級的提高，對系統供電可靠性的要求也越來越高，保證電力設備的絕緣在高場強下的正常工作非常重要[6-8]。因此長期以來，電介質的擊穿特性一直是高電壓絕緣領域的研究熱點。

在高壓電氣產品中絕緣不但受到振動、沖擊等機械應力的作用，同時承受著電、熱應力的作用[9-12]，因此研究GF/EP復合材料在機械應力和溫度共同作用下的介電強度，對于提高材料的電氣強度、完善產品結構具有重要意義。GF/EP復合材料的結構由樹脂基體、玻璃纖維和界面三部分組成，在工頻電壓下的擊穿特性非常復雜[13]。國內外學者針對這種材料也做了相關研究，日本學者C.H.Park[14-15]等測試了室溫和液氮溫度下，壓應力和拉應力對PET和FRP介電強度的影響。實驗結果表明：溫度一定時，PET和FRP的擊穿強度隨壓應力的增大，呈先上升后下降的趨勢；而在拉應力下擊穿強度均隨拉應力的增大而減小。Sauers[16-18]也做了在液氮溫度下GF/EP復合材料的耐壓強度試驗，研究表明電場與界面之間的夾角以及試樣的厚度都會對擊穿場強產生影響。王繼輝[1，19]等研究了玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料低溫下的力學性能，發現復合材料的強度隨溫度的降低呈增加趨勢。劉鈞[20]等人研究了室溫下，拉應力對樹脂基體和單向玻璃纖維增強聚合物基復合材料的介電強度，提出并證明了基體的介電強度與拉應力呈負指數關系，認為復合材料中纖維與基體的界面是影響材料介電強度的主要因素。但是，針對電力設備實際運行環境溫度和彎曲應力下的介電強度問題，目前還沒有相關的研究報道。我國東北地區年溫差較大，干式空心電抗器在冬季異常低溫條件下發生絕緣故障的現象較為頻繁。因此，研究較寬溫度范圍內GF/EP復合材料的介電強度具有重要意義。

本文研究了溫度、應力大小和應力作用形式對GF/EP復合材料介電強度的影響。

1試驗系統與方法

1.1高低溫環境的實現

本次試驗中環境溫度設置在-40℃～65℃范圍內進行。采用高電壓高低溫試驗冰箱來實現環境溫度的模擬，該冰箱可以提供連續的-40℃～80℃的穩定運行環境。試驗中將整個測試系統浸入到盛有變壓器油的玻璃缸內，防止進行擊穿試驗時表面電弧放電的影響。試驗裝置如圖1所示。試驗倉和溫度控制系統采用分體設計，中間由絕緣通風管道連接。空氣由送風機驅動，流經制冷換熱器、加熱器、送風管道、試驗倉和回風管道形成循環，使主體試驗倉基本穩定在試驗設置的溫度條件下實現環境溫度的模擬。

1.2拉應力及電極系統的實現方法

在研究GF/EP復合材料的介電強度隨拉應力的變化規律時，采用球—板電極系統，將棒狀的高壓極端部設計成直徑為10mm的半球形，地電極為經過倒角處理的直徑為50mm的圓柱電極。為了使高壓極與地電極中心處相互垂直以保證測得數據的準確性，并且便于在實驗過程中轉移位置，將上下電極固定在絕緣支架上，如圖2所示。

測試所用試樣為3240環氧酚醛層壓玻璃布板，拉伸試樣的厚度為0.2mm，尺寸設計為300×240mm，其中有效長度為200mm。為了保證試樣在拉伸過程中只受到均勻分布的拉應力作用，將試樣兩端用多個螺釘對稱固定在拉伸模具上。考慮到試樣開孔處拉力與剪切力同時存在，并且在孔邊緣產生應力集中，為了防止試樣在開孔處發生破壞，將試樣兩端用PQ膠粘貼在表面粗糙、厚為5mm的絕緣板上。試驗裝置如圖3所示。

試驗所用拉伸模具中螺栓的螺距為1.75mm，從試樣的原長開始，通過改變模具兩端六角螺母的角度，按照0.292mm每次的方式對試樣梯度拉伸，由式（1）可得到試樣測試點處所受拉應力大小如表1所示。

1.3彎曲應力及電極系統的實現方法

為了研究GF/EP復合材料的介電強度隨彎曲正應力的變化規律，本文采用一種特殊的電極形式，其中高壓極為直徑5mm、長200mm的實心圓柱電極，地電極采用長500mm、外徑各不相同的空心金屬鋁管。測試試樣的厚度為0.3mm，長度設計為450mm，寬度根據地電極的不同外徑分別取值。將試樣用絕緣帶固定在地電極上，并將電極固定在絕緣支架上，為了提高試驗效率，1個地電極可以對應5個高壓極，試驗裝置如圖5所示。

1.4試驗數據的處理方法

進行試驗之前，將擊穿試樣用酒精擦拭干凈，充分干燥后連同電極系統浸入變壓器油中。設定好試驗所需的溫度，待達到所需實驗溫度并穩定60min以后進行擊穿測試。每種條件下至少測10個數據點，若試樣擊穿之后表面碳化痕跡明顯或擊穿點明顯偏離接觸點，則認為該數據不合格，應該舍棄。Weibull分布作為對失效數據進行統計分析的模型，在對絕緣材料擊穿數據的處理中得到廣泛應用。圖8給出了機械應力對GF/EP復合材料擊穿強度影響的Weibull分布圖，從圖中可得出給定條件下擊穿數據的特征值，并用此特征值進行數據的后續處理與分析。

2試驗結果及分析

2.1拉應力對介電強度的影響

GF/EP復合材料的介電強度隨拉應力的變化規律如圖9所示。從圖中可以看出：在環境溫度一定的情況下，擊穿強度隨所受拉應力的增大而減小，而且拉應力越大，擊穿強度的下降速率越快。

分析以上結果認為：GF/EP復合材料的界面之間存在許多缺陷，在靜電力和拉應力共同作用下分子鏈內化學鍵變弱，界面結構遭到破壞，絕緣性能下降，導致擊穿強度降低。隨著拉應力增大，弱界面破壞加劇，致使復合材料的擊穿強度下降速率增大。

拉應力作用下GF/EP復合材料的介電強度隨溫度的變化規律如圖10所示。從圖中可以看出：試樣承受拉應力一定的情況下，擊穿強度隨著溫度的升高呈現先降低后增大的趨勢。

固體電介質在電場作用下介質內部的損耗將引起發熱，由于環境溫度升高，散熱條件不利，導致介質內部溫度升高，擊穿強度降低。數據處理過程中，假設試樣的彈性模量為一常量，得出擊穿強度隨溫度的升高呈先下降后增大的趨勢。而實際情況下，當環境溫度大于0℃時，GF/EP復合材料的彈性模量隨溫度的上升而下降，即相同伸長量下，試樣受到的拉應力隨溫度的升高而降低。因而，曲線的上升階段符合前述的擊穿強度隨拉應力增大而減小的規律。

2.2彎曲正應力對介電強度的影響

在研究彎曲正應力對GF/EP復合材料介電強度的影響中，環境溫度從-15℃開始，每隔10℃梯度升溫至55℃。分別在不同溫度和不同彎曲正應力作用下以500V/s的速度對試樣加壓，直至試樣發生擊穿。

GF/EP復合材料的介電強度隨彎曲正應力的變化規律如圖11所示。從圖中可以看出，在環境溫度一定的情況下，GF/EP復合材料的介電強度在彎曲正應力增大的初始階段有所上升，當彎曲正應力增大到85.23MPa后呈現下降的趨勢，且彎曲正應力越大，介電強度下降速率越快。

分析以上結果認為：在彎曲正應力增大的初始階段，試樣內部分子排列致密，致使在溫度和應力的共同作用下的擊穿強度有所上升，而后隨著應力增大界面結構遭到破壞，絕緣性能下降，導致擊穿強度降低。

彎曲正應力作用下GF/EP復合材料的介電強度隨溫度的變化規律如圖12所示。從圖中可以看出，擊穿強度隨著溫度的升高呈現先降低后增大的趨勢。

擊穿強度隨溫度的變化規律與拉應力下擊穿強度的變化規律相同，但是變化幅度減小，這與C.H.Park[15]的研究結果相同，即相同應力作用下，試樣的厚度會影響擊穿強度的變化程度。GF/EP復合材料的結構隨溫度變化比較復雜，由于復合材料中樹脂基體和玻璃纖維的熱脹冷縮能力不同，在不同溫度、不同應力作用下，樹脂基體和玻璃纖維的粘附力增強，界面處的微孔減少，使試樣的擊穿強度在低溫和高溫下有所提高。

3結論

通過對GF/EP復合材料的試樣在不同溫度、不同應力大小和不同應力作用形式下的擊穿測試，可以得出以下結論：

1）拉應力使GF/EP復合材料的界面結構遭到破壞，引起復合材料擊穿強度降低，并且拉應力越大擊穿強度下降速率越快。

2）復合材料試樣發生彎曲時，受到剪切力和拉應力的共同作用，導致材料的擊穿強度在受力初始階段有所上升，而后隨著應力增大擊穿強度逐漸降低。

3）溫度對GF/EP復合材料的擊穿強度有顯著影響，與室溫下相比，高溫和低溫均能使試樣的擊穿強度得到提高。

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（編輯：王萍）